Hoe werken röntgenbuizen?

Röntgenstralen worden gegenereerd door het omzetten van de energie van de elektronen fotonen, die optreedt in de röntgenbuis. Hoeveelheid (blootstelling) en kwaliteit (spectrum) straling kan worden aangepast door het veranderen van de stroom, spanning en het tijdstip van het instrument.

werkingsprincipe

Röntgenbuizen (foto gegeven in het artikel) zijn energieomzetters. Zij ontvangen vanuit het netwerk en omgezet in andere vormen - doordringende straling en warmte, de laatste is een ongewenst bijproduct. Röntgenbuis inrichting zodanig dat deze maximaliseert de productie van fotonen en voert de warmte zo snel mogelijk.

De buis is een betrekkelijk eenvoudige inrichting, kenmerkend omvattende twee basiselementen - een kathode en een anode. Wanneer stroom van de kathode naar de anode, de elektronen verliest energie, wat leidt tot het genereren van röntgenstraling.

anode

De anode is een component, waarbij de emissie van hoogenergetische fotonen. Dit is een relatief massief metaal element dat is verbonden met de positieve pool van het elektrische circuit. Het heeft twee belangrijke functies:

• Het zet de elektronenenergie in röntgenstraling,
• Het wordt warmte afgevoerd.

Het materiaal voor de anode wordt gekozen om deze functies te verbeteren.

Idealiter meeste van de elektronen moet een hoogenergetische fotonen te vormen, in plaats van warmte. Verhouding van de totale energie die wordt omgezet in röntgenstraling (COP) hangt af van twee factoren:

• atoomnummer (Z) van het anodemateriaal,
• elektronenenergie.

Bij de meeste röntgenbuizen als materiaal voor de anode gebruikte wolfram, waarvan het atoomnummer gelijk aan 74. Naast de grote Z Dit metaal heeft een aantal andere kenmerken die zij daarvoor geschikt te maken. Wolfraam is uniek in zijn vermogen om kracht te handhaven bij verhitting een hoog smeltpunt en een lage verdampingssnelheid.

Al vele jaren wordt de anode gemaakt van puur wolfraam. In de afgelopen jaren zijn we begonnen met deze metaallegering te gebruiken met rhenium, maar alleen aan de oppervlakte. Zelf anode onder de wolfraam-rhenium gecoat met een licht materiaal, goede warmte-opslag. Twee van dergelijke stoffen zijn molybdeen en grafiet.

De röntgenbuis voor mammografie, is voorzien van de anode bedekt met molybdeen. Dit materiaal heeft een tussenliggende atoomnummer (Z = 42), die fotonen met karakteristieke energie, geschikt voor het opnemen van de borst genereert. Sommige mammografieapparaten ook een tweede anode, gevormd uit rhodium (Z = 45). Dit maakt het mogelijk om energie te verhogen en het bereiken van een grotere penetratie van dichte borsten.

Het gebruik van wolfraam-rhenium legering verbetert de lange-termijn stralingsvermogen - tijd efficiëntievoorzieningen met anode uit zuiver wolfraam wordt gereduceerd als gevolg van thermische schade aan het oppervlak.

De meeste van de anode de vorm van de conische schijven en de motoras, waardoor ze roteert relatief hoge snelheden ten tijde van de emissie van röntgenstralen bevestigd. Het doel van de rotatie - de afvoer van warmte.

brandpunt

De röntgenopwekking gedeelte niet het gehele anode. Het komt voor in een klein gebied van het oppervlak - het brandpunt. Afmetingen laatst bepaalde afmeting van de elektronenbundel vanuit de kathode. In de meeste ervan een rechthoekige vorm varieert binnen 0,1-2 mm inrichtingen.

De röntgenbuis ontwerp met een bepaalde grootte van het brandpunt. Hoe kleiner het is, hoe minder motion blur en een hogere scherpte, en wat meer is, de betere warmteafvoer.

Brandpuntafmeting is een factor die moet worden overwogen bij het kiezen van de röntgenbuis. Fabrikanten produceren apparaten met kleine brandpunt, waarbij het noodzakelijk is om hoge resolutie en klein genoeg straling te bereiken. Zo is het vereist in de studie van kleine en gevoelige lichaamsdelen zoals mammografie.

De röntgenbuis hoofdzakelijk brandpunten twee maten - grote en kleine, die de bestuurder kan worden gekozen overeenkomstig de beeldvormende procedure.

kathode

De hoofdfunctie van de kathode - elektronen te genereren en verzamelen ze in een bundel naar de anode. Het bestaat doorgaans uit een kleine spiraaldraad (filament) ingebed in een komvormige uitsparing.

Elektronen die door de schakeling normaal niet verlaten de geleider en een vrije ruimte. Toch kunnen ze het doen, als ze genoeg energie te krijgen. Bij een proces dat bekend staat als thermische emissie, de warmte die wordt gebruikt om de elektronen verdrijven uit de kathode. Dit wordt mogelijk wanneer de druk in een geëvacueerde röntgenbuis 10 ^-6 -10 ^-7 Torr bereikt. Art. Het garen wordt verhit op dezelfde wijze als spiraal gloeilamp door een stroom daardoorheen. Werkzaamheden kathodestraalbuis wordt vergezeld door het verwarmen tot een temperatuur luminescentie verplaatsing thermische energie uit de elektronen.

ballon

De anode en kathode zijn opgenomen in een gesloten omhulling - cilinder. De ballon en de inhoud wordt vaak aangeduid als een inzetstuk, die een beperkte levensduur heeft en kan worden vervangen. De röntgenbuis algemeen een glazen bol, hoewel metalen en keramische cilinders voor sommige toepassingen.

De belangrijkste functie is om de container en isoleren ondersteunen van de anode en de kathode, en onderhouden onderdruk. De druk in de geëvacueerde röntgenbuis bij 15 ° C 1,2 x 10 ^-3 Pa. De aanwezigheid van gas in de tank zou kunnen stroom door de inrichting stroomt vrij, niet alleen in de vorm van een elektronenbundel.

huisvesting

Röntgenbuis inrichting zodanig dat, naast de behuizing en de ondersteuning van andere componenten, dient het als een schildlichaam en absorbeert de straling, behalve de nuttige bundel die door het raam. De relatief grote externe oppervlak verdwijnt het grootste deel van de warmte die in het apparaat. De ruimte tussen het omhulsel en het inzetstuk gevuld met olie die isolatie en koelen verschaft.

keten

Het elektrisch circuit verbindt de telefoon met een stroombron, die een generator wordt genoemd. Bron wordt gevoed vanuit het netwerk en zet de wisselstroom naar gelijkstroom. De generator kunt u ook een aantal parameters van de keten aan te passen:

• KV - spanning of elektrische potentiaal;
• MA - stroom die door de buis stroomt;
• S - duur of belichtingstijd in fracties van een seconde.

De schakeling levert de beweging van elektronen. Zij worden geladen met energie die door de generator, en het aan de anode. Hun beweging komt twee transformaties:

• elektrische potentiële energie wordt omgezet in kinetische energie;
• kinetische zijn beurt wordt omgezet in röntgenstraling en warmte.

potentieel

Wanneer de elektronen aankomen in de kolf, bezitten zij potentiële elektrische energie, die wordt bepaald door de hoeveelheid KV spanning tussen de anode en de kathode. De röntgenbuis werd bedreven bij een spanning van 1 kV waarbij elk deeltje 1 keV moet genereren. Door de KV de operator geeft elk elektron een bepaalde hoeveelheid energie.

kinetica

Lage druk in een geëvacueerde röntgenbuis (bij 15 ° C is 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. V.) Laat de deeltjes onder invloed van de emissie en thermionische elektrische kracht die uit de kathode naar de anode. Deze kracht versnelt, wat leidt tot verhoogde snelheid en kinetische energie en potentiële dalen. Wanneer een deeltje landt op de anode, wordt het potentieel verloren, en al zijn energie wordt omgezet in kinetische energie. 100 keV elektronen bereikt een snelheid groter dan de halve lichtsnelheid. Opvallende het oppervlak van het deeltje vertraagt snel en verliezen hun kinetische energie. Ze draait zich om X-stralen of warmte.

Elektronen in contact komen met de afzonderlijke atomen van het anodemateriaal. Straling van hun interactie met orbitalen (röntgenfotonen), en met een kern (remstraling).

bindingsenergie

Elk elektron in een atoom heeft een bepaalde bindingsenergie, die afhangt van de grootte hiervan en het niveau waarop het deeltje zich bevindt. De bindingsenergie speelt een belangrijke rol bij het genereren van de karakteristieke röntgenstralen en nodig om een elektron uit een atoom te verwijderen.

remstraling

Remstraling produceert het grootste aantal fotonen. De elektronen doordringen in het anodemateriaal en zich dicht bij de kern, afgebogen en vertraagd zwaartekracht voorstelt. Hun energie verloren tijdens deze vergadering wordt weergegeven in de vorm van een X-ray foton.

scala aan

Slechts een paar fotonen hebben een energie in de buurt van het elektron energie. Het merendeel van hen is lager. Neem aan dat er een ruimte of gebied rondom de kern, waarbij de elektronen experience kracht "remming". Dit veld kan worden verdeeld in zones. Dit geeft een beeld van het gebied van de kern doel atoom in het midden. Electronic overal vallen in het doel wordt afgeremd en genereert een X-ray foton. Deeltjes die het dichtst bij het centrum vallen, het meest blootgesteld zijn en daardoor verliest de meeste energie, het produceren van zeer hoog-energetische fotonen. Elektronen sluiten van de buitenzone ervaren van een zwakke interactie en het genereren van fotonen met lagere energie. Hoewel het gebied dezelfde breedte, dat zij een ander gebied, afhankelijk van de afstand tot de kern. Aangezien het aantal deeltjes invallen op de zone, afhankelijk van de totale oppervlakte, is het duidelijk dat de buitenkant vangen meer elektronen en leiden tot meer fotonen. energie röntgenspectrum kan worden voorspeld door dit model.

_Emax fotonen belangrijkste remstraling spectrum dat overeenkomt met _Emax elektronen. Onder dit punt, met een afnemende foton energie verhoogt hun nummer.

Een aanzienlijk aantal fotonen met lage energie geabsorbeerd of gefilterd als ze proberen door het oppervlak van de anode buis of doos filter gaat. Filtering in het algemeen afhankelijk van de samenstelling en dikte van het materiaal waardoorheen de bundel passeert en dit bepaalt de uiteindelijke vorm van de low-energiespectrum curve.

invloed KV

De hoogenergetische deel van het spectrum bepaalt de spanning röntgenbuizen in kV (kilovolt). Dit is omdat de energie van elektronen bereiken van de anode bepaalt en fotonen kan het potentieel groter dan dit. Onder een spanning lopende röntgenbuis? De maximale fotonenergie overeen met de maximale aangelegde potentiaal. Deze spanning kan variëren tijdens blootstelling door de wisselstroom netwerk. In dit geval _Emax piekspanning bepaald foton oscillatieperiode _kVp.

Verdere potentiële quanta, KV _p bepaalt de hoeveelheid straling die door een bepaald aantal elektronen bereiken van de anode. Aangezien het totale rendement van bremsstrahlung straling verhoogd met het invallende elektronen energie toeneemt, hetgeen wordt bepaald _kVp, betekent dit dat de _kVp invloed op het rendement van de inrichting.

Veranderen van KV _p, meestal verandert het spectrum. De totale oppervlakte onder bovenstaande grafiek geeft het aantal fotonen. Ongefilterde spectrum een driehoek, en de hoeveelheid straling evenredig met het kwadraat KV. Bij aanwezigheid van het filter verhoogt ook KV toename penetratie fotonen, waarbij het percentage van de gefilterde straling vermindert. Dit leidt tot een verhoogde opbrengst straling.

karakteristieke straling

Het type interactie die de karakteristieke straling genereert snelstaal omvat botsing met orbitaal elektronen. Interactie kan alleen plaatsvinden wanneer een deel E van _het deeltje groter is dan de bindingsenergie van een atoom heeft. Wanneer deze voorwaarde is voldaan, en er is een botsing, het elektron is knock-out. Dit laat open stand ingenomen door het deeltje een hoger energieniveau. Nu we de elektronenbundel geeft uitgezonden energie in de vorm van röntgenfoton. Het heet de karakteristieke straling, aangezien E het foton kenmerkende chemische element waarvan de anode is vervaardigd. Wanneer bijvoorbeeld een elektron knock K wolfraamlaag met _betrekking E = 69,5 keV, de leegstand wordt gevuld met een elektron uit de L-niveau _staat met E = 10,2 keV. Kenmerkende röntgen foton energie gelijk aan het verschil tussen de twee niveaus, of 59,3 keV.

In feite is het anodemateriaal tot een aantal kenmerkende röntgen energieën. Dit gebeurt omdat elektronen op verschillende energieniveaus (K, L, etc.) kunnen worden geklopt bombarderen deeltjes en de vacatures kunnen worden gevuld met verschillende energieniveaus. Terwijl de vacatures L-niveau genereert fotonen en hun energie te klein zijn voor gebruik in diagnostische beeldvorming. Elke karakteristieke energie wordt voorzien van een aanduiding die de orbitale aangeeft, waarbij een vacature, met een index die een elektronenbron vereist toont. alfa (α) duidt de index vullen elektron van L-niveau en beta (β) geeft het vulniveau van M en N.

• Spectrum wolfraam. De karakteristieke straling van het metaal produceert een lineaire spectrum uit meerdere afzonderlijke energieën en remmen genereert continue verdeling. Het aantal fotonen die door elke karakteristieke energie, met het kenmerk, dat de waarschijnlijkheid van de vacature-K is afhankelijk van de orbitaal.
• Spectrum molybdeen. Anoden van deze metalen gebruikt voor mammografie, produceren twee voldoende intense karakteristieke röntgenstraalenergie: karakteristieke straling bij 17,9 keV en K-beta 19,5 keV. Het optimale bereik van röntgenbuizen, waardoor de beste balans tussen contrast en bereiken bestralingsdosis voor een standaard borstomvang verwezenlijkt _Ep = 20 keV. Echter Remstraling meer energie produceren. In mammografieapparatuur voor het verwijderen van ongewenste delen van het spectrum gebruikte molybdeen filter. Het filter werkt volgens het principe van «K-edge." Het absorbeert straling boven elektron bindingsenergie op K-level molybdeenatoom.
• Het spectrum van rhodium. Rhodium heeft atoomnummer 45 en molybdeen - 42. Derhalve is de karakteristieke röntgenstralen van een rhodium anode een iets hogere energie dan die van molybdeen en doordringend hebben. Het wordt gebruikt voor het afbeelden van dichte borsten.

Anoden met dubbel oppervlak, molybdeen, rhodium, staat de operator een distributie geoptimaliseerd voor borsten van verschillende grootte en dichtheid selecteren.

Het effect op het spectrum KV

KV waarde grote invloed op de karakteristieke straling, bijv. K. Het zal niet worden wanneer minder KV K-energieniveau elektronen. Wanneer KV deze drempelwaarde overschrijdt, de hoeveelheid straling in het algemeen evenredig met het verschil de drempelwaarde KV KV buis.

Het energiespectrum van fotonen van röntgenstralen geëmitteerd uit de inrichting wordt bepaald door verschillende factoren. In de regel, het bestaat uit remstraling en de karakteristieke interactie.

De relatieve samenstelling van het spectrum is afhankelijk van het anodemateriaal, KV en filter. In een buis met een tungsten anode emissiekenmerk niet gevormd bij KV <69,5 keV. Bij hogere waarden van HF gebruikt in diagnostische studies karakteristieke straling verhoogt de totale straling tot 25%. Molybdeen inrichtingen kan een groot deel van de totale productiecapaciteit te bereiken.

rendement

Slechts een klein deel van de energie van de elektronen afgegeven wordt omgezet in straling. Hoofdfractie wordt geabsorbeerd en omgezet in warmte. stralingsefficiëntie wordt gedefinieerd als de fractie van het totale zendvermogen van het stroomnet verleend anode. De factoren die de efficiëntie van de röntgenbuis bepaalt toegepast voltage KV en atoomnummer Z. De benaderde verhouding van het volgende:

• Efficiëntie = KV x Z x 10 ^-6.

De relatie tussen efficiëntie en KV heeft een specifiek effect op het praktische gebruik van röntgenapparatuur. Vanwege de warmteproductie van de buis een limiet op het aantal elektrisch vermogen dat kan worden afgevoerd. Het legt de capaciteit van de begrenzingsinrichting. Met toenemende KV echter de hoeveelheid straling die door een warmte aanzienlijk verhoogt.

De afhankelijkheid van de efficiëntie van de röntgenopwekking over de samenstelling van de anode alleen academisch belang omdat de meeste apparaten gebruikte wolfram. Een uitzondering is molybdeen en rhodium, die worden gebruikt in het mammogram. De efficiëntie van deze apparaten is significant lager voor wolfraam vanwege hun lagere atoomnummer.

effectiviteit

Efficiency röntgenbuis wordt gedefinieerd als de hoeveelheid straling millirentgenah geleverd aan een punt in het midden van de nuttige bundel op een afstand van 1 m van het brandpunt per 1 mAs elektronen die door de inrichting. Deze waarde geeft het vermogen van de inrichting om de energie van de geladen deeltjes in de röntgenstraling zetten. Hiermee kunt u de blootstelling van de patiënt en de snapshot te bepalen. Als, efficiëntie van de inrichting hangt af van verschillende factoren, waaronder KV de spanningsgolfvorm het anodemateriaal en de mate van beschadiging van oppervlak van de filterinrichting en het moment van gebruik.

KV-beheer

Voltage KV röntgenbuis controleert effectief de uitgangsstraling. In de regel wordt aangenomen dat het uitgangssignaal evenredig is met het kwadraat van de KV. Een verdubbeling van de blootstelling KV vergroot 4 maal.

golfvorm

De golfvorm beschrijft de methode waarmee KV tijd varieert tijdens het genereren van straling als gevolg van de cyclische aard van de macht. Gebruikt verschillende golfvormen. Het algemene principe is: hoe kleiner de verandering in de vorm KV, wordt de röntgenstraling efficiënt geproduceerd. De moderne apparatuur die wordt gebruikt generatoren met relatief constant KV.

Röntgenbuizen Fabrikanten

Oxford Instruments Company produceert verschillende inrichtingen, zoals glas, vermogen 250 W, 4-80 kV potentiaal, het brandpunt 10 micron en uiteenlopende anodematerialen, t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian biedt meer dan 400 verschillende soorten medische en industriële röntgenbuizen. Andere bekende producenten Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong et al.

Rusland geproduceerd röntgenbuizen "Svetlana-Röntgen". Naast de traditionele apparaten met roterende en stationaire anode bedrijf produceert inrichtingen van de koude kathode lichtstroom geregeld. Voordelen van de volgende apparaten:

• werkt continu en puls modes;
• afwezigheid van inertie;
• regelen van de intensiteit van de LED-stroom;
• spectrum zuiverheid;
• de mogelijkheid van röntgenstraling van verschillende intensiteit.