Cum funcționează tuburile cu raze X?

2024 Autor: Curtis Blomfield | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-15 09:45

Razele X sunt create prin conversia energiei electronilor în fotoni, care are loc într-un tub de raze X. Cantitatea (expunerea) și calitatea (spectrul) radiației pot fi ajustate prin modificarea curentului, a tensiunii și a duratei de funcționare a dispozitivului.

Principiul de lucru

Tuburile cu raze X (fotografia este dată în articol) sunt convertoare de energie. Îl iau din rețea și îl transformă în alte forme - radiații penetrante și căldură, aceasta din urmă fiind un produs secundar nedorit. Designul tubului cu raze X este astfel încât să maximizeze producția de fotoni și să disipeze căldura cât mai repede posibil.

Un tub este un dispozitiv relativ simplu, care conține de obicei două elemente fundamentale - un catod și un anod. Când curentul trece de la catod la anod, electronii pierd energie, ceea ce are ca rezultat generarea de raze X.

Anod

Anodul este componenta care emitefotoni de în altă energie. Acesta este un element metalic relativ masiv care este conectat la polul pozitiv al circuitului electric. Îndeplinește două funcții principale:

• convertește energia electronilor în raze X,
• disipează căldura.

Materialul anodului este ales pentru a îmbunătăți aceste funcții.

În mod ideal, majoritatea electronilor ar trebui să formeze fotoni de în altă energie, nu căldură. Fracția din energia lor totală care este convertită în raze X (eficiență) depinde de doi factori:

• numărul atomic (Z) al materialului anodului,
• energie a electronilor.

Majoritatea tuburilor cu raze X folosesc wolfram ca material anodic, care are un număr atomic de 74. Pe lângă faptul că are un Z mare, acest metal are și alte caracteristici care îl fac potrivit pentru acest scop. Tungstenul este unic prin capacitatea sa de a-și păstra rezistența atunci când este încălzit, are un punct de topire ridicat și o rată scăzută de evaporare.

De mulți ani, anodul a fost fabricat din wolfram pur. În ultimii ani a început să fie folosit un aliaj al acestui metal cu reniu, dar numai la suprafață. Anodul însuși de sub învelișul de tungsten-ren este realizat dintr-un material ușor care stochează bine căldura. Două astfel de substanțe sunt molibdenul și grafitul.

Tuburile cu raze X utilizate pentru mamografie sunt realizate cu un anod acoperit cu molibden. Acest material are un număr atomic intermediar (Z=42) care generează fotoni caracteristici cu energii convenabile pentrupentru fotografierea pieptului. Unele aparate de mamografie au și un al doilea anod din rodiu (Z=45). Acest lucru vă permite să creșteți energia și să obțineți o penetrare mai mare pentru sânii strânși.

Utilizarea aliajului de reniu-tungsten îmbunătățește emisia de radiații pe termen lung - în timp, eficiența dispozitivelor cu anod pur din wolfram scade din cauza deteriorării termice a suprafeței.

Majoritatea anozilor au forma unor discuri teșite și sunt atașați la un arbore de motor electric care îi rotește la viteze relativ mari în timp ce emit raze X. Scopul rotației este de a elimina căldura.

Spot focal

Nu întreg anodul este implicat în generarea de raze X. Apare pe o zonă mică a suprafeței sale - un punct focal. Dimensiunile acestuia din urmă sunt determinate de dimensiunile fasciculului de electroni provenit de la catod. În majoritatea dispozitivelor, are o formă dreptunghiulară și variază între 0,1-2 mm.

Tuburile cu raze X sunt proiectate cu o dimensiune specifică a punctului focal. Cu cât este mai mică, cu atât imaginea este mai puțin neclară și mai clară și cu cât este mai mare, cu atât disiparea căldurii este mai bună.

Dimensiunea spotului focal este unul dintre factorii de luat în considerare atunci când alegeți tuburile cu raze X. Producătorii produc dispozitive cu puncte focale mici atunci când este necesar să se obțină o rezoluție mare și o radiație suficient de scăzută. De exemplu, acest lucru este necesar când se examinează părți mici și subțiri ale corpului, ca în mamografie.

Tuburile cu raze X sunt produse în principal cu două dimensiuni de punct focal, mare și mic, care pot fi selectate de operator conform procedurii de imagistică.

Catod

Funcția principală a catodului este de a genera electroni și de a-i colecta într-un fascicul îndreptat către anod. De regulă, constă dintr-o spirală mică de sârmă (fir) scufundată într-o adâncitură în formă de cupă.

Electronii care trec prin circuit de obicei nu pot părăsi conductorul și merg în spațiul liber. Cu toate acestea, o pot face dacă primesc suficientă energie. Într-un proces cunoscut sub numele de emisie termică, căldura este folosită pentru a expulza electronii din catod. Acest lucru devine posibil atunci când presiunea din tubul cu raze X evacuat atinge 10^-6–10^{-7 mmHg. Artă. Filamentul se încălzește în același mod ca și filamentul unei lămpi cu incandescență atunci când trece curent prin el. Funcționarea tubului cu raze X este însoțită de încălzirea catodului la temperatura de strălucire cu deplasarea unei părți a electronilor din acesta prin energie termică.}

balon

Anodul și catodul sunt conținute într-un recipient închis ermetic. Balonul și conținutul său sunt adesea denumite inserție, care are o viață limitată și poate fi înlocuită. Tuburile cu raze X au în mare parte becuri de sticlă, deși pentru unele aplicații se folosesc becuri din metal și ceramică.

Funcția principală a balonului este de a oferi suport și izolație anodului și catodului și de a menține vidul. Presiunea în tubul cu raze X evacuatla 15°C este 1,2 10-3 Pa. Prezența gazelor în balon ar permite electricității să curgă liber prin dispozitiv și nu doar sub forma unui fascicul de electroni.

Caz

Designul tubului cu raze X este astfel încât, pe lângă faptul că închide și susține alte componente, corpul său servește drept scut și absoarbe radiațiile, cu excepția fasciculului util care trece prin fereastră. Suprafața sa exterioară relativ mare disipează o mare parte din căldura generată în interiorul dispozitivului. Spațiul dintre corp și inserție este umplut cu ulei pentru izolare și răcire.

Lanț

Un circuit electric conectează tubul la o sursă de energie numită generator. Sursa primește energie de la rețea și transformă curentul alternativ în curent continuu. Generatorul vă permite, de asemenea, să reglați unii parametri ai circuitului:

• KV - tensiune sau potențial electric;
• MA este curentul care curge prin tub;
• S – durata sau timpul de expunere, în fracțiuni de secundă.

Circuitul asigură mișcarea electronilor. Ele sunt încărcate cu energie, trecând prin generator și o dau anodului. Pe măsură ce se mișcă, au loc două transformări:

• energia electrică potențială este convertită în energie cinetică;
• kinetic, la rândul său, este transformat în raze X și căldură.

Potențial

Când electronii intră în bec, ei au energie electrică potențială, a cărei cantitate este determinată de tensiunea KV dintre anod și catod. Funcționează tubul cu raze Xsub tensiune, pentru a crea 1 KV din care fiecare particulă trebuie să aibă 1 keV. Prin ajustarea KV, operatorul înzestrează fiecare electron cu o anumită cantitate de energie.

Kinetics

Presiune scăzută în tubul cu raze X evacuat (la 15°C este de 10^-6–10^{-7 mmHg.) permite particulelor să zboare de la catod la anod sub acțiunea emisiei termoionice și a forței electrice. Această forță le accelerează, ceea ce duce la creșterea vitezei și a energiei cinetice și la scăderea potențialului. Când o particulă lovește anodul, potențialul său se pierde și toată energia sa este convertită în energie cinetică. Un electron de 100 keV atinge viteze care depășesc jumătate din viteza luminii. Lovind suprafața, particulele încetinesc foarte repede și își pierd energia cinetică. Se transformă în raze X sau căldură.}

Electronii vin în contact cu atomii individuali ai materialului anodic. Radiațiile sunt generate atunci când interacționează cu orbitalii (fotonii de raze X) și cu nucleul (bremsstrahlung).

Link Energy

Fiecare electron din interiorul unui atom are o anumită energie de legare, care depinde de mărimea acestuia din urmă și de nivelul la care se află particula. Energia de legare joacă un rol important în generarea razelor X caracteristice și este necesară pentru a îndepărta un electron dintr-un atom.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung produce cel mai mare număr de fotoni. Electronii care pătrund în materialul anodului și trec în apropierea nucleului sunt deviați și încetinițiforța de atracție a atomului. Energia lor pierdută în timpul acestei întâlniri apare ca un foton cu raze X.

Spectrum

Doar câțiva fotoni au o energie apropiată de cea a electronilor. Majoritatea sunt mai mici. Să presupunem că există un spațiu sau un câmp în jurul nucleului în care electronii experimentează o forță de „frânare”. Acest câmp poate fi împărțit în zone. Acest lucru dă câmpului nucleului aspectul unei ținte cu un atom în centru. Un electron care lovește orice punct al țintei experimentează o decelerare și generează un foton cu raze X. Particulele care lovesc cel mai aproape de centru sunt cele mai afectate și, prin urmare, pierd cea mai mare energie, producând fotoni de cea mai mare energie. Electronii care intră în zonele exterioare experimentează interacțiuni mai slabe și generează cuante de energie mai scăzute. Deși zonele au aceeași lățime, ele au o zonă diferită în funcție de distanța până la miez. Deoarece numărul de particule care cad într-o anumită zonă depinde de aria sa totală, este evident că zonele exterioare captează mai mulți electroni și creează mai mulți fotoni. Acest model poate fi folosit pentru a prezice spectrul energetic al razelor X.

E_max fotoni din spectrul principal de bremsstrahlung corespunde cu E_{max electroni. Sub acest punct, pe măsură ce energia fotonului scade, numărul acestora crește.}

Un număr semnificativ de fotoni de energie joasă sunt absorbiți sau filtrați în timp ce încearcă să treacă prin suprafața anodului, fereastra tubului sau filtrul. Filtrarea depinde în general de compoziția și grosimea materialului prin carefasciculul trece prin, ceea ce determină forma finală a curbei de energie scăzută a spectrului.

Influență KV

Partea de mare energie a spectrului este determinată de tensiunea din tuburile de raze X kV (kilovolt). Acest lucru se datorează faptului că determină energia electronilor care ajung la anod, iar fotonii nu pot avea un potențial mai mare decât acesta. Cu ce tensiune funcționează tubul cu raze X? Energia maximă a fotonului corespunde potențialului maxim aplicat. Această tensiune se poate modifica în timpul expunerii din cauza curentului de curent alternativ. În acest caz, E_max al unui foton este determinat de tensiunea de vârf a perioadei de oscilație KV_p.

Pe lângă potențialul cuantic, KV_p determină cantitatea de radiație creată de un anumit număr de electroni care lovesc anodul. Deoarece eficiența generală a bremsstrahlung crește datorită creșterii energiei electronilor de bombardare, care este determinată de KV_p, rezultă că KV_{pafectează eficiența dispozitivului.}

Schimbarea KV_{p schimbă de obicei spectrul. Aria totală sub curba energiei este numărul de fotoni. Fără filtru, spectrul este un triunghi, iar cantitatea de radiație este proporțională cu pătratul KV. În prezența unui filtru, o creștere a KV crește și pătrunderea fotonilor, ceea ce reduce procentul de radiație filtrată. Acest lucru duce la o creștere a emisiei de radiații.}

Radiații caracteristice

Tipul de interacțiune care produce caracteristicaradiația, include ciocnirea electronilor de mare viteză cu cei orbitali. Interacțiunea poate avea loc numai atunci când particula care intră are E_k mai mare decât energia de legare din atom. Când această condiție este îndeplinită și are loc o coliziune, electronul este ejectat. În acest caz, rămâne un loc liber, care este ocupat de o particulă cu un nivel de energie mai ridicat. Pe măsură ce electronul se mișcă, eliberează energie, care este emisă sub formă de cuantum de raze X. Aceasta se numește radiație caracteristică, deoarece E-ul unui foton este o caracteristică a elementului chimic din care este făcut anodul. De exemplu, atunci când un electron de la nivelul K al wolframului cu E_bond=69,5 keV este eliminat, locul vacant este ocupat de un electron de la nivelul L cu E _{bond=10, 2 keV. Fotonul caracteristic cu raze X are o energie egală cu diferența dintre aceste două niveluri, sau 59,3 keV.}

De fapt, acest material anodic are ca rezultat o serie de energii caracteristice de raze X. Acest lucru se datorează faptului că electronii la diferite niveluri de energie (K, L etc.) pot fi eliminați prin bombardarea particulelor, iar locurile libere pot fi umplute de la diferite niveluri de energie. Deși umplerea locurilor libere de nivel L generează fotoni, energiile acestora sunt prea scăzute pentru a fi utilizate în imagistica de diagnostic. Fiecare energie caracteristică primește o desemnare care indică orbitalul în care s-a format vacant, cu un indice care indică sursa de umplere cu electroni. Indicele alfa (α) indică ocuparea unui electron de la nivelul L, iar beta (β) indicăumplere de la nivelul M sau N.

• Spectru de wolfram. Radiația caracteristică acestui metal produce un spectru liniar format din mai multe energii discrete, în timp ce bremsstrahlung creează o distribuție continuă. Numărul de fotoni produși de fiecare energie caracteristică diferă prin aceea că probabilitatea de a ocupa un loc liber la nivel K depinde de orbital.
• Spectru de molibden. Anozii acestui metal utilizați pentru mamografie produc două energii caracteristice de raze X destul de intense: K-alfa la 17,9 keV și K-beta la 19,5 keV. Spectrul optim de tuburi de raze X, care permite realizarea celui mai bun echilibru între contrast și doza de radiație pentru sânii de mărime medie, se realizează la E_{ph=20 keV. Cu toate acestea, bremsstrahlung este produs la energii mari. Echipamentul de mamografie folosește un filtru de molibden pentru a îndepărta partea nedorită a spectrului. Filtrul funcționează pe principiul „K-edge”. Absoarbe radiația în exces față de energia de legare a electronilor la nivelul K al atomului de molibden.}
• Spectru de rodiu. Rodiul are un număr atomic de 45, în timp ce molibdenul are numărul atomic 42. Prin urmare, emisia caracteristică de raze X a unui anod de rodiu va avea o energie puțin mai mare decât cea a molibdenului și este mai pătrunzătoare. Acesta este folosit pentru imagistica sânilor denși.

Anozii de molibden-rodiu cu suprafață dublă permit operatorului să selecteze o distribuție optimizată pentru diferite dimensiuni și densități ale sânilor.

Efectul KV asupra spectrului

Valoarea KV afectează foarte mult radiația caracteristică, deoarece aceasta nu va fi produsă dacă KV este mai mică decât energia electronilor de nivel K. Când KV depășește acest prag, cantitatea de radiație este în general proporțională cu diferența dintre KV tub și pragul KV.

Spectrul de energie al fotonilor de raze X care ies din instrument este determinat de mai mulți factori. De regulă, constă din bremsstrahlung și cuante de interacțiune caracteristice.

Compoziția relativă a spectrului depinde de materialul anodului, KV și filtru. Într-un tub cu un anod de wolfram, nu se produce nicio radiație caracteristică la KV< 69,5 keV. La valorile CV mai mari utilizate în studiile de diagnostic, radiația caracteristică crește radiația totală cu până la 25%. În dispozitivele cu molibden, acesta poate reprezenta o mare parte din generația totală.

Eficiență

Doar o mică parte din energia furnizată de electroni este convertită în radiație. Partea principală este absorbită și transformată în căldură. Eficiența radiației este definită ca proporția dintre energia totală radiată din energia electrică totală transmisă anodului. Factorii care determină eficiența unui tub cu raze X sunt tensiunea aplicată KV și numărul atomic Z. Un exemplu de relație este următorul:

Eficiență=KV x Z x 10-6.

Relația dintre eficiență și KV are un impact specific asupra utilizării practice a echipamentelor cu raze X. Datorită degajării de căldură, tuburile au o anumită limită a cantității de electricitateenergia pe care o pot disipa. Acest lucru impune o limitare a puterii dispozitivului. Cu toate acestea, pe măsură ce KV crește, cantitatea de radiație produsă per unitate de căldură crește semnificativ.

Dependența eficienței generării de raze X de compoziția anodului este doar de interes academic, deoarece majoritatea dispozitivelor folosesc wolfram. O excepție este molibdenul și rodiul utilizate în mamografie. Eficiența acestor dispozitive este mult mai mică decât tungstenul datorită numărului lor atomic mai mic.

Eficiență

Eficiența unui tub cu raze X este definită ca cantitatea de expunere, în miliroentgens, furnizată într-un punct din centrul fasciculului util la o distanță de 1 m de punctul focal pentru fiecare 1 mAs de electroni care trec prin dispozitiv. Valoarea sa exprimă capacitatea dispozitivului de a converti energia particulelor încărcate în raze X. Vă permite să determinați expunerea pacientului și a imaginii. La fel ca și eficiența, eficiența dispozitivului depinde de o serie de factori, inclusiv KV, forma de undă a tensiunii, materialul anodului și deteriorarea suprafeței, filtrul și timpul de utilizare.

KV control

KV controlează eficient ieșirea tubului cu raze X. În general, se presupune că ieșirea este proporțională cu pătratul KV. Dublarea KV mărește expunerea cu 4 ori.

Formă de undă

Forma de undă descrie modul în care KV se modifică în timp în timpul generăriiradiatii datorate naturii ciclice a sursei de alimentare. Sunt utilizate mai multe forme de undă diferite. Principiul general este că, cu cât forma KV se schimbă mai puțin, cu atât sunt produse mai eficient razele X. Echipamentele moderne folosesc generatoare cu un KV relativ constant.

Tuburi cu raze X: producători

Oxford Instruments produce o varietate de dispozitive, inclusiv dispozitive din sticlă de până la 250 W, potențial de 4-80 kV, punct focal de până la 10 microni și o gamă largă de materiale anodice, inclusiv Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian oferă peste 400 de tipuri diferite de tuburi cu raze X medicale și industriale. Alți producători cunoscuți sunt Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong etc.

Tuburile cu raze X „Svetlana-Rentgen” sunt produse în Rusia. Pe lângă dispozitivele tradiționale cu anod rotativ și staționar, compania produce dispozitive cu catod rece controlat de fluxul luminos. Avantajele dispozitivului sunt următoarele:

• funcționează în modurile continuu și puls;
• lipsă de inerție;
• Reglarea intensității curentului LED;
• puritatea spectrului;
• posibilitatea de a obține raze X de intensitate diferită.