Hvordan fungerer røntgenrør?

2024 Forfatter: Curtis Blomfield | [email protected]. Sist endret: 2024-01-15 09:44

Røntgenstråler skapes ved å konvertere elektronenergi til fotoner, som foregår i et røntgenrør. Mengden (eksponeringen) og kvaliteten (spekteret) av stråling kan justeres ved å endre strøm, spenning og driftstid for enheten.

Arbeidsprinsipp

Røntgenrør (bildet er gitt i artikkelen) er energiomformere. De tar det fra nettverket og gjør det til andre former - penetrerende stråling og varme, sistnevnte er et uønsket biprodukt. Utformingen av røntgenrøret er slik at det maksimerer fotonproduksjonen og sprer varme så raskt som mulig.

Et rør er en relativt enkel enhet, som vanligvis inneholder to grunnleggende elementer - en katode og en anode. Når det går strøm fra katoden til anoden, mister elektronene energi, noe som resulterer i generering av røntgenstråler.

Anode

Anoden er komponenten som sender uthøyenergifotoner. Dette er et relativt massivt metallelement som er koblet til den positive polen til den elektriske kretsen. Utfører to hovedfunksjoner:

konverterer elektronenergi til røntgenstråler,
spreder varme.

Anoden er valgt for å forbedre disse funksjonene.

Ideelt sett bør de fleste elektronene danne høyenergifotoner, ikke varme. Brøkdelen av deres totale energi som omdannes til røntgenstråler (effektivitet) avhenger av to faktorer:

atomnummer (Z) for anodematerialet,
elektroners energi.

De fleste røntgenrør bruker wolfram som anodemateriale, som har et atomnummer på 74. I tillegg til å ha en stor Z, har dette metallet noen andre egenskaper som gjør det egnet til dette formålet. Wolfram er unik i sin evne til å beholde styrke ved oppvarming, har et høyt smeltepunkt og lav fordampningshastighet.

I mange år ble anoden laget av ren wolfram. De siste årene har en legering av dette metallet med rhenium begynt å bli brukt, men bare på overflaten. Selve anoden under wolfram-rhenium-belegget er laget av et lett materiale som lagrer varme godt. To slike stoffer er molybden og grafitt.

Røntgenrør som brukes til mammografi er laget med en molybdenbelagt anode. Dette materialet har et mellomliggende atomnummer (Z=42) som genererer karakteristiske fotoner med energier som er praktiske forfor å ta bilder av brystet. Noen mammografiapparater har også en andre anode laget av rhodium (Z=45). Dette lar deg øke energien og oppnå større penetrasjon for stramme bryster.

Bruken av rhenium-wolfram-legering forbedrer langsiktig strålingseffekt - over tid reduseres effektiviteten til rene wolframanodeenheter på grunn av termisk skade på overflaten.

De fleste anoder er formet som skråskiver og er festet til en elektrisk motoraksel som roterer dem i relativt høye hastigheter mens de sender ut røntgenstråler. Hensikten med rotasjon er å fjerne varme.

Fokalpunkt

Ikke hele anoden er involvert i genereringen av røntgenstråler. Det forekommer på et lite område av overflaten - et fokuspunkt. Dimensjonene til sistnevnte bestemmes av dimensjonene til elektronstrålen som kommer fra katoden. I de fleste enheter har den en rektangulær form og varierer mellom 0,1-2 mm.

Røntgenrør er designet med en bestemt brennpunktstørrelse. Jo mindre det er, jo mindre uskarpt og skarpere bildet, og jo større det er, jo bedre varmespredning.

Fokalpunktstørrelse er en av faktorene du bør vurdere når du velger røntgenrør. Produsenter produserer enheter med små brennpunkter når det er nødvendig for å oppnå høy oppløsning og tilstrekkelig lav stråling. Dette kreves for eksempel ved undersøkelse av små og tynne deler av kroppen, som ved mammografi.

Røntgenrør produseres hovedsakelig med to brennpunktstørrelser, store og små, som kan velges av operatøren i henhold til bildebehandlingsprosedyren.

Cathode

Katodens hovedfunksjon er å generere elektroner og samle dem til en stråle rettet mot anoden. Som regel består den av en liten trådspiral (tråd) nedsenket i en koppformet fordypning.

Elektroner som passerer gjennom kretsen kan vanligvis ikke forlate lederen og gå inn i ledig plass. De kan imidlertid gjøre det hvis de får nok energi. I en prosess kjent som termisk emisjon, brukes varme til å drive ut elektroner fra katoden. Dette blir mulig når trykket i det evakuerte røntgenrøret når 10^-6–10^{-7 mmHg. Kunst. Glødetråden varmes opp på samme måte som glødetråden til en glødelampe når det går strøm gjennom den. Driften av røntgenrøret er ledsaget av oppvarming av katoden til glødetemperaturen med forskyvning av en del av elektronene fra den av termisk energi.}

ballong

Anoden og katoden er i en hermetisk forseglet beholder. Ballongen og dens innhold omtales ofte som en innsats, som har begrenset levetid og kan byttes ut. Røntgenrør har for det meste glasspærer, selv om metall- og keramikkpærer brukes til noen bruksområder.

Ballongens hovedfunksjon er å gi støtte og isolasjon for anoden og katoden, og opprettholde et vakuum. Trykk i det evakuerte røntgenrøretved 15°C er 1,2 10-3 Pa. Tilstedeværelsen av gasser i ballongen ville tillate elektrisitet å strømme fritt gjennom enheten, og ikke bare i form av en elektronstråle.

Case

Utformingen av røntgenrøret er slik at kroppen i tillegg til å omslutte og støtte andre komponenter, fungerer som et skjold og absorberer stråling, bortsett fra den nyttige strålen som går gjennom vinduet. Den relativt store ytre overflaten sprer mye av varmen som genereres inne i enheten. Rommet mellom kroppen og innsatsen er fylt med olje for isolasjon og kjøling.

Chain

En elektrisk krets kobler røret til en energikilde som kalles en generator. Kilden mottar strøm fra strømnettet og konverterer vekselstrøm til likestrøm. Generatoren lar deg også justere noen kretsparametere:

KV - spenning eller elektrisk potensial;
MA er strømmen som renner gjennom røret;
S – varighet eller eksponeringstid, i brøkdeler av et sekund.

Kretsen sørger for bevegelse av elektroner. De lades med energi, passerer gjennom generatoren og gir den til anoden. Mens de beveger seg, skjer to transformasjoner:

potensiell elektrisk energi omdannes til kinetisk energi;
kinetisk blir på sin side omdannet til røntgenstråler og varme.

Potensial

Når elektroner kommer inn i pæren, har de potensiell elektrisk energi, mengden av denne bestemmes av spenningen KV mellom anoden og katoden. Røntgenrør fungererunder spenning, for å skape 1 KV hvorav hver partikkel må ha 1 keV. Ved å justere KV gir operatøren hvert elektron en viss mengde energi.

Kinetics

Lavt trykk i det evakuerte røntgenrøret (ved 15°C er det 10^-6–10^{-7 mmHg.) lar partikler fly ut fra katoden til anoden under påvirkning av termionisk emisjon og elektrisk kraft. Denne kraften akselererer dem, noe som fører til en økning i hastighet og kinetisk energi og en reduksjon i potensial. Når en partikkel treffer anoden, går dens potensial tapt og all energien omdannes til kinetisk energi. Et 100 keV elektron når hastigheter over halvparten av lysets hastighet. Når de treffer overflaten, bremses partiklene veldig raskt og mister sin kinetiske energi. Det blir til røntgenstråler eller varme.}

Elektroner kommer i kontakt med individuelle atomer i anodematerialet. Stråling genereres når de samhandler med orbitaler (røntgenfotoner) og med kjernen (bremsstrahlung).

Link Energy

Hvert elektron inne i et atom har en viss bindingsenergi, som avhenger av størrelsen på sistnevnte og nivået partikkelen befinner seg på. Bindingsenergien spiller en viktig rolle i genereringen av karakteristiske røntgenstråler og er nødvendig for å fjerne et elektron fra et atom.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung produserer det største antallet fotoner. Elektroner som trenger inn i anodematerialet og passerer nær kjernen, avbøyes og bremses nedatomets tiltrekningskraft. Energien deres som gikk tapt under dette møtet, fremstår som et røntgenfoton.

Spectrum

Bare noen få fotoner har en energi som er nær den til elektroner. De fleste av dem er lavere. La oss anta at det er et rom eller et felt rundt kjernen der elektronene opplever en "bremsende" kraft. Dette feltet kan deles inn i soner. Dette gir feltet til kjernen utseendet til et mål med et atom i sentrum. Et elektron som treffer et hvilket som helst punkt i målet opplever retardasjon og genererer et røntgenfoton. Partikler som treffer nærmest sentrum er de mest berørte og mister derfor mest energi, og produserer fotonene med høyest energi. Elektroner som kommer inn i de ytre sonene opplever svakere interaksjoner og genererer lavere energikvanter. Selv om sonene har samme bredde, har de et annet areal avhengig av avstanden til kjernen. Siden antallet partikler som faller på en gitt sone avhenger av dets totale areal, er det åpenbart at de ytre sonene fanger opp flere elektroner og lager flere fotoner. Denne modellen kan brukes til å forutsi energispekteret til røntgenstråler.

E_max fotoner av hovedbremsstrahlung-spekteret tilsvarer E_{max elektroner. Under dette punktet, når fotonenergien avtar, øker antallet deres.}

Et betydelig antall lavenergifotoner absorberes eller filtreres når de prøver å passere gjennom anodeoverflaten, rørvinduet eller filteret. Filtrering er generelt avhengig av sammensetningen og tykkelsen på materialet som gjennomgårstrålen går gjennom, noe som bestemmer den endelige formen til lavenergikurven til spekteret.

KV-påvirkning

Høyenergidelen av spekteret bestemmes av spenningen i røntgenrør kV (kilovolt). Dette er fordi det bestemmer energien til elektronene som når anoden, og fotoner kan ikke ha et potensial høyere enn dette. Hvilken spenning fungerer røntgenrøret med? Den maksimale fotonenergien tilsvarer det maksim alt påførte potensialet. Denne spenningen kan endres under eksponering på grunn av vekselstrøm. I dette tilfellet bestemmes E_max for et foton av toppspenningen for oscillasjonsperioden KV_p.

I tillegg til kvantepotensialet, bestemmer KV_p mengden stråling som skapes av et gitt antall elektroner som treffer anoden. Siden den totale effektiviteten til bremsstrahlung øker på grunn av en økning i energien til de bombarderende elektronene, som bestemmes av KV_p, følger det at KV_{ppåvirker effektiviteten til enheten.}

Changing KV_{p endrer vanligvis spekteret. Det totale arealet under energikurven er antall fotoner. Uten filter er spekteret en trekant, og strålingsmengden er proporsjonal med kvadratet av KV. I nærvær av et filter øker en økning i KV også penetrasjonen av fotoner, noe som reduserer prosentandelen av filtrert stråling. Dette fører til en økning i strålingseffekten.}

Karakteristisk stråling

Typen interaksjon som produserer karakteristikkenstråling, inkluderer kollisjon av høyhastighetselektroner med orbitale. Interaksjon kan bare skje når den innkommende partikkelen har E_k større enn bindingsenergien i atomet. Når denne betingelsen er oppfylt og en kollisjon oppstår, blir elektronet kastet ut. I dette tilfellet gjenstår en ledig stilling som fylles av en partikkel med høyere energinivå. Når elektronet beveger seg, avgir det energi, som sendes ut i form av et røntgenkvante. Dette kalles karakteristisk stråling, siden E til et foton er en karakteristikk av det kjemiske elementet som anoden er laget av. For eksempel, når et elektron fra K-nivået til wolfram med E_bond=69,5 keV slås ut, fylles ledigheten av et elektron fra L-nivået med E _{binding=10, 2 keV. Det karakteristiske røntgenfotonet har en energi lik forskjellen mellom disse to nivåene, eller 59,3 keV.}

Faktisk resulterer dette anodematerialet i en rekke karakteristiske røntgenenergier. Dette er fordi elektroner på forskjellige energinivåer (K, L, etc.) kan slås ut ved å bombardere partikler, og ledige stillinger kan fylles fra forskjellige energinivåer. Selv om fyllingen av ledige stillinger på L-nivå genererer fotoner, er energien deres for lav til å brukes i diagnostisk bildebehandling. Hver karakteristisk energi er gitt en betegnelse som indikerer orbitalen der ledigheten ble dannet, med en indeks som indikerer kilden til elektronfylling. Indeks alfa (α) indikerer okkupasjonen av et elektron fra L-nivået, og beta (β) indikererfylling fra nivå M eller N.

Spektrum av wolfram. Den karakteristiske strålingen til dette metallet produserer et lineært spektrum som består av flere diskrete energier, mens bremsstrahlung skaper en kontinuerlig fordeling. Antallet fotoner produsert av hver karakteristisk energi er forskjellig ved at sannsynligheten for å fylle en ledig stilling på K-nivå avhenger av orbitalen.

Spektrum av molybden. Anoder av dette metallet som brukes til mammografi produserer to ganske intense karakteristiske røntgenenergier: K-alfa ved 17,9 keV og K-beta ved 19,5 keV. Det optimale spekteret av røntgenrør, som gjør det mulig å oppnå den beste balansen mellom kontrast og stråledose for mellomstore bryster, oppnås ved E_{ph=20 keV. Bremsstrahlung produseres imidlertid ved høye energier. Mammografiutstyr bruker et molybdenfilter for å fjerne den uønskede delen av spekteret. Filteret fungerer etter "K-edge"-prinsippet. Den absorberer stråling utover bindingsenergien til elektroner på K-nivået til molybdenatomet.}
Spektrum av rhodium. Rhodium har atomnummer 45, mens molybden har atomnummer 42. Derfor vil den karakteristiske røntgenstrålingen til en rhodiumanode ha noe høyere energi enn molybden og er mer penetrerende. Dette brukes til å avbilde tette bryster.

Dobbeltflate molybden-rhodiumanoder lar operatøren velge en fordeling optimalisert for forskjellige bryststørrelser og tettheter.

Hvilken spenning virker røntgenstrålen på?én tube

Effekt av KV på spekteret

Verdien av KV påvirker i stor grad den karakteristiske strålingen, siden den ikke vil bli produsert hvis KV er mindre enn energien til elektronene på K-nivå. Når KV overskrider denne terskelen, er strålingsmengden generelt proporsjonal med forskjellen mellom rørets KV og terskelen KV.

Energispekteret til røntgenfotoner som kommer ut av instrumentet, bestemmes av flere faktorer. Som regel består den av bremsstrahlung og karakteristiske interaksjonskvanta.

Den relative sammensetningen av spekteret avhenger av anodematerialet, KV og filter. I et rør med wolframanode produseres det ingen karakteristisk stråling ved KV< 69,5 keV. Ved høyere CV-verdier brukt i diagnostiske studier, øker karakteristisk stråling den totale strålingen med opptil 25 %. I molybdenenheter kan det utgjøre en stor del av den totale generasjonen.

Effektivitet

Bare en liten del av energien som leveres av elektroner blir omdannet til stråling. Hoveddelen absorberes og omdannes til varme. Strålingseffektivitet er definert som andelen av den totale utstrålte energien fra den totale elektriske energien som tilføres anoden. Faktorene som bestemmer effektiviteten til et røntgenrør er den påtrykte spenningen KV og atomnummeret Z. Et eksempel på sammenheng er som følger:

Effektivitet=KV x Z x 10-6.

Forholdet mellom effektivitet og KV har en spesifikk innvirkning på den praktiske bruken av røntgenutstyr. På grunn av frigjøring av varme har rørene en viss grense for mengden elektriskenergien de kan spre. Dette pålegger en begrensning på kraften til enheten. Når KV øker, øker imidlertid mengden stråling som produseres per varmeenhet betydelig.

Avhengigheten av effektiviteten til røntgengenerering av sammensetningen av anoden er bare av akademisk interesse, siden de fleste enheter bruker wolfram. Et unntak er molybden og rhodium som brukes i mammografi. Effektiviteten til disse enhetene er mye lavere enn wolfram på grunn av deres lavere atomnummer.

Effektivitet

Effektiviteten til et røntgenrør er definert som mengden eksponering, i milliroentgener, levert til et punkt i midten av den nyttige strålen i en avstand på 1 m fra brennpunktet for hver 1 mAs av elektroner som passerer gjennom enheten. Verdien uttrykker enhetens evne til å konvertere energien til ladede partikler til røntgenstråler. Lar deg bestemme eksponeringen av pasienten og bildet. I likhet med effektivitet avhenger enhetens effektivitet av en rekke faktorer, inkludert KV, spenningsbølgeform, anodemateriale og overflateskade, filter og brukstid.

KV-kontroll

KV kontrollerer effektivt røntgenrørutgangen. Det antas generelt at utgangen er proporsjonal med kvadratet av KV. Dobling av KV øker eksponeringen med 4x.

Waveform

Bølgeform beskriver måten KV endres over tid under genereringstråling på grunn av strømforsyningens sykliske natur. Det brukes flere forskjellige bølgeformer. Det generelle prinsippet er at jo mindre KV-formen endres, desto mer effektivt produseres røntgenstråler. Moderne utstyr bruker generatorer med relativt konstant KV.

røntgenrør: produsenter

Oxford Instruments produserer en rekke enheter, inkludert glassenheter opptil 250 W, 4-80 kV potensial, brennpunkt opptil 10 mikron og et bredt utvalg av anodematerialer, inkludert Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian tilbyr over 400 forskjellige typer medisinske og industrielle røntgenrør. Andre kjente produsenter er Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, etc.

Røntgenrør "Svetlana-Rentgen" produseres i Russland. I tillegg til tradisjonelle enheter med en roterende og stasjonær anode, produserer selskapet enheter med en kald katode styrt av lysstrømmen. Fordelene med enheten er som følger: