X-zrake nastaju pretvaranjem energije elektrona u fotone, što se odvija u rendgenskoj cijevi. Količina (izloženost) i kvaliteta (spektar) zračenja mogu se podesiti promjenom struje, napona i vremena rada uređaja.
Princip rada
Rentgenske cijevi (fotografija je data u članku) su pretvarači energije. Uzimaju ga iz mreže i pretvaraju u druge oblike - prodorno zračenje i toplinu, pri čemu je potonja nepoželjan nusproizvod. Dizajn rendgenske cijevi je takav da maksimizira proizvodnju fotona i rasipa toplinu što je brže moguće.
Cijev je relativno jednostavan uređaj, obično sadrži dva temeljna elementa - katodu i anodu. Kada struja teče od katode do anode, elektroni gube energiju, što rezultira stvaranjem X-zraka.
Anoda
Anoda je komponenta koja emitirafotoni visoke energije. Ovo je relativno masivan metalni element koji je spojen na pozitivni pol električnog kruga. Obavlja dvije glavne funkcije:
- pretvara energiju elektrona u x-zrake,
- odvodi toplinu.
Anodni materijal odabran je da poboljša ove funkcije.
U idealnom slučaju, većina elektrona bi trebala tvoriti fotone visoke energije, a ne toplinu. Dio njihove ukupne energije koji se pretvara u X-zrake (učinkovitost) ovisi o dva čimbenika:
- atomski broj (Z) anodnog materijala,
- energija elektrona.
Većina rendgenskih cijevi koristi volfram kao anodni materijal, koji ima atomski broj 74. Osim što ima veliki Z, ovaj metal ima još neke karakteristike koje ga čine prikladnim za ovu svrhu. Volfram je jedinstven po svojoj sposobnosti da zadrži snagu kada se zagrijava, ima visoku točku taljenja i nisku stopu isparavanja.
Dugi niz godina, anoda je bila izrađena od čistog volframa. Posljednjih godina počela se koristiti legura ovog metala s renijem, ali samo na površini. Sama anoda ispod volfram-renijevog premaza izrađena je od laganog materijala koji dobro pohranjuje toplinu. Dvije takve tvari su molibden i grafit.
Rentgenske cijevi koje se koriste za mamografiju izrađene su od anode obložene molibdenom. Ovaj materijal ima srednji atomski broj (Z=42) koji stvara karakteristične fotone s energijama prikladnim zaza slikanje škrinje. Neki mamografski uređaji imaju i drugu anodu od rodija (Z=45). To vam omogućuje povećanje energije i postizanje veće penetracije za uske grudi.
Upotreba legure renija i volframa poboljšava dugotrajno zračenje - s vremenom se učinkovitost uređaja s čistim volframovim anodama smanjuje zbog toplinskog oštećenja površine.
Većina anoda ima oblik zakošenih diskova i pričvršćene su na osovinu elektromotora koja ih rotira relativno velikom brzinom dok emitira X-zrake. Svrha rotacije je uklanjanje topline.
Žarišna točka
Nije cijela anoda uključena u stvaranje X-zraka. Javlja se na maloj površini njegove površine - žarišnoj točki. Dimenzije potonjeg određuju se dimenzijama snopa elektrona koji dolazi s katode. U većini uređaja ima pravokutni oblik i varira između 0,1-2 mm.
Rentgenske cijevi dizajnirane su s određenom veličinom žarišne točke. Što je manji, slika je manje zamućena i oštrija, a što je veća, to je bolje odvođenje topline.
Veličina žarišne točke jedan je od čimbenika koji treba uzeti u obzir pri odabiru rendgenskih cijevi. Proizvođači proizvode uređaje s malim žarišnim točkama kada je potrebno postići visoku razlučivost i dovoljno nisko zračenje. Na primjer, to je potrebno kod pregleda malih i tankih dijelova tijela, kao kod mamografije.
Rentgenske cijevi se uglavnom proizvode s dvije veličine žarišne točke, velikom i malom, koje operater može odabrati prema postupku snimanja.
Katoda
Glavna funkcija katode je generiranje elektrona i njihovo prikupljanje u zraku usmjerenu na anodu. U pravilu se sastoji od male žičane spirale (navoja) uronjene u udubljenje u obliku čaše.
Elektroni koji prolaze kroz krug obično ne mogu napustiti vodič i otići u slobodan prostor. Međutim, oni to mogu učiniti ako dobiju dovoljno energije. U procesu poznatom kao toplinska emisija, toplina se koristi za izbacivanje elektrona s katode. To postaje moguće kada tlak u evakuiranoj rendgenskoj cijevi dosegne 10-6-10-7 mmHg. Umjetnost. Žarnica se zagrijava na isti način kao nit žarulje sa žarnom niti kada se kroz nju propušta struja. Rad rendgenske cijevi popraćen je zagrijavanjem katode do temperature žarenja uz pomicanje dijela elektrona iz nje toplinskom energijom.
Balon
Anoda i katoda nalaze se u hermetički zatvorenoj posudi. Balon i njegov sadržaj često se nazivaju umetkom koji ima ograničen vijek trajanja i može se zamijeniti. Rentgenske cijevi uglavnom imaju staklene žarulje, iako se za neke primjene koriste metalne i keramičke žarulje.
Glavna funkcija balona je pružanje potpore i izolacije za anodu i katodu, te održavanje vakuuma. Tlak u evakuiranoj rendgenskoj cijevina 15°C je 1,2 10-3 Pa. Prisutnost plinova u balonu omogućila bi struji slobodan protok kroz uređaj, a ne samo u obliku snopa elektrona.
slučaj
Dizajn rendgenske cijevi je takav da, osim što zatvara i podupire ostale komponente, tijelo služi kao štit i apsorbira zračenje, osim korisne zrake koja prolazi kroz prozor. Njegova relativno velika vanjska površina raspršuje velik dio topline stvorene unutar uređaja. Prostor između tijela i umetka ispunjen je uljem za izolaciju i hlađenje.
Lanac
Električni krug povezuje cijev s izvorom energije koji se zove generator. Izvor prima struju iz mreže i pretvara izmjeničnu struju u istosmjernu. Generator vam također omogućuje podešavanje nekih parametara kruga:
- KV - napon ili električni potencijal;
- MA je struja koja teče kroz cijev;
- S – trajanje ili vrijeme ekspozicije, u dijelovima sekunde.
Sklop osigurava kretanje elektrona. Nabijeni su energijom, prolazeći kroz generator, i daju je anodi. Dok se kreću, javljaju se dvije transformacije:
- potencijalna električna energija pretvara se u kinetičku energiju;
- kinetika se zauzvrat pretvara u x-zrake i toplinu.
Potencijal
Kada elektroni uđu u žarulju, oni imaju potencijalnu električnu energiju, čija je količina određena naponom KV između anode i katode. Rentgenska cijev radipod naponom, za stvaranje 1 KV od kojih svaka čestica mora imati 1 keV. Podešavanjem KV-a, operater svakom elektronu daje određenu količinu energije.
Kinetika
Niski tlak u evakuiranoj rendgenskoj cijevi (na 15°C je 10-6–10-7 mmHg.) omogućuje česticama letjeti s katode na anodu pod djelovanjem termoionske emisije i električne sile. Ta ih sila ubrzava, što dovodi do povećanja brzine i kinetičke energije te smanjenja potencijala. Kada čestica udari u anodu, njen potencijal se gubi i sva njena energija se pretvara u kinetičku energiju. Elektron od 100 keV postiže brzine veće od polovine brzine svjetlosti. Udarajući o površinu, čestice se vrlo brzo usporavaju i gube svoju kinetičku energiju. Pretvara se u rendgenske zrake ili toplinu.
Elektroni dolaze u kontakt s pojedinačnim atomima anodnog materijala. Zračenje nastaje kada su u interakciji s orbitalama (rendgenski fotoni) i s jezgrom (kočni zrak).
Energija veze
Svaki elektron unutar atoma ima određenu energiju vezanja, koja ovisi o veličini potonjeg i razini na kojoj se čestica nalazi. Energija vezanja igra važnu ulogu u stvaranju karakterističnih X-zraka i neophodna je za uklanjanje elektrona iz atoma.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung proizvodi najveći broj fotona. Elektroni koji prodiru u materijal anode i prolaze blizu jezgre se odbijaju i usporavajusila privlačenja atoma. Njihova energija izgubljena tijekom ovog susreta pojavljuje se kao rendgenski foton.
Spectrum
Samo nekoliko fotona ima energiju blisku onoj elektrona. Većina ih je niža. Pretpostavimo da postoji prostor ili polje oko jezgre u kojem elektroni doživljavaju "kočnu" silu. Ovo polje se može podijeliti na zone. To daje polju jezgre izgled mete s atomom u središtu. Elektron koji pogodi bilo koju točku mete doživi usporavanje i generira rendgenski foton. Čestice koje udare najbliže centru su najviše pogođene i stoga gube najviše energije, proizvodeći fotone najveće energije. Elektroni koji ulaze u vanjske zone doživljavaju slabije interakcije i stvaraju niže energetske kvante. Iako zone imaju istu širinu, imaju različitu površinu ovisno o udaljenosti do jezgre. Budući da broj čestica koje padaju na određenu zonu ovisi o njezinoj ukupnoj površini, očito je da vanjske zone hvataju više elektrona i stvaraju više fotona. Ovaj se model može koristiti za predviđanje energetskog spektra X-zraka.
Emax fotoni glavnog spektra kočnog zračenja odgovara Emax elektronima. Ispod ove točke, kako se energija fotona smanjuje, njihov broj raste.
Značajan broj fotona niske energije apsorbira se ili filtrira dok pokušavaju proći kroz površinu anode, prozor cijevi ili filter. Filtracija općenito ovisi o sastavu i debljini materijala kroz kojisnop prolazi, što određuje konačni oblik niskoenergetske krivulje spektra.
KV utjecaj
Visokoenergetski dio spektra određen je naponom u rendgenskim cijevima kV (kilovolt). To je zato što on određuje energiju elektrona koji dospiju do anode, a fotoni ne mogu imati potencijal veći od ovoga. S kojim naponom radi rendgenska cijev? Maksimalna energija fotona odgovara maksimalnom primijenjenom potencijalu. Ovaj se napon može promijeniti tijekom ekspozicije zbog izmjenične struje. U ovom slučaju, Emax fotona određen je vršnim naponom perioda osciliranja KVp.
Osim kvantnog potencijala, KVp određuje količinu zračenja koju stvara zadani broj elektrona koji udaraju u anodu. Budući da se ukupna učinkovitost kočnog zračenja povećava zbog povećanja energije bombardirajućih elektrona, što je određeno KVp, slijedi da je KVputječe na učinkovitost uređaja.
Promjena KVp obično mijenja spektar. Ukupna površina ispod energetske krivulje je broj fotona. Bez filtera, spektar je trokut, a količina zračenja je proporcionalna kvadratu KV. U prisutnosti filtera, povećanje KV također povećava prodiranje fotona, što smanjuje postotak filtriranog zračenja. To dovodi do povećanja izlaznog zračenja.
Karakteristično zračenje
Vrsta interakcije koja proizvodi karakteristikuzračenja, uključuje sudar elektrona velike brzine s orbitalnim. Interakcija se može dogoditi samo kada dolazeća čestica ima Ek veću od energije vezivanja u atomu. Kada se ovaj uvjet ispuni i dođe do sudara, elektron se izbacuje. U tom slučaju ostaje prazno mjesto koje popunjava čestica više energetske razine. Kako se elektron kreće, on odaje energiju, koja se emitira u obliku rendgenskog kvanta. To se naziva karakteristično zračenje, budući da je E fotona karakteristika kemijskog elementa od kojeg je napravljena anoda. Na primjer, kada je elektron s K-razine volframa s Evezom=69,5 keV nokautiran, prazno mjesto popunjava elektron s L-razine s E veza=10, 2 keV. Karakteristični foton X-zraka ima energiju jednaku razlici između ove dvije razine, odnosno 59,3 keV.
Zapravo, ovaj anodni materijal rezultira nizom karakterističnih energija X-zraka. To je zato što se elektroni na različitim energetskim razinama (K, L, itd.) mogu izbaciti bombardiranjem čestica, a prazna mjesta mogu se popuniti s različitih energetskih razina. Iako popunjavanje slobodnih mjesta na razini L generira fotone, njihove energije su preniske da bi se mogle koristiti u dijagnostičkom snimanju. Svaka karakteristična energija dobiva oznaku koja označava orbitalu u kojoj je nastalo prazno mjesto, s indeksom koji označava izvor popunjavanja elektrona. Indeks alfa (α) označava zauzetost elektrona s L-razine, a beta (β) označavapunjenje s razine M ili N.
- Spektar volframa. Karakteristično zračenje ovog metala stvara linearni spektar koji se sastoji od nekoliko diskretnih energija, dok kočni zrak stvara kontinuiranu distribuciju. Broj fotona proizvedenih od strane svake karakteristične energije razlikuje se po tome što vjerojatnost popunjavanja praznog mjesta K-razine ovisi o orbitali.
- Spektar molibdena. Anode ovog metala koji se koriste za mamografiju proizvode dvije prilično intenzivne karakteristične energije X-zraka: K-alfa na 17.9 keV i K-beta na 19.5 keV. Optimalni spektar rendgenskih cijevi, koji omogućuje postizanje najbolje ravnoteže između kontrasta i doze zračenja za srednje veličine grudi, postiže se pri Eph=20 keV. Međutim, kočni zrak nastaje pri visokim energijama. Mamografska oprema koristi molibdenski filter za uklanjanje neželjenog dijela spektra. Filter radi na principu "K-edge". Apsorbira zračenje veće od energije vezanja elektrona na K-razini atoma molibdena.
- Spektar rodija. Rodij ima atomski broj 45, dok molibden ima atomski broj 42. Stoga će karakteristična rendgenska emisija rodijeve anode imati nešto veću energiju od molibdena i prodornija je. Ovo se koristi za snimanje gustih grudi.
Molibden-rodij anode s dvostrukom površinom omogućuju operateru odabir raspodjele optimizirane za različite veličine i gustoće grudi.
Učinak KV-a na spektar
Vrijednost KV uvelike utječe na karakteristično zračenje, budući da se ono neće proizvesti ako je KV manji od energije elektrona K-razine. Kada KV prijeđe ovaj prag, količina zračenja općenito je proporcionalna razlici između cijevi KV i praga KV.
Energetski spektar rendgenskih fotona koji izlaze iz instrumenta određen je s nekoliko čimbenika. U pravilu se sastoji od kočnog zraka i karakterističnih interakcijskih kvanta.
Relativni sastav spektra ovisi o materijalu anode, KV-u i filteru. U cijevi s volframovom anodom ne proizvodi se karakteristično zračenje na KV< 69,5 keV. Kod viših CV vrijednosti koje se koriste u dijagnostičkim studijama, karakteristično zračenje povećava ukupno zračenje do 25%. U uređajima s molibdenom može činiti veliki dio ukupne generacije.
Učinkovitost
Samo mali dio energije koju isporučuju elektroni pretvara se u zračenje. Glavni dio se apsorbira i pretvara u toplinu. Učinkovitost zračenja definira se kao udio ukupne energije zračenja i ukupne električne energije prenesene anodi. Čimbenici koji određuju učinkovitost rendgenske cijevi su primijenjeni napon KV i atomski broj Z. Primjer odnosa je sljedeći:
Učinkovitost=KV x Z x 10-6.
Odnos između učinkovitosti i KV-a ima specifičan utjecaj na praktičnu upotrebu rendgenske opreme. Zbog oslobađanja topline, cijevi imaju određeno ograničenje količine električne energijeenergiju koju mogu raspršiti. To nameće ograničenje snage uređaja. Međutim, kako se KV povećava, količina zračenja proizvedenog po jedinici topline značajno raste.
Ovisnost učinkovitosti generiranja X-zraka o sastavu anode je samo od akademskog interesa, budući da većina uređaja koristi volfram. Iznimka su molibden i rodij koji se koriste u mamografiji. Učinkovitost ovih uređaja je mnogo niža od volframa zbog nižeg atomskog broja.
Učinkovitost
Učinkovitost rendgenske cijevi definira se kao količina ekspozicije, u milirentgenima, dostavljena do točke u središtu korisnog snopa na udaljenosti od 1 m od žarišne točke za svaki 1 mAs od elektrona koji prolaze kroz uređaj. Njegova vrijednost izražava sposobnost uređaja da energiju nabijenih čestica pretvara u x-zrake. Omogućuje vam određivanje ekspozicije pacijenta i slike. Poput učinkovitosti, učinkovitost uređaja ovisi o brojnim čimbenicima, uključujući KV, valni oblik napona, materijal anode i oštećenja površine, filter i vrijeme upotrebe.
KV kontrola
KV učinkovito kontrolira izlaz rendgenske cijevi. Općenito se pretpostavlja da je izlaz proporcionalan kvadratu KV. Udvostručenje KV-a povećava izloženost za 4x.
valni oblik
Valni oblik opisuje način na koji se KV mijenja tijekom vremena tijekom generacijezračenja zbog cikličke prirode napajanja. Koristi se nekoliko različitih valnih oblika. Općenito je načelo da što se manje mijenja oblik KV, to se rendgenske zrake proizvode učinkovitije. Moderna oprema koristi generatore s relativno konstantnim KV.
Rentgenske cijevi: proizvođači
Oxford Instruments proizvodi razne uređaje, uključujući staklene uređaje do 250 W, potencijal 4-80 kV, žarišnu točku do 10 mikrona i širok raspon anodnih materijala, uključujući Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian nudi preko 400 različitih vrsta medicinskih i industrijskih rendgenskih cijevi. Ostali poznati proizvođači su Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, itd.
Rentgenske cijevi "Svetlana-Rentgen" proizvode se u Rusiji. Osim tradicionalnih uređaja s rotirajućom i stacionarnom anodom, tvrtka proizvodi uređaje s hladnom katodom kontroliranom svjetlosnim tokom. Prednosti uređaja su sljedeće:
- rad u kontinuiranom i pulsnom načinu rada;
- neinercija;
- regulacija intenziteta struje LED;
- čistoća spektra;
- mogućnost dobivanja rendgenskih zraka različitog intenziteta.
