Paano gumagana ang mga x-ray tubes?

2024 May -akda: Curtis Blomfield | [email protected]. Huling binago: 2024-01-15 09:48

Ang X-rays ay nilikha sa pamamagitan ng pag-convert ng electron energy sa mga photon, na nagaganap sa isang x-ray tube. Maaaring isaayos ang dami (exposure) at kalidad (spectrum) ng radiation sa pamamagitan ng pagbabago sa kasalukuyang, boltahe at oras ng pagpapatakbo ng device.

Prinsipyo sa paggawa

Ang X-ray tubes (ang larawan ay ibinigay sa artikulo) ay mga energy converter. Kinukuha nila ito mula sa network at ginagawa itong iba pang mga anyo - tumatagos na radiation at init, ang huli ay isang hindi kanais-nais na by-product. Ang disenyo ng X-ray tube ay tulad na na-maximize nito ang paggawa ng photon at nagpapalabas ng init sa lalong madaling panahon.

Ang tubo ay medyo simpleng aparato, kadalasang naglalaman ng dalawang pangunahing elemento - isang cathode at anode. Kapag dumadaloy ang kasalukuyang mula sa cathode patungo sa anode, nawawalan ng enerhiya ang mga electron, na nagreresulta sa pagbuo ng mga X-ray.

Anode

Ang anode ay ang bahaging naglalabasmataas na enerhiya na mga photon. Ito ay isang medyo napakalaking elemento ng metal na konektado sa positibong poste ng electrical circuit. Gumaganap ng dalawang pangunahing function:

nag-convert ng electron energy sa x-ray,
nagpapawala ng init.

Pinili ang anode material para mapahusay ang mga function na ito.

Sa isip, karamihan sa mga electron ay dapat bumuo ng mga photon na may mataas na enerhiya, hindi init. Ang bahagi ng kanilang kabuuang enerhiya na na-convert sa X-ray (efficiency) ay nakasalalay sa dalawang salik:

atomic number (Z) ng anode material,
enerhiya ng mga electron.

Karamihan sa mga X-ray tube ay gumagamit ng tungsten bilang anode material, na may atomic number na 74. Bilang karagdagan sa pagkakaroon ng malaking Z, ang metal na ito ay may ilang iba pang mga katangian na ginagawang angkop para sa layuning ito. Ang tungsten ay natatangi sa kakayahang mapanatili ang lakas kapag pinainit, may mataas na punto ng pagkatunaw at mababang rate ng pagsingaw.

Sa loob ng maraming taon, ang anode ay ginawa mula sa purong tungsten. Sa mga nagdaang taon, ang isang haluang metal na ito na may rhenium ay nagsimulang gamitin, ngunit sa ibabaw lamang. Ang anode mismo sa ilalim ng tungsten-rhenium coating ay gawa sa isang magaan na materyal na nag-iimbak ng init. Dalawang ganoong substance ang molibdenum at graphite.

Ang X-ray tubes na ginagamit para sa mammography ay ginawa gamit ang molybdenum coated anode. Ang materyal na ito ay may intermediate atomic number (Z=42) na bumubuo ng mga katangiang photon na may mga enerhiya na madaling gamitin.para sa pagkuha ng mga larawan ng dibdib. Ang ilang mammography device ay mayroon ding pangalawang anode na gawa sa rhodium (Z=45). Nagbibigay-daan ito sa iyo na madagdagan ang enerhiya at makamit ang mas malaking penetration para sa masikip na suso.

Ang paggamit ng rhenium-tungsten alloy ay nagpapabuti ng pangmatagalang radiation output - sa paglipas ng panahon, ang kahusayan ng purong tungsten anode device ay bumababa dahil sa thermal damage sa surface.

Karamihan sa mga anode ay may hugis na mga beveled disc at nakakabit sa isang electric motor shaft na nagpapaikot sa mga ito sa medyo mataas na bilis habang naglalabas ng mga X-ray. Ang layunin ng pag-ikot ay alisin ang init.

Focal spot

Hindi ang buong anode ay kasangkot sa pagbuo ng mga X-ray. Ito ay nangyayari sa isang maliit na lugar ng ibabaw nito - isang focal spot. Ang mga sukat ng huli ay tinutukoy ng mga sukat ng electron beam na nagmumula sa katod. Sa karamihan ng mga device, mayroon itong hugis-parihaba na hugis at nag-iiba sa pagitan ng 0.1-2 mm.

Ang X-ray tubes ay idinisenyo na may partikular na laki ng focal spot. Kung mas maliit ito, hindi gaanong lumalabo at mas matalas ang imahe, at mas malaki ito, mas mahusay ang pag-alis ng init.

Ang laki ng focal spot ay isa sa mga salik na dapat isaalang-alang kapag pumipili ng mga X-ray tube. Gumagawa ang mga tagagawa ng mga device na may maliliit na focal spot kapag kinakailangan upang makamit ang mataas na resolution at sapat na mababang radiation. Halimbawa, kinakailangan ito kapag sinusuri ang maliliit at manipis na bahagi ng katawan, tulad ng sa mammography.

Ang mga X-ray tube ay pangunahing ginagawa na may dalawang focal spot size, malaki at maliit, na maaaring piliin ng operator ayon sa pamamaraan ng imaging.

Cathode

Ang pangunahing function ng cathode ay upang makabuo ng mga electron at kolektahin ang mga ito sa isang sinag na nakadirekta sa anode. Bilang panuntunan, binubuo ito ng isang maliit na wire spiral (thread) na nakalubog sa hugis-cup na depression.

Ang mga electron na dumadaan sa circuit ay karaniwang hindi makakaalis sa konduktor at mapupunta sa libreng espasyo. Gayunpaman, magagawa nila ito kung nakakakuha sila ng sapat na enerhiya. Sa isang proseso na kilala bilang thermal emission, ang init ay ginagamit upang paalisin ang mga electron mula sa katod. Nagiging posible ito kapag ang presyon sa inilikas na X-ray tube ay umabot sa 10^-6–10^{-7 mmHg. Art. Ang filament ay umiinit sa parehong paraan tulad ng filament ng isang maliwanag na lampara kapag ang kasalukuyang ay dumaan dito. Ang operasyon ng X-ray tube ay sinamahan ng pag-init ng cathode sa glow temperature kasama ang pag-aalis ng bahagi ng mga electron mula dito sa pamamagitan ng thermal energy.}

Lobo

Ang anode at cathode ay nakapaloob sa isang hermetically sealed na lalagyan. Ang lobo at ang mga nilalaman nito ay madalas na tinutukoy bilang isang insert, na may limitadong buhay at maaaring palitan. Ang mga X-ray tube ay kadalasang may glass bulbs, bagama't metal at ceramic bulbs ay ginagamit para sa ilang application.

Ang pangunahing tungkulin ng lobo ay magbigay ng suporta at pagkakabukod para sa anode at cathode, at upang mapanatili ang vacuum. Presyon sa inilikas na X-ray tubesa 15°C ay 1.2 10-3 Pa. Ang pagkakaroon ng mga gas sa balloon ay magbibigay-daan sa malayang pagdaloy ng kuryente sa device, at hindi lamang sa anyo ng electron beam.

Kaso

Ang disenyo ng x-ray tube ay tulad na, bilang karagdagan sa pagsasara at pagsuporta sa iba pang mga bahagi, ang katawan nito ay nagsisilbing isang kalasag at sumisipsip ng radiation, maliban sa kapaki-pakinabang na sinag na dumadaan sa bintana. Ang medyo malaking panlabas na ibabaw nito ay nagwawaldas ng halos lahat ng init na nabuo sa loob ng device. Ang espasyo sa pagitan ng katawan at ng insert ay napuno ng langis para sa pagkakabukod at paglamig.

Chain

Isang electrical circuit ang nag-uugnay sa tubo sa pinagmumulan ng enerhiya na tinatawag na generator. Ang pinagmulan ay tumatanggap ng kapangyarihan mula sa mga mains at nagko-convert ng alternating current sa direktang kasalukuyang. Binibigyang-daan ka rin ng generator na ayusin ang ilang mga parameter ng circuit:

KV - boltahe o potensyal na elektrikal;
Ang MA ay ang agos na dumadaloy sa tubo;
S – tagal o oras ng pagkakalantad, sa mga fraction ng isang segundo.

Ang circuit ay nagbibigay ng paggalaw ng mga electron. Sila ay sinisingil ng enerhiya, dumadaan sa generator, at ibigay ito sa anode. Habang gumagalaw sila, dalawang pagbabago ang nagaganap:

ang potensyal na elektrikal na enerhiya ay na-convert sa kinetic energy;
Ang kinetic naman, ay na-convert sa x-ray at init.

Potensyal

Kapag ang mga electron ay pumasok sa bulb, mayroon silang potensyal na elektrikal na enerhiya, ang halaga nito ay tinutukoy ng boltahe KV sa pagitan ng anode at cathode. Gumagana ang X-ray tubesa ilalim ng boltahe, upang lumikha ng 1 KV kung saan ang bawat particle ay dapat magkaroon ng 1 keV. Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng KV, binibigyan ng operator ang bawat electron ng tiyak na dami ng enerhiya.

Kinetics

Mababang presyon sa inilikas na X-ray tube (sa 15°C ito ay 10^-6–10^{-7 mmHg.) ay nagbibigay-daan sa mga particle na lumipad palabas mula sa cathode patungo sa anode sa ilalim ng pagkilos ng thermionic emission at electric force. Ang puwersang ito ay nagpapabilis sa kanila, na humahantong sa pagtaas ng bilis at kinetic energy at pagbaba ng potensyal. Kapag ang isang particle ay tumama sa anode, ang potensyal nito ay nawala at ang lahat ng enerhiya nito ay na-convert sa kinetic energy. Ang isang 100-keV electron ay umabot sa mga bilis na lampas sa kalahati ng bilis ng liwanag. Pagpindot sa ibabaw, ang mga particle ay bumagal nang napakabilis at nawawala ang kanilang kinetic energy. Ito ay nagiging X-ray o init.}

Nakadikit ang mga electron sa mga indibidwal na atom ng anode material. Nabubuo ang radyasyon kapag nakikipag-ugnayan ang mga ito sa mga orbital (X-ray photon) at sa nucleus (bremsstrahlung).

Link Energy

Ang bawat electron sa loob ng isang atom ay may tiyak na binding energy, na nakadepende sa laki ng huli at sa antas kung saan matatagpuan ang particle. Ang nagbubuklod na enerhiya ay may mahalagang papel sa pagbuo ng mga katangiang X-ray at kinakailangan upang alisin ang isang electron mula sa isang atom.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung ang gumagawa ng pinakamalaking bilang ng mga photon. Ang mga electron na tumatagos sa anode material at dumadaan malapit sa nucleus ay pinalihis at pinabagal.ang puwersa ng pagkahumaling ng atom. Lumilitaw bilang isang X-ray photon ang nawala nilang enerhiya sa panahon ng pagtatagpong ito.

Spectrum

Iilang photon lang ang may enerhiya na malapit sa enerhiya ng mga electron. Karamihan sa kanila ay mas mababa. Ipagpalagay natin na mayroong puwang o patlang na nakapalibot sa nucleus kung saan ang mga electron ay nakakaranas ng puwersang "pagpepreno". Ang field na ito ay maaaring hatiin sa mga zone. Nagbibigay ito sa larangan ng nucleus ng hitsura ng isang target na may atom sa gitna. Ang isang electron na tumama sa anumang punto ng target ay nakakaranas ng deceleration at bumubuo ng X-ray photon. Ang mga particle na tumatama sa pinakamalapit sa gitna ay ang pinaka-apektado at samakatuwid ay nawawalan ng pinakamaraming enerhiya, na gumagawa ng pinakamataas na photon ng enerhiya. Ang mga electron na pumapasok sa mga panlabas na sona ay nakakaranas ng mas mahinang pakikipag-ugnayan at bumubuo ng mas mababang dami ng enerhiya. Kahit na ang mga zone ay may parehong lapad, mayroon silang ibang lugar depende sa distansya sa core. Dahil ang bilang ng mga particle na bumabagsak sa isang partikular na zone ay nakasalalay sa kabuuang lugar nito, malinaw na ang mga panlabas na zone ay kumukuha ng higit pang mga electron at lumikha ng higit pang mga photon. Maaaring gamitin ang modelong ito upang mahulaan ang spectrum ng enerhiya ng mga X-ray.

E_max photon ng pangunahing bremsstrahlung spectrum ay tumutugma sa E_{max electrons. Sa ibaba ng puntong ito, habang bumababa ang enerhiya ng photon, tumataas ang kanilang bilang.}

Maraming bilang ng mga low energy na photon ang naa-absorb o sinasala habang sinusubukan nilang dumaan sa anode surface, tube window o filter. Ang pagsasala sa pangkalahatan ay nakasalalay sa komposisyon at kapal ng materyal na kung saandumaan ang sinag, na tumutukoy sa huling anyo ng low-energy curve ng spectrum.

Ang x-ray tube ay gumagana sa ilalim ng boltahe

Impluwensiya ng KV

Ang high-energy na bahagi ng spectrum ay tinutukoy ng boltahe sa X-ray tubes kV (kilovolt). Ito ay dahil tinutukoy nito ang enerhiya ng mga electron na umaabot sa anode, at ang mga photon ay hindi maaaring magkaroon ng potensyal na mas mataas kaysa dito. Anong boltahe ang gumagana sa x-ray tube? Ang maximum na enerhiya ng photon ay tumutugma sa maximum na inilapat na potensyal. Maaaring magbago ang boltahe na ito sa panahon ng pagkakalantad dahil sa kasalukuyang AC mains. Sa kasong ito, ang E_max ng isang photon ay tinutukoy ng peak voltage ng oscillation period KV_p.

Bukod sa quantum potential, tinutukoy ng KV_p ang dami ng radiation na nalilikha ng isang naibigay na bilang ng mga electron na tumatama sa anode. Dahil ang pangkalahatang kahusayan ng bremsstrahlung ay tumataas dahil sa pagtaas ng enerhiya ng mga bombarding electron, na tinutukoy ng KV_p, ito ay sumusunod na KV_{pnakakaapekto sa kahusayan ng device.}

Ang

Pagbabago ng KV_{p ay karaniwang nagbabago sa spectrum. Ang kabuuang lugar sa ilalim ng kurba ng enerhiya ay ang bilang ng mga photon. Kung walang filter, ang spectrum ay isang tatsulok, at ang dami ng radiation ay proporsyonal sa parisukat ng KV. Sa pagkakaroon ng isang filter, ang pagtaas sa KV ay nagdaragdag din sa pagtagos ng mga photon, na binabawasan ang porsyento ng na-filter na radiation. Ito ay humahantong sa pagtaas ng radiation output.}

Characteristic radiation

Ang uri ng pakikipag-ugnayan na nagbubunga ng katangianradiation, kasama ang banggaan ng mga high-speed electron na may mga orbital. Ang interaksyon ay maaari lamang mangyari kapag ang papasok na particle ay may E_k na mas malaki kaysa sa nagbubuklod na enerhiya sa atom. Kapag natugunan ang kundisyong ito at nangyari ang isang banggaan, ang electron ay ilalabas. Sa kasong ito, nananatili ang isang bakante, na pinupuno ng isang particle ng mas mataas na antas ng enerhiya. Habang gumagalaw ang electron, nagbibigay ito ng enerhiya, na ibinubuga sa anyo ng isang X-ray quantum. Ito ay tinatawag na katangian ng radiation, dahil ang E ng isang photon ay isang katangian ng kemikal na elemento kung saan ginawa ang anode. Halimbawa, kapag ang isang electron mula sa K-level ng tungsten na may E_bond=69.5 keV ay na-knock out, ang bakante ay pupunuin ng isang electron mula sa L-level na may E _{bond=10, 2 keV. Ang katangian ng X-ray photon ay may enerhiya na katumbas ng pagkakaiba sa pagitan ng dalawang antas na ito, o 59.3 keV.}

Sa katunayan, ang anode material na ito ay nagreresulta sa isang bilang ng mga katangian ng X-ray energies. Ito ay dahil ang mga electron sa iba't ibang antas ng enerhiya (K, L, atbp.) ay maaaring matumba sa pamamagitan ng pagbomba ng mga particle, at ang mga bakante ay maaaring punan mula sa iba't ibang antas ng enerhiya. Bagama't ang pagpuno ng mga bakante sa antas ng L ay bumubuo ng mga photon, ang kanilang mga enerhiya ay masyadong mababa upang magamit sa diagnostic imaging. Ang bawat katangian ng enerhiya ay binibigyan ng isang pagtatalaga na nagpapahiwatig ng orbital kung saan nabuo ang bakante, na may isang index na nagpapahiwatig ng pinagmulan ng pagpuno ng elektron. Ang index alpha (α) ay nagpapahiwatig ng trabaho ng isang electron mula sa L-level, at ang beta (β) ay nagpapahiwatigpagpuno mula sa antas M o N.

Spectrum ng tungsten. Ang katangian ng radiation ng metal na ito ay gumagawa ng isang linear spectrum na binubuo ng ilang discrete energies, habang ang bremsstrahlung ay lumilikha ng tuluy-tuloy na pamamahagi. Ang bilang ng mga photon na ginawa ng bawat katangiang enerhiya ay nag-iiba dahil ang posibilidad na mapunan ang isang K-level na bakante ay depende sa orbital.

Spectrum ng molybdenum. Ang mga anod ng metal na ito na ginagamit para sa mammography ay gumagawa ng dalawang medyo matinding katangian ng X-ray energies: K-alpha sa 17.9 keV, at K-beta sa 19.5 keV. Ang pinakamainam na spectrum ng X-ray tubes, na nagbibigay-daan upang makamit ang pinakamahusay na balanse sa pagitan ng contrast at radiation dose para sa katamtamang laki ng mga suso, ay nakakamit sa E_{ph=20 keV. Gayunpaman, ang bremsstrahlung ay ginawa sa mataas na enerhiya. Ang mga kagamitan sa mammography ay gumagamit ng molibdenum na filter upang alisin ang hindi gustong bahagi ng spectrum. Gumagana ang filter sa prinsipyong "K-edge". Ito ay sumisipsip ng radiation na labis sa nagbubuklod na enerhiya ng mga electron sa K-level ng molybdenum atom.}
Spectrum ng rhodium. Ang rhodium ay may atomic number na 45, habang ang molybdenum ay may atomic number na 42. Samakatuwid, ang katangian ng X-ray na paglabas ng isang rhodium anode ay magkakaroon ng bahagyang mas mataas na enerhiya kaysa sa molibdenum at mas tumatagos. Ginagamit ito para sa pag-imaging ng makapal na suso.

Double-surface molybdenum-rhodium anodes ay nagbibigay-daan sa operator na pumili ng pamamahagi na na-optimize para sa iba't ibang laki at densidad ng dibdib.

Anong boltahe ang gumagana sa x-ray?isang tubo

Epekto ng KV sa spectrum

Ang halaga ng KV ay lubos na nakakaapekto sa katangian ng radiation, dahil hindi ito gagawin kung ang KV ay mas mababa sa enerhiya ng mga K-level na electron. Kapag lumampas ang KV sa threshold na ito, ang dami ng radiation ay karaniwang proporsyonal sa pagkakaiba sa pagitan ng tube KV at threshold KV.

Ang spectrum ng enerhiya ng mga X-ray photon na lumalabas sa instrumento ay tinutukoy ng ilang salik. Bilang panuntunan, binubuo ito ng bremsstrahlung at quanta ng characteristic interaction.

Ang relatibong komposisyon ng spectrum ay nakadepende sa anode material, KV at filter. Sa isang tubo na may tungsten anode, walang katangian na radiation ang nagagawa sa KV< 69.5 keV. Sa mas mataas na mga halaga ng CV na ginagamit sa mga diagnostic na pag-aaral, ang katangian ng radiation ay nagpapataas ng kabuuang radiation ng hanggang 25%. Sa mga molybdenum device, maaari itong bumubuo ng malaking bahagi ng kabuuang henerasyon.

Efficiency

Tanging isang maliit na bahagi ng enerhiya na inihatid ng mga electron ay na-convert sa radiation. Ang pangunahing bahagi ay hinihigop at na-convert sa init. Ang kahusayan ng radiation ay tinukoy bilang ang proporsyon ng kabuuang radiated na enerhiya mula sa kabuuang enerhiyang elektrikal na ibinibigay sa anode. Ang mga salik na tumutukoy sa kahusayan ng isang X-ray tube ay ang inilapat na boltahe na KV at ang atomic number na Z. Ang isang halimbawang relasyon ay ang sumusunod:

Efficiency=KV x Z x 10-6.

Ang ugnayan sa pagitan ng kahusayan at KV ay may partikular na epekto sa praktikal na paggamit ng X-ray equipment. Dahil sa pagpapalabas ng init, ang mga tubo ay may tiyak na limitasyon sa dami ng elektrikalang enerhiya na maaari nilang mawala. Nagpapataw ito ng limitasyon sa kapangyarihan ng device. Habang tumataas ang KV, gayunpaman, ang dami ng radiation na ginawa sa bawat yunit ng init ay tumataas nang malaki.

Ang pag-asa ng kahusayan ng pagbuo ng X-ray sa komposisyon ng anode ay para lamang sa akademikong interes, dahil karamihan sa mga device ay gumagamit ng tungsten. Ang isang pagbubukod ay ang molibdenum at rhodium na ginagamit sa mammography. Ang kahusayan ng mga device na ito ay mas mababa kaysa sa tungsten dahil sa kanilang mas mababang atomic number.

Efficiency

Ang kahusayan ng isang X-ray tube ay tinukoy bilang ang dami ng pagkakalantad, sa milliroentgens, na inihatid sa isang punto sa gitna ng kapaki-pakinabang na sinag sa layong 1 m mula sa focal spot para sa bawat 1 mAs ng mga electron na dumadaan sa device. Ang halaga nito ay nagpapahayag ng kakayahan ng aparato na i-convert ang enerhiya ng mga sisingilin na particle sa mga x-ray. Binibigyang-daan kang matukoy ang pagkakalantad ng pasyente at ang larawan. Tulad ng kahusayan, ang kahusayan ng device ay nakadepende sa ilang salik, kabilang ang KV, boltahe waveform, anode material at pinsala sa ibabaw, filter, at oras ng paggamit.

KV control

Mabisang kinokontrol ng KV ang output ng X-ray tube. Karaniwang ipinapalagay na ang output ay proporsyonal sa parisukat ng KV. Ang pagdodoble ng KV ay nagpapataas ng exposure ng 4x.

Anyo ng alon

Inilalarawan ng waveform ang paraan ng pagbabago ng KV sa paglipas ng panahon sa pagbuoradiation dahil sa cyclic na katangian ng power supply. Maraming iba't ibang mga waveform ang ginagamit. Ang pangkalahatang prinsipyo ay mas mababa ang pagbabago sa hugis ng KV, mas mahusay ang paggawa ng mga X-ray. Gumagamit ang mga modernong kagamitan ng mga generator na may medyo pare-parehong KV.

Mga X-ray tube: mga tagagawa

Ang Oxford Instruments ay gumagawa ng iba't ibang device, kabilang ang mga glass device hanggang 250 W, 4-80 kV potential, focal spot hanggang 10 microns at malawak na hanay ng anode materials, kabilang ang Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Ang Varian ay nag-aalok ng higit sa 400 iba't ibang uri ng medikal at pang-industriyang x-ray tubes. Ang iba pang kilalang manufacturer ay ang Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, atbp.

Ang X-ray tubes na "Svetlana-Rentgen" ay ginawa sa Russia. Bilang karagdagan sa mga tradisyonal na device na may umiikot at nakatigil na anode, ang kumpanya ay gumagawa ng mga device na may malamig na katod na kinokontrol ng light flux. Ang mga bentahe ng device ay ang mga sumusunod: