Röntgenstrålar skapas genom att omvandla elektronenergi till fotoner, vilket sker i ett röntgenrör. Mängden (exponering) och kvalitet (spektrum) av strålning kan justeras genom att ändra enhetens ström, spänning och drifttid.
Arbetsprincip
Röntgenrör (bilden ges i artikeln) är energiomvandlare. De tar det från nätverket och omvandlar det till andra former - penetrerande strålning och värme, det senare är en oönskad biprodukt. Röntgenrörets design är sådan att det maximerar fotonproduktionen och avleder värme så snabbt som möjligt.
Ett rör är en relativt enkel anordning som vanligtvis innehåller två grundläggande element - en katod och en anod. När ström flyter från katoden till anoden förlorar elektronerna energi, vilket resulterar i generering av röntgenstrålar.
Anode
Anoden är komponenten som avgerhögenergifotoner. Detta är ett relativt massivt metallelement som är anslutet till den elektriska kretsens positiva pol. Utför två huvudfunktioner:
- konverterar elektronenergi till röntgenstrålar,
- leder bort värme.
Anodmaterialet är v alt för att förbättra dessa funktioner.
Helst skulle de flesta elektronerna bilda högenergifotoner, inte värme. Den del av deras totala energi som omvandlas till röntgenstrålar (effektivitet) beror på två faktorer:
- atomnummer (Z) för anodmaterialet,
- elektroners energi.
De flesta röntgenrör använder volfram som anodmaterial, som har ett atomnummer på 74. Förutom att ha ett stort Z har denna metall några andra egenskaper som gör den lämplig för detta ändamål. Volfram är unik i sin förmåga att behålla sin styrka vid upphettning, har en hög smältpunkt och låg förångningshastighet.
Under många år var anoden gjord av ren volfram. På senare år har en legering av denna metall med rhenium börjat användas, men bara på ytan. Själva anoden under volfram-rhenium-beläggningen är gjord av ett lätt material som lagrar värme bra. Två sådana ämnen är molybden och grafit.
Röntgenrör som används för mammografi är gjorda med en molybdenbelagd anod. Detta material har ett mellanliggande atomnummer (Z=42) som genererar karakteristiska fotoner med energier som är bekväma attför att ta bilder av bröstet. Vissa mammografiapparater har även en andra anod av rodium (Z=45). Detta gör att du kan öka energin och uppnå större penetration för trånga bröst.
Användningen av rhenium-volframlegering förbättrar långtidsstrålningseffekten - med tiden minskar effektiviteten hos rena volframanodenheter på grund av termiska skador på ytan.
De flesta anoder är formade som fasade skivor och är fästa på en elmotoraxel som roterar dem med relativt höga hastigheter samtidigt som de avger röntgenstrålar. Syftet med rotation är att ta bort värme.
Fokalpunkt
Inte hela anoden är inblandad i genereringen av röntgenstrålar. Det förekommer på ett litet område av dess yta - en brännpunkt. Dimensionerna för den senare bestäms av dimensionerna på elektronstrålen som kommer från katoden. I de flesta enheter har den en rektangulär form och varierar mellan 0,1-2 mm.
Röntgenrör är designade med en specifik brännpunktsstorlek. Ju mindre den är, desto mindre suddig och skarpare bilden, och ju större den är, desto bättre värmeavledning.
Fokalpunktsstorlek är en av faktorerna att tänka på när du väljer röntgenrör. Tillverkare producerar enheter med små brännpunkter när det är nödvändigt att uppnå hög upplösning och tillräckligt låg strålning. Detta krävs till exempel när man undersöker små och tunna delar av kroppen, som vid mammografi.
Röntgenrör tillverkas huvudsakligen med två brännpunktsstorlekar, stora och små, som kan väljas av operatören enligt avbildningsproceduren.
Cathode
Katodens huvudsakliga funktion är att generera elektroner och samla dem till en stråle riktad mot anoden. Som regel består den av en liten trådspiral (tråd) nedsänkt i en skålformad fördjupning.
Elektroner som passerar genom kretsen kan vanligtvis inte lämna ledaren och gå ut i fritt utrymme. Däremot kan de göra det om de får tillräckligt med energi. I en process som kallas termisk emission används värme för att driva ut elektroner från katoden. Detta blir möjligt när trycket i det evakuerade röntgenröret når 10-6–10-7 mmHg. Konst. Glödtråden värms upp på samma sätt som glödtråden i en glödlampa när ström passerar genom den. Röntgenrörets funktion åtföljs av uppvärmning av katoden till glödtemperaturen med förskjutning av en del av elektronerna från den av termisk energi.
Balloon
Anoden och katoden finns i en hermetiskt tillsluten behållare. Ballongen och dess innehåll kallas ofta för en insats, som har en begränsad livslängd och kan bytas ut. Röntgenrör har oftast glaslampor, även om metall- och keramiska lampor används för vissa applikationer.
Ballongens huvudsakliga funktion är att ge stöd och isolering för anoden och katoden, och att upprätthålla ett vakuum. Tryck i det evakuerade röntgenröretvid 15°C är 1,2 10-3 Pa. Närvaron av gaser i ballongen skulle tillåta elektricitet att flöda fritt genom enheten, och inte bara i form av en elektronstråle.
Case
Röntgenrörets utformning är sådan att dess kropp, förutom att innesluta och stödja andra komponenter, fungerar som en sköld och absorberar strålning, förutom den användbara strålen som passerar genom fönstret. Dess relativt stora yttre yta leder bort mycket av värmen som genereras inuti enheten. Utrymmet mellan stommen och insatsen är fyllt med olja för isolering och kylning.
Chain
En elektrisk krets ansluter röret till en energikälla som kallas en generator. Källan får ström från elnätet och omvandlar växelström till likström. Generatorn låter dig även justera vissa kretsparametrar:
- KV - spänning eller elektrisk potential;
- MA är strömmen som flyter genom röret;
- S – varaktighet eller exponeringstid, i bråkdelar av en sekund.
Kretsen tillhandahåller elektronernas rörelse. De laddas med energi, passerar genom generatorn och ger den till anoden. När de rör sig sker två transformationer:
- potentiell elektrisk energi omvandlas till kinetisk energi;
- kinetik omvandlas i sin tur till röntgenstrålar och värme.
Potential
När elektroner kommer in i glödlampan har de potentiell elektrisk energi, vars mängd bestäms av spänningen KV mellan anoden och katoden. Röntgenrör fungerarunder spänning, för att skapa 1 KV varav varje partikel måste ha 1 keV. Genom att justera KV ger operatören varje elektron en viss mängd energi.
Kinetics
Lågt tryck i det evakuerade röntgenröret (vid 15°C är det 10-6–10-7 mmHg.) tillåter partiklar att flyga ut från katoden till anoden under inverkan av termionisk emission och elektrisk kraft. Denna kraft accelererar dem, vilket leder till en ökning av hastighet och kinetisk energi och en minskning av potentialen. När en partikel träffar anoden går dess potential förlorad och all dess energi omvandlas till kinetisk energi. En 100-keV elektron når hastigheter som överstiger halva ljusets hastighet. När de träffar ytan saktar partiklarna ner mycket snabbt och förlorar sin kinetiska energi. Det förvandlas till röntgenstrålar eller värme.
Elektroner kommer i kontakt med enskilda atomer i anodmaterialet. Strålning genereras när de interagerar med orbitaler (röntgenfotoner) och med kärnan (bremsstrahlung).
Link Energy
Varje elektron inuti en atom har en viss bindningsenergi, som beror på storleken på den senare och på vilken nivå partikeln befinner sig. Bindningsenergin spelar en viktig roll i genereringen av karakteristiska röntgenstrålar och är nödvändig för att avlägsna en elektron från en atom.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung producerar det största antalet fotoner. Elektroner som penetrerar anodmaterialet och passerar nära kärnan avleds och saktas neratomens attraktionskraft. Deras energi förlorade under detta möte framstår som en röntgenfoton.
Spectrum
Endast ett fåtal fotoner har en energi som är nära den för elektroner. De flesta av dem är lägre. Låt oss anta att det finns ett utrymme eller ett fält som omger kärnan där elektronerna upplever en "bromsande" kraft. Detta fält kan delas in i zoner. Detta ger kärnans fält utseendet av ett mål med en atom i mitten. En elektron som träffar någon punkt i målet upplever retardation och genererar en röntgenfoton. Partiklar som träffar närmast mitten är de mest påverkade och förlorar därför mest energi och producerar fotoner med högst energi. Elektroner som kommer in i de yttre zonerna upplever svagare interaktioner och genererar lägre energikvanta. Även om zonerna har samma bredd har de olika yta beroende på avståndet till kärnan. Eftersom antalet partiklar som faller på en given zon beror på dess totala yta är det uppenbart att de yttre zonerna fångar fler elektroner och skapar fler fotoner. Denna modell kan användas för att förutsäga energispektrumet för röntgenstrålar.
Emax fotoner i det huvudsakliga bremsstrahlungsspektrumet motsvarar Emax elektroner. Under denna punkt, när fotonenergin minskar, ökar deras antal.
Ett betydande antal lågenergifotoner absorberas eller filtreras när de försöker passera genom anodytan, rörfönstret eller filtret. Filtrering är i allmänhet beroende av sammansättningen och tjockleken av materialet genom vilketstrålen passerar igenom, vilket bestämmer den slutliga formen av spektrumets lågenergikurva.
KV Influence
Högenergidelen av spektrumet bestäms av spänningen i röntgenrör kV (kilovolt). Detta beror på att det bestämmer energin hos elektronerna som når anoden, och fotoner kan inte ha en högre potential än detta. Vilken spänning arbetar röntgenröret med? Den maximala fotonenergin motsvarar den maximala applicerade potentialen. Denna spänning kan ändras under exponering på grund av växelström. I detta fall bestäms Emax för en foton av toppspänningen för oscillationsperioden KVp.
Förutom kvantpotentialen bestämmer KVp mängden strålning som skapas av ett givet antal elektroner som träffar anoden. Eftersom den totala effektiviteten för bremsstrahlung ökar på grund av en ökning av energin hos de bombarderande elektronerna, vilket bestäms av KVp, följer att KVppåverkar enhetens effektivitet.
Ändra KVp ändrar vanligtvis spektrumet. Den totala arean under energikurvan är antalet fotoner. Utan ett filter är spektrumet en triangel, och mängden strålning är proportionell mot kvadraten på KV. I närvaro av ett filter ökar en ökning av KV också penetrationen av fotoner, vilket minskar andelen filtrerad strålning. Detta leder till en ökning av strålningseffekten.
Karakteristisk strålning
Typen av interaktion som producerar egenskapenstrålning, inkluderar kollision av höghastighetselektroner med orbitala. Interaktion kan endast ske när den inkommande partikeln har Ek större än bindningsenergin i atomen. När detta villkor är uppfyllt och en kollision inträffar stöts elektronen ut. I detta fall kvarstår en vakans som fylls av en partikel med högre energinivå. När elektronen rör sig avger den energi, som sänds ut i form av ett röntgenkvantum. Detta kallas karakteristisk strålning, eftersom E för en foton är en egenskap hos det kemiska elementet som anoden är gjord av. Till exempel, när en elektron från K-nivån av volfram med Ebond=69,5 keV slås ut, fylls vakansen av en elektron från L-nivån med E bindning=10, 2 keV. Den karakteristiska röntgenfotonen har en energi som är lika med skillnaden mellan dessa två nivåer, eller 59,3 keV.
Det här anodmaterialet resulterar faktiskt i ett antal karakteristiska röntgenenergier. Detta beror på att elektroner på olika energinivåer (K, L, etc.) kan slås ut genom att bombardera partiklar, och vakanser kan fyllas från olika energinivåer. Även om fyllningen av lediga platser på L-nivå genererar fotoner, är deras energier för låga för att användas i diagnostisk bildbehandling. Varje karakteristisk energi ges en beteckning som indikerar den omloppsbana där vakansen bildades, med ett index som indikerar källan till elektronfyllning. Index alfa (α) indikerar ockupationen av en elektron från L-nivån, och beta (β) indikerarfyllning från nivå M eller N.
- Spektrum av volfram. Den karakteristiska strålningen av denna metall producerar ett linjärt spektrum som består av flera diskreta energier, medan bremsstrahlung skapar en kontinuerlig fördelning. Antalet fotoner som produceras av varje karakteristisk energi skiljer sig genom att sannolikheten för att fylla en vakans på K-nivå beror på orbitalen.
- Spektrum av molybden. Anoder av denna metall som används för mammografi producerar två ganska intensiva karakteristiska röntgenenergier: K-alfa vid 17,9 keV och K-beta vid 19,5 keV. Det optimala spektrumet av röntgenrör, som gör det möjligt att uppnå den bästa balansen mellan kontrast och stråldos för medelstora bröst, uppnås vid Eph=20 keV. Bremsstrahlung produceras dock vid höga energier. Mammografiutrustning använder ett molybdenfilter för att ta bort den oönskade delen av spektrumet. Filtret fungerar enligt "K-edge"-principen. Den absorberar strålning som överstiger elektronernas bindningsenergi vid molybdenatomens K-nivå.
- Spektrum av rodium. Rodium har atomnummer 45, medan molybden har atomnummer 42. Därför kommer den karakteristiska röntgenstrålningen från en rodiumanod att ha en något högre energi än molybden och är mer penetrerande. Detta används för att avbilda täta bröst.
Dubbelytor molybden-rodiumanoder gör det möjligt för operatören att välja en fördelning optimerad för olika bröststorlekar och densiteter.
Effekt av KV på spektrumet
Värdet på KV påverkar i hög grad den karakteristiska strålningen, eftersom den inte kommer att produceras om KV är mindre än energin hos elektronerna på K-nivå. När KV överskrider detta tröskelvärde är mängden strålning i allmänhet proportionell mot skillnaden mellan rörets KV och tröskelvärdet KV.
Energispektrumet för röntgenfotoner som kommer ut ur instrumentet bestäms av flera faktorer. Som regel består den av bremsstrahlung och karakteristisk interaktionskvanta.
Den relativa sammansättningen av spektrumet beror på anodmaterialet, KV och filter. I ett rör med volframanod produceras ingen karakteristisk strålning vid KV< 69,5 keV. Vid högre CV-värden som används i diagnostiska studier ökar karakteristisk strålning den totala strålningen med upp till 25 %. I molybdenenheter kan den utgöra en stor del av den totala generationen.
Effektivitet
Endast en liten del av energin som levereras av elektroner omvandlas till strålning. Huvuddelen absorberas och omvandlas till värme. Strålningseffektivitet definieras som andelen av den totala utstrålade energin från den totala elektriska energin som tillförs anoden. Faktorerna som bestämmer effektiviteten hos ett röntgenrör är den pålagda spänningen KV och atomnumret Z. Ett exempel på samband är följande:
Effektivitet=KV x Z x 10-6.
Förhållandet mellan effektivitet och KV har en specifik inverkan på den praktiska användningen av röntgenutrustning. På grund av värmeavgivningen har rören en viss gräns för mängden elektrisktenergin de kan försvinna. Detta medför en begränsning av enhetens kraft. När KV ökar, ökar emellertid mängden strålning som produceras per värmeenhet avsevärt.
Beroendet av effektiviteten av röntgengenerering av anodens sammansättning är endast av akademiskt intresse, eftersom de flesta enheter använder volfram. Ett undantag är molybden och rodium som används vid mammografi. Effektiviteten hos dessa enheter är mycket lägre än volfram på grund av deras lägre atomnummer.
Effektivitet
Effektiviteten hos ett röntgenrör definieras som mängden exponering, i milliröntgen, som levereras till en punkt i mitten av den användbara strålen på ett avstånd av 1 m från brännpunkten för varje 1 mAs av elektroner som passerar genom enheten. Dess värde uttrycker enhetens förmåga att omvandla energin hos laddade partiklar till röntgenstrålar. Låter dig bestämma exponeringen av patienten och bilden. Liksom effektivitet beror enhetens effektivitet på ett antal faktorer, inklusive KV, spänningsvågform, anodmaterial och ytskador, filter och användningstid.
KV-kontroll
KV kontrollerar effektivt röntgenrörsutgången. Det antas generellt att utsignalen är proportionell mot kvadraten på KV. Fördubbling av KV ökar exponeringen med 4x.
Waveform
Vågform beskriver hur KV förändras över tiden under genereringstrålning på grund av strömförsörjningens cykliska natur. Flera olika vågformer används. Den allmänna principen är att ju mindre KV-formen förändras, desto mer effektivt produceras röntgenstrålar. Modern utrustning använder generatorer med en relativt konstant KV.
röntgenrör: tillverkare
Oxford Instruments producerar en mängd olika enheter, inklusive glasenheter upp till 250 W, 4-80 kV potential, brännpunkt upp till 10 mikron och ett brett utbud av anodmaterial, inklusive Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian erbjuder över 400 olika typer av medicinska och industriella röntgenrör. Andra välkända tillverkare är Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, etc.
Röntgenrör "Svetlana-Rentgen" tillverkas i Ryssland. Förutom traditionella enheter med en roterande och stationär anod, tillverkar företaget enheter med en kall katod som styrs av ljusflödet. Fördelarna med enheten är följande:
- arbeta i kontinuerligt läge och pulsläge;
- tröghetslöshet;
- LED-strömintensitetsreglering;
- spektrumrenhet;
- möjlighet att ta röntgenstrålar av varierande intensitet.
