Röntgen tüpleri nasıl çalışır?

2024 Yazar: Curtis Blomfield | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-15 09:48

X-ışınları, elektron enerjisinin bir x-ışını tüpünde gerçekleşen fotonlara dönüştürülmesiyle oluşturulur. Cihazın akımı, voltajı ve çalışma süresi değiştirilerek radyasyonun miktarı (maruziyeti) ve kalitesi (spektrumu) ayarlanabilir.

Çalışma prensibi

X-ışını tüpleri (fotoğraf makalede verilmiştir) enerji dönüştürücülerdir. Onu ağdan alırlar ve başka biçimlere dönüştürürler - nüfuz eden radyasyon ve ısı, ikincisi istenmeyen bir yan üründür. X-ışını tüpünün tasarımı, foton üretimini en üst düzeye çıkaracak ve ısıyı mümkün olduğunca çabuk dağıtacak şekildedir.

Tüp, genellikle iki temel öğeyi içeren nispeten basit bir cihazdır - bir katot ve bir anot. Katottan anoda akım aktığında, elektronlar enerji kaybeder ve bu da X-ışınlarının oluşmasına neden olur.

Anot

Anot, yayan bileşendir.yüksek enerjili fotonlar Bu, elektrik devresinin pozitif kutbuna bağlı nispeten büyük bir metal elemandır. İki ana işlevi yerine getirir:

elektron enerjisini x ışınlarına dönüştürür,
ısıyı dağıtır.

Anot malzemesi bu işlevleri geliştirmek için seçilmiştir.

İdeal olarak, elektronların çoğu ısı değil, yüksek enerjili fotonlar oluşturmalıdır. Toplam enerjilerinin X ışınlarına (verimlilik) dönüştürülen oranı iki faktöre bağlıdır:

anot malzemesinin atom numarası (Z),
elektronların enerjisi.

Çoğu X-ışını tüpü, atom numarası 74 olan bir anot malzemesi olarak tungsten kullanır. Büyük bir Z'ye sahip olmasının yanı sıra, bu metalin bu amaç için uygun olmasını sağlayan başka özellikleri de vardır. Tungsten, ısıtıldığında mukavemetini koruma özelliği, yüksek erime noktası ve düşük buharlaşma hızı ile benzersizdir.

Yıllarca anot saf tungstenden yapılmıştır. Son yıllarda, bu metalin renyum ile bir alaşımı kullanılmaya başlandı, ancak sadece yüzeyde. Tungsten-renyum kaplamanın altındaki anot, ısıyı iyi depolayan hafif bir malzemeden yapılmıştır. Bu tür iki madde molibden ve grafittir.

Mamografi için kullanılan X-ışını tüpleri, molibden kaplı anottan yapılmıştır. Bu malzeme, uygun enerjilere sahip karakteristik fotonlar üreten bir ara atom numarasına (Z=42) sahiptir.göğsün fotoğraflarını çekmek için. Bazı mamografi cihazlarında ayrıca rodyumdan (Z=45) yapılmış ikinci bir anot bulunur. Bu, sıkı göğüsler için enerjiyi artırmanıza ve daha fazla penetrasyon elde etmenize olanak tanır.

Renyum-tungsten alaşımının kullanılması uzun vadeli radyasyon çıkışını iyileştirir - zamanla, yüzeydeki termal hasar nedeniyle saf tungsten anot cihazlarının verimliliği azalır.

Çoğu anot, eğimli diskler şeklindedir ve X-ışınları yayarken onları nispeten yüksek hızlarda döndüren bir elektrik motoru şaftına bağlıdır. Dönmenin amacı ısıyı uzaklaştırmaktır.

Odak noktası

Anotun tamamı X-ışınlarının oluşumunda yer almaz. Yüzeyinin küçük bir alanında oluşur - bir odak noktası. İkincisinin boyutları, katottan gelen elektron ışınının boyutları tarafından belirlenir. Çoğu cihazda dikdörtgen şeklindedir ve 0,1-2 mm arasında değişir.

X-ray tüpleri belirli bir odak noktası boyutuyla tasarlanmıştır. Ne kadar küçükse, görüntü o kadar az bulanık ve keskindir ve ne kadar büyükse ısı dağılımı o kadar iyidir.

Odak noktası boyutu, X-ışını tüplerini seçerken göz önünde bulundurulması gereken faktörlerden biridir. Üreticiler, yüksek çözünürlük ve yeterince düşük radyasyon elde etmek gerektiğinde küçük odak noktalarına sahip cihazlar üretir. Örneğin, mamografide olduğu gibi vücudun küçük ve ince kısımlarını incelerken bu gereklidir.

X-ray tüpleri esas olarak, görüntüleme prosedürüne göre operatör tarafından seçilebilen, büyük ve küçük olmak üzere iki odak noktası boyutuyla üretilir.

Katot

Katodun ana işlevi elektronları üretmek ve onları anoda yönelik bir ışında toplamaktır. Kural olarak, fincan şeklindeki bir girintiye daldırılmış küçük bir tel spiralden (diş) oluşur.

Devreden geçen elektronlar genellikle iletkenden ayrılamaz ve boş alana giremez. Ancak yeterli enerjiyi alırlarsa bunu yapabilirler. Termal emisyon olarak bilinen bir süreçte, elektronları katottan çıkarmak için ısı kullanılır. Bu, boş altılan X-ışını tüpündeki basınç 10^-6–10^{-7 mmHg'ye ulaştığında mümkün olur. Sanat. Filament, içinden akım geçtiğinde bir akkor lambanın filamanı gibi ısınır. X-ışını tüpünün çalışmasına, katodun elektronların bir kısmının termal enerji ile yer değiştirmesiyle ışıma sıcaklığına ısıtılması eşlik eder.}

Balon

Anot ve katot, hava geçirmez şekilde kapatılmış bir kapta bulunur. Balon ve içeriği genellikle sınırlı bir ömre sahip olan ve değiştirilebilen bir ek olarak adlandırılır. Bazı uygulamalar için metal ve seramik ampuller kullanılsa da, X-ışını tüplerinde çoğunlukla cam ampuller bulunur.

Balonun ana işlevi, anot ve katot için destek ve yalıtım sağlamak ve bir vakum sağlamaktır. Boş altılan X-ışını tüpündeki basınç15°C'de 1,2 10-3 Pa'dır. Balonun içindeki gazların varlığı, elektriğin yalnızca elektron ışını şeklinde değil, cihazdan serbestçe akmasına izin verir.

Vaka

X-ışını tüpünün tasarımı, diğer bileşenleri çevreleyip desteklemenin yanı sıra, gövdesi bir kalkan görevi görür ve pencereden geçen faydalı ışın dışında radyasyonu emer. Nispeten geniş dış yüzeyi, cihazın içinde üretilen ısının çoğunu dağıtır. Gövde ve ek parça arasındaki boşluk, yalıtım ve soğutma için yağ ile doldurulur.

Zincir

Bir elektrik devresi, boruyu jeneratör adı verilen bir enerji kaynağına bağlar. Kaynak, şebekeden güç alır ve alternatif akımı doğru akıma dönüştürür. Jeneratör ayrıca bazı devre parametrelerini ayarlamanıza da olanak tanır:

KV - voltaj veya elektrik potansiyeli;
MA, borudan geçen akımdır;
S – saniyenin kesirleri cinsinden süre veya maruz kalma süresi.

Devre elektronların hareketini sağlar. Jeneratörden geçerek enerji ile yüklenirler ve anoda verirler. Onlar hareket ettikçe iki dönüşüm gerçekleşir:

potansiyel elektrik enerjisi kinetik enerjiye dönüştürülür;
kinetik ise x-ışınlarına ve ısıya dönüştürülür.

Potansiyel

Elektronlar ampule girdiğinde, miktarı anot ve katot arasındaki KV voltajı tarafından belirlenen potansiyel elektrik enerjisine sahiptirler. röntgen tüpü çalışıyorher parçacığın 1 keV'ye sahip olması gereken 1 KV oluşturmak için voltaj altında. Operatör KV'yi ayarlayarak her elektrona belirli bir miktarda enerji verir.

Kinetik

Boş altılan X-ışını tüpünde düşük basınç (15°C'de 10^-6–10^{-7 mmHg'dir.) parçacıkların termiyonik emisyon ve elektrik kuvvetinin etkisi altında katottan anoda uçmasına izin verir. Bu kuvvet onları hızlandırır, bu da hız ve kinetik enerjide bir artışa ve potansiyelde bir azalmaya yol açar. Bir parçacık anoda çarptığında potansiyeli kaybolur ve tüm enerjisi kinetik enerjiye dönüşür. 100 keV'lik bir elektron, ışık hızının yarısını aşan hızlara ulaşır. Yüzeye çarpan parçacıklar çok hızlı yavaşlar ve kinetik enerjilerini kaybederler. X ışınlarına veya ısıya dönüşür.}

Elektronlar, anot malzemesinin tek tek atomlarıyla temas eder. Radyasyon, yörüngeler (X-ışını fotonları) ve çekirdek (bremsstrahlung) ile etkileşime girdiklerinde üretilir.

Bağlantı Enerjisi

Bir atomun içindeki her elektronun, ikincisinin boyutuna ve parçacığın bulunduğu seviyeye bağlı olarak belirli bir bağlanma enerjisi vardır. Bağlanma enerjisi, karakteristik X-ışınlarının oluşumunda önemli bir rol oynar ve bir atomdan bir elektronu uzaklaştırmak için gereklidir.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung en fazla sayıda foton üretir. Anot malzemesine giren ve çekirdeğin yanından geçen elektronlar saptırılır ve yavaşlar.atomun çekim kuvveti. Bu karşılaşma sırasında kaybolan enerjileri bir X-ışını fotonu olarak görünür.

Spektrum

Yalnızca birkaç fotonun elektronlarınkine yakın bir enerjisi vardır. Çoğu daha düşük. Elektronların bir "frenleme" kuvveti yaşadığı çekirdeği çevreleyen bir boşluk veya alan olduğunu varsayalım. Bu alan bölgelere ayrılabilir. Bu, çekirdeğin alanına, merkezinde bir atom bulunan bir hedefin görünümünü verir. Hedefin herhangi bir noktasına çarpan bir elektron yavaşlama yaşar ve bir X-ışını fotonu üretir. Merkeze en yakın olan parçacıklar en çok etkilenir ve bu nedenle en fazla enerjiyi kaybederek en yüksek enerjili fotonları üretir. Dış bölgelere giren elektronlar daha zayıf etkileşimler yaşar ve daha düşük enerji kuantumları üretir. Bölgeler aynı genişliğe sahip olmasına rağmen çekirdeğe olan mesafeye bağlı olarak farklı bir alana sahiptir. Belirli bir bölgeye düşen parçacıkların sayısı toplam alanına bağlı olduğundan, dış bölgelerin daha fazla elektron yakaladığı ve daha fazla foton oluşturduğu açıktır. Bu model, X ışınlarının enerji spektrumunu tahmin etmek için kullanılabilir.

Ana bremsstrahlung spektrumunun

E_max fotonları E_{max elektronlara karşılık gelir. Bu noktanın altında foton enerjisi azaldıkça sayıları artar.}

Önemli sayıda düşük enerjili fotonlar, anot yüzeyinden, tüp penceresinden veya filtreden geçmeye çalışırken emilir veya filtrelenir. Filtrasyon genellikle içinden geçilen malzemenin bileşimine ve kalınlığına bağlıdır.ışın, spektrumun düşük enerji eğrisinin son şeklini belirleyen içinden geçer.

KV Etkisi

Spektrumun yüksek enerjili kısmı, X-ışını tüplerindeki voltaj kV (kilovolt) tarafından belirlenir. Çünkü anoda ulaşan elektronların enerjisini belirler ve fotonların bundan daha yüksek bir potansiyeli olamaz. Röntgen tüpü hangi voltajla çalışır? Maksimum foton enerjisi, uygulanan maksimum potansiyele karşılık gelir. Bu voltaj, AC şebeke akımı nedeniyle maruz kalma sırasında değişebilir. Bu durumda, bir fotonun E_max salınım periyodu KV_{p tarafından belirlenir.}

Kuantum potansiyelinin yanı sıra, KV_p anoda çarpan belirli sayıda elektronun yarattığı radyasyon miktarını belirler. KV_p ile belirlenen bombardıman elektronlarının enerjisindeki bir artış nedeniyle bremsstrahlung'un genel verimliliği arttığından, KV_{pcihazın verimliliğini etkiler.}

KV_{p değiştirmek genellikle spektrumu değiştirir. Enerji eğrisinin altındaki toplam alan, fotonların sayısıdır. Filtre olmadan, spektrum bir üçgendir ve radyasyon miktarı KV'nin karesiyle orantılıdır. Bir filtrenin varlığında, KV'deki bir artış fotonların penetrasyonunu da arttırır, bu da filtrelenmiş radyasyon yüzdesini az altır. Bu, radyasyon çıkışında bir artışa yol açar.}

Karakteristik radyasyon

Özelliği üreten etkileşim türüradyasyon, yüksek hızlı elektronların yörüngeli olanlarla çarpışmasını içerir. Etkileşim, yalnızca gelen parçacığın atomdaki bağlanma enerjisinden daha büyük E_k olduğunda meydana gelebilir. Bu koşul sağlandığında ve bir çarpışma meydana geldiğinde elektron fırlatılır. Bu durumda, daha yüksek bir enerji seviyesine sahip bir parçacık tarafından doldurulan bir boşluk kalır. Elektron hareket ettikçe, bir X-ışını kuantumu şeklinde yayılan enerji verir. Buna karakteristik radyasyon denir, çünkü bir fotonun E'si anotun yapıldığı kimyasal elementin bir özelliğidir. Örneğin, E_bond=69,5 keV ile tungstenin K seviyesinden bir elektron atıldığında, boşluk, E _{ile L seviyesinden bir elektron tarafından doldurulur. bağ=10, 2 keV. Karakteristik X-ışını fotonu, bu iki seviye arasındaki farka veya 59.3 keV'e eşit bir enerjiye sahiptir.}

Aslında, bu anot malzemesi bir dizi karakteristik X-ışını enerjisiyle sonuçlanır. Bunun nedeni, farklı enerji seviyelerindeki (K, L, vb.) elektronların parçacıkların bombardımanı ile nakavt edilebilmeleri ve boşlukların farklı enerji seviyelerinden doldurulabilmesidir. L düzeyindeki boşlukların doldurulması fotonlar üretse de, enerjileri tanısal görüntülemede kullanılamayacak kadar düşüktür. Her karakteristik enerjiye, elektron dolum kaynağını gösteren bir indeks ile boşluğun oluştuğu yörüngeyi gösteren bir atama verilir. İndeks alfa (α), L seviyesinden bir elektronun işgalini gösterir ve beta (β)M veya N seviyesinden doldurma.

Tungsten spektrumu. Bu metalin karakteristik radyasyonu, birkaç ayrık enerjiden oluşan doğrusal bir spektrum üretirken, bremsstrahlung sürekli bir dağılım oluşturur. Her karakteristik enerji tarafından üretilen fotonların sayısı, K-seviyesindeki bir boşluğu doldurma olasılığının yörüngeye bağlı olması bakımından farklılık gösterir.

Molibden spektrumu. Mamografi için kullanılan bu metalin anotları, oldukça yoğun iki karakteristik X-ışını enerjisi üretir: 17.9 keV'de K-alfa ve 19.5 keV'de K-beta. Orta büyüklükteki göğüsler için kontrast ve radyasyon dozu arasında en iyi dengenin sağlanmasına olanak tanıyan optimal X-ışını tüpleri spektrumu, E_{ph=20 keV'de elde edilir. Ancak, bremsstrahlung yüksek enerjilerde üretilir. Mamografi ekipmanı, spektrumun istenmeyen kısmını çıkarmak için bir molibden filtresi kullanır. Filtre "K-kenar" ilkesine göre çalışır. Molibden atomunun K seviyesindeki elektronların bağlanma enerjisini aşan radyasyonu emer.}
Rodyum spektrumu. Rodyumun atom numarası 45, molibdenin atom numarası 42'dir. Bu nedenle, bir rodyum anodunun karakteristik X-ışını emisyonu molibdenden biraz daha yüksek enerjiye sahip olacaktır ve daha nüfuz edicidir. Bu, yoğun göğüsleri görüntülemek için kullanılır.

Çift yüzeyli molibden-rodyum anotlar, operatörün farklı meme boyutları ve yoğunlukları için optimize edilmiş bir dağıtım seçmesine olanak tanır.

KV'nin spektrum üzerindeki etkisi

KV değeri, karakteristik radyasyonu büyük ölçüde etkiler, çünkü KV, K-seviyesi elektronların enerjisinden daha azsa üretilmez. KV bu eşiği aştığında, radyasyon miktarı genellikle KV tüpü ile KV eşiği arasındaki farkla orantılıdır.

Cihazdan çıkan X-ışını fotonlarının enerji spektrumu çeşitli faktörler tarafından belirlenir. Kural olarak, bremsstrahlung ve karakteristik etkileşim niceliğinden oluşur.

Spektrumun nispi bileşimi anot malzemesine, KV'ye ve filtreye bağlıdır. Tungsten anotlu bir tüpte, KV< 69.5 keV'de karakteristik radyasyon üretilmez. Tanı çalışmalarında kullanılan daha yüksek CV değerlerinde, karakteristik radyasyon toplam radyasyonu %25'e kadar artırır. Molibden cihazlarda, toplam neslin büyük bir bölümünü oluşturabilir.

Verimlilik

Elektronlar tarafından iletilen enerjinin yalnızca küçük bir kısmı radyasyona dönüştürülür. Ana kısım emilir ve ısıya dönüştürülür. Radyasyon verimliliği, anoda verilen toplam elektrik enerjisinden yayılan toplam enerjinin oranı olarak tanımlanır. Bir X-ışını tüpünün verimliliğini belirleyen faktörler, uygulanan voltaj KV ve atom numarası Z'dir. Örnek bir ilişki aşağıdaki gibidir:

Verimlilik=KV x Z x 10-6.

Verimlilik ve KV arasındaki ilişki, X-ray ekipmanının pratik kullanımı üzerinde özel bir etkiye sahiptir. Isının açığa çıkması nedeniyle, tüplerin elektrik miktarında belirli bir sınırı vardır.harcayabilecekleri enerji. Bu, cihazın gücüne bir sınırlama getirir. Ancak KV arttıkça birim ısı başına üretilen radyasyon miktarı önemli ölçüde artar.

Çoğu cihaz tungsten kullandığından, X-ışını üretiminin verimliliğinin anotun bileşimine bağlı olması yalnızca akademik açıdan ilgi çekicidir. Bir istisna, mamografide kullanılan molibden ve rodyumdur. Bu cihazların verimliliği, daha düşük atom numaraları nedeniyle tungstenden çok daha düşüktür.

Verimlilik

Bir X-ışını tüpünün verimliliği, her 1 mA için odak noktasından 1 m uzaklıkta faydalı ışının merkezindeki bir noktaya iletilen miliroentgen cinsinden maruz kalma miktarı olarak tanımlanır. Cihazdan geçen elektronlar. Değeri, cihazın yüklü parçacıkların enerjisini x-ışınlarına dönüştürme yeteneğini ifade eder. Hastanın ve görüntünün pozunu belirlemenizi sağlar. Verimlilik gibi cihaz verimliliği de KV, voltaj dalga biçimi, anot malzemesi ve yüzey hasarı, filtre ve kullanım süresi gibi bir dizi faktöre bağlıdır.

KV kontrolü

KV, X-ışını tüpü çıkışını etkin bir şekilde kontrol eder. Genellikle çıktının KV'nin karesiyle orantılı olduğu varsayılır. KV'yi ikiye katlamak, pozlamayı 4 kat artırır.

Dalga formu

Dalga formu, KV'nin üretim sırasında zaman içinde nasıl değiştiğini açıklargüç kaynağının döngüsel doğası nedeniyle radyasyon. Birkaç farklı dalga formu kullanılır. Genel ilke, KV şekli ne kadar az değişirse, X ışınlarının o kadar verimli üretilmesidir. Modern ekipman, nispeten sabit bir KV'ye sahip jeneratörler kullanır.

X-ışını tüpleri: üreticiler

Oxford Instruments, 250 W'a kadar cam cihazlar, 4-80 kV potansiyel, 10 mikrona kadar odak noktası ve Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian, 400'den fazla farklı tipte tıbbi ve endüstriyel röntgen tüpü sunar. Diğer tanınmış üreticiler Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, vb.'dir.

X-ışını tüpleri "Svetlana-Rentgen" Rusya'da üretilmektedir. Dönen ve sabit anotlu geleneksel cihazlara ek olarak şirket, ışık akısı tarafından kontrol edilen soğuk katotlu cihazlar üretmektedir. Cihazın avantajları aşağıdaki gibidir: