Rentgeno spinduliai sukuriami paverčiant elektronų energiją fotonais, o tai vyksta rentgeno vamzdyje. Spinduliuotės kiekį (ekspoziciją) ir kokybę (spektrą) galima reguliuoti keičiant įrenginio srovę, įtampą ir veikimo laiką.
Veikimo principas
Rentgeno vamzdeliai (nuotrauka pateikta straipsnyje) yra energijos keitikliai. Jie paima jį iš tinklo ir paverčia kitomis formomis – prasiskverbiančia spinduliuote ir šiluma, o pastaroji yra nepageidaujamas šalutinis produktas. Rentgeno vamzdelio konstrukcija yra tokia, kad ji maksimaliai padidina fotonų gamybą ir kuo greičiau išsklaido šilumą.
Vamzdis yra gana paprastas įtaisas, kurį paprastai sudaro du pagrindiniai elementai – katodas ir anodas. Kai srovė teka iš katodo į anodą, elektronai praranda energiją, todėl susidaro rentgeno spinduliai.
Anodas
Anodas yra komponentas, kuris spinduliuojadidelės energijos fotonai. Tai gana masyvus metalinis elementas, prijungtas prie teigiamo elektros grandinės poliaus. Atlieka dvi pagrindines funkcijas:
- paverčia elektronų energiją į rentgeno spindulius,
- išsklaido šilumą.
Anodo medžiaga parinkta siekiant pagerinti šias funkcijas.
Idealiu atveju dauguma elektronų turėtų sudaryti didelės energijos fotonus, o ne šilumą. Jų bendros energijos dalis, kuri paverčiama rentgeno spinduliais (efektyvumas), priklauso nuo dviejų veiksnių:
- Anodo medžiagos atominis skaičius (Z),
- elektronų energija.
Daugumoje rentgeno vamzdelių kaip anodo medžiaga naudojamas volframas, kurio atominis skaičius yra 74. Šis metalas turi ne tik didelį Z, bet ir kitų savybių, dėl kurių jis tinkamas šiam tikslui. Volframas yra unikalus savo gebėjimu išlaikyti stiprumą kaitinant, turi aukštą lydymosi temperatūrą ir mažą garavimo greitį.
Daugelį metų anodas buvo pagamintas iš gryno volframo. Pastaraisiais metais pradėtas naudoti šio metalo lydinys su reniu, tačiau tik paviršiuje. Pats anodas po volframo-renio danga yra pagamintas iš lengvos medžiagos, kuri gerai sulaiko šilumą. Dvi tokios medžiagos yra molibdenas ir grafitas.
Rentgeno vamzdeliai, naudojami mamografijai, pagaminti naudojant molibdenu padengtą anodą. Ši medžiaga turi tarpinį atominį skaičių (Z=42), kuris generuoja būdingus fotonus, kurių energija yra patogikrūtinės fotografavimui. Kai kurie mamografiniai prietaisai turi ir antrą anodą, pagamintą iš rodžio (Z=45). Tai leidžia padidinti energiją ir pasiekti didesnį įsiskverbimą į aptemptas krūtis.
Renio ir volframo lydinio naudojimas pagerina ilgalaikę spinduliuotę – laikui bėgant gryno volframo anodo įtaisų efektyvumas mažėja dėl terminio paviršiaus pažeidimo.
Dauguma anodų yra nuožulnių diskų formos ir yra pritvirtinti prie elektros variklio veleno, kuris juos sukasi gana dideliu greičiu ir skleisdamas rentgeno spindulius. Sukimosi tikslas – pašalinti šilumą.
Židinio vieta
Rentgeno spindulių generavime dalyvauja ne visas anodas. Jis atsiranda mažame jo paviršiaus plote - židinio vietoje. Pastarųjų matmenis lemia elektronų pluošto, sklindančio iš katodo, matmenys. Daugumoje įrenginių jis yra stačiakampio formos ir skiriasi nuo 0,1 iki 2 mm.
Rentgeno vamzdeliai suprojektuoti pagal konkretų židinio taško dydį. Kuo jis mažesnis, tuo vaizdas mažiau susilieja ir ryškesnis, o kuo jis didesnis, tuo geriau išsklaido šilumą.
Židinio taško dydis yra vienas iš veiksnių, į kurį reikia atsižvelgti renkantis rentgeno vamzdelius. Gamintojai gamina prietaisus su mažais židinio taškais, kai reikia pasiekti didelę skiriamąją gebą ir pakankamai mažą spinduliuotę. Pavyzdžiui, to reikia tiriant mažas ir plonas kūno dalis, pavyzdžiui, atliekant mamografiją.
Rentgeno vamzdeliai daugiausia gaminami su dviem židinio dydžiais – dideliu ir mažu, kuriuos operatorius gali pasirinkti pagal vaizdo gavimo procedūrą.
Katodas
Pagrindinė katodo funkcija yra generuoti elektronus ir surinkti juos į spindulį, nukreiptą į anodą. Paprastai jis susideda iš mažos vielos spiralės (sriegio), panardintos į puodelio formos įdubimą.
Elektronai, einantys per grandinę, paprastai negali išeiti iš laidininko ir patekti į laisvą erdvę. Tačiau jie gali tai padaryti, jei gauna pakankamai energijos. Procese, vadinamame termine emisija, elektronams iš katodo išstumti naudojama šiluma. Tai tampa įmanoma, kai slėgis evakuojamame rentgeno vamzdyje pasiekia 10-6–10-7 mmHg. Art. Kaitinamasis siūlas įkaista taip pat, kaip ir kaitrinės lempos siūlas, kai per jį teka srovė. Rentgeno vamzdelio veikimą lydi katodo kaitinimas iki švytėjimo temperatūros, kai dalis elektronų iš jo išstumiama dėl šiluminės energijos.
Balionas
Anodas ir katodas yra hermetiškai uždarytoje talpykloje. Balionas ir jo turinys dažnai vadinamas įdėklu, kurio naudojimo laikas yra ribotas ir kurį galima pakeisti. Rentgeno vamzdeliuose dažniausiai yra stiklinės lemputės, nors kai kuriems tikslams naudojamos metalinės ir keraminės lemputės.
Pagrindinė baliono funkcija – palaikyti ir izoliuoti anodą ir katodą bei palaikyti vakuumą. Slėgis evakuuotame rentgeno vamzdyje15°C temperatūroje yra 1,2 10-3 Pa. Dujų buvimas balione leistų elektrai laisvai tekėti per įrenginį, o ne tik elektronų pluošto pavidalu.
Byla
Rentgeno vamzdelio konstrukcija yra tokia, kad jo korpusas ne tik apgaubia ir palaiko kitus komponentus, bet ir tarnauja kaip skydas ir sugeria spinduliuotę, išskyrus naudingą spindulį, einantį pro langą. Palyginti didelis išorinis jo paviršius išsklaido didžiąją dalį prietaiso viduje susidariusios šilumos. Tarpas tarp korpuso ir įdėklo užpildytas alyva izoliacijai ir aušinimui.
Grandinė
Elektros grandinė sujungia vamzdį su energijos š altiniu, vadinamu generatoriumi. Š altinis gauna maitinimą iš tinklo ir paverčia kintamąją srovę į nuolatinę. Generatorius taip pat leidžia reguliuoti kai kuriuos grandinės parametrus:
- KV – įtampa arba elektrinis potencialas;
- MA yra srovė, kuri teka vamzdeliu;
- S – trukmė arba ekspozicijos laikas, sekundės dalimis.
Grandinė užtikrina elektronų judėjimą. Jie įkraunami energija, praeina per generatorių ir atiduoda ją anodui. Jiems judant įvyksta dvi transformacijos:
- potenciali elektros energija paverčiama kinetine energija;
- kinetika savo ruožtu paverčiama rentgeno spinduliais ir šiluma.
Potencialas
Kai elektronai patenka į lemputę, jie turi potencialios elektros energijos, kurios kiekį lemia įtampa KV tarp anodo ir katodo. Rentgeno vamzdelis veikiaesant įtampai, norint sukurti 1 KV, iš kurių kiekviena dalelė turi turėti 1 keV. Reguliuodamas KV, operatorius kiekvienam elektronui suteikia tam tikrą energijos kiekį.
Kinetika
Žemas slėgis vakuuminiame rentgeno vamzdyje (esant 15°C temperatūrai jis yra 10-6–10-7 mmHg.) leidžia dalelėms išskristi iš katodo į anodą, veikiant terminei emisijai ir elektrinei jėgai. Ši jėga juos pagreitina, todėl didėja greitis ir kinetinė energija bei sumažėja potencialas. Kai dalelė atsitrenkia į anodą, jos potencialas prarandamas ir visa energija paverčiama kinetine energija. 100 keV elektronas pasiekia greitį, viršijantį pusę šviesos greičio. Atsitrenkdamos į paviršių, dalelės labai greitai sulėtėja ir praranda kinetinę energiją. Tai virsta rentgeno spinduliais arba šiluma.
Elektronai liečiasi su atskirais anodo medžiagos atomais. Spinduliuotė susidaro, kai jie sąveikauja su orbitomis (rentgeno fotonais) ir branduoliu (bremsstrahlung).
Link Energy
Kiekvienas elektronas atomo viduje turi tam tikrą surišimo energiją, kuri priklauso nuo pastarojo dydžio ir lygio, kuriame yra dalelė. Ryšio energija vaidina svarbų vaidmenį kuriant būdingus rentgeno spindulius ir yra būtina norint pašalinti elektroną iš atomo.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung gamina daugiausiai fotonų. Elektronai, prasiskverbiantys į anodo medžiagą ir praeinantys šalia branduolio, nukrypsta ir sulėtinaatomo traukos jėga. Jų energija, prarasta šio susitikimo metu, atrodo kaip rentgeno fotonas.
Spektras
Tik kelių fotonų energija yra artima elektronų energijai. Dauguma jų yra žemesnės. Tarkime, kad aplink branduolį yra erdvė arba laukas, kuriame elektronai patiria „stabdymo“jėgą. Šį lauką galima suskirstyti į zonas. Dėl to branduolio laukas atrodo kaip taikinys, kurio centre yra atomas. Elektronas, atsitrenkęs į bet kurį taikinio tašką, lėtėja ir sukuria rentgeno fotoną. Arčiausiai centro atsitrenkiančios dalelės yra labiausiai paveiktos ir todėl praranda daugiausia energijos, gamindamos didžiausios energijos fotonus. Elektronai, patenkantys į išorines zonas, patiria silpnesnę sąveiką ir generuoja mažesnius energijos kvantus. Nors zonos yra vienodo pločio, jos turi skirtingą plotą, priklausomai nuo atstumo iki šerdies. Kadangi į tam tikrą zoną patenkančių dalelių skaičius priklauso nuo jos bendro ploto, akivaizdu, kad išorinės zonos sugauna daugiau elektronų ir sukuria daugiau fotonų. Šis modelis gali būti naudojamas rentgeno spindulių energijos spektrui numatyti.
Emax pagrindinio išjungimo spektro fotonų atitinka Emax elektronus. Žemiau šio taško, mažėjant fotonų energijai, jų skaičius didėja.
Daugelis mažos energijos fotonų yra sugeriami arba filtruojami, kai jie bando prasiskverbti pro anodo paviršių, vamzdžio langą arba filtrą. Filtravimas paprastai priklauso nuo medžiagos, per kurią praeina, sudėties ir storiospindulys praeina, o tai lemia galutinę mažos energijos spektro kreivės formą.
KV įtaka
Didelės energijos spektro dalis nustatoma pagal įtampą rentgeno vamzdeliuose kV (kilovoltas). Taip yra todėl, kad ji nustato elektronų, pasiekiančių anodą, energiją, o fotonai negali turėti potencialo, didesnio už šį. Su kokia įtampa veikia rentgeno vamzdis? Didžiausia fotono energija atitinka didžiausią taikomą potencialą. Ekspozicijos metu ši įtampa gali pasikeisti dėl kintamosios srovės tinklo srovės. Šiuo atveju fotono Emax nustatoma pagal virpesių periodo KVp. didžiausią įtampą.
Be kvantinio potencialo, KVp nustato spinduliuotės kiekį, kurį sukuria tam tikras elektronų skaičius, atsitrenkęs į anodą. Kadangi bendras strigimo efektyvumas didėja dėl bombarduojančių elektronų energijos padidėjimo, kurį lemia KVp, tai reiškia, kad KVpturi įtakos įrenginio efektyvumui.
Pakeitus KVp dažniausiai keičiasi spektras. Bendras plotas po energijos kreive yra fotonų skaičius. Be filtro spektras yra trikampis, o spinduliuotės kiekis proporcingas KV kvadratui. Esant filtrui, KV padidėjimas taip pat padidina fotonų prasiskverbimą, todėl sumažėja filtruojamos spinduliuotės procentas. Dėl to padidėja spinduliuotės išeiga.
Būdinga spinduliuotė
Sąveikos tipas, sukuriantis charakteristikąspinduliuotė, apima greitųjų elektronų susidūrimą su orbitiniais. Sąveika gali įvykti tik tada, kai įeinančios dalelės Ek didesnė už rišimosi energiją atome. Kai ši sąlyga įvykdoma ir įvyksta susidūrimas, elektronas išstumiamas. Tokiu atveju lieka laisva vieta, kurią užpildo aukštesnio energijos lygio dalelė. Judėdamas elektronas išskiria energiją, kuri išspinduliuojama rentgeno kvanto pavidalu. Tai vadinama būdinga spinduliuote, nes fotono E yra cheminio elemento, iš kurio pagamintas anodas, charakteristika. Pavyzdžiui, kai išmušamas elektronas iš volframo K lygio, kurio Ebond=69,5 keV, laisvą vietą užpildo elektronas iš L lygio, kurio E obligacija=10, 2 keV. Būdingo rentgeno fotono energija yra lygi skirtumui tarp šių dviejų lygių arba 59,3 keV.
Tiesą sakant, ši anodo medžiaga sukuria daugybę būdingų rentgeno spindulių energijos. Taip yra todėl, kad skirtingų energijos lygių (K, L ir kt.) elektronai gali būti išmušti bombarduojant daleles, o laisvas vietas galima užpildyti iš skirtingų energijos lygių. Nors užpildant L lygio laisvas darbo vietas susidaro fotonai, jų energija yra per maža, kad būtų galima panaudoti diagnostiniam vaizdavimui. Kiekvienai būdingai energijai suteikiamas žymėjimas, nurodantis orbitalę, kurioje susidarė laisva vieta, su indeksu, rodančiu elektronų užpildymo š altinį. Indeksas alfa (α) rodo elektrono užimtumą iš L lygio, o beta (β) rodoužpildymas iš M arba N lygio.
- Volframo spektras. Būdinga šio metalo spinduliuotė sukuria linijinį spektrą, susidedantį iš kelių atskirų energijų, o bremsstrahlung sukuria nuolatinį pasiskirstymą. Kiekvienos charakteringos energijos sukuriamų fotonų skaičius skiriasi tuo, kad tikimybė užpildyti K lygio laisvą vietą priklauso nuo orbitos.
- Molibdeno spektras. Šio metalo anodai, naudojami mamografijai, sukuria dvi gana intensyvias charakteringas rentgeno spindulių energijas: K-alfa prie 17,9 keV ir K-beta prie 19,5 keV. Optimalus rentgeno vamzdelių spektras, leidžiantis pasiekti geriausią kontrasto ir spinduliuotės dozės pusiausvyrą vidutinio dydžio krūtims, pasiekiamas esant Eph=20 keV. Tačiau bremsstrahlung gaminamas esant didelei energijai. Mamografijos įranga naudoja molibdeno filtrą, kad pašalintų nepageidaujamą spektro dalį. Filtras veikia „K krašto“principu. Jis sugeria spinduliuotę, viršijančią elektronų surišimo energiją molibdeno atomo K lygyje.
- Rodžio spektras. Rodžio atominis skaičius yra 45, o molibdeno – 42. Todėl būdinga rodžio anodo rentgeno spinduliuotė turės šiek tiek didesnę energiją nei molibdeno ir yra skvarbesnė. Tai naudojama tankių krūtų vaizdavimui.
Dvisluoksniai molibdeno-rodžio anodai leidžia operatoriui pasirinkti paskirstymą, optimizuotą įvairiems krūtų dydžiams ir tankiams.
KV poveikis spektrui
KV reikšmė labai įtakoja charakteringąją spinduliuotę, nes ji nebus sukurta, jei KV bus mažesnė už K lygio elektronų energiją. Kai KV viršija šią ribą, spinduliuotės kiekis paprastai yra proporcingas vamzdžio KV ir slenksčio KV skirtumui.
Iš prietaiso išeinančių rentgeno fotonų energijos spektrą lemia keli veiksniai. Paprastai jis susideda iš bremsstrahlung ir būdingų sąveikos kvantų.
Santykinė spektro sudėtis priklauso nuo anodo medžiagos, KV ir filtro. Vamzdyje su volframo anodu, esant KV< 69,5 keV, būdinga spinduliuotė nesukuriama. Esant didesnėms CV reikšmėms, naudojamoms diagnostiniuose tyrimuose, būdinga spinduliuotė padidina bendrą spinduliuotę iki 25%. Molibdeno įrenginiuose jis gali sudaryti didelę visos kartos dalį.
Efektyvumas
Tik maža dalis elektronų perduodamos energijos paverčiama spinduliuote. Pagrindinė dalis yra absorbuojama ir paverčiama šiluma. Spinduliuotės efektyvumas apibrėžiamas kaip visos spinduliuojamos energijos dalis nuo visos anodui perduodamos elektros energijos. Rentgeno vamzdžio efektyvumą lemiantys veiksniai yra taikoma įtampa KV ir atominis skaičius Z. Ryšio pavyzdys yra toks:
Efektyvumas=KV x Z x 10-6.
Ryšys tarp efektyvumo ir KV turi specifinį poveikį praktiniam rentgeno įrangos naudojimui. Dėl šilumos išsiskyrimo vamzdžiai turi tam tikrą elektros energijos kiekio ribąenergijos, kurią jie gali išsklaidyti. Tai apriboja įrenginio galią. Tačiau didėjant KV, šilumos vienetui sukuriamos spinduliuotės kiekis žymiai padidėja.
Rentgeno spindulių generavimo efektyvumo priklausomybė nuo anodo sudėties yra tik akademinė svarba, nes dauguma prietaisų naudoja volframą. Išimtis yra molibdenas ir rodis, naudojami mamografijoje. Šių prietaisų efektyvumas yra daug mažesnis nei volframo dėl mažesnio atominio skaičiaus.
Efektyvumas
Rentgeno vamzdžio efektyvumas apibrėžiamas kaip ekspozicijos dydis, išreikštas milirentgenais, perduodamas į naudingojo pluošto centre esantį tašką 1 m atstumu nuo židinio taško kas 1 mAs. elektronai, praeinantys per įrenginį. Jo vertė išreiškia prietaiso gebėjimą paversti įkrautų dalelių energiją į rentgeno spindulius. Leidžia nustatyti paciento ekspoziciją ir vaizdą. Kaip ir efektyvumas, įrenginio efektyvumas priklauso nuo daugelio veiksnių, įskaitant KV, įtampos bangos formą, anodo medžiagą ir paviršiaus pažeidimus, filtrą ir naudojimo laiką.
KV valdymas
KV efektyviai valdo rentgeno vamzdelio išvestį. Paprastai daroma prielaida, kad išvestis yra proporcinga KV kvadratui. Padvigubėjus KV, ekspozicija padidėja 4 kartus.
Bangos forma
Bangos forma aprašo, kaip KV keičiasi laikui bėgant generuojantspinduliuotė dėl maitinimo š altinio cikliškumo. Naudojamos kelios skirtingos bangos formos. Bendras principas yra tas, kad kuo mažiau keičiasi KV forma, tuo efektyviau sukuriami rentgeno spinduliai. Šiuolaikinėje įrangoje naudojami generatoriai su santykinai pastovia KV.
Rentgeno vamzdeliai: gamintojai
Oxford Instruments gamina įvairius prietaisus, įskaitant stiklinius prietaisus iki 250 W, 4–80 kV potencialą, židinio tašką iki 10 mikronų ir daugybę anodo medžiagų, įskaitant Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian siūlo daugiau nei 400 skirtingų tipų medicininių ir pramoninių rentgeno vamzdelių. Kiti žinomi gamintojai yra Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong ir kt.
Rentgeno vamzdeliai "Svetlana-Rentgen" gaminami Rusijoje. Be tradicinių prietaisų su besisukančiu ir stacionariu anodu, įmonė gamina įrenginius su š altu katodu, valdomu šviesos srautu. Prietaiso pranašumai yra šie:
- dirbkite nuolatiniu ir impulsiniu režimu;
- inertiškumas;
- LED srovės intensyvumo reguliavimas;
- spektro grynumas;
- galimybė gauti įvairaus intensyvumo rentgeno spindulius.
