Рентгеновское излучение создается путем преобразования энергии электронов в фотоны, которое происходит в рентгеновской трубке. Количество (экспозицию) и качество (спектр) излучения можно регулировать путем изменения тока, напряжения и времени работы прибора.
Принцип работы
Рентгеновские трубки (фото приведено в статье) являются преобразователями энергии. Они получают ее из сети и преобразуют в другие формы – проникающее излучение и тепло, при этом последнее является нежелательным побочным продуктом. Устройство рентгеновской трубки такое, что она максимизирует производство фотонов и рассеивает тепло так быстро, насколько это возможно.
Трубка представляет собой относительно простой прибор, как правило, содержит два принципиальных элемента – катод и анод. Когда ток течет от катода к аноду, электроны теряют энергию, что приводит к генерации рентгеновского излучения.
Анод
Анод является компонентом, в котором проводится испускания высокоэнергетических фотонов. Это сравнительно массивный элемент из металла, который соединяется с положительным полюсом электрической цепи. Выполняет две основные функции:
Материал для анода выбирается так, чтобы усилить эти функции. В идеале большинство электронов должно образовывать высокоэнергетические фотоны, а не тепло. Доля их полной энергии, которая преобразуется в рентгеновское излучение, (КПД) зависит от двух факторов:
В большинстве рентгеновских трубок в качестве материала анода используется вольфрам, атомный номер которого равен 74. В дополнение к большой Z, этот металл обладает некоторыми другими характеристиками, которые делают его идеально подходят для этой цели. Вольфрам уникальный по своей способности сохранять прочность при нагревании, имеет высокую температуру плавления и низкую скорость испарения.
В течение многих лет анод делали из чистого вольфрама. В последние годы начали использовать сплав этого металла с рением, но только на поверхности. Сам анод под вольфрам-рениевим покрытием изготавливается из легкого материала, хорошо аккумулирует тепло. Двумя такими веществами являются молибден и графит. Рентгеновские трубки, которые используются для маммографии, изготавливают с анодом, покрытым молибденом. Этот материал имеет промежуточный атомный номер (Z=42), который генерирует характеристические фотоны с энергиями, удобными для съемки груди. Некоторые приборы для маммографии также имеют второй анод, выполненный из родия (Z=45). Это позволяет повысить энергию и добиться большего проникновения для плотной груди. Использование рений-вольфрамового сплава улучшает долгосрочный выход излучения – со временем эффективность устройств с анодом из чистого вольфрама уменьшается вследствие термического повреждения поверхности. Большинство анодов имеет форму скошенных дисков и крепится к валу электродвигателя, который вращает их на относительно высоких скоростях во время испускания рентгеновских лучей. Цель вращения – отвод тепла.
Фокальное пятно
В генерации рентгеновского излучения участвует не весь анод. Оно возникает на небольшом участке поверхности – фокальном пятне. Размеры последнего определяются размерами электронного пучка, поступающего с катода. В большинстве устройств оно имеет прямоугольную форму и варьируется в пределах 01-2 мм Рентгеновские трубки проектируют с определенным размером фокального пятна. Чем оно меньше, тем меньше размытость и выше четкость изображения, и чем оно больше, тем лучше отводится тепло. Размер фокусного пятна является одним из факторов, который необходимо учитывать, когда выбирают рентгеновские трубки. Производители выпускают приборы с малыми фокальными пятнами, когда необходимо достичь высокого разрешения и достаточно небольшой радиации. Например, это нужно при исследовании малых и тонких частей тела, как в маммографии. Рентгеновские трубки в основном производят с фокусными пятнами двух размеров – больших и малых, которые могут быть выбраны оператором в соответствии с процедурой формирования изображения.
Катод
Основная функция катода – генерировать электроны и собирать их в луч, направленный на анод. Как правило, он состоит из небольшой проволочной спирали (нити), погруженной в чашеобразное углубление. Электроны, которые проходят по цепи, обычно не могут покинуть проводник и уйти в свободное пространство. Однако они могут это сделать, если получат достаточное количество энергии. В процессе, известном как термоемиссия, для изгнания электронов с катода используется тепло. Это становится возможным, когда давление в откачанной рентгеновской трубке достигает 10 -6 -10 -7 мм рт. ст. Нить нагревается таким же образом, как спираль лампы накаливания при пропускании через нее тока. Работа рентгеновской трубки сопровождается нагреванием катода до температуры свечения с вытеснением тепловой энергией из него части электронов.
Баллон
Анод и катод находятся в герметичном корпусе – баллоне. Баллон и его содержание часто называют вставкой, которая имеет ограниченный срок службы и может заменяться. Рентгеновские трубки в основном имеют стеклянные колбы, хотя для некоторых применений используются металлические и керамические баллоны.
Основной функцией баллона является обеспечение поддержки и изоляция анода и катода, и поддержания вакуума. Давление в откачанной рентгеновской трубке при 15°C составляет 12·10 -3 Па. Наличие газов в баллоне позволило бы электричества течь через прибор свободно, а не только в виде электронного пучка.
Корпус
Устройство рентгеновской трубки такое, что, в дополнение к ограде и поддержки других компонентов, что ее корпус служит щитом и поглощает излучения, за исключением проходящего через окно полезного пучка. Его относительно большая внешняя поверхность рассеивает большую часть тепла, образующегося внутри устройства. Пространство между корпусом и вставкой, заполненный маслом, обеспечивает изоляцию и ее охлаждения.
Цепь
Электрическая цепь соединяет трубку с источником энергии, который называется генератором. Источник получает питание от сети и преобразует переменный ток в постоянный. Генератор также позволяет регулировать некоторые параметры цепи:
Цепь обеспечивает движение электронов. Они заряжаются энергией, проходя через генератор, и отдают ее анода. По мере их движения происходит два преобразования:
Потенциал
Когда электроны поступают в колбу, они имеют потенциальную электрической энергией, количество которой определяется напряжением KV между анодом и катодом. Рентгеновская трубка работает под напряжением, для создания 1 KV которого каждая частица должна иметь 1 кэв. Регулируя KV, оператор наделяет каждый электрон определенным количеством энергии.
Кинетика
Низкое давление в откачанной рентгеновской трубке при 15°C оно составляет 10 -6 -10 -7 мм рт. ст.) позволяет частицам под действием термоэлектронной эмиссии и электрической силы вылетать из катода к аноду. Эта сила ускоряет их, что приводит к увеличению скорости и кинетической энергии и уменьшению потенциальной. Когда частица попадает на анод, ее потенциал теряется, и вся ее энергия переходит в кинетическую. 100-кэв электрон достигает скорости, превышающей половины скорости света. Ударяясь о поверхность, частицы очень быстро замедляются и теряют свою кинетическую энергию. Она превращается в рентгеновское излучение или тепло. Электроны вступают в контакт с отдельными атомами материала анода. Излучение генерируется при их взаимодействии с орбиталями (рентгеновские фотоны) и с ядром (тормозное излучение).
Энергия связи
Каждый электрон в атоме обладает определенной энергией связи, которая зависит от размера последнего и уровня, на котором находится частица. Энергия связи играет важную роль в генерации характеристического рентгеновского излучения и необходимая для удаления электрона из атома.
Тормозное излучение
Тормозное излучение производит наибольшее количество фотонов. Электроны, проникающие в материал анода и проходят вблизи ядра, отклоняются и замедляются силой притяжения атома. Их энергия, теряемая во время этой встречи, появляется в виде рентгеновского фотона.
Спектр
Лишь некоторые фотоны обладают энергией, близкой к энергии электронов. В большинстве из них она ниже. Предположим, что существует пространство, или поле, окружающее ядро, в котором электроны испытывают силу «торможения». Это поле может быть разделено на зоны. Это дает поля ядра вид мишени с атомом в центре. Электрон, попадающий в любую точку мишени, испытывает торможение и генерирует рентгеновский фотон. Частицы, которые попадают ближе к центру, подвергаются наибольшему воздействию и, следовательно, теряют больше энергии, производя наиболее високоенергичние фотоны. Электроны, попадающие под внешние зоны, испытывают более слабые взаимодействия и генерируют кванты с более низкой энергией. Хотя зоны имеют одинаковую ширину, что они имеют разную площадь, которая зависит от расстояния до ядра. Так как число частиц, попадающих на данную зону, зависит от ее общей площади, то очевидно, что внешние зоны захватывают больше электронов и создают больше фотонов. По этой модели можно предсказать энергетический спектр рентгеновского излучения. E max фотонов основного спектра тормозного излучения соответствует E max электронов. Ниже этой точки, с уменьшением энергии квантов их число растет. Значительное число фотонов с малыми энергиями поглощается или фильтруется, поскольку они пытаются пройти через поверхность анода, окно трубки или фильтр. Фильтрация, как правило, зависит от состава и толщины материала, через который проходит луч, что и определяет конечный вид низкоэнергетической кривой спектра.
Влияние KV
Високоенергетическую часть спектра определяет напряжение в рентгеновских трубках кв (киловольт). Это происходит потому, что оно обусловливает энергию электронов, достигающих анода, а фотоны не могут обладать потенциалом, большим чем этот. Под каким напряжением работает рентгеновская трубка? Максимальная энергия фотона соответствует максимальному прилагается потенциала. Это напряжение может меняться во время экспозиции из-за переменного тока сети. В этом случае E max фотона определяется пиковым напряжением периода колебаний KV p . Кроме потенциала квантов, KV p определяет количество радиации, создаваемой данным числом электронов, попадающих на анод. Так как общая эффективность тормозного излучения увеличивается за счет роста энергии электронов, бомбардирующих, которая определяется KV p , отсюда следует, что KV p влияет на КПД прибора. Изменение KV p как правило, меняет спектр. Общая площадь под кривой энергий представляет собой число фотонов. Без фильтра спектр представляет собой треугольник, а количество радиации пропорционально квадрату KV. При наличии фильтра увеличение KV также увеличивает проникновение фотонов, что снижает процент фильтруемого излучения. Это ведет к увеличению радиационного выхода.
Характеристическое излучение
Тип взаимодействия, который производит характеристическое излучение, включает столкновения высокоскоростных электронов с орбитальными. Взаимодействие может происходить только тогда, когда входит частица обладает Е к большей, чем энергия связи в атоме. Когда это условие соблюдено, и происходит столкновение, выбивается электрон. При этом остается вакансия, заполняемая долей более высокого энергетического уровня. По мере движения электрон отдает энергию, которая излучается в виде рентгеновского кванта. Это называется характеристическим излучением, так как E фотона является характеристикой химического элемента, из которого сделан анод. Например, когда выбивается электрон До уровня вольфрама с Е связи =695 кэв, вакансия заполняется электроном с L-уровня с E связи =102 кэв. Характеристический рентгеновский фотон имеет энергию, равную разности между этими двумя уровнями, или 593 кэв. На самом деле, данный материал анода приводит к появлению ряда характеристических энергий рентгеновского излучения. Это происходит потому, что электроны на разных энергетических уровнях (K, L и т. д.) могут быть выбиты бомбардирующими частицами, а вакансии могут быть заполнены с различных энергетических уровней. Несмотря на то, что заполнение вакансий L-уровня генерирует фотоны, их энергии слишком малы для использования в диагностической визуализации. Каждой характеристической энергии дается обозначение, которое указывает на орбиталь, в которой образовалась вакансия, с индексом, который показывает источник заполнения электрона. Индекс альфа (?) обозначает заполнение электрона с L-уровня, а бета (?) указывает на заполнение с уровня М или N.
Аноды с двойными участками поверхности, молибден-родиевими, дают возможность оператору выбрать распределение, оптимизированное под молочные железы разного размера и плотности.
Влияние KV на спектр
Значение KV сильно влияет на характеристическое излучение, т. до. оно не будет проводиться, если KV меньше энергии электронов K-уровня. Когда KV это превышает пороговое значение, количество излучения, как правило, пропорционально разнице KV трубки и порогового KV. Спектр энергий фотонов рентгеновского луча, выходящего из прибора, определяется несколькими факторами. Как правило, он состоит из квантов тормозного и характеристического взаимодействия. Относительный состав спектра зависит от материала анода, KV и фильтра. В трубке с вольфрамовым анодом характеристическое излучение образуется при KV < 69,5 кэв. При более высоких значениях КВ, используемих в диагностических исследованиях, характеристическое излучение увеличивает суммарную радиацию до 25%. В молибденових устройствах оно может составить большую часть общего объема генерации.
КПД
Лишь небольшая часть энергии, доставляемых электронами, превращается в радиацию. Основная доля поглощается и превращается в тепло. КПД излучения определяется как доля полной излучаемой энергии от общей электрической, сообщаемой анода. Факторами, которые определяют КПД рентгеновской трубки, является приложенное напряжение KV и атомный номер Z. Образцовое отношение следующее:
Взаимосвязь между эффективностью и KV оказывает специфическое влияние на практическое использование рентгеновского оборудования. Из-за выделения тепла трубки имеют определенный предел по количеству электрической энергии, которую они могут рассеивать. Это накладывает ограничения на мощность прибора. С увеличением KV, однако, количество радиации, произведенное на единицу тепла, значительно увеличивается. Зависимость коэффициента полезного действия генерации рентгеновского излучения от состава анода представляет лишь академический интерес, поскольку в большинстве устройств используется вольфрам. Исключением является молибден и родий, используемые в маммографии. КПД этих приборов значительно ниже вольфрамовых из-за их низкого атомного номера.
Эффективность
Эффективность рентгеновской трубки определяется как количество излучения в миллирентгенах, доставленного в точку в центре полезного пучка на расстоянии 1 м от фокусного пятна на каждый 1 масс электронов, которые проходят через прибор. Ее значение выражает способность прибора преобразовывать энергию заряженных частиц в рентгеновское излучение. Позволяет определить экспозицию пациента и снимка. Как и КПД, эффективность устройства зависит от ряда факторов, в том числе KV, формы волны напряжения, материала анода и степени повреждения его поверхности, фильтра и времени использования прибора.
KV-управления
Напряжение KV эффективно управляет выходным излучением рентгеновской трубки. Как правило, предполагается, что выход пропорционален квадрату KV. Удвоение KV увеличивает экспозицию в 4 раза.
Форма волны
Форма волны описывает способ, с помощью которого KV изменяется со временем в процессе генерации радиации из-за циклической природы электропитания. Используется несколько различных форм волн. Общий принцип такой: чем меньше изменяется форма KV, тем эффективнее осуществляется рентгеновское излучение. В современном оборудовании используются генераторы с относительно постоянным KV.
Рентгеновские трубки: производители
Компания Oxford Instruments выпускает различные устройства, включая стеклянные мощностью до 250 Вт, потенциалом 4-80 кВ, фокальным пятном до 10 микрон и широким диапазоном материалов анода, в т. ч. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W. Varian предлагает более 400 различных типов медицинских и промышленных рентгеновских трубок. Другими известными производителями являются Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong и др. В России выпускаются рентгеновские трубки «Светлана-Рентген». Кроме традиционных устройств с вращающимся и стационарным анодом, предприятие производит устройства с холодным катодом, управляемый световым потоком. Преимущества прибора следующие:
