Comme les tubes à rayons X travail?

Les rayons X sont générés en convertissant l'énergie des électrons à des photons, ce qui se produit dans le tube à rayons X. Quantité (exposition) et le rayonnement de la qualité (spectre) peuvent être ajustées en modifiant le courant, la tension et le temps de l'instrument.

principe de fonctionnement

tubes à rayons X (photo donnée dans l'article) sont des convertisseurs d'énergie. Ils reçoivent du réseau et convertis en d'autres formes – rayonnement pénétrant et de la chaleur, celui-ci est un sous-produit indésirable. Dispositif de tube à rayons X de telle sorte qu'elle maximise la production de photons et dissipe la chaleur le plus vite possible.

Le tube est un dispositif relativement simple, comprenant typiquement deux éléments de base – une cathode et une anode. Lorsque le courant circule de la cathode vers l'anode, les électrons perdent de l'énergie, ce qui conduit à la génération de rayons-X.

anode

L'anode est un composant, dans lequel l'émission de photons à haute énergie produite. Ceci est un élément métallique relativement massif, qui est relié au pôle positif du circuit électrique. Il a deux fonctions principales:

• Il convertit l'énergie des électrons en un rayonnement de rayons X,
• Il dissipe la chaleur.

Le matériau de l'anode est choisie de manière à améliorer ces fonctions.

Idéalement, la plupart des électrons doivent former un photons à haute énergie, plutôt que de la chaleur. Ratio de l'énergie totale, qui est converti en rayonnement X (COP) dépend de deux facteurs:

• numéro atomique (Z) du matériau d'anode,
• énergie électronique.

Dans la plupart des tubes à rayons X en tant que matériau de l'anode tungstène utilisé, dont le numéro atomique est égal à 74. En plus du grand Z, ce métal présente certaines autres caractéristiques qui le rendent approprié à cet effet. Le tungstène est unique dans sa capacité à maintenir la force lorsqu'il est chauffé, présente un point de fusion élevé et un faible taux d'évaporation.

Pendant de nombreuses années, l'anode est en tungstène pur. Ces dernières années, nous avons commencé à utiliser cet alliage métallique avec le rhénium, mais seulement sur la surface. anode de soi sous le revêtement de tungstène rhénium en matériau léger, bon de stockage de chaleur. Deux de ces substances sont le molybdène et le graphite.

Le tube à rayons X utilisé pour la mammographie, se fait à l'anode, revêtu de molybdène. Ce matériau présente un numéro atomique intermédiaire (Z = 42), qui génère des photons avec une énergie caractéristique, adaptés pour enregistrer la poitrine. Certains appareils de mammographie ont également une seconde anode, formé à partir de rhodium (Z = 45). Cela permet d'augmenter l'énergie et d'atteindre une plus grande pénétration des seins denses.

L'utilisation d'alliage de tungstène-rhénium améliore la sortie de rayonnement à long terme – avec des dispositifs d'efficacité avec le temps anode en tungstène pur est réduite en raison des dommages thermiques à la surface.

La plupart de l'anode présente la forme des disques coniques et fixé sur l'arbre du moteur, ce qui les fait tourner à des vitesses relativement élevées au moment de l'émission de rayons-X. Le but de la rotation – l'évacuation de la chaleur.

point focal

La partie de génération de rayons X ne l'anode entière. Il se produit dans une petite zone de sa surface – la tache focale. Dimensions dernier détermine la taille du faisceau d'électrons provenant de la cathode. Dans la majorité de celui-ci a une forme rectangulaire varie dans des dispositifs 0,1-2 mm.

Le tube à rayons X avec la conception d'une certaine taille de la tache focale. Le plus petit est, le flou moins de mouvement et la netteté supérieure, et ce qui est plus, la meilleure dissipation de la chaleur.

la taille du point focal est un facteur qui doit être pris en compte lors du choix du tube à rayons X. Les fabricants produisent des appareils à faible point focal où il est nécessaire d'obtenir une résolution élevée et le rayonnement assez petit. Par exemple, il est nécessaire dans l'étude des pièces petites et délicates du corps comme dans la mammographie.

Le tube à rayons X produisent principalement des taches focales avec deux tailles – grandes et petites, qui peuvent être sélectionnées par l'opérateur conformément à la procédure de formation d'image.

cathode

La fonction principale de la cathode – pour générer des électrons et la collecte en un faisceau dirigé vers l'anode. Elle est généralement constituée d'un petit fil en spirale (filament) encastrée dans un évidement en forme de coupelle.

Électrons passant par le circuit ne peut pas normalement laisser le conducteur et laisser un espace libre. Cependant, ils peuvent le faire, si elles obtiennent assez d'énergie. Dans un procédé connu comme émission thermique, la chaleur utilisée pour expulser les électrons de la cathode. Cela devient possible lorsque la pression dans un tube à rayons X sous vide atteint 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. Art. Le fil est chauffé de la même manière que celle d'une lampe à filament en spirale en faisant passer un courant à travers lui. cathode travail tube à rayons est accompagné par chauffage à une température de luminescence déplacement de l'énergie thermique de celle-ci des électrons.

ballon

L'anode et la cathode sont contenus dans un boîtier étanche – cylindre. Le ballon et son contenu sont souvent désignés comme un insert, qui a une durée de vie limitée et peut être remplacé. Le tube à rayons X ont généralement une ampoule de verre, bien que des cylindres métalliques et céramiques utilisés pour certaines applications.

La principale fonction est de soutenir le récipient et l' isolement de l'anode et la cathode, et le maintien de vide. La pression dans le tube à rayons X sous vide à 15 ° C est de 1,2 × 10 ^-3 Pa. La présence de gaz dans la cuve permettrait l'électricité de circuler à travers le dispositif librement, non seulement sous la forme d'un faisceau d'électrons.

boîtier

Dispositif de tube à rayons X de telle sorte que, en plus de l'enceinte et le soutien des autres composants, elle sert de corps de bouclier et absorbe le rayonnement, à l'exception du faisceau utile en passant par la fenêtre. Sa surface extérieure relativement importante dissipe la majeure partie de la chaleur produite dans le dispositif. L'espace entre l'enveloppe et l'insert est rempli d'huile qui fournit une isolation et en le refroidissant.

chaîne

Le circuit électrique relie le téléphone à une source d'alimentation, qui est appelé un générateur. Source est alimenté à partir du réseau et convertit le courant alternatif en courant continu. Le générateur vous permet également d'ajuster certains paramètres de la chaîne:

• KV – tension ou de potentiel électrique;
• MA – courant qui circule à travers le tube;
• S – la durée ou le temps d'exposition, en quelques fractions de seconde.

Le circuit fournit le mouvement des électrons. Ils sont chargés de l'énergie, en passant par le générateur, et donnent à l'anode. Leur mouvement se produit deux transformations:

• l'énergie potentielle électrique est convertie en énergie cinétique;
• cinétique, à son tour, est converti en un rayonnement et de la chaleur des rayons X.

potentiel

Lorsque les électrons arrivent dans le ballon, ils possèdent une énergie électrique potentielle, qui est déterminée par la quantité de tension kV entre l'anode et la cathode. Le tube à rayons X fonctionne à une tension pour générer une KV laquelle chaque particule doit avoir une keV. En réglant le KV, l'opérateur donne chaque électron est une certaine quantité d'énergie.

cinétique

La basse pression dans un tube à rayons X sous vide (à 15 ° C , il est 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. V.) permet aux particules sous l'action de l' émission et de la force électrique thermoionique émise à partir de la cathode vers l'anode. Cette force les accélère, entraînant une augmentation de la vitesse et de l'énergie cinétique et potentielle descendante. Lorsqu'une particule se pose sur l'anode, son potentiel est perdu, et toute son énergie est convertie en énergie cinétique. 100 électrons-keV atteint une vitesse supérieure à la moitié la vitesse de la lumière. Frappant la surface de la particule ralentit très rapidement et perdent leur énergie cinétique. Elle se tourne vers les rayons X ou de la chaleur.

Les électrons entrent en contact avec les atomes individuels du matériau d'anode. Rayonnement généré par leur interaction avec les orbitales (photons de rayons X), et avec un noyau (Bremsstrahlung).

énergie de liaison

Chaque électron dans un atome a une certaine énergie de liaison qui dépend de la taille de ce dernier et le niveau auquel se trouve la particule. L'énergie de liaison joue un rôle important dans la génération des rayons X caractéristiques et est nécessaire pour retirer un électron d'un atome.

bremsstrahlung

Bremsstrahlung produit le plus grand nombre de photons. Les électrons pénètrent dans le matériau d'anode et se prolongeant à proximité du noyau, déviés et décéléré atome de force gravitationnelle. Leur énergie perdue au cours de cette réunion apparaît sous la forme de photons de rayons X.

gamme de

Seuls quelques photons ont une énergie proche de l'énergie des électrons. La majorité d'entre eux, il est plus faible. On suppose qu'il y a un espace ou sur le terrain entourant le noyau, dans lequel la force d'électrons expérience « inhibition ». Ce champ peut être divisé en zones. Cela donne une vue du noyau de champ de l'atome cible dans le centre. Électronique tombe partout dans la cible est décéléré et génère un photon de rayons X. Les particules qui tombent plus près du centre, sont les plus exposés et donc perdent le plus d'énergie, produisant des photons de très haute énergie. Les électrons d' entrer dans la zone extérieure connaît une interaction faible et de générer des photons d'énergie inférieure. Bien que la surface ont la même largeur, qu'ils ont une zone différente en fonction de la distance du noyau. Étant donné que le nombre de particules incidentes sur la zone, dépend de sa superficie totale, il est évident que la zone externe capture plus d'électrons et provoquer plus de photons. spectre d'énergie des rayons X peut être prédite par ce modèle.

Les photons E _max principal spectre de rayonnement de freinage des électrons correspondant à E _max. Ci-dessous ce point, avec la diminution de l'énergie des photons augmente leur nombre.

Un nombre significatif de photons de faible énergie absorbée ou filtrée, qui tentent de passer à travers la surface du tube d'anode ou le filtre de la boîte. Le filtrage est généralement dépendante de la composition et de l'épaisseur du matériau à travers lequel le faisceau passe, ce qui détermine la forme finale de la courbe de spectre de basse énergie.

influence KV

La partie haute énergie du spectre détermine la tension des tubes à rayons X en kV (kilovolts). En effet, il détermine l'énergie des électrons atteignant l'anode, et les photons ne peut pas avoir le potentiel plus que cela. En vertu d'une course de tension de tube à rayons X? L'énergie des photons maximale correspond au potentiel appliqué maximale. Cette tension peut varier au cours de l'exposition due au réseau à courant alternatif. Dans ce cas, la tension de crête E _max déterminée par la période d' oscillation de photons KV _p.

En outre quanta potentiel, KV _p détermine la quantité de rayonnement produit par un certain nombre d'électrons atteignant l'anode. Étant donné que l'efficacité totale de rayonnement de freinage est augmentée par l'énergie d' électrons incidente augmente, ce qui est déterminé KV _p, ceci implique que le KV _p affecte l'efficacité du dispositif.

Modification KV _p, modifier habituellement le spectre. La surface totale sous la courbe d'énergie représente le nombre de photons. spectre non filtré est un triangle, et la quantité de rayonnement proportionnellement à la KV carré. En présence du filtre augmente également l'augmentation KV pénétration des photons, ce qui réduit le pourcentage de rayonnement filtré. Cela conduit à un rendement de rayonnement accru.

rayonnement caractéristique

Le type d'interaction qui génère le rayonnement caractéristique comprend une collision à grande vitesse avec des électrons de l'orbite. L' interaction ne peut avoir lieu quand une partie E de _la particule a une plus grande que l'énergie de liaison d'un atome. Lorsque cette condition est remplie, et il y a une collision, l'électron est éliminé. Cela laisse position ouverte, remplie par la particule un niveau d'énergie plus élevé. Alors que nous avançons l'électron donne de l'énergie émise sous forme de photons de rayons X. Il est appelé le rayonnement caractéristique, étant donné que E est l'élément chimique caractéristique de photons à partir de laquelle l'anode est faite. Par exemple, quand un électron est frappé _connexion de couche de tungstène K avec E = 69,5 keV, la vacance est remplie d'un électron de la _{communication} au niveau L avec E = 10,2 keV. Caractéristiques photon de rayons X a une énergie égale à la différence entre les deux niveaux, ou 59,3 keV.

En fait, le matériau d'anode conduit à un certain nombre de caractéristiques énergies de rayons X. Cela se produit parce que les électrons à différents niveaux d'énergie (K, L, etc.) peuvent être renversées et les particules bombardant les postes vacants peuvent être remplis avec une variété de niveaux d'énergie. Alors que le L postes de niveau génère des photons et leurs énergies sont trop petites pour une utilisation dans l'imagerie diagnostique. Chaque énergie caractéristique est donnée à la désignation qui indique la orbital, dans lequel un poste, avec un indice qui représente une source d'électrons requis. alpha (α) désigne l'indice de remplissage d'électrons à partir de L-niveau, et bêta (β) indique le niveau de remplissage de M ou N.

• tungstène Spectrum. Le rayonnement caractéristique du métal produit un spectre linéaire constitué de plusieurs énergies discrètes et de freinage génère la distribution continue. Le nombre de photons créés par chaque énergie caractéristique, caractérisé en ce que la probabilité de remplissage du niveau de la vacance K dépend de la orbital.
• molybdène Spectrum. Anodes de ce métal utilisé pour la mammographie, produisent deux énergies de rayons X caractéristique suffisamment intense: K-alpha à 17,9 keV et la K-bêta à 19,5 keV. La gamme optimale de tubes à rayons X, ce qui permet d'obtenir le meilleur équilibre entre le contraste et la dose d'irradiation pour la taille de la poitrine moyenne obtenue à E _p = 20 keV. Cependant Bremsstrahlung produire plus d'énergie. Dans les appareils de mammographie pour enlever les parties non désirées du spectre utilisé filtre de molybdène. Le filtre fonctionne sur le principe de «K-edge « . Il absorbe le rayonnement dans l'excès d'énergie de liaison d'électrons à l'atome de molybdène au niveau de K.
• Le spectre de rhodium. Rhodium a le numéro atomique 45 et de molybdène – 42. Par conséquent, les rayons X caractéristiques d'une anode de rhodium aura une énergie légèrement supérieure à celle du molybdène et plus pénétrant. Il est utilisé pour l'imagerie des seins denses.

Anodes doubles avec des surfaces, le molybdène, le rhodium, permettent à l'opérateur de sélectionner une distribution optimisée pour les seins de taille et de densité.

L'effet sur le spectre KV

valeur KV affecte considérablement le rayonnement caractéristique, à savoir. K. Il ne sera pas produit si moins KV électrons de niveau K d'énergie. Lorsque KV dépasse cette valeur de seuil, la quantité de rayonnement est généralement proportionnel à la différence et le tube seuil KV KV.

Le spectre d'énergie des photons du faisceau de rayons X émis à partir du dispositif est déterminée par plusieurs facteurs. En règle générale, il se compose de bremsstrahlung et l'interaction caractéristique.

La composition relative du spectre dépend de la matière d'anode, KV et le filtre. Dans un tube avec une caractéristique d'émission d'anode de tungstène ne soit pas formée à KV <69,5 keV. A des valeurs plus élevées de HF utilisées dans les études de diagnostic, le rayonnement caractéristique augmente le rayonnement total à 25%. Les dispositifs de molybdène il peut atteindre une grande partie de la capacité totale de production.

efficacité

Seule une petite partie de l'énergie fournie par les électrons est convertie en rayonnement. La fraction principale est absorbée et convertie en chaleur. rendement de rayonnement est définie comme la fraction de la puissance totale rayonnée par l'anode électrique générale conférée. Les facteurs qui déterminent l'efficacité du tube à rayons X sont appliqués tension KV et le nombre atomique Z. Le rapport approximatif de ce qui suit:

• Efficacité = KV x Z x 10 ^-6.

La relation entre l'efficacité et KV a un effet spécifique sur l'utilisation pratique des appareils à rayons X. En raison de la production de chaleur du tube ont une limite sur le nombre d'énergie électrique qu'ils peuvent se dissiper. Elle impose à la capacité de la limite de l'appareil. Avec l'augmentation de KV, cependant, la quantité de rayonnement produite par l'un de la chaleur augmente considérablement.

La dépendance de l'efficacité de la production de rayons X sur la composition de l'anode est qu'un intérêt théorique, car la plupart des appareils utilisés tungstène. Une exception est le molybdène et le rhodium, utilisé dans la mammographie. L'efficacité de ces dispositifs est nettement plus faible pour le tungstène en raison de leur numéro atomique inférieur.

efficacité

Efficacité tube à rayons X est définie comme la quantité d'irradiation millirentgenah délivrée à un point situé au centre du faisceau utile à une distance de 1 m à partir de la tache focale pour chaque 1 mAs électrons passant à travers le dispositif. Sa valeur représente la capacité du dispositif à convertir l'énergie des particules chargées du rayonnement de rayons X. Il vous permet de déterminer l'exposition du patient, et l'instantané. Comme l'efficacité, l'efficacité de l'appareil dépend de plusieurs facteurs, y compris KV, la forme d'onde de tension, le matériau d'anode et le degré d'endommagement de surface au dispositif de filtration et le moment de l'utilisation.

KV-gestion

Tension KV tube à rayons X contrôle efficacement le rayonnement de sortie. En règle générale, il est supposé que la sortie est proportionnelle au carré de la KV. Le doublement de l'exposition au KV augmente 4 fois.

forme d'onde

La forme d'onde décrit le procédé par lequel KV varie avec le temps au cours de la génération de rayonnement en raison de la nature cyclique de la puissance. Utilisé plusieurs formes d'onde différentes. Le principe général est le suivant: plus le changement de la KV forme, le rayonnement X est produit de manière efficace. L'équipement moderne utilisé avec des générateurs KV relativement constante.

tubes à rayons X: Les fabricants

Oxford Instruments Company fabrique divers dispositifs, y compris le verre, la puissance de 250 W, le potentiel 4-80 kV, la tache focale de 10 microns et une large gamme de matériaux d'anode, t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian offre plus de 400 différents types de tubes à rayons X médicaux et industriels. D'autres producteurs sont connus Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, EAI, Hangzhou Wandong, Kailong et al.

En Russie, produit des tubes à rayons X "Svetlana-Roentgen". En plus des dispositifs traditionnels avec la société et l'anode tournante stationnaire fabrique des dispositifs de la cathode froide flux lumineux contrôlé. Avantages des appareils suivants:

• travailler dans un mode continu et d'impulsions;
• absence d'inertie;
• la régulation de l'intensité du courant pour LED;
• la pureté du spectre;
• la possibilité d'un rayonnement de rayons X d'intensité variable.