Röntgenikiirgus tekib elektronide energia muutmisel footoniteks, mis toimub röntgentorus. Kiirguse hulka (säritust) ja kvaliteeti (spektrit) saab reguleerida, muutes seadme voolu, pinget ja tööaega.
Tööpõhimõte
Röntgentorud (foto on toodud artiklis) on energiamuundurid. Nad võtavad selle võrgust ja muudavad selle muudeks vormideks - läbitungivat kiirgust ja soojust, viimane on ebasoovitav kõrvalsaadus. Röntgentoru konstruktsioon on selline, et see maksimeerib footonite tootmist ja hajutab soojust nii kiiresti kui võimalik.
Toru on suhteliselt lihtne seade, mis sisaldab tavaliselt kahte põhielementi – katoodi ja anoodi. Kui vool liigub katoodilt anoodile, kaotavad elektronid energiat, mille tulemuseks on röntgenikiirguse teke.
Anood
Anood on komponent, mis kiirgabkõrge energiaga footonid. See on suhteliselt massiivne metallelement, mis on ühendatud elektriahela positiivse poolusega. Täidab kahte põhifunktsiooni:
- muudab elektronide energia röntgenkiirteks,
- hajutab soojust.
Anoodimaterjal on valitud nende funktsioonide täiustamiseks.
Ideaalis peaks suurem osa elektronidest moodustama suure energiaga footoneid, mitte kuumust. Nende koguenergia osa, mis muundatakse röntgenkiirteks (efektiivsus), sõltub kahest tegurist:
- anoodi materjali aatomnumber (Z),
- elektronide energia.
Enamikus röntgentorudes kasutatakse anoodimaterjalina volframi, mille aatomnumber on 74. Lisaks suurele Z-le on sellel metallil veel mõned omadused, mis muudavad selle selleks otstarbeks sobivaks. Volfram on ainulaadne oma võime poolest säilitada tugevust kuumutamisel, sellel on kõrge sulamistemperatuur ja madal aurustumiskiirus.
Palju aastaid oli anood valmistatud puhtast volframist. Viimastel aastatel on hakatud kasutama selle metalli sulamit reeniumiga, kuid ainult pinnal. Volfram-reeniumkatte all olev anood ise on valmistatud kergest materjalist, mis salvestab hästi soojust. Kaks sellist ainet on molübdeen ja grafiit.
Mammograafias kasutatavad röntgenitorud on valmistatud molübdeenkattega anoodiga. Sellel materjalil on vahepealne aatomnumber (Z=42), mis genereerib iseloomulikke footoneid, mille energia on mugavrinna pildistamiseks. Mõnel mammograafiaseadmel on ka teine roodiumist anood (Z=45). See võimaldab teil suurendada energiat ja saavutada pingul rindade läbitungivus.
Reeniumi-volframi sulami kasutamine parandab pikaajalist kiirgusvõimsust – aja jooksul väheneb puhta volframanoodi seadmete efektiivsus pinna termiliste kahjustuste tõttu.
Enamik anoode on kaldketaste kujuga ja kinnitatud elektrimootori võlli külge, mis pöörleb neid suhteliselt suurel kiirusel ja samal ajal kiirgab röntgenikiirgust. Pöörlemise eesmärk on soojuse eemaldamine.
Fokuspunkt
Röntgenikiirguse tekitamisse ei ole kaasatud terve anood. See esineb selle pinna väikesel alal - fookuspunktis. Viimase mõõtmed määravad katoodilt tuleva elektronkiire mõõtmed. Enamikus seadmetes on see ristkülikukujuline ja varieerub vahemikus 0,1–2 mm.
Röntgentorud on konstrueeritud kindla fookuspunkti suurusega. Mida väiksem see on, seda vähem hägune ja teravam on pilt ning mida suurem see on, seda parem on soojuse hajumine.
Fokaalse punkti suurus on üks tegureid, mida röntgentorude valimisel arvestada. Tootjad toodavad väikeste fookuspunktidega seadmeid, kui on vaja saavutada kõrge eraldusvõime ja piisav alt madal kiirgus. Näiteks on see vajalik väikeste ja õhukeste kehaosade uurimisel, nagu mammograafia puhul.
Röntgentorusid toodetakse peamiselt kahe fookuspunkti suurusega, suure ja väikese, mille saab valida operaator vastav alt pildistamisprotseduurile.
Katood
Katoodi põhiülesanne on genereerida elektrone ja koguda need anoodile suunatud kiireks. Reeglina koosneb see väikesest traatspiraalist (keermest), mis on sukeldatud tassikujulisse süvendisse.
Ahelat läbivad elektronid ei saa tavaliselt juhist lahkuda ja minna vabasse ruumi. Küll aga saavad nad hakkama, kui saavad piisav alt energiat. Protsessis, mida nimetatakse soojusemissiooniks, kasutatakse elektronide eemaldamiseks katoodist soojust. See saab võimalikuks, kui rõhk evakueeritud röntgentorus jõuab 10-6–10-7 mmHg. Art. Hõõgniit soojeneb samamoodi nagu hõõglambi hõõgniit, kui seda läbib vool. Röntgentoru tööga kaasneb katoodi kuumutamine hõõgumistemperatuurini, kusjuures osa elektronidest nihkub sellest soojusenergia toimel.
Õhupall
Anood ja katood asuvad hermeetiliselt suletud mahutis. Õhupalli ja selle sisu nimetatakse sageli sisetükiks, mille eluiga on piiratud ja mida saab vahetada. Röntgentorudel on enamasti klaaspirnid, kuigi mõnel juhul kasutatakse metall- ja keraamilisi pirne.
Õhupalli põhiülesanne on pakkuda anoodile ja katoodile tuge ja isolatsiooni ning säilitada vaakumit. Rõhk evakueeritud röntgentorus15°C juures on 1,2 10-3 Pa. Gaaside olemasolu õhupallis võimaldaks elektril vab alt läbi seadme voolata, mitte ainult elektronkiire kujul.
Kohtur
Röntgentoru konstruktsioon on selline, et lisaks muude komponentide ümbritsemisele ja toestamisele täidab selle korpuse ülesandeid ka varje ja neelab kiirgust, välja arvatud aknast läbiv kasulik kiir. Selle suhteliselt suur välispind hajutab suure osa seadme sees tekkivast soojusest. Korpuse ja sisendi vaheline ruum on isolatsiooni ja jahutamise eesmärgil täidetud õliga.
Kett
Elektriahel ühendab toru energiaallikaga, mida nimetatakse generaatoriks. Allikas saab voolu võrgust ja muundab vahelduvvoolu alalisvooluks. Samuti võimaldab generaator reguleerida mõningaid vooluringi parameetreid:
- KV - pinge või elektripotentsiaal;
- MA on vool, mis voolab läbi toru;
- S – kestus või säriaeg, sekundi murdosades.
Ahel tagab elektronide liikumise. Nad on laetud energiaga, läbides generaatori ja annavad selle anoodile. Nende liikumisel toimub kaks teisendust:
- potentsiaalne elektrienergia muudetakse kineetiliseks energiaks;
- kineetika muudetakse omakorda röntgenikiirguseks ja soojuseks.
Potentsiaalne
Kui elektronid sisenevad pirni, on neil potentsiaalne elektrienergia, mille suuruse määrab anoodi ja katoodi vaheline pinge KV. Röntgenitoru töökorraspinge all, et tekitada 1 KV, millest igal osakesel peab olema 1 keV. KV reguleerimisega varustab operaator iga elektroni teatud koguse energiaga.
Kineetika
Madal rõhk evakueeritud röntgentorus (15°C juures on see 10-6–10-7 mmHg.) võimaldab osakestel termoemissiooni ja elektrijõu toimel katoodilt välja lennata anoodile. See jõud kiirendab neid, mis toob kaasa kiiruse ja kineetilise energia suurenemise ning potentsiaali vähenemise. Kui osake tabab anoodi, kaob selle potentsiaal ja kogu selle energia muundatakse kineetiliseks energiaks. 100-keV elektron saavutab kiiruse, mis ületab poole valguse kiirusest. Pinnale sattudes aeglustuvad osakesed väga kiiresti ja kaotavad oma kineetilise energia. See muutub röntgenikiirguseks või soojuseks.
Elektronid puutuvad kokku anoodimaterjali üksikute aatomitega. Kiirgus tekib, kui nad interakteeruvad orbitaalidega (röntgenikiirguse footonid) ja tuumaga (bremsstrahlung).
Link Energy
Igal elektronil aatomi sees on teatud sidumisenergia, mis sõltub viimase suurusest ja osakese asukohast. Seondumisenergia mängib olulist rolli iseloomulike röntgenikiirte tekitamisel ja on vajalik elektroni eemaldamiseks aatomist.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung toodab kõige rohkem footoneid. Anoodi materjali tungivad ja tuuma lähed alt läbivad elektronid kalduvad kõrvale ja aeglustuvadaatomi tõmbejõud. Nende selle kohtumise käigus kaotatud energia näib olevat röntgenifoton.
spekter
Vaid mõne footoni energia on elektronide omale lähedane. Enamik neist on madalamad. Oletame, et tuuma ümbritseb ruum või väli, milles elektronid kogevad "pidurdusjõudu". Selle välja saab jagada tsoonideks. See annab tuuma väljale sihtmärgi välimuse, mille keskel on aatom. Sihtmärgi mis tahes punkti tabanud elektron aeglustub ja genereerib röntgenfootoni. Keskele kõige lähemale löövad osakesed on kõige enam mõjutatud ja seetõttu kaotavad nad kõige rohkem energiat, tekitades kõrgeima energiaga footoneid. Välistesse tsoonidesse sisenevad elektronid kogevad nõrgemat vastasmõju ja genereerivad madalamaid energiakvante. Kuigi tsoonidel on sama laius, on neil erinev ala, olenev alt kaugusest südamikuni. Kuna antud tsoonile langevate osakeste arv sõltub selle kogupindalast, on ilmne, et välimised tsoonid püüavad kinni rohkem elektrone ja tekitavad rohkem footoneid. Seda mudelit saab kasutada röntgenikiirguse energiaspektri ennustamiseks.
Emax peamise tõmbespektri footonit vastab Emax elektronidele. Sellest punktist allpool, kui footonite energia väheneb, suureneb nende arv.
Märkimisväärne hulk madala energiaga footoneid neeldub või filtreeritakse, kui nad üritavad läbida anoodi pinda, toru akent või filtrit. Filtreerimine sõltub üldiselt läbitava materjali koostisest ja paksusestkiir läbib, mis määrab spektri madala energiaga kõvera lõpliku kuju.
KV mõju
Spektri suure energiaga osa määratakse röntgenitorudes oleva pingega kV (kilovolt). Seda seetõttu, et see määrab anoodile jõudvate elektronide energia ja footonitel ei saa olla sellest suuremat potentsiaali. Millise pingega röntgentoru töötab? Maksimaalne footoni energia vastab maksimaalsele rakendatud potentsiaalile. See pinge võib kokkupuute ajal muutuda vahelduvvoolu võrguvoolu tõttu. Sel juhul määrab footoni Emax võnkeperioodi tipppinge KVp.
Lisaks kvantpotentsiaalile määrab KVp kiirguse hulga, mille tekitab teatud arv elektrone, mis tabavad anoodi. Kuna tõkestamise üldine efektiivsus suureneb pommitavate elektronide energia suurenemise tõttu, mille määrab KVp, järeldub sellest, et KVpmõjutab seadme tõhusust.
KVp muutmine muudab tavaliselt spektrit. Energiakõvera alune kogupindala on footonite arv. Ilma filtrita on spekter kolmnurk ja kiirguse hulk on võrdeline KV ruuduga. Filtri olemasolul suurendab KV suurenemine ka footonite läbitungimist, mis vähendab filtreeritud kiirguse protsenti. See toob kaasa kiirgusvõimsuse suurenemise.
Iseloomulik kiirgus
Karakteristiku tekitava vastasmõju tüüpkiirgus, hõlmab kiirete elektronide kokkupõrget orbitaalsete elektronidega. Interaktsioon saab toimuda ainult siis, kui sissetuleva osakese Ek on suurem kui aatomi sidumisenergia. Kui see tingimus on täidetud ja toimub kokkupõrge, paiskub elektron välja. Sel juhul jääb vaba koht, mille täidab kõrgema energiatasemega osake. Elektron eraldab liikumisel energiat, mis kiirgub röntgenikiirguse kvanti kujul. Seda nimetatakse iseloomulikuks kiirguseks, kuna footoni E on selle keemilise elemendi omadus, millest anood on valmistatud. Näiteks kui volframi K-taseme elektron, mille Ebond=69,5 keV, lüüakse välja, täidab vaba koha L-taseme elektron, mille E võlakiri=10, 2 keV. Iseloomuliku röntgenfootoni energia on võrdne nende kahe taseme erinevusega ehk 59,3 keV.
Tegelikult annab see anoodimaterjal mitmeid iseloomulikke röntgenikiirguse energiaid. Seda seetõttu, et erinevatel energiatasemetel (K, L jne) olevad elektronid võivad osakesi pommitades välja lüüa ning vabu kohti saab täita erinevatelt energiatasemetelt. Kuigi L-taseme vabade töökohtade täitmine tekitab footoneid, on nende energiad diagnostilises pildistamises kasutamiseks liiga väikesed. Igale iseloomulikule energiale antakse tähis, mis näitab orbitaali, millel vakantsus tekkis, koos indeksiga, mis näitab elektronide täitmise allikat. Indeks alfa (α) näitab elektroni hõivatust L-tasemelt ja beeta (β) näitabtäitmine tasemelt M või N.
- Volframi spekter. Selle metalli iseloomulik kiirgus tekitab lineaarse spektri, mis koosneb mitmest diskreetsest energiast, samal ajal kui bremsstrahlung loob pideva jaotuse. Iga iseloomuliku energia tekitatud footonite arv erineb selle poolest, et tõenäosus K-taseme vaba koha täitmiseks sõltub orbitaalist.
- Molübdeeni spekter. Selle metalli anoodid, mida kasutatakse mammograafias, toodavad kahte üsna intensiivset iseloomulikku röntgenikiirgust: K-alfa 17,9 keV juures ja K-beeta 19,5 keV juures. Röntgentorude optimaalne spekter, mis võimaldab saavutada parima tasakaalu kontrasti ja kiirgusdoosi vahel keskmise suurusega rindade puhul, saavutatakse Eph=20 keV juures. Bremsstrahlung toodetakse aga suure energiaga. Mammograafiaseadmed kasutavad spektri soovimatu osa eemaldamiseks molübdeenfiltrit. Filter töötab "K-serv" põhimõttel. See neelab kiirgust, mis ületab elektronide sidumisenergiat molübdeeni aatomi K-tasemel.
- Roodiumi spekter. Roodiumi aatomnumber on 45, molübdeenil aga 42. Seetõttu on roodiumanoodi iseloomulik röntgenikiirgus veidi suurem energia kui molübdeenil ja on läbitungiv. Seda kasutatakse tihedate rindade pildistamiseks.
Kahepinnalised molübdeen-roodium anoodid võimaldavad operaatoril valida erinevate rindade suuruse ja tihedusega optimeeritud jaotuse.
KV mõju spektrile
KV väärtus mõjutab suuresti iseloomulikku kiirgust, kuna seda ei teki, kui KV on väiksem kui K-taseme elektronide energia. Kui KV ületab selle läve, on kiirguse hulk üldiselt võrdeline toru KV ja läve KV vahega.
Instrumendist väljuvate röntgenfootonite energiaspektri määravad mitmed tegurid. Reeglina koosneb see bremsstrahlungist ja iseloomulikest interaktsioonikvantidest.
Spektri suhteline koostis sõltub anoodi materjalist, KV-st ja filtrist. Volframanoodiga torus ei teki KV< 69,5 keV juures iseloomulikku kiirgust. Diagnostilistes uuringutes kasutatavate kõrgemate CV väärtuste korral suurendab iseloomulik kiirgus kogukiirgust kuni 25%. Molübdeeniseadmetes võib see moodustada suure osa kogu põlvkonnast.
Tõhusus
Vaid väike osa elektronide edastatavast energiast muundatakse kiirguseks. Põhiosa neeldub ja muundatakse soojuseks. Kiirgusefektiivsus on defineeritud kui osa kogu kiirgusenergiast anoodile antud kogu elektrienergiast. Röntgenitoru efektiivsust määravad tegurid on rakendatav pinge KV ja aatomarv Z. Näidissuhe on järgmine:
Tõhusus=KV x Z x 10-6.
Tõhususe ja KV vaheline seos mõjutab konkreetselt röntgeniseadmete praktilist kasutamist. Soojuse eraldumise tõttu on torudel elektrihulgale teatud piirangenergia, mida nad suudavad hajutada. See piirab seadme võimsust. KV suurenedes suureneb aga oluliselt soojusühiku kohta toodetud kiirguse hulk.
Röntgenikiirguse efektiivsuse sõltuvus anoodi koostisest pakub ainult akadeemilist huvi, kuna enamik seadmeid kasutab volframit. Erandiks on mammograafias kasutatav molübdeen ja roodium. Nende seadmete efektiivsus on nende väiksema aatomarvu tõttu palju väiksem kui volframil.
Tõhusus
Röntgentoru efektiivsus on määratletud säritusena millirentgeenides, mis edastatakse kasuliku kiire keskpunktis asuvasse punkti, mis asub fookuspunktist 1 m kaugusel iga 1 mAs kohta. seadet läbivad elektronid. Selle väärtus väljendab seadme võimet muundada laetud osakeste energiat röntgenikiirguseks. Võimaldab määrata patsiendi ja pildi säritust. Nagu tõhusus, sõltub seadme tõhusus mitmest tegurist, sealhulgas KV-st, pinge lainekujust, anoodi materjalist ja pinnakahjustustest, filtrist ja kasutusajast.
KV juhtimine
KV juhib tõhus alt röntgentoru väljundit. Üldiselt eeldatakse, et väljund on võrdeline KV ruuduga. KV kahekordistamine suurendab säritust 4 korda.
Lainekuju
Lainekuju kirjeldab seda, kuidas KV genereerimise ajal ajas muutubkiirgus, mis on tingitud toiteallika tsüklilisusest. Kasutatakse mitut erinevat lainekuju. Üldine põhimõte on, et mida vähem KV kuju muutub, seda tõhusam alt röntgenikiirgust toodetakse. Kaasaegsetes seadmetes kasutatakse suhteliselt püsiva KV-ga generaatoreid.
Röntgentorud: tootjad
Oxford Instruments toodab mitmesuguseid seadmeid, sealhulgas klaasseadmeid kuni 250 W, potentsiaaliga 4–80 kV, fookuspunkti kuni 10 mikronit ja laia valikut anoodimaterjale, sealhulgas Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian pakub üle 400 erinevat tüüpi meditsiinilise ja tööstusliku röntgenitoru. Teised tuntud tootjad on Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong jne.
Röntgentorusid "Svetlana-Rentgen" toodetakse Venemaal. Lisaks traditsioonilistele pöörleva ja statsionaarse anoodiga seadmetele toodab ettevõte valgusvooga juhitava külmkatoodiga seadmeid. Seadme eelised on järgmised:
- töötage pidevas ja impulssrežiimis;
- inertsus;
- LED-i voolutugevuse reguleerimine;
- spektri puhtus;
- erineva intensiivsusega röntgenikiirguse saamise võimalus.
