Sebagai tabung X-ray bekerja?

Sinar-X dihasilkan dengan mengkonversi energi dari elektron untuk foton, yang terjadi dalam tabung X-ray. Kuantitas (exposure) dan (spektrum) radiasi kualitas dapat disesuaikan dengan mengubah arus, tegangan dan waktu dari instrumen.

Prinsip operasi

tabung X-ray (foto diberikan dalam artikel) adalah konverter energi. Mereka menerimanya dari jaringan dan diubah menjadi bentuk lain - menembus radiasi dan panas, yang terakhir adalah produk sampingan yang tidak diinginkan. X-ray perangkat tabung sedemikian rupa sehingga memaksimalkan produksi foton dan membuang panas secepat mungkin.

tabung adalah perangkat yang relatif sederhana, biasanya terdiri dari dua elemen dasar - katoda dan anoda. Ketika arus mengalir dari katoda ke anoda, elektron kehilangan energi, yang mengarah ke generasi sinar-X.

anoda

anoda adalah komponen, dimana emisi foton energi tinggi yang dihasilkan. Ini adalah unsur logam yang relatif besar yang terhubung ke kutub positif dari rangkaian listrik. Ini memiliki dua fungsi utama:

• Ini mengubah energi elektron menjadi radiasi X-ray,
• Ini membuang panas.

Bahan untuk anoda dipilih untuk meningkatkan fungsi-fungsi ini.

Idealnya, sebagian besar elektron harus membentuk foton energi tinggi, bukan panas. Rasio total energi yang diubah menjadi X-radiasi (COP) tergantung pada dua faktor:

• nomor atom (Z) dari bahan anoda,
• energi elektron.

Dalam kebanyakan tabung x-ray sebagai bahan anoda digunakan tungsten, yang nomor atom sama dengan 74. Selain Z besar, logam ini memiliki karakteristik tertentu lainnya yang membuatnya cocok untuk tujuan ini. Tungsten adalah unik dalam kemampuannya untuk mempertahankan kekuatan ketika dipanaskan, memiliki titik leleh yang tinggi dan tingkat penguapan yang rendah.

Selama bertahun-tahun, anoda terbuat dari tungsten murni. Dalam beberapa tahun terakhir, kami mulai menggunakan paduan logam ini dengan renium, tetapi hanya di permukaan. anoda diri di bawah lapisan tungsten-renium terbuat dari bahan ringan, baik panas penyimpanan. Dua zat tersebut molibdenum dan grafit.

tabung sinar-X yang digunakan untuk mamografi, dibuat dengan anoda, dilapisi dengan molibdenum. Bahan ini memiliki nomor atom menengah (Z = 42), yang menghasilkan foton dengan energi karakteristik, cocok untuk merekam dada. Beberapa perangkat mamografi juga memiliki anoda kedua, terbentuk dari rhodium (Z = 45). Hal ini memungkinkan untuk meningkatkan energi dan mencapai penetrasi yang lebih besar untuk payudara yang padat.

Penggunaan paduan tungsten-renium meningkatkan radiasi keluaran jangka panjang - dengan perangkat efisiensi waktu dengan anoda terbuat dari tungsten murni berkurang karena kerusakan termal ke permukaan.

Sebagian anoda memiliki bentuk cakram meruncing dan tetap pada poros motor, yang berputar mereka pada kecepatan relatif tinggi pada saat emisi sinar-X. Tujuan dari rotasi - penghapusan panas.

focal spot

X-ray generasi bagian tidak seluruh anoda. Hal ini terjadi di daerah kecil dari permukaan - focal spot. Dimensi terakhir ditentukan ukuran berkas elektron yang berasal dari katoda. Dalam mayoritas itu memiliki bentuk persegi panjang bervariasi dalam 0,1-2 perangkat mm.

X-ray desain tabung dengan ukuran tertentu dari focal spot. Semakin kecil itu, kurang blur dan ketajaman yang lebih tinggi, dan apa yang lebih, disipasi panas yang lebih baik.

Ukuran focal spot merupakan faktor yang harus dipertimbangkan ketika memilih tabung X-ray. Produsen memproduksi perangkat dengan focal spot kecil, di mana perlu untuk mencapai resolusi tinggi dan radiasi yang cukup kecil. Sebagai contoh, diperlukan dalam studi bagian-bagian kecil dan halus dari tubuh seperti dalam mamografi.

Tabung X-ray terutama memproduksi spot fokus dengan dua ukuran - besar dan kecil, yang dapat dipilih oleh operator sesuai dengan prosedur yang membentuk gambar.

katoda

Fungsi utama dari katoda - untuk menghasilkan elektron dan mengumpulkan mereka menjadi sinar diarahkan ke anoda. Hal ini biasanya terdiri dari kawat spiral kecil (filamen) tertanam dalam reses berbentuk cangkir.

Elektron melewati sirkuit biasanya tidak dapat meninggalkan konduktor dan meninggalkan ruang bebas. Namun, mereka dapat melakukannya, jika mereka mendapatkan energi yang cukup. Dalam proses yang dikenal sebagai emisi termal, panas digunakan untuk mengusir elektron dari katoda. Hal ini menjadi mungkin ketika tekanan di dalam tabung x-ray dievakuasi mencapai 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. Art. benang dipanaskan dengan cara yang sama sebagai lampu filamen spiral dengan melewati sebuah melaluinya saat ini. Kerja tabung sinar katoda disertai dengan pemanasan pada suhu pendaran perpindahan energi panas darinya elektron.

balon

Anoda dan katoda yang terkandung dalam perumahan tertutup - silinder. Balon dan isinya sering disebut sebagai insert, yang memiliki kehidupan terbatas dan dapat diganti. Tabung x-ray umumnya memiliki bola kaca, meskipun logam dan keramik silinder digunakan untuk beberapa aplikasi.

Fungsi utama adalah untuk mendukung wadah dan isolasi dari anoda dan katoda, dan mempertahankan vakum. Tekanan dalam tabung x-ray yang dievakuasi pada 15 ° C adalah 1,2 × 10 ^-3 Pa. Kehadiran gas di dalam tangki akan memungkinkan listrik mengalir melalui perangkat bebas, bukan hanya dalam bentuk berkas elektron.

perumahan

aparat tabung X-ray seperti itu, selain kandang dan dukungan dari komponen lainnya, ia berfungsi sebagai badan perisai dan menyerap radiasi, kecuali untuk balok berguna melewati jendela. Its permukaan luar yang relatif besar menghilang sebagian besar panas yang dihasilkan dalam perangkat. Ruang antara shell dan insert diisi dengan minyak yang menyediakan isolasi dan pendinginan itu.

rantai

Rangkaian listrik menghubungkan ponsel ke sumber listrik, yang disebut generator. Sumber ini didukung dari jaringan dan mengubah arus bolak-balik ke arus searah. generator juga memungkinkan Anda untuk menyesuaikan beberapa parameter dari rantai:

• KV - tegangan atau potensial listrik;
• MA - arus yang mengalir melalui tabung;
• S - durasi atau waktu pemaparan, di sepersekian detik.

Rangkaian menyediakan gerakan elektron. Mereka diisi dengan energi, melewati generator, dan memberikannya kepada anoda. Sebagai gerakan mereka terjadi dua transformasi:

• energi potensial listrik diubah menjadi energi kinetik;
• kinetik, pada gilirannya, diubah menjadi radiasi X-ray dan panas.

potensi

Ketika elektron tiba di termos, mereka memiliki energi listrik potensial, yang ditentukan oleh jumlah tegangan KV antara anoda dan katoda. Tabung X-ray dioperasikan pada tegangan untuk menghasilkan 1 KV yang setiap partikel harus memiliki 1 keV. Dengan menyesuaikan KV, operator memberikan setiap elektron adalah sejumlah energi.

ilmu gerak

tekanan rendah di tabung x-ray dievakuasi (pada 15 ° C adalah 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. V.) Memungkinkan partikel bawah aksi emisi dan gaya listrik termionik dipancarkan dari katoda ke anoda. Gaya ini mempercepat mereka, mengakibatkan peningkatan kecepatan dan energi kinetik dan potensial menurun. Ketika partikel mendarat di anoda, potensinya hilang, dan semua energi diubah menjadi energi kinetik. 100-keV elektron mencapai kecepatan lebih besar dari setengah kecepatan cahaya. Mencolok permukaan partikel melambat sangat cepat dan kehilangan energi kinetik mereka. Dia ternyata sinar-X atau panas.

Elektron datang ke dalam kontak dengan atom individu dari bahan anoda. Radiasi yang dihasilkan oleh interaksi mereka dengan orbital (X-ray foton), dan dengan inti (bremsstrahlung).

energi ikat

Setiap elektron dalam sebuah atom memiliki energi mengikat tertentu, yang tergantung pada ukuran yang terakhir dan tingkat di mana partikel tersebut berada. Energi ikat memainkan peran penting dalam generasi sinar-X karakteristik dan diperlukan untuk menghilangkan elektron dari atom.

bremsstrahlung

Bremsstrahlung menghasilkan jumlah terbesar dari foton. Elektron menembus ke dalam bahan anoda dan memperluas dekat dengan inti, dibelokkan dan melambat atom gaya gravitasi. energi mereka hilang selama pertemuan ini muncul dalam bentuk X-ray foton.

berbagai

Hanya beberapa foton memiliki dekat energi untuk energi elektron. Mayoritas dari mereka lebih rendah. Asumsikan bahwa ada ruang atau lapangan sekitarnya inti, dimana elektron pengalaman memaksa "inhibisi." Bidang ini dapat dibagi menjadi zona. Hal ini memberikan pandangan inti bidang atom sasaran di tengah. Elektronik jatuh di mana saja di target melambat dan menghasilkan foton sinar-X. Partikel yang jatuh terdekat ke pusat, yang paling terkena dan karena itu kehilangan energi paling, menghasilkan sangat foton energi tinggi. Elektron masuk ke zona terluar mengalami interaksi lemah dan menghasilkan foton dari energi yang lebih rendah. Meskipun wilayah memiliki lebar yang sama, bahwa mereka memiliki daerah yang berbeda tergantung pada jarak dari inti. Karena jumlah insiden partikel pada zona, tergantung pada luas total, itu adalah jelas bahwa daerah eksternal menangkap lebih banyak elektron dan menyebabkan lebih banyak foton. energi spektrum sinar-X dapat diprediksi oleh model ini.

E _max foton spektrum bremsstrahlung utama sesuai dengan E _max elektron. Di bawah titik ini, dengan penurunan energi foton meningkatkan jumlah mereka.

Sejumlah besar foton energi rendah diserap atau disaring, karena mereka berusaha untuk melewati permukaan tabung anoda atau kotak filter. Filtering umumnya tergantung pada komposisi dan ketebalan bahan melalui mana balok berlalu, dan ini menentukan bentuk akhir dari kurva spektrum energi rendah.

pengaruh KV

Bagian energi tinggi spektrum menentukan x-ray tegangan tabung di kV (kilovolt). Hal ini karena menentukan energi elektron mencapai anoda, dan foton tidak dapat memiliki potensi lebih besar dari ini. Di bawah tegangan berjalan tabung X-ray? Energi foton maksimum sesuai dengan potensi maksimal diterapkan. Tegangan ini dapat bervariasi selama paparan karena jaringan arus bolak-balik. Dalam hal ini, E _max tegangan puncak ditentukan oleh foton osilasi periode KV _p.

Selanjutnya potensi quanta, KV _p menentukan jumlah radiasi yang dihasilkan oleh sejumlah tertentu elektron mencapai anoda. Karena efisiensi total radiasi bremsstrahlung meningkat dengan kenaikan energi insiden elektron, yang ditentukan KV _p, ini berarti bahwa KV _p mempengaruhi efisiensi perangkat.

Mengubah KV _p, biasanya mengubah spektrum. Total area di bawah kurva energi merupakan jumlah foton. spektrum tanpa filter adalah segitiga, dan jumlah radiasi sebanding dengan KV persegi. Di hadapan filter juga meningkatkan KV peningkatan penetrasi foton, yang mengurangi persentase radiasi disaring. Hal ini menyebabkan peningkatan hasil radiasi.

radiasi karakteristik

Jenis interaksi yang menghasilkan radiasi karakteristik terdiri kecepatan tinggi tabrakan dengan elektron orbital. Interaksi hanya dapat terjadi ketika sebuah bagian E dari _partikel memiliki lebih besar dari energi ikat atom. Bila kondisi ini terpenuhi, dan ada tabrakan, elektron tersingkir. Hal ini membuat posisi terbuka, diisi oleh partikel tingkat energi yang lebih tinggi. Ketika kita bergerak elektron memberikan energi yang dipancarkan dalam bentuk X-ray foton. Hal ini disebut radiasi karakteristik, karena E adalah foton karakteristik unsur kimia dari mana anoda dibuat. Sebagai contoh, ketika sebuah elektron akan terlepas K tungsten _sambungan lapisan dengan E = 69,5 keV, kekosongan diisi dengan elektron dari _komunikasi L-tingkat dengan E = 10,2 keV. Karakteristik X-ray foton memiliki energi sama dengan perbedaan antara dua tingkat, atau 59,3 keV.

Bahkan, bahan anoda mengarah ke sejumlah karakteristik energi X-ray. Hal ini terjadi karena elektron pada berbagai tingkat energi (K, L, dll) dapat mengetuk membombardir partikel dan lowongan dapat diisi dengan berbagai tingkat energi. Sementara lowongan L-tingkat menghasilkan foton dan energi mereka terlalu kecil untuk digunakan dalam pencitraan diagnostik. Setiap energi karakteristik diberi sebutan yang menunjukkan orbital, dimana kekosongan, dengan indeks yang menunjukkan sumber elektron yang dibutuhkan. alpha (α) menunjukkan indeks mengisi elektron dari L-tingkat, dan beta (β) menunjukkan tingkat pengisian M atau N.

• Spektrum tungsten. Radiasi karakteristik logam menghasilkan spektrum linear yang terdiri dari beberapa energi diskrit dan pengereman menghasilkan distribusi kontinu. Jumlah foton yang diciptakan oleh masing-masing energi karakteristik, dicirikan bahwa probabilitas mengisi kekosongan K-tingkat tergantung pada orbital.
• Spektrum molibdenum. Anoda logam ini digunakan untuk mamografi, menghasilkan dua cukup intens karakteristik x-ray energi: K-alpha sebesar 17,9 keV dan K-beta sebesar 19,5 keV. Kisaran optimum dari tabung X-ray, yang memungkinkan untuk mencapai keseimbangan terbaik antara kontras dan dosis iradiasi untuk ukuran payudara rata-rata dicapai pada E _p = 20 keV. Namun Bremsstrahlung menghasilkan lebih banyak energi. Dalam peralatan mamografi untuk menghapus bagian yang tidak diinginkan dari spektrum menggunakan filter molibdenum. Filter ini bekerja pada prinsip «K-edge." Menyerap radiasi lebih elektron yang mengikat energi pada atom molibdenum K-tingkat.
• Spektrum rhodium. Rhodium memiliki nomor atom 45, dan molibdenum - 42. Oleh karena itu, sinar X-karakteristik dari anoda rhodium akan memiliki energi yang sedikit lebih tinggi dari molibdenum dan lebih tajam. Hal ini digunakan untuk pencitraan payudara yang padat.

Anoda dengan area permukaan ganda, molibdenum, rhodium, memungkinkan operator untuk memilih distribusi dioptimalkan untuk payudara dari ukuran dan kepadatan yang berbeda.

Efek pada spektrum KV

nilai KV sangat mempengaruhi radiasi karakteristik, yaitu. K. Ini tidak akan diproduksi jika kurang KV elektron tingkat K-energi. Ketika KV melebihi nilai ambang batas ini, jumlah radiasi umumnya sebanding dengan perbedaan dan ambang KV tabung KV.

Spektrum energi foton dari sinar X-ray yang dipancarkan dari perangkat ditentukan oleh beberapa faktor. Sebagai aturan, terdiri dari bremsstrahlung dan interaksi karakteristik.

Komposisi relatif dari spektrum tergantung pada bahan anoda, KV dan filter. Dalam tabung dengan karakteristik emisi tungsten anoda tidak terbentuk pada KV <69,5 keV. Pada nilai yang lebih tinggi dari HF digunakan dalam studi diagnostik, radiasi karakteristik meningkatkan radiasi total 25%. Perangkat molibdenum mungkin mencapai sebagian besar dari total kapasitas pembangkit.

efisiensi

Hanya sebagian kecil dari energi yang disampaikan oleh elektron diubah menjadi radiasi. Fraksi utama diserap dan diubah menjadi panas. efisiensi radiasi didefinisikan sebagai fraksi total daya radiasi dari listrik umum disampaikan anoda. Faktor-faktor yang menentukan efisiensi tabung X-ray yang diterapkan tegangan KV dan nomor atom Z. Rasio perkiraan berikut:

• Efisiensi = KV x Z x 10 ^-6.

Hubungan antara efisiensi dan KV memiliki efek tertentu pada penggunaan praktis dari peralatan X-ray. Karena generasi panas tabung memiliki batas pada jumlah tenaga listrik yang mereka dapat menghilang. Memaksakan pada kapasitas batas perangkat. Dengan meningkatnya KV, namun, jumlah radiasi yang dihasilkan oleh salah satu panas secara signifikan meningkatkan.

Ketergantungan efisiensi generasi X-ray pada komposisi anoda hanya kepentingan akademis karena sebagian besar perangkat yang digunakan tungsten. Pengecualian adalah molibdenum dan rhodium, yang digunakan dalam mammogram. Efisiensi perangkat ini secara signifikan lebih rendah untuk tungsten karena nomor atom lebih rendah mereka.

efektivitas

Efisiensi tabung sinar-X didefinisikan sebagai jumlah iradiasi millirentgenah dikirim ke titik di tengah balok berguna pada jarak 1 m dari titik fokus untuk setiap 1 mAs elektron melewati perangkat. Nilainya merupakan kemampuan perangkat untuk mengkonversi energi dari partikel bermuatan dalam radiasi X-ray. Hal ini memungkinkan Anda untuk menentukan paparan pasien, dan snapshot. Efisiensi, efisiensi perangkat tergantung pada beberapa faktor, termasuk KV, bentuk gelombang tegangan, bahan anoda dan tingkat kerusakan permukaan ke perangkat filter dan waktu penggunaan.

KV-manajemen

Tegangan KV tabung sinar-X secara efektif mengontrol radiasi output. Sebagai aturan, diasumsikan bahwa output sebanding dengan kuadrat KV. Menggandakan paparan KV meningkatkan 4 kali.

gelombang

gelombang menggambarkan metode yang KV bervariasi dengan waktu selama generasi radiasi karena sifat siklik kekuasaan. Digunakan beberapa bentuk gelombang yang berbeda. Prinsip umumnya adalah: semakin kecil perubahan dalam KV bentuk, radiasi X-ray diproduksi secara efisien. Peralatan modern yang digunakan generator dengan KV relatif konstan.

tabung X-ray: Produsen

Oxford Instrumen Perusahaan memproduksi berbagai perangkat, termasuk kaca, kekuatan untuk 250 W, 4-80 potensi kV, yang fokus tempat 10 mikron dan berbagai bahan anoda, t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian menawarkan lebih dari 400 jenis yang berbeda dari tabung X-ray medis dan industri. produsen terkenal lainnya adalah Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong et al.

Di Rusia diproduksi X-ray tabung "Svetlana-Roentgen". Selain perangkat tradisional dengan berputar dan perusahaan anoda stasioner memproduksi perangkat dari katoda dingin fluks bercahaya dikendalikan. Manfaat perangkat berikut:

• bekerja di kontinyu dan pulse mode;
• tidak adanya inersia;
• mengatur intensitas arus LED;
• spektrum kemurnian;
• kemungkinan radiasi sinar-X dari berbagai intensitas.