Главная › Интернет › Из чего состоит кабель для рентгеновской трубки. Рентгеновское излучение и его свойства. Рентгеновская трубка и принцип ее работы

Из чего состоит кабель для рентгеновской трубки. Рентгеновское излучение и его свойства. Рентгеновская трубка и принцип ее работы

Вскоре после открытия В.-К. Рентгеном нового вида излучения оно стало активно использоваться в медицине с диагностическими целями. Таким образом, родилась новая медицинская специальность, названная рентгенодиагностикой. Само новое излучение, электромагнитное по своей природе, в России и Германии получило название рентгеновского, а в англоязычных странах Х-лучей (Х-гау).

Устройство и принцип работы рентгеновской трубки

Рентгеновское излучение возникает в рентгеновской трубке в момент подачи на нее высокого напряжения. Наиболее распространенная современная модель рентгеновской трубки представляет собой электрический прибор, состоящий из двух электродов: катода, выполненного в виде тонкой спирали, и анода -- в виде пластины или диска, которые запаяны в вакуумной стеклянной колбе. Таким образом, между катодом и анодом имеется безвоздушное пространство. Поскольку процесс получения рентгеновского излучения связан с сильным нагреванием электродов, они конструктивно выполнены из тугоплавкого металла (вольфрама).

Перед подачей на электроды высокого напряжения катод нагревается сильным током низкого напряжения (напряжение 6--14 В, сила тока 2,5-8 А). При этом катод начинает испускать свободные электроны, которые образуют вокруг него так называемое электронное облачко, а процесс отрыва электронов от поверхности катода называется электронной эмиссией.

Схема рентгеновской трубки: 1 - катод, 2 -- поток электронов, 3 - фокусное пятно анода, 4 -- анод, 5 -- двигатель на оси анода

При подаче на электроды высокого напряжения (порядка десятков и сотен киловольт) оторвавшиеся от катода электроны через вакуум начинают устремляться к аноду с огромной скоростью. Встречая на своем пути анод, электроны начинают ударяться о его поверхность. При этом происходит торможение электронов и преобразование их высокой кинетической энергии в энергию электромагнитных волн с различной частотой, большая часть которой рассеивается в виде теплового излучения. Небольшое количество энергии, образованной вследствие торможения электронов об анод (примерно 1/1000), покидает рентгеновскую трубку в виде рентгеновского излучения. Таким образом, рентгеновское излучение -- это волновое тормозное электромагнитное излучение. При этом оно направляется перпендикулярно по отношению к оси движения электронов в вакууме рентгеновской трубке. Это становится возможным благодаря особой форме анода, имеющего скошенную поверхность в месте контакта с падающими на него электронами, называемую фокусным пятном. Кроме того, во время подачи на рентгеновскую трубку высокого напряжения анод, выполненный в виде диска, начинает вращаться с высокой частотой. Поэтому в разные моменты времени пучок электронов ударяется о разные участки его поверхности, что предохраняет анод от избыточного нагревания, равномерно распределяя тепловую нагрузку по его поверхности.

Формирование рентгеновского изображения

Принцип получения рентгеновского изображения исследуемого органа основан на неоднородном ослаблении (поглощении) пучка рентгеновского излучения при прохождении его через ткани различной плотности и попадании неоднородно ослабленного излучения на воспринимающую систему (рентгеновскую пленку или флюоресцирующий экран).

Все диагностические изображения, получаемые методами медицинской визуализации, подразделяют на две основные группы - аналоговые и цифровые. Аналоговые изображения получают на специальной рентгенографической пленке или флюоресцирующих экранах с помощью методов классической рентгенодиагностики (рентгенографии, рентгеноскопии, флюорографии, линейной томографии, методик с применением искусственного контрастирования).

Схема формирования рентгеновского изображения за счет неравномерного ослабления рентгеновского излучения: 1 - источник рентгеновского излучения, 2 - тело пациента, 3 -- рентгеновская пленка, флюоресцирующий экран

Существуют негативные и позитивные изображения одного и того же объекта (органов грудной клетки). Органы и ткани, обладающие высокой рентгеновской плотностью (кости, сердце, купола диафрагмы), на негативных изображениях белого цвета, а на позитивных -- черного. При анализе рентгенограмм необходимо также помнить о наличии суммационного эффекта. Суммационный эффект заключается в наслоении изображений различных органов и тканей, расположенных вдоль прохождения пучка рентгеновского излучения.

Прибор рентгеновская трубка — это электровакуумное устройство, у которого обязательно есть источник облучения (катод) и цель торможения (анод). Также в приборе присутствует генератор — устройство, расположенное в накальном трансформаторе, которое способствует подаче сильного напряжения в катод по минусовому высоковольтному проводнику.

Лучи появляются благодаря тому, что катод-спираль при сильном напряжении накаливается и выбрасывает поток электронов, задерживающихся на пластине анода, сделанной из вольфрама. Анод способствует превращению энергии в тепловую, в результате чего анод разогревается до температуры выше 2000°С. Это и есть причина снижения мощности, повышения длительности экспозиции.

Устройство размещается в особом свинцовом чехле. Фартук наполнен специальным маслом. Строение чехла включает в себя высоковольтные проводники и окно выхода, через которое и удаляется скопленное излучение. Современный электровакуумный прибор устроен таким образом, чтобы человек получал минимальную порцию лучей.

Строение электровакуумного прибора

Схема рентгеновской трубки выглядит так:

стандартная колба;
горловина анода;
двигающийся диск анода;
фокус-пятно анода;
спираль накаливания катода;
система фокуса катода.

Сегодня электровакуумные приборы оснащены двумя фокусами большого и малого размеров, на них и распределяются электроны. Для этого в окно встроен прибор коллимации, который должен находиться в постоянном движении, чтобы рентгеновская трубка не повредилась. В этих целях снизу устроена система передвижения анода.

Некоторые справки об РТ

Электровакуумный прибор 0.2БДМ7-50 применяется в дентальном рентген-устройстве, 5Д 2РТ 1.6 БДМ 13-90 используется для функционирования с точкой заземления. Работа прибора должна быть при напряжении не больше 110 кВт, а моноблок в обязательном порядке необходимо наполнять специальным маслом. Для работы близкого фокуса применяют РТ 1БТВ4-100. Аппарат 1.7БДМ18-100 используют для работы РТ в передвижном приборе. 2-20БД14-15 и 2-20БД14-150 применим в диагностических целях. Для работы рентгеновской трубки 2.5-30БД29-150 существует устройство «Проскан». 4БПМ8-250 применяется в медицине для проведения исследований и диагностики.

Принцип работы прибора

РТ — это устройство, которое функционирует как диод, но способно осуществлять свои задачи в режиме пространственного заряда.

Принцип работы достаточно прост: эмиссия производится в результате повышенного напряжения. Именно вследствие этого РТ должна располагаться в фартуке из свинца. Благодаря последнему не происходит лишнего . В результате выводится исключительно невредный лучевой поток. Далее неопасные лучи ограничиваются с помощью стационарного либо двигающегося коллиматора. Он хоть и не является деталью фартука, но делать рентген без него нельзя, так как произойдет утечка вредного излучения.

Кроме того, фартук способствует защите от высоких напряжений, которые создаются между анодом и катодом. Заряд проходит по кабелю, который идет из повышающей трансформаторной будки с генератором. Образуется рентгеновское излучение с огромными затратами энергии, в основном обращенными на прогрев элементов, расположенных внутри рентгеновской трубки. Мельчайшие доли секунды энергия концентрируется на фокусе, далее она размещается по всему фокусному пятну.

Дольше происходит перевод энергии на непроводящее масло, которое находится в фартуке РТ. В это же время энергия как горячее излучение перемещается на фартук, выполненный из металла. И, наконец, уже из стенок происходит высвобождение энергии в качестве конвенции либо вентиляции. Во время такого теплообмена рентгеновская трубка нагревается до определенного предела — экстремальной температуры, которая и не должна ни в коем случае выйти за рамки необходимых показателей. Иначе произойдет разрушение рентгеновской трубки. Температурный режим фокуса и его пятна подлежит контролю при помощи того, что устанавливаются определенный временной режим и напряжение, подаваемые с генератора под минимальным, ограниченным заполняющим фактором. Последний вычисляется при помощи разработанной таблицы характеристик нагрузки.

Анодный температурный режим определяется верной экспозицией. Делается это для того, чтобы было соблюдено время соотношения перепада энергии.

Время охлаждения контролируется приборами с родным ПО с помощью специальной схемы моделирования скопленного тепла. Если же такая функция отсутствует, то контроль осуществляется с помощью спланированного расписания, которое составил рабочий персонал, основываясь на смене волн нагрева и охлаждения анода. Температурный режим фартука контролируется так же переменой нагрева и охлаждения. В данном случае он должен выполняться с длительными промежутками во времени: по половине дня на охлаждение и нагревание. Регулируется температура в кожухе с помощью 3 устройств:

переключатель температур внешний;
переключатель температур внутренний;
микропереключатель.

Струйный материал фильтрует полезные лучи. У РТ им служит:

стекло;
масло;
пластик.

Но такой фильтрации, конечно, недостаточно для того, чтобы ограничить низкую энергию мягких лучей. Последние приносят вред человеческому организму, а изображение не передают. По этой причине на приборе располагаются дополнительные фильтры на безвредных лучах. Оценка пользы и вреда рентгеновского облучения сложна. Работу на рентгеновском оборудовании должен осуществлять только обученный квалифицированный специалист. Данные устройства не предназначаются для работы вручную или замещения автоматического управления временным показателем охлаждения. Однако без них нельзя говорить о полной безопасности аппарата. В обычной работе такие устройства не применяются. Следует обратить внимание, что сама РТ не имеет данных устройств для создания границ температурного режима. Исходя из чего необходимо контролировать цикл энергии, которая идет с генератора. Это поможет не навредить пациенту. Калибровка накаливания на одном уровне осуществляется при помощи дополнительного программирования системы, содержащей необходимую информацию.

Изобретение относится к источникам рентгеновского излучения для селективного получения рентгеновского излучения с различными длинами волн. Рентгеновская трубка постоянного излучения состоит из цилиндрического анода, кольцевого катода, состоящего из нескольких нитей накала, фокусирующего электрода, окна для вывода рентгеновского излучения и герметичного корпуса. Кольцевой катод, состоящий из двух и более нитей накала, изолирован от корпуса трубки и фокусирующего электрода, что позволяет путем подачи управляющего напряжения на катод относительно корпуса и фокусирующего электрода изменять размеры фокусного пятна. Анод выполнен в виде массивного медного цилиндра, на торец которого закреплена пайкой или сваркой мишень из материала, необходимого для генерации соответствующего рентгеновского излучения. Фокусирующий электрод установлен таким образом, чтобы продукты испарения катода не попадали на торцевую поверхность анода. Внутренняя часть корпуса трубки является дополнительным элементом фокусировки, конфигурация внутренней поверхности корпуса трубки, обращенная к катоду и фокусирующему электроду, рассчитана таким образом, чтобы обеспечить фокусировку электронов на поверхности анода. В конструкцию трубки добавлен выходной коллиматор, размеры которого выбираются такими, чтобы продукты испарения катода не попадали на поверхность выходного окна. Технический результат: упрощение конструкции, уменьшение габаритов, увеличение ресурса работы трубки, возможность регулировки фокусного пятна путем изменения потенциала катода относительно фокусирующего электрода. 1 ил.

Изобретение относится к источникам рентгеновского излучения для селективного получения рентгеновского излучения с различными длинами волн.

Известен источник рентгеновского излучения для селективного получения пучков рентгеновского излучения с различными длинами волн (А.с. 1434508 СССР, МКИ 3 В5J 17/00. Кузнецов В.Л., Соколов О.Б. и др. 1988 г.), состоящий из анода, фокусирующего электрода, окна для вывода рентгеновского излучения и герметичного корпуса. Анод выполнен в виде полого цилиндра, на торцевую поверхность которого нанесен рабочий слой в виде нескольких секторных мишеней. Фокусирующий электрод выполнен в виде электрически изолированных друг от друга секций полого цилиндра, с зазором охватывающих анод. Количество секций фокусирующего электрода равно количеству секторных мишеней анода. В своей верхней части секции фокусирующего электрода снабжены разделительными экранирующими перегородками, расположенными над торцевой поверхностью анода параллельно стыкам его секторных мишеней и прикрепленными к соответствующим секциям. Катодный узел содержит нити накала, количество которых равно количеству секторных мишеней анода. Анод, катодный узел и фокусирующий электрод размещены в герметичном корпусе с окном для вывода рентгеновского излучения.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, уменьшение габаритов, появляется возможность регулировки размеров фокусного пятна путем изменения потенциала катода относительно фокусирующего электрода, что расширяет функциональные возможности трубки, наличие нескольких нитей накала увеличивает ресурс работы рентгеновской трубки.

Указанная задача решается следующим образом.

Предлагается рентгеновская трубка постоянного излучения, состоящая из цилиндрического анода, кольцевого катода, состоящего из нескольких нитей накала, фокусирующего электрода, окна для вывода рентгеновского излучения и герметичного корпуса. В отличие от известного технического решения кольцевой катод, состоящий из двух и более нитей накала, изолирован от корпуса трубки и фокусирующего электрода, что позволяет путем подачи управляющего напряжения на катод относительно корпуса и фокусирующего электрода изменять размеры фокусного пятна, анод выполнен в виде массивного медного цилиндра, на торец которого закреплена пайкой или сваркой мишень из материала, необходимого для генерации соответствующего рентгеновского излучения, что упрощает его конструкцию. Фокусирующий электрод установлен таким образом, чтобы продукты испарения катода не попадали на торцевую поверхность анода. Внутренняя часть корпуса трубки является дополнительным элементом фокусировки, конфигурация внутренней поверхности корпуса трубки, обращенная к катоду и фокусирующему электроду, рассчитана таким образом, чтобы обеспечить фокусировку электронов на поверхности анода. В конструкцию трубки добавлен выходной коллиматор, размеры которого выбираются такими, чтобы продукты испарения катода не попадали на поверхность выходного окна.

На чертеже представлена схема рентгеновской трубки, где:

1 - цилиндрический анод;

2 - кольцевой катодный узел, состоящий из двух или более нитей накала;

3 - фокусирующий электрод;

4 - окно для вывода рентгеновского излучения;

5 - герметичный корпус;

6 - выходной коллиматор;

7 - мишень;

8 - изолятор;

9 - область распыления материала катода;

10 - траектории электронов.

Рентгеновская трубка работает следующим образом.

Посредством токопроводящих проводов электрический ток поступает на нить или одну из нитей накала катодного узла 2, вокруг нагретой нити накала 2 образуется электронное облако, которое при наличии нулевого по отношению к нити накала 2 потенциала на фокусирующем электроде 3 перехватывается положительным по отношению к катодному узлу электрическим полем анода 1 и ускоряется в направлении мишени 7. При торможении электронов на мишени 7 генерируется рентгеновское излучение с длиной волны, определяемой материалом мишени, которое через выходное окно 4 направляется на исследуемый объект. При подаче положительного по отношению к фокусирующему электроду потенциала на катодный узел 2 электроны попадают в область тормозящего электрического поля, создаваемого фокусирующим электродом 3 и внутренней поверхностью корпуса 5, изменяющего траектории движения электронов 10, что обеспечивает изменение размеров фокусного пятна на мишени. Коллиматор 6 защищает выходное окно 4 от продуктов испарения материала катода, а фокусирующий электрод 3 защищает от продуктов испарения материала катода поверхность мишени 7. Область напыления 9 не захватывает поверхность выходного окна 4 за счет наличия коллиматора 6 и поверхность мишени 7 благодаря выступающей кромке фокусирующего электрода 3. Тем самым продукты испарения нитей накала не увеличивают со временем коэффициент поглощения выходного окна 4 и не оседают на поверхности мишени 7.

Литература

1. А.с. 1434508 СССР, МКИ 3 В5J 17/00 (Кузнецов В.Л., Соколов О.Б. и др. 1988 г.).

2. Иванов С.А., Щукин Г.А. Рентгеновские трубки технического назначения. Л., Энергоатомиздат, Ленинградское отд., 1989 г., 201 с.

Рентгеновская трубка постоянного излучения, состоящая из цилиндрического анода, кольцевого катода, состоящего из нескольких нитей накала, фокусирующего электрода, окна для вывода рентгеновского излучения и герметичного корпуса, отличающаяся тем, что кольцевой катод, состоящий из двух и более нитей накала, изолирован от корпуса трубки и фокусирующего электрода, анод выполнен в виде массивного медного цилиндра, на торец которого закреплена пайкой или сваркой мишень из материала, необходимого для генерации соответствующего рентгеновского излучения, фокусирующий электрод установлен таким образом, чтобы продукты испарения катода не попадали на торцевую поверхность анода, внутренняя часть корпуса трубки является дополнительным элементом фокусировки, конфигурация внутренней поверхности корпуса трубки, обращенная к катоду и фокусирующему электроду, рассчитана таким образом, чтобы обеспечить фокусировку электронов на поверхности анода, в конструкцию трубки добавлен выходной коллиматор, размеры которого выбираются такими, чтобы продукты испарения катода не попадали на поверхность выходного окна.

Похожие патенты:

Изобретение относится к рентгеновским трубкам, содержащим автокатод, выполненный на основе углеродных материалов, и может быть использовано в качестве источника рентгеновского излучения в приборах дефектоскопии, досмотровой аппаратуре, медицинских рентгеновских аппаратах, диагностических установках рентгеновской спектроскопии.

Изобретение относится к миниатюрным импульсным рентгеновским трубкам (диаметр 12 мм, длина 24 мм), предназначенным для использования в медицине при внутриполостных облучениях опухолевых тканей и в технике для рентгенографирования сложных механизмов и устройств при внутреннем размещении источника излучения.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использована при разработке импульсных рентгеновских трубок, предназначенных для облучения медицинских или промышленных объектов

Группа изобретений относится к устройству и способу для генерации мощного оптического излучения, в частности, в области экстремального УФ (ЭУФ) или мягкого рентгеновского излучения в диапазоне длин волн примерно от 1 нм до 30 нм. Область применения включает ЭУФ - литографию при производстве интегральных схем или метрологию. Технический результат-повышение мощности пучка оптического излучения. В устройстве и способе для генерации излучения из разрядной плазмы осуществляют лазерно-инициируемый разряд между первым и вторым электродами с вводом энергии импульсного источника питания в плазму разряда и генерацией из плазмы разряда излучения наряду с побочным продуктом в виде нейтральных и заряженных загрязняющих частиц (debris), при этом за счет выбора места облучения электрода лазерным лучом, геометрии электродов и разрядного контура формируют асимметричный разряд преимущественно изогнутой/бананообразной формы, собственное магнитное поле которого непосредственно вблизи разряда имеет градиент, определяющий направление преимущественного движения потока разрядной плазмы от электродов в область менее сильного магнитного поля. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области рентгенотехники. Переносная рентгеновская система (200) имеет воспринимающее средство, чтобы обнаруживать, прикреплена ли отсеивающая решетка (230) к переносному детектору (240) или нет. Система выполнена с возможностью изменения автоматическим образом настроек (265а, 265b, 265с, 265d) по умолчанию экспозиции, когда решетка (230) удаляется или прикрепляется к переносному детектору (240). Технический результат - снижение риска недо- или переэкспозиции изображения. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может найти применение в медицине, научных исследованиях и оптоэлектронике. Рентгеновская трубка с модулируемым излучением содержит вакуумную оболочку с выводным окном, прозрачным для рентгеновского излучения, и размещенные внутри вакуумной оболочки источник электронов, фокусирующую электронную систему и анод, на поверхность которого нанесен слой металла мишени. При этом в заявленном изобретении в качестве источника электронов применяется микроканальная пластина, на вход которой подается ультрафиолетовое излучение полупроводникового фотодиода или лазера. Техническим результатом является обеспечение возможности модуляции излучения рентгеновской трубки. 1 ил.

Источник мягкого рентгеновского излучения на основе разборной рентгеновской трубки относится к области рентгеновской техники и предназначен для использования в качестве источника мягкого рентгеновского излучения с различными длинами волн для калибровки приемников излучения. Источник включает корпус, к которому крепится основание с расположенными на нем анодом и термокатодным узлом с электродами и нитью накала, высоковольтный и низковольтный вводы для соединения с источниками питания, а также фокусирующий электрод и систему охлаждения. Система охлаждения выполнена в виде петли трубопровода, электрически связанного с высоковольтным вводом, анод выполнен сплошным в форме параллелепипеда и зафиксирован непосредственно на трубопроводе с помощью крепежных элементов. Термокатодный узел снабжен упругодеформируемой деталью, закрепленной одним концом на одном из электродов термокатодного узла и связанной с нитью накала силовой связью с возможностью перемещения свободного конца и натяжения нити накала в процессе ее разогрева при подаче напряжения. Фокусирующий электрод выполнен в виде детали, частично охватывающей нить накала. Технический результат - упрощение конструкции и обеспечение стабильности параметров излучения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при разработке импульсных рентгеновских трубок для использования в малогабаритных рентгеновских аппаратах, в частности, для медицинской диагностики и лечения заболеваний, а также в других областях техники. Технический результат - получение излучения мягкого диапазона, обеспечивающего высокий контраст изображения при работе с объектами разной оптической плотности с сохранением рентгенооптических параметров в процессе наработки. Импульсная рентгеновская трубка содержит металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса, а другое основание корпуса соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и катодом, закрепленным на держателе, которые имеют осесимметричные отверстия относительно анода, выполненного в виде цилиндрического стержня переходящего в конус и направленного в сторону окна, вывод анода, проходящий по оси прибора в полости изолятора и соединенный с его меньшим основанием. Держатель выполнен в форме чаши, в цилиндрической части которой равномерно по ее периметру и перпендикулярно дну сформированы сквозные пазы, переходящие в пропилы в дне чаши, а катод выполнен из полиакрилонитрильных углеродных волокон, расположенных радиально относительно оси прибора и закрепленных на дне чаши, например, тонким металлическим кольцом точечной сваркой, при этом торцы одних концов полиакрилонитрильных углеродных волокон образуют границу отверстия катода, а другие концы зажаты в пропилах между дном чаши и внутренней поверхностью корпуса. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, например, для контроля металлических и газовых дефектных включений в полимерной кабельной изоляции с использованием рентгеновского излучения электрического газового барьерного разряда (ЭГБР). Металлический электрод выполнен отражающим, конической формы, с заданными углом конусности и толщиной. Выходное окно для рентгеновского ЭГБР излучения выполнено в цилиндрической стеклянной колбе на одном конце, а на другом конце - сквозное отверстие, в котором установлен патрубок для напуска в рентгеновскую трубку рабочего газа. В качестве рабочего газа использован аргон или азот с активирующей добавкой летучего в ЭГБР 0,1 мг/см3 мелкодисперсного порошка РbO2. Технический результат - повышение контрастности изображения металлических и газовых включений за счет мягкого рентгеновского излучения в диапазоне от 1 до 10 нм, что повышает точность их фотографической регистрации. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к рентгеновской технике, в частности к миниатюрным маломощным рентгеновским излучателям, и может быть использовано для создания устройств экспрессной диагностики и локального воздействия в медицине, технике, быту. Излучатель выполнен как стеклянный баллон вида таблетки, состоящий из двух стеклянных крышки-окна и крышки, склеенных вакуумплотно по краю низкоплавким свинцовым стеклом. Внутри баллона мишень и анод совмещены и выполнены в виде плёнки электропроводящего подбираемого материала, нанесённого на окно-крышку. Катод выполнен как автоэмиссионный катод в виде покрытия порошкового материала на плёнку газопоглотителя, нанесённого на крышку. Управляющий электрод выполнен в виде двух металлических сеток с расположенной между ними микроканальной стеклопластиной. Управляющий электрод усиливает поток эмитированных из катода электронов и отражает рентгеновское излучение со стороны катода к аноду. Технический результат - увеличение полезного выхода рентгеновского излучения; уменьшение электрических нагрузок на анод и катод и, как следствие, увеличение долговечности и стабильности работы прибора; расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения безвредности окружающей среде. 2 ил.

Изобретение относится к источникам рентгеновского излучения для селективного получения рентгеновского излучения с различными длинами волн

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 превращают в другие формы - проникающее излучение и тепло, при этом последнее является нежелательным побочным продуктом. трубки таково, что она максимизирует производство фотонов и рассеивает тепло так быстро, насколько это возможно.

Трубка представляет собой относительно простой прибор, как правило, содержащий 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 производится испускание высокоэнергетических фотонов. Это сравнительно массивный элемент из металла, который соединяется с положительным полюсом электрической цепи. Выполняет две основные функции:

преобразует энергию электронов в рентгеновское излучение,
рассеивает тепло.

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 превращается в рентгеновское излучение, (КПД) зависит от двух факторов:

атомного номера (Z) анодного материала,
энергии электронов.

В большинстве рентгеновских трубок в качестве материала анода используется вольфрам, атомный номер которого равен 74. В дополнение к большому Z, этот металл обладает некоторыми другими характеристиками, которые делают его подходящими для этой цели. Вольфрам уникален 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 лишь на поверхности. Сам анод под вольфрам-рениевым покрытием изготовляется из легкого материала, хорошо аккумулирующего тепло. Двумя такими веществами являются молибден и графит.

Рентгеновские трубки, используемые 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.

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 его поверхности - фокальном пятне. Размеры последнего определяются размерами электронного пучка, поступающего из катода. В большинстве устройств оно имеет прямоугольную форму и варьируется в пределах 0,1-2 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 высокой разрешающей способности и достаточно небольшой радиации. Например, это требуется при исследовании малых и тонких частей тела, как в маммографии.

Рентгеновские трубки в основном производят с фокусными пятнами двух размеров - большим и малым, 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, проходящие 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 термоэмиссия, для изгнания электронов из 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 нагревом катода до температуры свечения с вытеснением тепловой энергией из него части электронов.

Баллон

Анод и катод содержатся в герметичном корпусе - баллоне. Баллон и его содержимое 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 и поддержание вакуума. Давление в откачанной рентгеновской трубке при 15°C составляет 1,2·10 -3 Па. Наличие газов в баллоне позволило бы электричеству течь через прибор свободно, а не только в виде электронного пучка.

Корпус

Устройство рентгеновской трубки таково, что, в дополнение к ограждению и поддержке других компонентов, ее корпус служит щитом и поглощает излучение, за исключением проходящего через окно полезного пучка. Его относительно большая внешняя поверхность рассеивает большую часть тепла, образуемого внутри устройства. Пространство между корпусом и вставкой заполнено маслом, обеспечивающим изоляцию и ее охлаждение.

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:

KV - напряжение или электрический потенциал;
MA - ток, который течет через трубку;
S - длительность или время экспозиции, в долях секунды.

Цепь обеспечивает движение электронов. Они заряжаются энергией, проходя через генератор, и отдают ее аноду. По мере их движения происходит два преобразования:

потенциальная электрическая энергия превращается в кинетическую;
кинетическая, в свою очередь, преобразуется в рентгеновское излучение и тепло.

Потенциал

Когда электроны поступают в колбу, они обладают потенциальной электрической энергией, количество которой определяется напряжением KV между анодом и катодом. Рентгеновская трубка работает под напряжением, для создания 1 KV которого каждая частица должна обладать 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 убыванию потенциальной. Когда частица попадает на анод, ее потенциал теряется, и вся ее энергия переходит в кинетическую. 100-кэВ электрон достигает скорости, превышающей половины 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 внутри атома 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 необходима для удаления электрона из атома.

Тормозное излучение

Тормозное излучение производит наибольшее количество фотонов. Электроны, проникающие в материал анода и проходящие вблизи ядра, отклоняются и замедляются силой притяжения атома. Их энергия, теряемая во время этой встречи, появляется в виде рентгеновского фотона.

Спектр

Лишь немногие фотоны обладают энергией, близкой к энергии электронов. У большинства 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 полю ядра вид мишени с атомом в центре. Электрон, попадающий в любую точку мишени, испытывает торможение и генерирует рентгеновский фотон. Частицы, попадающие ближе всего к центру, подвергаются наибольшему воздействию и, следовательно, теряют больше всего энергии, производя самые высокоэнергичные фотоны. Электроны, попадающие во внешние зоны, испытывают более и генерируют кванты с более низкой энергией. Хотя зоны имеют одинаковую ширину, что они имеют разную площадь, зависящую 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

Высокоэнергетическую часть спектра определяет напряжение в рентгеновских трубках kV (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 приложенному потенциалу. Это напряжение может изменяться 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 бомбардирующих электронов, которая определяется KV p , то отсюда следует, что KV p влияет на КПД прибора.

Изменение KV p , как правило, изменяет 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 столкновение высокоскоростных электронов с орбитальными. Взаимодействие может происходить только тогда, когда входящая частица обладает Е к большей, чем энергия связи в атоме. Когда это условие соблюдено, и происходит столкновение, электрон выбивается. При этом остается вакансия, заполняемая частицей более высокого энергетического уровня. По мере движения электрон отдает энергию, излучаемую в виде рентгеновского кванта. Это называется характеристическим излучением, так как E фотона является характеристикой химического элемента, из которого сделан анод. Например, когда выбивается электрон К-уровня вольфрама с Е связи =69,5 кэВ, вакансия заполняется электроном из L-уровня с E связи =10,2 кэВ. Характеристический рентгеновский фотон обладает энергией, равной разности между этими двумя уровнями, или 59,3 кэВ.

На самом деле, данный материал анода приводит к появлению ряда характеристических энергий рентгеновского излучения. Это происходит потому, что электроны на различных энергетических уровнях (K, L и т.д.) могут быть выбиты бомбардирующими частицами, а вакансии могут быть заполнены из 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 (α) обозначает заполнение электрона из L-уровня, а бета (β) указывает на заполнение из уровня М или N.

Спектр вольфрама. Характеристическое излучение этого металла производит состоящий из нескольких дискретных энергий, а тормозное создает непрерывное распределение. Число фотонов, созданных каждой характеристической энергией, отличается тем, что вероятность заполнения вакансии K-уровня зависит от орбитали.
Спектр молибдена. Аноды из данного металла, используемые для маммографии, производят две достаточно интенсивные характеристические энергии рентгеновского излучения: K-альфа при 17,9 кэВ, и K-бета при 19,5 кэВ. Оптимальный спектр рентгеновских трубок, позволяющий достичь наилучший баланс между контрастностью и для груди среднего размера, достигается при Е ф =20 кэВ. Однако тормозное излучение производится большими энергиями. В оборудовании для маммографии для удаления нежелательной части спектра используется молибденовый фильтр. Фильтр работает по принципу «K-края». Он поглощает излучение, превышающее энергию связи электронов на К-уровне атома молибдена.
Спектр родия. Родий имеет атомный номер 45, а молибден - 42. Поэтому характеристическое рентгеновское излучение родиевого анода будет иметь немного большую энергию, чем у молибдена, и более проникающую. Это используется для получения изображений плотной груди.

Аноды с двойными участками поверхности, молибден-родиевыми, 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. к. оно не будет производиться, если KV меньше энергии электронов K-уровня. Когда KV превышает это пороговое значение, количество излучения, как правило, пропорционально разности 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 не образуется при KV< 69,5 кэВ. При более высоких значениях КВ, используемых в диагностических исследованиях, характеристическое излучение увеличивает суммарную радиацию до 25%. В молибденовых устройствах оно может составить большую часть общего объема генерации.

КПД

Лишь небольшая часть энергии, доставляемая электронами, преобразуется в радиацию. Основная доля поглощается и превращается в тепло. КПД излучения определяется как доля полной излучаемой энергии от общей электрической, сообщаемой аноду. Факторами, которые определяют КПД рентгеновской трубки, являются приложенное напряжение KV и атомный номер Z. Примерное отношение следующее:

КПД = KV х Z х 10 -6 .

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 ограничение на мощность прибора. С увеличением KV, однако, количество радиации, произведенное на единицу тепла, значительно увеличивается.

Зависимость 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 более низкого атомного номера.

Эффективность

Эффективность рентгеновской трубки определяется как количество облучения в миллирентгенах, доставленного в точку в центре полезного пучка на расстоянии 1 м от фокусного пятна на каждый 1 мАс электронов, проходящих 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-управление

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 таков: чем меньше изменяется форма KV, тем эффективнее производится рентгеновское излучение. В современном оборудовании используют 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». Помимо традиционных приборов с вращающимся и стационарным анодом, предприятие изготавливает устройства с холодным катодом, управляемым световым потоком. Преимущества прибора следующие:

работа в непрерывном и импульсном режимах;
безынерционность;
регулирование интенсивности током светодиода;
чистота спектра;
возможность получения рентгеновского излучения различной интенсивности.

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Лабораторная работа №1

Руководитель: профессор кафедры ММС

Кульков Сергей Николаевич

Студенты группы 4Б21:

Кондратенко А.И.

Проскурников Г.В.

Дронов А.А.

Томск, 2015

Цель: познакомиться, изучить, а так же получить навыки в рентгенографическом анализе порошков.

Устройство рентгеновского апарата

Одним из наиболее эффективных методов изучения строения кристаллических веществ является рентгенография.

Рентгенография делится на 2 типа:

1. рентгеноструктурный анализ (РСтА);

2. рентгенофазовый анализ (РФА).

Первый метод является наиболее общим и информативным и позволяет однозначно определить все детали кристаллической структуры (координаты атомов и т.д.). Объектом исследования в РСтА является монокристалл. Второй метод позволяет идентифицировать вещество и определить некоторые параметры кристаллической структуры. Объектами исследования РФА являются поликристаллические образцы.

Рентгеновский аппарат предназначается для превращения электроэнергии в рентгеновское излучение. Устройство рентгеновского аппарата зависит от его функции, но в целом он состоит из источника излучения, блока питания, системы управления и периферии.

Как работает рентгеновский аппарат

Питание аппарата осуществляется обычно от электросети переменного тока в 126 или 220 В. Однако современные рентгеновские установки работают от постоянного тока существенно более высокого напряжения. В связи с этим в состав блока питания входят трансформатор (или система трансформаторов) и выпрямитель тока (иногда выпрямитель может отсутствовать – при низкой мощности аппарата). Генератор излучения – это рентгеновская трубка, одна или несколько.

Система управления – это распределительное устройство, то есть пульт управления, регулирующий работу всей установки. Кроме того, аппарат включает в себя штатив (систему штативов), на который крепится генератор излучения. Принцип работы установки следующий. Переменный ток от электросети подводится к первичной обмотке трансформатора. С его вторичной обмотки снимается более высокое напряжение и подается на излучатель непосредственно (полуволновые установки) или через выпрямитель – кенотрон. Накалом катодной нити рентгеновской трубки регулируется ее работа. В излучение при этом переходит не более 1% подаваемой на трубку энергии, остальное превращается в тепло, прежде всего греется анод. Для того чтобы избежать его повреждения от перегрева, либо используются тугоплавкие материалы (вольфрам, молибден), либо конструируется специальная система охлаждения (водное охлаждение, вращающийся анод). Современные рентгеновские установки снабжаются специальными устройствами для стабилизации тока и защиты излучателя от перегрузки. Кроме того, устанавливается система защиты окружающих от избыточного излучения (а также от тока высокого напряжения).

Рентгеновская трубка устройство

Рентгеновская трубка - электровакуумный прибор с источником излучения электронов (катод) и мишенью, в которой они тормозятся (анод). Высоковольтное напряжение для разогревакатода подается через минусовой высоковольтный кабель с накального трансформатора, который находится вгенераторном устройстве. Накаленная спираль катода, при прикладывание к рентгеновской трубке высокого напряжения,начинает выбрасывать ускоряющийся потокэлектронов, а затем они резко тормозятся на вольфрамовой пластинке анода, что и приводит к появлениюрентгеновских лучей.

Принцип работы рентгеновской трубки

Рисунок 1 - Схема рентгеновской трубки для структурного анализа: 1 - металлический анодный стакан (обычно заземляется); 2 – окна из бериллия для выхода рентгеновского излучения; 3 – термоэмиссионный катод; 4 – стеклянная колба, изолирующая анодную часть трубки от катодной; 5 – выводы катода, к которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода) напряжение; 6 – электростатическая система фокусировки электронов; 7 – ввод (антикатод); 8 – патрубки для ввода и вывода проточной воды, охлаждающей вводный стакан.

Площадь анода, на которую попадают электроны, называют фокусом. В современных рентгеновских трубках обычно имеется два фокуса: большой и малый. В аноде свыше 95% энергии электронов превращается в тепловую энергию, нагревающую анод до 2000° и более. По этой причине с увеличением длительности экспозиции допустимая мощность снижается.

Рентгенодиагностическую трубку размещают в просвинцованном кожухе, который заполнентрансформаторным маслом. В кожухе имеются отверстиядля подсоеденения высоковольтных кабелей и выходное окно, через которое выводится пучок излучения. Для минимизации дозы рентгеновского излучения в современных рентгеновских аппаратах, например ФМЦ на выходном окне крепится устройство колимации. Для того, чтоб исключить появление на аноде рентгеновской трубки повреждений, последний должен вращаться, для этого внизу кожуха рентгеновской трубки размещается устройство вращения анода.