Рентген түтүктөрү кантип иштейт?

2024 Автор: Curtis Blomfield | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-15 09:42

Рентген нурлары электрон энергиясын фотондорго айландыруу аркылуу түзүлөт, ал рентген түтүкчөсүндө орун алат. Нурлануунун көлөмүн (экспозициясын) жана сапатын (спектрүн) аппараттын токтун, чыңалуусун жана иштөө убактысын өзгөртүү менен жөнгө салууга болот.

Иштөө принциби

Рентген түтүктөрү (сүрөт макалада берилген) энергияны өзгөрткүч болуп саналат. Алар аны тармактан алып, аны башка формага - радиацияга жана жылуулукка кирип кетишет, экинчиси жагымсыз кошумча продукт болуп саналат. Рентген түтүгүнүн дизайны фотонду максималдуу өндүрүүнү жана жылуулукту мүмкүн болушунча тез тараткандай.

Түтүк – бул салыштырмалуу жөнөкөй түзүлүш, адатта эки негизги элементти - катодду жана анодду камтыйт. Катоддон анодго ток өткөндө электрондор энергияны жоготот, натыйжада рентген нурлары пайда болот.

Анод

Анод чыгаруучу компонентжогорку энергиялуу фотондор. Бул электр чынжырынын оң уюлуна туташтырылган салыштырмалуу массалуу металл элементи. Эки негизги функцияны аткарат:

• электрондук энергияны рентген нурларына айландырат,
• жылуулукту таркатат.

Анод материалы бул функцияларды жакшыртуу үчүн тандалган.

Идеалында электрондордун көбү жылуулук эмес, жогорку энергиялуу фотондорду түзүшү керек. Алардын жалпы энергиясынын рентген нурларына айландырылуучу үлүшү (эффективдүүлүк) эки фактордон көз каранды:

• анод материалынын атомдук саны (Z),
• электрондордун энергиясы.

Көпчүлүк рентген түтүктөрүндө анод материалы катары вольфрам колдонулат, анын атомдук номери 74. Бул металлдын Z чоңдугунан тышкары, аны ушул максатка ылайыктуу кылган башка өзгөчөлүктөр да бар. Вольфрам ысытылганда күчүн сактап калуу жөндөмдүүлүгү менен уникалдуу, эрүү температурасы жогору жана буулануу ылдамдыгы төмөн.

Көп жылдар бою анод таза вольфрамдан жасалган. Акыркы жылдары бул металлдын рений менен эритмеси колдонула баштады, бирок бетинде гана. Вольфрам-рений каптоо астындагы аноддун өзү жылуулукту жакшы сактаган жеңил материалдан жасалган. Мындай эки зат - молибден жана графит.

Маммография үчүн колдонулган рентген түтүктөрү молибден менен капталган анод менен жасалат. Бул материал ортодогу атомдук номерге (Z=42) ээ, ал энергияга ыңгайлуу болгон мүнөздүү фотондорду жаратат.көкүрөктү сүрөткө тартуу үчүн. Кээ бир маммографиялык аппараттарда родийден жасалган экинчи анод да бар (Z=45). Бул сизге энергияны көбөйтүүгө жана тар эмчектер үчүн көбүрөөк өтүүгө мүмкүндүк берет.

Рений-вольфрам эритмесин колдонуу узак мөөнөттүү нурланууну жакшыртат - убакыттын өтүшү менен таза вольфрам аноддук түзүлүштөрүнүн эффективдүүлүгү бетине термикалык зыян келтиргендиктен төмөндөйт.

Аноддордун көбү ийилген дисктер сыяктуу формада жана электр кыймылдаткычынын валына бекитилет, ал рентген нурларын чыгаруу менен салыштырмалуу жогорку ылдамдыкта айландырат. Айлануунун максаты - жылуулукту жок кылуу.

Фокалдык жер

Рентген нурларынын пайда болушуна анод толугу менен катышпайт. Бул анын бетинин кичинекей аймагында пайда болот - очоктук так. Акыркысынын өлчөмдөрү катоддон келген электрон нурунун өлчөмдөрү менен аныкталат. Көпчүлүк түзмөктөрдө ал тик бурчтуу формага ээ жана 0,1-2 мм арасында өзгөрөт.

Рентген түтүктөрү белгилүү бир фокалдык чектин өлчөмү менен иштелип чыккан. Ал канчалык кичине болсо, сүрөт ошончолук бүдөмүк жана курчураак, ал эми чоңураак болсо, жылуулук ошончолук жакшыраак тарайт.

Фокалдык тактын өлчөмү - рентген түтүктөрүн тандоодо эске алынуучу факторлордун бири. Өндүрүүчүлөр кичинекей фокалдык тактар менен түзүлүштөрдү чыгарышат, эгерде ал жогорку чечкиндүүлүккө жана жетишерлик төмөн нурланууга жетишүү керек болсо. Мисалы, бул маммографиядагыдай дененин кичинекей жана ичке бөлүктөрүн текшерүүдө талап кылынат.

Рентген түтүктөрү негизинен эки фокалдык так өлчөмү менен чыгарылат, чоң жана кичине, аларды оператор сүрөт тартуу процедурасына ылайык тандай алат.

Катод

Катоддун негизги функциясы – электрондорду түзүү жана аларды анодго багытталган нурга чогултуу. Эреже катары, ал чөйчөк сымал ойдуңга чөмүлгөн кичинекей зым спиралдан (жиптен) турат.

Контурдан өткөн электрондор адатта өткөргүчтөн чыгып бош мейкиндикке кире албайт. Бирок, алар жетиштүү энергия алышса, муну жасай алышат. Термикалык эмиссия деп аталган процессте жылуулук катоддон электрондорду чыгаруу үчүн колдонулат. Бул эвакуацияланган рентген түтүкчөсүндөгү басым 10^-6–10^{-7 мм.рт.ст.га жеткенде мүмкүн болот. Art. Чыпка чыпкалоочу лампадан ток өткөргөндөй эле ысыйт. Рентген түтүкчөсүнүн иштеши катодду жарыктын температурасына чейин ысытуу менен, андан электрондордун бир бөлүгүнүн жылуулук энергиясы менен жылышы менен коштолот.}

Ашар

Анод жана катод герметикалык жабылган контейнерде камтылган. Шар жана анын мазмуну көбүнчө кыстарма деп аталат, анын мөөнөтү чектелген жана алмаштырылышы мүмкүн. Рентген түтүктөрүндө көбүнчө айнек лампалар болот, бирок кээ бир колдонмолор үчүн металл жана керамикалык лампалар колдонулат.

Шардын негизги милдети – анод менен катодду колдоо жана изоляциялоо жана вакуумду кармап туруу. Эвакуацияланган рентген түтүкчөсүндөгү басым15°C 1,2 10-3 Па. Шарда газдардын болушу электр энергиясынын жөн гана электрондук нур түрүндө эмес, аппарат аркылуу эркин өтүшүнө мүмкүндүк берет.

Дело

Рентген түтүкчөсүнүн конструкциясы мындай: анын корпусу башка компоненттерди курчап жана колдоодон тышкары, терезеден өткөн пайдалуу нурдан тышкары, калканч катары кызмат кылат жана радиацияны сиңирет. Анын салыштырмалуу чоң сырткы бети аппараттын ичинде пайда болгон жылуулуктун көп бөлүгүн таратат. Корпус менен салгычтын ортосундагы боштук жылуулоо жана муздатуу үчүн май менен толтурулган.

Чынжыр

Электр чынжырчасы түтүктү генератор деп аталган энергия булагына туташтырат. Булак электр тармагынан кубат алат жана өзгөрмө токту туруктуу токко айлантат. Генератор ошондой эле схеманын кээ бир параметрлерин тууралоого мүмкүндүк берет:

• KV - чыңалуу же электрдик потенциал;
• MA - түтүк аркылуу өткөн ток;
• S – узактыгы же экспозиция убактысы, секунданын бөлчөктөрүндө.

Схема электрондордун кыймылын камсыз кылат. Алар генератор аркылуу өтүп, энергия менен заряддалып, анодго беришет. Алар жылган сайын эки өзгөрүү пайда болот:

• потенциалдуу электр энергиясы кинетикалык энергияга айланат;
• кинетикалык, өз кезегинде, рентген нурларына жана жылуулукка айланат.

Потенциал

Электрондор лампочканын ичине киргенде потенциалдуу электр энергиясына ээ болот, анын көлөмү анод менен катоддун ортосундагы KV чыңалуу менен аныкталат. Рентген түтүгү иштеп жататчыңалуу астында, 1 КВ түзүү үчүн, анын ар бир бөлүкчөсүндө 1 кВ болушу керек. КВны тууралоо менен оператор ар бир электронго белгилүү бир энергия көлөмүн берет.

Кинетика

Эвакуацияланган рентген түтүкчөсүндөгү төмөнкү басым (15°Cде 10^-6–10^{-7 мм.рт.ст.) термиондук эмиссиянын жана электрдик күчтүн таасири астында бөлүкчөлөрдүн катоддон анодго учуп чыгышына мүмкүндүк берет. Бул күч аларды тездетет, бул ылдамдыктын жана кинетикалык энергиянын жогорулашына жана потенциалдын төмөндөшүнө алып келет. Бөлүкчө анодго тийгенде анын потенциалы жоголот жана анын бардык энергиясы кинетикалык энергияга айланат. 100 кеВ электрон жарыктын ылдамдыгынын жарымынан ашкан ылдамдыкка жетет. Бетине тийген бөлүкчөлөр өтө тез жайлап, кинетикалык энергиясын жоготот. Ал рентген нурларына же ысыкка айланат.}

Электрондор анод материалынын айрым атомдору менен байланышта болот. Радиация орбитальдар (рентген фотондору) жана ядро (бремсстрахлунг) менен өз ара аракеттенгенде пайда болот.

Link Energy

Атомдун ичиндеги ар бир электрондун белгилүү бир байланыш энергиясы болот, ал акыркынын өлчөмүнө жана бөлүкчө жайгашкан деңгээлге жараша болот. Байланыш энергиясы мүнөздүү рентген нурларын пайда кылууда маанилүү роль ойнойт жана атомдон электронду алып салуу үчүн зарыл.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung эң көп фотондорду чыгарат. Аноддук материалга кирип, ядронун жанынан өткөн электрондор бурулуп, жайлатататомдун тартылуу күчү. Алардын бул жолугушуу учурунда жоголгон энергиясы рентген фотонунда көрүнөт.

Спектр

Бир нече гана фотондор электрондукуна жакын энергияга ээ. Алардын көбү төмөн. Ядрону курчап турган мейкиндик же талаа бар деп ойлойлу, анда электрондор «тормоздук» күчкө ээ. Бул талааны зонага бөлүүгө болот. Бул ядро талаасына борборунда атому бар бутанын көрүнүшүн берет. Бутанын каалаган чекитине тийген электрон басаңдашат жана рентген фотонду жаратат. Борборго эң жакын тийген бөлүкчөлөр эң көп жабыркашат жана ошондуктан эң көп энергияны жоготуп, эң жогорку энергиялуу фотондорду чыгарышат. Сырткы зонага кирген электрондор алсызыраак өз ара аракеттенишүүдө жана азыраак энергия кванттарын жаратат. Зоналардын туурасы бирдей болгону менен, өзөккө чейинки аралыкка жараша алардын аянты ар башка. Берилген зонага түшкөн бөлүкчөлөрдүн саны анын жалпы аянтына көз каранды болгондуктан, сырткы зоналар көбүрөөк электрондорду кармап, көбүрөөк фотондорду жаратаары анык. Бул модель рентген нурларынын энергетикалык спектрин болжолдоо үчүн колдонулушу мүмкүн.

E_max Негизги спектрдин фотондору E_{max электрондоруна туура келет. Бул чекиттин астында фотондун энергиясы азайган сайын алардын саны көбөйөт.}

Төмөн энергиялуу фотондордун олуттуу саны аноддун бетинен, түтүк терезесинен же фильтрден өтүүгө аракет кылып жатканда жутулуп же чыпкаланат. Фильтрация жалпысынан материалдын курамына жана калыңдыгына жараша болотнур өтөт, бул спектрдин аз энергиялуу ийри сызыгынын акыркы формасын аныктайт.

KV Influence

Спектрдин жогорку энергиялуу бөлүгү кВ (киловольт) рентген түтүктөрүндөгү чыңалуу менен аныкталат. Себеби анодго жеткен электрондордун энергиясын аныктайт жана фотондор мындан жогору потенциалга ээ боло албайт. Рентген түтүгү кандай чыңалуу менен иштейт? Фотондун максималдуу энергиясы колдонулган максималдуу потенциалга туура келет. Бул чыңалуу AC тармагындагы токтун таасири учурунда өзгөрүшү мүмкүн. Бул учурда фотондун E_max термелүү мезгилинин эң жогорку чыңалуусу KV_{p менен аныкталат.}

Кванттык потенциалдан тышкары, KV_p анодго тийген электрондордун берилген саны менен түзүлгөн нурлануунун көлөмүн аныктайт. КВ_p менен аныкталуучу бомбалоочу электрондордун энергиясынын көбөйүшүнө байланыштуу бремсстрахлунгдун жалпы эффективдүүлүгү жогорулагандыктан, KV_{pтүзмөктүн натыйжалуулугуна таасирин тийгизет.}

KV_{p өзгөртүү адатта спектрди өзгөртөт. Энергия ийри сызыгынын астындагы жалпы аянт фотондордун саны. Фильтрсиз спектр үч бурчтук болуп саналат, ал эми нурлануунун көлөмү КВ квадратына пропорционал. Фильтр болгон учурда КВнын көбөйүшү фотондордун өтүүсүн да жогорулатат, бул чыпкаланган нурлануунун пайызын азайтат. Бул радиациянын көбөйүшүнө алып келет.}

Мүнөздүү нурлануу

Мүнөздөөчү өз ара аракеттенүүнүн түрүнурлануу, орбиталык электрондор менен жогорку ылдамдыктагы электрондордун кагылышын камтыйт. Өз ара аракеттенүү кирген бөлүкчө атомдогу байланыш энергиясынан E_k чоңураак болгондо гана пайда болот. Бул шарт аткарылып, кагылышуу болгондо электрон сыртка чыгарылат. Бул учурда, боштук бойдон калууда, ал жогорку энергетикалык деңгээлдеги бөлүкчө менен толтурулат. Электрон кыймылдаганда энергияны бөлүп чыгарат, ал рентген квант түрүндө чыгарылат. Бул мүнөздүү нурлануу деп аталат, анткени фотондун E анод жасалган химиялык элементтин мүнөздөмөсү болуп саналат. Мисалы, вольфрамдын K-деңгээлинен E_{байланыш}=69,5 кеВ менен электрону үзүлгөндө, боштук L-деңгээлиндеги E _{менен толтурулат. байланыш=10, 2 кеВ. Мүнөздүү рентген фотонунун энергиясы ушул эки деңгээлдин ортосундагы айырмага барабар, же 59,3 кеВ.}

Чындыгында, бул аноддук материал бир катар мүнөздүү рентгендик энергияга алып келет. Себеби, ар кандай энергетикалык деңгээлдердеги электрондор (K, L, ж. б.) бөлүкчөлөрдү бомбалоо аркылуу жок кылынышы мүмкүн жана боштуктар ар кандай энергетикалык деңгээлдерден толтурулат. L-деңгээлдеги бош орундарды толтуруу фотондорду жаратса да, алардын энергиясы диагностикалык сүрөттөөдө колдонуу үчүн өтө төмөн. Ар бир мүнөздүү энергияга электрон толтуруу булагын көрсөткөн индекс менен вакансия пайда болгон орбиталды көрсөткөн белги берилет. Альфа (α) индекси L-деңгээлиндеги электрондун ээлегенин көрсөтөт, ал эми бета (β)M же N деңгээлинен толтуруу.

• Вольфрамдын спектри. Бул металлдын мүнөздүү нурлануусу бир нече дискреттик энергиядан турган сызыктуу спектрди пайда кылат, ал эми бремсстрахлунг үзгүлтүксүз бөлүштүрүүнү жаратат. Ар бир мүнөздүү энергия тарабынан өндүрүлгөн фотондордун саны К-деңгээлинин боштугун толтуруу ыктымалдыгы орбиталга көз каранды болгондугу менен айырмаланат.
• Молибдендин спектри. Маммография үчүн колдонулган бул металлдын аноддору эки өзгөчө интенсивдүү рентгендик энергияны жаратат: 17,9 кВда К-альфа жана 19,5 кВда К-бета. Орто чоңдуктагы эмчек үчүн контрасттын жана нурлануунун дозасынын ортосундагы эң жакшы баланска жетишүүгө мүмкүндүк берүүчү рентген түтүкчөлөрүнүн оптималдуу спектри E_{ph=20 кеВде жетишилет. Бирок, bremsstrahlung жогорку энергия менен өндүрүлөт. Маммография жабдыгы спектрдин керексиз бөлүгүн алып салуу үчүн молибден фильтрин колдонот. Фильтр "K-edge" принцибинде иштейт. Ал молибден атомунун К-деңгээлинде электрондордун байланыш энергиясынан ашыкча нурланууну өзүнө алат.}
• Родийдин спектри. Родийдин атомдук номери 45, молибдендин атомдук номери 42. Демек, родий анодунун мүнөздүү рентгендик эмиссиясы молибдендикине караганда бир аз жогору энергияга ээ жана көбүрөөк кирип кетет. Бул тыгыз көкүрөктөрдү сүрөттөө үчүн колдонулат.

Кош беттүү молибден-родий аноддору операторго төштүн ар кандай өлчөмдөрү жана тыгыздыгы үчүн оптималдаштырылган бөлүштүрүүнү тандоого мүмкүндүк берет.

КВнын спектрге тийгизген таасири

КВнын мааниси мүнөздүү нурланууга чоң таасирин тийгизет, анткени КВ К-деңгээлинин электрондорунун энергиясынан аз болсо, ал пайда болбойт. КВ бул босогодон ашканда, нурлануунун көлөмү негизинен түтүк KV менен босого KV ортосундагы айырмага пропорционалдуу болот.

Аспаптан чыккан рентген фотондорунун энергетикалык спектри бир нече факторлор менен аныкталат. Эреже катары, ал кайчылаш жана мүнөздүү өз ара кванттардан турат.

Спектрдин салыштырмалуу курамы анод материалына, КВга жана фильтрге көз каранды. Вольфрам аноду бар түтүктө KV< 69,5 кВда мүнөздүү нурлануу пайда болбойт. Диагностикалык изилдөөлөрдө колдонулган жогорку CV маанилеринде мүнөздүү нурлануу жалпы нурланууну 25% га чейин жогорулатат. Молибден түзүлүштөрүндө ал жалпы генерациянын чоң бөлүгүн түзө алат.

Натыйжалуулук

Электрондор берген энергиянын аз гана бөлүгү нурланууга айланат. Негизги бөлүгү сиңип, жылуулукка айланат. Радиациянын эффективдүүлүгү анодго берилген жалпы электр энергиясынан жалпы нурлануучу энергиянын үлүшү катары аныкталат. Рентген түтүгүнүн эффективдүүлүгүн аныктоочу факторлор колдонулуучу чыңалуу KV жана атомдук саны Z болуп саналат. Мисалы, төмөнкүдөй байланыш:

Натыйжалуулук=KV x Z x 10-6.

Эффективдүүлүк менен КВнын ортосундагы байланыш рентгендик аппаратураны иш жүзүндө колдонууга өзгөчө таасирин тийгизет. Жылуулуктун чыгышына байланыштуу түтүктөрдүн электрдик көлөмүнүн белгилүү бир чеги баралар тарата турган энергия. Бул аппараттын кубаттуулугуна чектөө киргизет. Бирок KV жогорулаган сайын жылуулук бирдигине өндүрүлгөн радиациянын көлөмү кыйла көбөйөт.

Рентген нурларынын генерациясынын эффективдүүлүгүнүн аноддун курамынан көз карандылыгы академиялык гана кызыгууну жаратат, анткени көпчүлүк приборлор вольфрамды колдонушат. Маммографияда колдонулуучу молибден жана родий өзгөчө болуп саналат. Атомдук саны төмөн болгондуктан, бул аппараттардын эффективдүүлүгү вольфрамга караганда бир топ төмөн.

Натыйжалуулук

Рентген түтүгүнүн эффективдүүлүгү ар бир 1 мА үчүн фокустук жерден 1 м аралыкта пайдалуу нурдун борборундагы чекитке жеткирилген экспозициянын миллирентгендеги өлчөмү катары аныкталат. электрондор аппарат аркылуу өтөт. Анын мааниси аппараттын заряддалган бөлүкчөлөрдүн энергиясын рентген нурларына айландыруу жөндөмдүүлүгүн билдирет. Бейтаптын жана сүрөттүн экспозициясын аныктоого мүмкүндүк берет. Натыйжалуулук сыяктуу эле, түзмөктүн натыйжалуулугу бир катар факторлордон көз каранды, анын ичинде КВ, чыңалуудагы толкун формасы, аноддун материалы жана бетинин бузулушу, чыпка жана колдонуу убактысы.

KV башкаруу

KV рентген түтүгүнүн чыгышын эффективдүү көзөмөлдөйт. Жалпысынан алганда, өндүрүш KV квадратына пропорционалдуу деп эсептелет. КВны эки эсеге көбөйтүү экспозицияны 4 эсе жогорулатат.

Толкун формасы

Толкун формасы КВ генерация учурунда убакыттын өтүшү менен өзгөрүү жолун сүрөттөйтэнергия менен камсыздоонун циклдик мүнөзүнөн улам радиация. Бир нече түрдүү толкундар колдонулат. Жалпы принцип: KV формасы канчалык аз өзгөрсө, рентген нурлары ошончолук эффективдүү чыгарылат. Заманбап жабдуулар салыштырмалуу туруктуу КВ менен генераторлорду колдонот.

Рентген түтүктөрү: өндүрүүчүлөр

Oxford Instruments 250 Вт чейин айнек түзүлүштөрдү, 4-80 кВ потенциалды, 10 микронго чейинки фокустук спотторду жана Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian медициналык жана өнөр жай рентген түтүктөрүнүн 400дөн ашык түрүн сунуштайт. Башка белгилүү өндүрүүчүлөр: Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, ж.б.

Рентген түтүктөрү "Светлана-Рентген" Россияда чыгарылган. Айлануучу жана стационардык аноду бар салттуу түзүлүштөрдөн тышкары, компания жарык агымы менен башкарылуучу муздак катоду бар түзүлүштөрдү чыгарат. Аппараттын артыкчылыктары төмөнкүлөр:

• үзгүлтүксүз жана импульс режиминде иштейт;
• инерциясыздык;
• LED токтун интенсивдүүлүгүн жөнгө салуу;
• спектр тазалыгы;
• ар кандай интенсивдүү рентген нурларын алуу мүмкүнчүлүгү.