Rentgen boruları necə işləyir?

2024 Müəllif: Curtis Blomfield | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-15 09:32

X-şüaları elektron enerjisini rentgen borusunda baş verən fotonlara çevirməklə yaradılır. Radiasiyanın miqdarı (ekspozisiya) və keyfiyyəti (spektri) cihazın cərəyanını, gərginliyini və iş vaxtını dəyişdirməklə tənzimlənə bilər.

İş prinsipi

Rentgen boruları (şəkil məqalədə verilmişdir) enerji çeviriciləridir. Şəbəkədən götürürlər və onu başqa formalara - nüfuz edən radiasiyaya və istiliyə çevirirlər, ikincisi arzuolunmaz əlavə məhsuldur. Rentgen borusunun dizaynı elədir ki, o, foton istehsalını maksimum dərəcədə artırır və istiliyi mümkün qədər tez yayır.

Boru nisbətən sadə cihazdır, adətən iki əsas elementi - katod və anoddan ibarətdir. Katoddan anoda cərəyan keçdikdə elektronlar enerji itirirlər, bu da rentgen şüalarının yaranması ilə nəticələnir.

Anod

Anod emissiya edən komponentdiryüksək enerjili fotonlar. Bu, elektrik dövrəsinin müsbət qütbünə qoşulmuş nisbətən kütləvi metal elementdir. İki əsas funksiyanı yerinə yetirir:

elektron enerjisini rentgen şüalarına çevirir,
istiliyi yayır.

Anod materialı bu funksiyaları artırmaq üçün seçilmişdir.

İdeal olaraq, elektronların əksəriyyəti istilik deyil, yüksək enerjili fotonlar əmələ gətirməlidir. Onların ümumi enerjisinin rentgen şüalarına çevrilən hissəsi (effektivlik) iki amildən asılıdır:

anod materialının atom nömrəsi (Z),
elektronların enerjisi.

Əksər rentgen boruları atom nömrəsi 74 olan anod materialı kimi volframdan istifadə edir. Böyük Z-yə malik olmaqla yanaşı, bu metal onu bu məqsəd üçün uyğun edən bəzi digər xüsusiyyətlərə malikdir. Volfram qızdırıldıqda möhkəmliyini saxlamaq qabiliyyətinə görə unikaldır, yüksək ərimə nöqtəsinə və aşağı buxarlanma dərəcəsinə malikdir.

Uzun illərdir ki, anod təmiz volframdan hazırlanırdı. Son illərdə bu metalın renium ilə bir ərintisi istifadə edilməyə başlandı, ancaq səthdə. Volfram-renium örtüyü altında olan anodun özü istiliyi yaxşı saxlayan yüngül materialdan hazırlanır. Belə iki maddə molibden və qrafitdir.

Mammoqrafiya üçün istifadə olunan rentgen boruları molibdenlə örtülmüş anodla hazırlanır. Bu material aralıq atom nömrəsinə (Z=42) malikdir və bu, enerjiyə uyğun xarakterik fotonlar yaradır.sinə şəklini çəkmək üçün. Bəzi mammoqrafiya cihazlarında rodiumdan hazırlanmış ikinci anod da var (Z=45). Bu, enerjinizi artırmağa və sıx döşlər üçün daha çox nüfuz etməyə imkan verir.

Renium-volfram ərintisi istifadəsi uzunmüddətli radiasiya məhsuldarlığını yaxşılaşdırır - zaman keçdikcə təmiz volfram anod cihazlarının səmərəliliyi səthin istilik zədələnməsi səbəbindən azalır.

Əksər anodlar əyilmiş disklərə bənzəyir və rentgen şüaları yayarkən onları nisbətən yüksək sürətlə fırlanan elektrik mühərriki şaftına bərkidilir. Fırlanmanın məqsədi istiliyi aradan qaldırmaqdır.

Fokal nöqtə

Rentgen şüalarının yaranmasında bütün anod iştirak etmir. Səthinin kiçik bir yerində - fokus nöqtəsində meydana gəlir. Sonuncunun ölçüləri katoddan gələn elektron şüasının ölçüləri ilə müəyyən edilir. Əksər cihazlarda o, düzbucaqlı formaya malikdir və 0,1-2 mm arasında dəyişir.

Rentgen boruları xüsusi fokus nöqtəsi ölçüsü ilə dizayn edilmişdir. Nə qədər kiçik olsa, şəkil bir o qədər az bulanıqlaşır və daha kəskin olur və nə qədər böyük olarsa, istilik yayılması bir o qədər yaxşı olar.

Fokal nöqtənin ölçüsü rentgen borularını seçərkən nəzərə alınmalı amillərdən biridir. İstehsalçılar yüksək qətnamə və kifayət qədər aşağı radiasiya əldə etmək lazım olduqda kiçik fokus nöqtələri olan cihazlar istehsal edirlər. Məsələn, bu, mamoqrafiyada olduğu kimi bədənin kiçik və nazik hissələrinin müayinəsi zamanı tələb olunur.

Rentgen boruları, əsasən, operator tərəfindən təsvir proseduruna uyğun olaraq seçilə bilən böyük və kiçik iki fokus nöqtə ölçüsü ilə istehsal olunur.

Katod

Katodun əsas funksiyası elektronları yaratmaq və onları anoda yönəldilmiş şüaya toplamaqdır. Bir qayda olaraq, o, kubokşəkilli depressiyaya batırılmış kiçik məftilli spiraldan (ipdən) ibarətdir.

Dövrədən keçən elektronlar adətən keçiricidən ayrılaraq boş yerə gedə bilmirlər. Bununla belə, kifayət qədər enerji əldə edərlərsə, bunu edə bilərlər. Termal emissiya kimi tanınan bir prosesdə istilik elektronları katoddan çıxarmaq üçün istifadə olunur. Bu, boşaldılmış rentgen borusundakı təzyiq 10^-6–10^{-7 mmHg-ə çatdıqda mümkün olur. İncəsənət. Filament közərmə lampasının filamentindən cərəyan keçdikdə eyni şəkildə qızdırılır. Rentgen borusunun işləməsi elektronların bir hissəsinin istilik enerjisi ilə ondan yerdəyişməsi ilə katodun parıltı temperaturuna qədər qızdırılması ilə müşayiət olunur.}

Balon

Anod və katod hermetik şəkildə bağlanmış qabda saxlanılır. Balon və onun içindəkilər çox vaxt məhdud istifadə müddəti olan və dəyişdirilə bilən əlavə adlanır. Bəzi tətbiqlər üçün metal və keramika lampalarından istifadə olunsa da, rentgen borularında əsasən şüşə lampalar var.

Şarın əsas funksiyası anod və katod üçün dəstək və izolyasiya təmin etmək və vakuum saxlamaqdır. Boşaldılmış rentgen borusunda təzyiq15°C-də 1,2 10-3 Pa. Şarda qazların olması elektrik cərəyanının sadəcə elektron şüası şəklində deyil, cihaz vasitəsilə sərbəst axmasına imkan verəcəkdi.

Hal

Rentgen borusunun konstruksiyası elədir ki, onun gövdəsi digər komponentləri əhatə etməklə və dəstəkləməklə yanaşı, pəncərədən keçən faydalı şüa istisna olmaqla, qalxan rolunu oynayır və radiasiyanı udur. Onun nisbətən böyük xarici səthi cihazın daxilində əmələ gələn istiliyin çox hissəsini xaric edir. Korpus və əlavə arasındakı boşluq izolyasiya və soyutma üçün yağla doldurulur.

Zəncir

Elektrik dövrəsi borunu generator adlanan enerji mənbəyinə birləşdirir. Mənbə elektrik şəbəkəsindən enerji alır və alternativ cərəyanı birbaşa cərəyana çevirir. Generator həmçinin bəzi dövrə parametrlərini tənzimləməyə imkan verir:

KV - gərginlik və ya elektrik potensialı;
MA borudan keçən cərəyandır;
S – müddət və ya məruz qalma müddəti, saniyənin kəsirləri ilə.

Dövrə elektronların hərəkətini təmin edir. Onlar generatordan keçərək enerji ilə yüklənir və onu anoda verirlər. Hərəkət etdikcə iki transformasiya baş verir:

potensial elektrik enerjisi kinetik enerjiyə çevrilir;
kinetik, öz növbəsində, rentgen şüalarına və istiliyə çevrilir.

Potensial

Elektronlar lampaya daxil olduqda, onların miqdarı anod və katod arasındakı KV gərginliyi ilə təyin olunan potensial elektrik enerjisinə malikdirlər. Rentgen borusu işləyirgərginlik altında, 1 KV yaratmaq üçün hər hissəcik 1 keV olmalıdır. KV-ni tənzimləməklə operator hər bir elektrona müəyyən miqdarda enerji verir.

Kinetika

Box altılan rentgen borusunda aşağı təzyiq (15°C-də 10^-6–10^{-7 mmC.s. təşkil edir.) termion emissiya və elektrik qüvvəsinin təsiri altında hissəciklərin katoddan anoda uçmasına imkan verir. Bu qüvvə onları sürətləndirir, bu da sürətin və kinetik enerjinin artmasına və potensialın azalmasına səbəb olur. Bir hissəcik anoda dəydikdə onun potensialı itir və bütün enerjisi kinetik enerjiyə çevrilir. 100 keV-lik bir elektron işıq sürətinin yarısından çox sürətə çatır. Səthə dəyən hissəciklər çox sürətlə yavaşlayır və kinetik enerjilərini itirirlər. O, rentgen şüalarına və ya istiliyə çevrilir.}

Elektronlar anod materialının ayrı-ayrı atomları ilə təmasda olur. Onlar orbitallarla (rentgen fotonları) və nüvə ilə (bremsstrahlung) qarşılıqlı əlaqədə olduqda radiasiya yaranır.

Link Energy

Atomun daxilindəki hər bir elektron sonuncunun ölçüsündən və hissəciyin yerləşdiyi səviyyədən asılı olaraq müəyyən bağlanma enerjisinə malikdir. Bağlayıcı enerji xarakterik rentgen şüalarının yaranmasında mühüm rol oynayır və atomdan elektronu çıxarmaq üçün lazımdır.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung ən çox sayda foton istehsal edir. Anod materialına nüfuz edən və nüvənin yaxınlığından keçən elektronlar əyilir və yavaşlayır.atomun cazibə qüvvəsi. Bu qarşılaşma zamanı itirdikləri enerji rentgen fotonu kimi görünür.

Spektr

Yalnız bir neçə foton elektronların enerjisinə yaxın enerjiyə malikdir. Onların əksəriyyəti aşağıdır. Fərz edək ki, nüvəni əhatə edən boşluq və ya sahə var ki, orada elektronlar “əyləc” qüvvəsi yaşayır. Bu sahəni zonalara bölmək olar. Bu, nüvənin sahəsinə mərkəzdə bir atom olan bir hədəf görünüşünü verir. Hədəfin hər hansı bir nöqtəsinə dəyən elektron yavaşlama yaşayır və rentgen fotonu yaradır. Mərkəzə ən yaxın vuran hissəciklər ən çox təsirlənir və buna görə də ən çox enerji itirərək, ən yüksək enerjili fotonlar əmələ gətirir. Xarici zonalara daxil olan elektronlar daha zəif qarşılıqlı təsirlərə məruz qalır və daha az enerji kvantları yaradır. Zonaların eni eyni olsa da, nüvəyə qədər olan məsafədən asılı olaraq fərqli sahəyə malikdir. Müəyyən bir zonaya düşən hissəciklərin sayı onun ümumi sahəsindən asılı olduğundan açıq şəkildə görünür ki, xarici zonalar daha çox elektron tutur və daha çox foton yaradır. Bu model rentgen şüalarının enerji spektrini proqnozlaşdırmaq üçün istifadə edilə bilər.

Əsas bremsstrahlung spektrinin

E_max fotonları E_{max elektronlarına uyğundur. Bu nöqtənin altında foton enerjisi azaldıqca onların sayı artır.}

Əhəmiyyətli sayda aşağı enerjili fotonlar anod səthindən, boru pəncərəsindən və ya filtrdən keçməyə cəhd edərkən udulur və ya süzülür. Filtrasiya ümumiyyətlə keçdiyi materialın tərkibindən və qalınlığından asılıdırşüa keçir, bu da spektrin aşağı enerjili əyrisinin son formasını müəyyən edir.

rentgen borusu gərginlik altında işləyir

KV Təsiri

Spektrin yüksək enerjili hissəsi kV (kilovolt) rentgen borularındakı gərginliklə müəyyən edilir. Çünki o, anoda çatan elektronların enerjisini təyin edir və fotonların bundan yüksək potensialı ola bilməz. X-ray borusu hansı gərginliklə işləyir? Maksimum foton enerjisi tətbiq olunan maksimum potensiala uyğundur. Bu gərginlik AC şəbəkə cərəyanına məruz qalma zamanı dəyişə bilər. Bu halda, fotonun E_max göstəricisi KV_{p salınım dövrünün pik gərginliyi ilə müəyyən edilir.}

Kvant potensialından başqa, KV_p müəyyən sayda elektronun anoda vurması nəticəsində yaranan şüalanmanın miqdarını müəyyən edir. KV_p ilə müəyyən edilən bombardman edən elektronların enerjisinin artması səbəbindən bremsstrahlungun ümumi səmərəliliyi artdığından, KV_{pcihazın səmərəliliyinə təsir edir.}

KV_{p dəyişdirilməsi adətən spektri dəyişir. Enerji əyrisi altındakı ümumi sahə fotonların sayıdır. Süzgəc olmadan spektr üçbucaqdır və radiasiya miqdarı KV-nin kvadratına mütənasibdir. Bir filtrin olması halında, KV-nin artması da fotonların nüfuzunu artırır, bu da süzülmüş radiasiyanın faizini azaldır. Bu, radiasiya çıxışının artmasına səbəb olur.}

Xarakterik şüalanma

Xarakteristikanı yaradan qarşılıqlı əlaqə növüradiasiya, yüksək sürətli elektronların orbital olanlarla toqquşmasını əhatə edir. Qarşılıqlı təsir yalnız o zaman baş verə bilər ki, daxil olan hissəcik E_k atomdakı birləşmə enerjisindən böyükdür. Bu şərt yerinə yetirildikdə və toqquşma baş verdikdə, elektron atılır. Bu vəziyyətdə, daha yüksək enerji səviyyəli bir hissəcik tərəfindən doldurulan bir boşluq qalır. Elektron hərəkət edərkən, rentgen kvantı şəklində yayılan enerji verir. Buna xarakterik şüalanma deyilir, çünki fotonun E-si anodun hazırlandığı kimyəvi elementin xarakteristikasıdır. Məsələn, E_bond=69.5 keV olan volframın K-səviyyəsindəki elektron söküləndə, boşluq L-səviyyəsindən E _{ilə doldurulur. bağ=10, 2 keV. X-ray fotonun xarakterik enerjisi bu iki səviyyə arasındakı fərqə bərabərdir və ya 59,3 keV.}

Əslində bu anod materialı bir sıra xarakterik rentgen enerjiləri ilə nəticələnir. Bunun səbəbi, müxtəlif enerji səviyyələrində (K, L və s.) elektronların zərrəciklərin bombalanması ilə sıradan çıxarılması və boşluqların müxtəlif enerji səviyyələrindən doldurulmasıdır. L səviyyəli boş yerlərin doldurulması fotonları əmələ gətirsə də, onların enerjiləri diaqnostik görüntüləmədə istifadə etmək üçün çox aşağıdır. Hər bir xarakterik enerjiyə elektron doldurulma mənbəyini göstərən bir indekslə, boşluğun yarandığı orbitalı göstərən bir təyinat verilir. İndeks alfa (α) L səviyyəsindən bir elektronun işğalını, beta (β) isə göstərirM və ya N səviyyəsindən doldurma.

Volfram spektri. Bu metalın xarakterik şüalanması bir neçə diskret enerjidən ibarət xətti spektr yaradır, bremsstrahlung isə davamlı paylanma yaradır. Hər bir xarakterik enerjinin yaratdığı fotonların sayı K-səviyyəli boşluğu doldurma ehtimalının orbitaldan asılı olması ilə fərqlənir.

Molibdenin spektri. Mammoqrafiya üçün istifadə edilən bu metalın anodları iki olduqca sıx xarakterik rentgen enerjisi yaradır: 17,9 keV-də K-alfa və 19,5 keV-də K-beta. Orta ölçülü döşlər üçün kontrast və şüalanma dozası arasında ən yaxşı balansı əldə etməyə imkan verən rentgen borularının optimal spektri E_{ph=20 keV-də əldə edilir. Bununla belə, bremsstrahlung yüksək enerjilərdə istehsal olunur. Mamoqrafiya avadanlığı spektrin arzuolunmaz hissəsini çıxarmaq üçün molibden filtrindən istifadə edir. Filtr "K-kənar" prinsipi ilə işləyir. O, molibden atomunun K-səviyyəsində elektronların bağlanma enerjisindən artıq radiasiyanı udur.}
Rodium spektri. Rodiumun atom nömrəsi 45, molibdenin atom nömrəsi isə 42-dir. Buna görə də, rodium anodunun xarakterik rentgen şüaları molibdendən bir qədər yüksək enerjiyə malik olacaq və daha nüfuzedicidir. Bu, sıx döşlərin təsviri üçün istifadə olunur.

İkiqat səthli molibden-rodium anodları operatora müxtəlif döş ölçüləri və sıxlıqları üçün optimallaşdırılmış paylama seçməyə imkan verir.

KV-nin spektrə təsiri

KV-nin dəyəri xarakterik şüalanmaya çox təsir edir, çünki KV K səviyyəli elektronların enerjisindən az olarsa, o, hasil edilməyəcəkdir. KV bu həddi keçdikdə, radiasiyanın miqdarı ümumiyyətlə boru KV ilə eşik KV arasındakı fərqə mütənasib olur.

Alətdən çıxan rentgen fotonlarının enerji spektri bir neçə faktorla müəyyən edilir. Bir qayda olaraq, o, bremsstrahlung və xarakterik qarşılıqlı təsir kvantlarından ibarətdir.

Spektrin nisbi tərkibi anod materialından, KV-dən və filtrdən asılıdır. Volfram anodlu bir boruda KV< 69,5 keV-də heç bir xarakterik şüalanma yaranmır. Diaqnostik tədqiqatlarda istifadə edilən daha yüksək CV dəyərlərində xarakterik şüalanma ümumi radiasiyanı 25%-ə qədər artırır. Molibden cihazlarında o, ümumi nəslin böyük bir hissəsini təşkil edə bilər.

Effektivlik

Elektronların verdiyi enerjinin yalnız kiçik bir hissəsi şüalanmaya çevrilir. Əsas hissəsi udulur və istiliyə çevrilir. Radiasiya səmərəliliyi anoda verilən ümumi elektrik enerjisindən ümumi şüalanmış enerjinin nisbəti kimi müəyyən edilir. Rentgen borusunun səmərəliliyini müəyyən edən amillər tətbiq olunan gərginlik KV və atom nömrəsi Z-dir. Nümunə əlaqəsi aşağıdakı kimidir:

Effektivlik=KV x Z x 10-6.

Effektivlik və KV arasındakı əlaqə rentgen avadanlığının praktiki istifadəsinə xüsusi təsir göstərir. İstiliyin sərbəst buraxılması səbəbindən borular elektrik miqdarında müəyyən bir məhdudiyyətə malikdirdağıda bildikləri enerji. Bu, cihazın gücünə məhdudiyyət qoyur. KV artdıqca, istilik vahidi üçün istehsal olunan radiasiyanın miqdarı əhəmiyyətli dərəcədə artır.

Rentgen generasiyasının səmərəliliyinin anodun tərkibindən asılılığı yalnız akademik maraq doğurur, çünki əksər cihazlar volframdan istifadə edir. İstisna mamoqrafiyada istifadə edilən molibden və rodiumdur. Bu cihazların daha aşağı atom nömrəsinə görə səmərəliliyi volframdan xeyli aşağıdır.

Effektivlik

Rentgen borusunun səmərəliliyi hər 1 mAs üçün fokus nöqtəsindən 1 m məsafədə faydalı şüanın mərkəzindəki nöqtəyə çatdırılan millirentgenlə ekspozisiya miqdarı kimi müəyyən edilir. cihazdan keçən elektronlar. Onun dəyəri cihazın yüklənmiş hissəciklərin enerjisini rentgen şüalarına çevirmək qabiliyyətini ifadə edir. Xəstənin və şəklin ekspozisiyasını təyin etməyə imkan verir. Effektivlik kimi cihazın səmərəliliyi də KV, gərginlik dalğa forması, anod materialı və səth zədəsi, filtr və istifadə vaxtı daxil olmaqla bir sıra amillərdən asılıdır.

KV nəzarəti

KV rentgen borularının çıxışını effektiv şəkildə idarə edir. Ümumiyyətlə, çıxışın KV-nin kvadratına mütənasib olduğu qəbul edilir. KV-ni ikiqat artırmaq ekspozisiyanı 4 dəfə artırır.

Dalğaformması

Dalğa forması generasiya zamanı KV-nin zamanla dəyişməsini təsvir edirenerji təchizatının siklik xarakterinə görə radiasiya. Bir neçə fərqli dalğa forması istifadə olunur. Ümumi prinsip ondan ibarətdir ki, KV forması nə qədər az dəyişərsə, rentgen şüaları bir o qədər səmərəli şəkildə istehsal olunur. Müasir avadanlıq nisbətən sabit KV-yə malik generatorlardan istifadə edir.

Rentgen boruları: istehsalçılar

Oxford Instruments 250 Vt-a qədər şüşə cihazlar, 4-80 kV potensial, 10 mikrona qədər fokus nöqtəsi və Ag, Au, Co, Cr daxil olmaqla geniş çeşiddə anod materialları daxil olmaqla müxtəlif cihazlar istehsal edir. Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian 400-dən çox müxtəlif növ tibbi və sənaye rentgen boruları təklif edir. Digər tanınmış istehsalçılar: Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong və s.

Rentgen boruları "Svetlana-Rentgen" Rusiyada istehsal olunur. Fırlanan və stasionar anodlu ənənəvi cihazlara əlavə olaraq, şirkət işıq axını ilə idarə olunan soyuq katodlu cihazlar istehsal edir. Cihazın üstünlükləri aşağıdakılardır: