Jak fungují rentgenky?

2024 Autor: Curtis Blomfield | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-15 09:34

Rentgenové záření vzniká přeměnou energie elektronů na fotony, která probíhá v rentgence. Množství (expozice) a kvalita (spektrum) záření lze upravit změnou proudu, napětí a provozní doby zařízení.

Funkční princip

Rentgenky (fotka je uvedena v článku) jsou konvertory energie. Odebírají ho ze sítě a přeměňují ho na jiné formy - pronikající záření a teplo, které je nežádoucím vedlejším produktem. Konstrukce rentgenky je taková, že maximalizuje produkci fotonů a co nejrychleji odvádí teplo.

Elektronka je relativně jednoduché zařízení, které obvykle obsahuje dva základní prvky – katodu a anodu. Když proud protéká od katody k anodě, elektrony ztrácejí energii, což má za následek generování rentgenového záření.

Anoda

Anoda je součást, která vyzařujevysokoenergetické fotony. Jedná se o poměrně masivní kovový prvek, který je připojen ke kladnému pólu elektrického obvodu. Provádí dvě hlavní funkce:

převádí energii elektronů na rentgenové záření,
odvádí teplo.

Materiál anody je zvolen pro vylepšení těchto funkcí.

V ideálním případě by většina elektronů měla tvořit fotony s vysokou energií, nikoli teplo. Část jejich celkové energie, která se přemění na rentgenové záření (účinnost), závisí na dvou faktorech:

atomové číslo (Z) materiálu anody,
energie elektronů.

Většina rentgenových trubic používá jako anodový materiál wolfram, který má atomové číslo 74. Kromě velkého Z má tento kov některé další vlastnosti, díky kterým je pro tento účel vhodný. Wolfram je jedinečný svou schopností udržet si pevnost při zahřátí, má vysoký bod tání a nízkou rychlost odpařování.

Po mnoho let se anoda vyráběla z čistého wolframu. V posledních letech se začala používat slitina tohoto kovu s rheniem, ale pouze povrchově. Samotná anoda pod wolfram-rheniovým povlakem je vyrobena z lehkého materiálu, který dobře akumuluje teplo. Dvě takové látky jsou molybden a grafit.

Rentgenky používané pro mamografii jsou vyrobeny s anodou potaženou molybdenem. Tento materiál má střední atomové číslo (Z=42), které generuje charakteristické fotony s vhodnými energiemipro focení hrudníku. Některé mamografické přístroje mají i druhou anodu z rhodia (Z=45). To vám umožní zvýšit energii a dosáhnout větší penetrace pro těsná prsa.

Použití slitiny rhenium-wolfram zlepšuje dlouhodobý radiační výkon – v průběhu času se účinnost čistých wolframových anodových zařízení snižuje v důsledku tepelného poškození povrchu.

Většina anod má tvar zkosených disků a je připevněna k hřídeli elektromotoru, která jimi otáčí relativně vysokou rychlostí a přitom vyzařuje rentgenové záření. Účelem rotace je odstranit teplo.

Ústřední místo

Na generování rentgenového záření se nepodílí celá anoda. Vyskytuje se na malé ploše jeho povrchu - ohniskovém místě. Rozměry posledně jmenovaného jsou určeny rozměry elektronového paprsku vycházejícího z katody. Ve většině zařízení má obdélníkový tvar a pohybuje se mezi 0,1–2 mm.

Rentgenky jsou navrženy se specifickou velikostí ohniska. Čím menší je, tím je obraz méně rozmazaný a ostřejší, a čím je větší, tím lepší je odvod tepla.

Velikost ohniska je jedním z faktorů, který je třeba vzít v úvahu při výběru rentgenových trubic. Výrobci vyrábějí zařízení s malými ohnisky, když je potřeba dosáhnout vysokého rozlišení a dostatečně nízké radiace. To je například vyžadováno při vyšetřování malých a tenkých částí těla, jako je tomu v mamografii.

Rentgenky se vyrábějí hlavně se dvěma velikostmi ohniskových bodů, velkou a malou, které může operátor zvolit podle zobrazovacího postupu.

Katoda

Hlavní funkcí katody je generovat elektrony a shromažďovat je do paprsku nasměrovaného na anodu. Zpravidla se skládá z malé drátěné spirálky (závitu) ponořené do miskovité prohlubně.

Elektrony procházející obvodem obvykle nemohou opustit vodič a dostat se do volného prostoru. Zvládnou to však, pokud dostanou dostatek energie. V procesu známém jako tepelná emise se teplo používá k vypuzení elektronů z katody. To je možné, když tlak v evakuované rentgence dosáhne 10^-6–10^{-7 mmHg. Umění. Vlákno se zahřívá stejným způsobem jako vlákno žárovky, když jím prochází proud. Činnost rentgenky je doprovázena ohřevem katody na doutnavou teplotu s vytlačením části elektronů z ní tepelnou energií.}

Balón

Anoda a katoda jsou umístěny v hermeticky uzavřené nádobě. Balónek a jeho obsah jsou často označovány jako vložka, která má omezenou životnost a lze ji vyměnit. Rentgenové trubice mají většinou skleněné baňky, i když pro některé aplikace se používají kovové a keramické baňky.

Hlavní funkcí balónku je poskytovat podporu a izolaci pro anodu a katodu a udržovat vakuum. Tlak v evakuované rentgenové trubicipři 15°C je 1,2 10-3 Pa. Přítomnost plynů v balónu by umožnila elektřinu volně proudit zařízením, a to nejen ve formě elektronového paprsku.

Případ

Konstrukce rentgenky je taková, že kromě toho, že obklopuje a podpírá další součásti, její tělo slouží jako štít a absorbuje záření, kromě užitečného paprsku procházejícího oknem. Jeho relativně velký vnější povrch odvádí velkou část tepla generovaného uvnitř zařízení. Prostor mezi tělem a vložkou je vyplněn olejem pro izolaci a chlazení.

Řetěz

Elektrický obvod spojuje trubici se zdrojem energie zvaným generátor. Zdroj přijímá energii ze sítě a převádí střídavý proud na stejnosměrný. Generátor také umožňuje upravit některé parametry obvodu:

KV - napětí nebo elektrický potenciál;
MA je proud, který protéká trubicí;
S – trvání nebo doba expozice ve zlomcích sekund.

Obvod zajišťuje pohyb elektronů. Jsou nabity energií, procházejí generátorem a předávají ji anodě. Jak se pohybují, probíhají dvě transformace:

potenciální elektrická energie se přeměňuje na kinetickou energii;
kinetický se zase přeměňuje na rentgenové záření a teplo.

Potenciální

Když elektrony vstoupí do baňky, mají potenciální elektrickou energii, jejíž množství je určeno napětím KV mezi anodou a katodou. Rentgenová trubice fungujepod napětím, k vytvoření 1 KV, z nichž každá částice musí mít 1 keV. Nastavením KV operátor dodá každému elektronu určité množství energie.

Kinetika

Nízký tlak v evakuované rentgence (při 15 °C je 10^-6–10^{-7 mmHg.) umožňuje částicím vylétat z katody na anodu působením termionické emise a elektrické síly. Tato síla je urychluje, což vede ke zvýšení rychlosti a kinetické energie a snížení potenciálu. Když částice narazí na anodu, její potenciál se ztratí a veškerá její energie se přemění na kinetickou energii. 100keV elektron dosahuje rychlosti přesahující polovinu rychlosti světla. Při dopadu na povrch se částice velmi rychle zpomalí a ztratí svou kinetickou energii. Promění se v rentgenové záření nebo teplo.}

Elektrony přicházejí do kontaktu s jednotlivými atomy materiálu anody. Záření vzniká, když interagují s orbitaly (rentgenové fotony) a s jádrem (bremsstrahlung).

Link Energy

Každý elektron uvnitř atomu má určitou vazebnou energii, která závisí na velikosti atomu a na úrovni, na které se částice nachází. Vazebná energie hraje důležitou roli při vytváření charakteristického rentgenového záření a je nezbytná k odstranění elektronu z atomu.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung produkuje největší počet fotonů. Elektrony pronikající materiálem anody a procházející v blízkosti jádra jsou vychylovány a zpomaloványpřitažlivá síla atomu. Jejich energie ztracená během tohoto setkání se jeví jako rentgenový foton.

Spektrum

Pouze několik fotonů má energii blízkou energii elektronů. Většina z nich je nižší. Předpokládejme, že kolem jádra existuje prostor nebo pole, ve kterém elektrony působí "brzdnou" silou. Toto pole lze rozdělit na zóny. To dává poli jádra vzhled terče s atomem ve středu. Elektron, který zasáhne jakýkoli bod cíle, zaznamená zpomalení a generuje rentgenový foton. Částice zasahující nejblíže středu jsou nejvíce ovlivněny, a proto ztrácejí nejvíce energie a produkují fotony s nejvyšší energií. Elektrony vstupující do vnějších zón zažívají slabší interakce a generují nižší energetická kvanta. Ačkoli mají zóny stejnou šířku, mají různou plochu v závislosti na vzdálenosti k jádru. Protože počet částic dopadajících na danou zónu závisí na její celkové ploše, je zřejmé, že vnější zóny zachycují více elektronů a vytvářejí více fotonů. Tento model lze použít k předpovědi energetického spektra rentgenového záření.

E_max fotonů hlavního spektra brzdného záření odpovídá E_{max elektronům. Pod tímto bodem, jak energie fotonů klesá, jejich počet roste.}

Značný počet fotonů s nízkou energií je absorbován nebo filtrován, když se pokoušejí projít povrchem anody, oknem trubice nebo filtrem. Filtrace je obecně závislá na složení a tloušťce materiálu, kterým procházípaprsek prochází, což určuje konečnou podobu nízkoenergetické křivky spektra.

Vliv KV

Vysokoenergetická část spektra je určena napětím v rentgenkách kV (kilovolt). Je to proto, že určuje energii elektronů dopadajících na anodu a fotony nemohou mít potenciál vyšší než tento. S jakým napětím rentgenka pracuje? Maximální energie fotonu odpovídá maximálnímu použitému potenciálu. Toto napětí se může během expozice změnit v důsledku střídavého síťového proudu. V tomto případě je E_max fotonu určeno špičkovým napětím periody oscilace KV_p.

Kromě kvantového potenciálu KV_p určuje množství záření vytvořeného daným počtem elektronů dopadajících na anodu. Protože se celková účinnost brzdného záření zvyšuje v důsledku zvýšení energie bombardujících elektronů, která je určena KV_p, vyplývá z toho, že KV_{povlivňuje účinnost zařízení.}

Změna KV_{p obvykle mění spektrum. Celková plocha pod energetickou křivkou je počet fotonů. Bez filtru je spektrum trojúhelníkem a množství záření je úměrné druhé mocnině KV. V přítomnosti filtru zvýšení KV také zvyšuje pronikání fotonů, což snižuje procento filtrovaného záření. To vede ke zvýšení radiačního výkonu.}

Charakteristické záření

Typ interakce, který vytváří charakteristikuzáření, zahrnuje srážku vysokorychlostních elektronů s orbitálními. Interakce může nastat pouze tehdy, když má přicházející částice E_k větší než vazebná energie v atomu. Když je tato podmínka splněna a dojde ke srážce, elektron je vyvržen. V tomto případě zůstává prázdné místo, které je vyplněno částicí vyšší energetické hladiny. Při pohybu elektron vydává energii, která je emitována ve formě rentgenového kvanta. Toto se nazývá charakteristické záření, protože E fotonu je charakteristikou chemického prvku, ze kterého je anoda vyrobena. Například, když je vyřazen elektron z hladiny K wolframu s E_bond=69,5 keV, volné místo je vyplněno elektronem z hladiny L s E _{vazba=10, 2 keV. Charakteristický rentgenový foton má energii rovnou rozdílu mezi těmito dvěma úrovněmi, neboli 59,3 keV.}

Tento materiál anody ve skutečnosti vede k řadě charakteristických rentgenových energií. Je to proto, že elektrony na různých energetických hladinách (K, L atd.) mohou být vyřazeny bombardováním částic a volná místa mohou být zaplněna z různých energetických hladin. Přestože zaplnění prázdných míst na úrovni L generuje fotony, jejich energie jsou příliš nízké na to, aby je bylo možné použít v diagnostickém zobrazování. Každá charakteristická energie má označení, které označuje orbital, ve kterém se vakance vytvořila, s indexem, který označuje zdroj elektronové výplně. Index alfa (α) označuje obsazení elektronu z úrovně L a beta (β) označujeplnění od úrovně M nebo N.

Spektrum wolframu. Charakteristické záření tohoto kovu vytváří lineární spektrum skládající se z několika diskrétních energií, zatímco brzdné záření vytváří spojitou distribuci. Počet fotonů produkovaných každou charakteristickou energií se liší v tom, že pravděpodobnost zaplnění prázdného místa na úrovni K závisí na orbitalu.

Spektrum molybdenu. Anody tohoto kovu používané pro mamografii produkují dvě poměrně intenzivní charakteristické energie rentgenového záření: K-alfa při 17,9 keV a K-beta při 19,5 keV. Optimálního spektra rentgenových trubic, které umožňuje dosáhnout nejlepší rovnováhy mezi kontrastem a dávkou záření pro středně velká prsa, je dosaženo při E_{ph=20 keV. Brzdné záření se však vyrábí při vysokých energiích. Mamografické zařízení používá molybdenový filtr k odstranění nežádoucí části spektra. Filtr funguje na principu "K-edge". Absorbuje záření přesahující vazebnou energii elektronů na úrovni K atomu molybdenu.}
Spektrum rhodia. Rhodium má atomové číslo 45, zatímco molybden má atomové číslo 42. Proto charakteristická rentgenová emise rhodiové anody bude mít o něco vyšší energii než molybden a je pronikavější. Používá se pro zobrazení hustých prsou.

Dvoupovrchové molybden-rhodiové anody umožňují operátorovi vybrat distribuci optimalizovanou pro různé velikosti a hustoty prsou.

Vliv KV na spektrum

Hodnota KV výrazně ovlivňuje charakteristické záření, protože nebude produkováno, pokud je KV menší než energie elektronů na úrovni K. Když KV překročí tuto prahovou hodnotu, množství záření je obecně úměrné rozdílu mezi KV trubice a prahovou hodnotou KV.

Energetické spektrum rentgenových fotonů vycházejících z přístroje je určeno několika faktory. Zpravidla se skládá z brzdného záření a charakteristických interakčních kvant.

Relativní složení spektra závisí na materiálu anody, KV a filtru. V trubici s wolframovou anodou nevzniká žádné charakteristické záření při KV< 69,5 keV. Při vyšších hodnotách CV používaných v diagnostických studiích zvyšuje charakteristické záření celkové záření až o 25 %. V molybdenových zařízeních může tvořit velkou část celkové generace.

Efektivita

Pouze malá část energie dodané elektrony se přemění na záření. Hlavní část je absorbována a přeměněna na teplo. Radiační účinnost je definována jako podíl celkové vyzářené energie z celkové elektrické energie předané anodě. Faktory, které určují účinnost rentgenky, jsou použité napětí KV a atomové číslo Z. Příklad vztahu je následující:

Účinnost=KV x Z x 10-6.

Vztah mezi účinností a KV má konkrétní dopad na praktické použití rentgenového zařízení. Kvůli uvolňování tepla mají elektronky určitý limit na množství elenergii, kterou mohou rozptýlit. To omezuje výkon zařízení. Jak se však KV zvyšuje, množství záření produkovaného na jednotku tepla se výrazně zvyšuje.

Závislost účinnosti generování rentgenového záření na složení anody je pouze v akademickém zájmu, protože většina zařízení používá wolfram. Výjimkou je molybden a rhodium používané v mamografii. Účinnost těchto zařízení je mnohem nižší než u wolframu kvůli jejich nižšímu atomovému číslu.

Efektivita

Účinnost rentgenky je definována jako množství expozice v miliroentgenech dodané do bodu ve středu užitečného paprsku ve vzdálenosti 1 m od ohniska na každý 1 mAs elektrony procházející zařízením. Jeho hodnota vyjadřuje schopnost zařízení přeměnit energii nabitých částic na rentgenové záření. Umožňuje určit expozici pacienta a snímku. Stejně jako účinnost závisí účinnost zařízení na řadě faktorů, včetně KV, průběhu napětí, materiálu anody a poškození povrchu, filtru a době použití.

ovládání KV

KV účinně řídí výstup rentgenky. Obecně se předpokládá, že výstup je úměrný druhé mocnině KV. Zdvojnásobení KV zvyšuje expozici 4x.

Waveform

Waveform popisuje způsob, jakým se KV mění v průběhu času během generovánízáření kvůli cyklické povaze napájecího zdroje. Používá se několik různých průběhů. Obecnou zásadou je, že čím méně se mění tvar KV, tím efektivněji vzniká rentgenové záření. Moderní zařízení používá generátory s relativně konstantním KV.

Rentgenky: výrobci

Oxford Instruments vyrábí řadu zařízení, včetně skleněných zařízení až do 250 W, potenciálu 4-80 kV, ohniska až 10 mikronů a široké škály materiálů anod, včetně Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian nabízí více než 400 různých typů lékařských a průmyslových rentgenových trubic. Dalšími známými výrobci jsou Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong atd.

Rentgenové trubice "Svetlana-Rentgen" se vyrábí v Rusku. Kromě tradičních zařízení s rotační a stacionární anodou firma vyrábí zařízení se studenou katodou řízenou světelným tokem. Výhody zařízení jsou následující: