Hvordan virker røntgenrør?

2024 Forfatter: Curtis Blomfield | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-15 09:34

Røntgenstråler skabes ved at omdanne elektronenergi til fotoner, hvilket foregår i et røntgenrør. Mængden (eksponering) og kvalitet (spektrum) af stråling kan justeres ved at ændre enhedens strøm, spænding og driftstid.

Arbejdsprincip

Røntgenrør (billedet er givet i artiklen) er energiomformere. De tager det fra netværket og omdanner det til andre former - gennemtrængende stråling og varme, hvor sidstnævnte er et uønsket biprodukt. Røntgenrørets design er sådan, at det maksimerer fotonproduktionen og spreder varme så hurtigt som muligt.

Et rør er en relativt simpel enhed, der norm alt indeholder to grundlæggende elementer - en katode og en anode. Når der går strøm fra katoden til anoden, mister elektronerne energi, hvilket resulterer i generering af røntgenstråler.

Anode

Anoden er den komponent, der udsenderhøjenergifotoner. Dette er et relativt massivt metalelement, der er forbundet med den positive pol i det elektriske kredsløb. Udfører to hovedfunktioner:

konverterer elektronenergi til røntgenstråler,
afleder varme.

Anoden er valgt for at forbedre disse funktioner.

Ideelt set skulle de fleste elektroner danne højenergifotoner, ikke varme. Den del af deres samlede energi, der omdannes til røntgenstråler (effektivitet), afhænger af to faktorer:

atomnummer (Z) for anodematerialet,
elektroners energi.

De fleste røntgenrør bruger wolfram som anodemateriale, som har et atomnummer på 74. Ud over at have et stort Z, har dette metal nogle andre egenskaber, der gør det velegnet til dette formål. Wolfram er unik i sin evne til at bevare styrken ved opvarmning, har et højt smeltepunkt og lav fordampningshastighed.

I mange år blev anoden lavet af ren wolfram. I de senere år er en legering af dette metal med rhenium begyndt at blive brugt, men kun på overfladen. Selve anoden under wolfram-rhenium-belægningen er lavet af et letvægtsmateriale, der lagrer varmen godt. To sådanne stoffer er molybdæn og grafit.

Røntgenrør, der bruges til mammografi, er lavet med en molybdænbelagt anode. Dette materiale har et mellemliggende atomnummer (Z=42), som genererer karakteristiske fotoner med energier, der er bekvemme attil at tage billeder af brystet. Nogle mammografiapparater har også en anden anode lavet af rhodium (Z=45). Dette giver dig mulighed for at øge energien og opnå større penetration for stramme bryster.

Brugen af rhenium-wolfram-legering forbedrer langsigtet strålingsoutput - over tid falder effektiviteten af rene wolframanodeanordninger på grund af termisk beskadigelse af overfladen.

De fleste anoder er formet som affasede skiver og er fastgjort til en elektrisk motoraksel, der roterer dem med relativt høje hastigheder, mens de udsender røntgenstråler. Formålet med rotation er at fjerne varme.

Fokalpunkt

Ikke hele anoden er involveret i genereringen af røntgenstråler. Det forekommer på et lille område af dens overflade - et brændpunkt. Dimensionerne af sidstnævnte er bestemt af dimensionerne af elektronstrålen, der kommer fra katoden. I de fleste enheder har den en rektangulær form og varierer mellem 0,1-2 mm.

Røntgenrør er designet med en bestemt brændpunktsstørrelse. Jo mindre det er, jo mindre sløret og skarpere billedet, og jo større det er, jo bedre varmeafledning.

Fokal pletstørrelse er en af de faktorer, der skal tages i betragtning, når du vælger røntgenrør. Producenter producerer enheder med små brændpunkter, når det er nødvendigt at opnå høj opløsning og tilstrækkelig lav stråling. Dette er for eksempel påkrævet, når man undersøger små og tynde dele af kroppen, som ved mammografi.

Røntgenrør fremstilles hovedsageligt med to brændpunktsstørrelser, store og små, som kan vælges af operatøren i henhold til billedbehandlingsproceduren.

Cathode

Katodens hovedfunktion er at generere elektroner og samle dem i en stråle rettet mod anoden. Som regel består den af en lille trådspiral (tråd) nedsænket i en kopformet fordybning.

Elektroner, der passerer gennem kredsløbet, kan norm alt ikke forlade lederen og gå ind i det frie rum. Det kan de dog, hvis de får nok energi. I en proces kendt som termisk emission bruges varme til at uddrive elektroner fra katoden. Dette bliver muligt, når trykket i det evakuerede røntgenrør når 10^-6–10^{-7 mmHg. Kunst. Glødetråden opvarmes på samme måde som glødelampens glødetråd, når der føres strøm gennem den. Driften af røntgenrøret ledsages af opvarmning af katoden til glødetemperaturen med forskydning af en del af elektronerne fra den af termisk energi.}

ballon

Anoden og katoden er indeholdt i en hermetisk forseglet beholder. Ballonen og dens indhold omtales ofte som en indsats, som har en begrænset levetid og kan udskiftes. Røntgenrør har for det meste glaspærer, selvom metal- og keramiske pærer bruges til nogle formål.

Ballonens hovedfunktion er at give støtte og isolering til anoden og katoden og at opretholde et vakuum. Tryk i det evakuerede røntgenrørved 15°C er 1,2 10-3 Pa. Tilstedeværelsen af gasser i ballonen ville tillade elektricitet at strømme frit gennem enheden og ikke kun i form af en elektronstråle.

Case

Røntgenrørets design er sådan, at dets krop ud over at omslutte og understøtte andre komponenter fungerer som et skjold og absorberer stråling, bortset fra den nyttige stråle, der passerer gennem vinduet. Dens relativt store ydre overflade spreder meget af den varme, der genereres inde i enheden. Mellemrummet mellem kroppen og indsatsen er fyldt med olie til isolering og køling.

Kæde

Et elektrisk kredsløb forbinder røret med en energikilde kaldet en generator. Kilden modtager strøm fra lysnettet og omdanner vekselstrøm til jævnstrøm. Generatoren giver dig også mulighed for at justere nogle kredsløbsparametre:

KV - spænding eller elektrisk potentiale;
MA er strømmen, der løber gennem røret;
S – varighed eller eksponeringstid i brøkdele af et sekund.

Kredsløbet sørger for bevægelse af elektroner. De lades med energi, passerer gennem generatoren og giver den til anoden. Mens de bevæger sig, sker der to transformationer:

potentiel elektrisk energi omdannes til kinetisk energi;
kinetisk omdannes til gengæld til røntgenstråler og varme.

Potentiale

Når elektroner kommer ind i pæren, har de potentiel elektrisk energi, hvis mængde bestemmes af spændingen KV mellem anoden og katoden. Røntgenrør arbejderunder spænding, for at skabe 1 KV, hvoraf hver partikel skal have 1 keV. Ved at justere KV giver operatøren hver elektron en vis mængde energi.

Kinetics

Lavt tryk i det evakuerede røntgenrør (ved 15°C er det 10^-6–10^{-7 mmHg.) tillader partikler at flyve ud fra katoden til anoden under påvirkning af termionisk emission og elektrisk kraft. Denne kraft accelererer dem, hvilket fører til en stigning i hastighed og kinetisk energi og et fald i potentiale. Når en partikel rammer anoden, går dens potentiale tabt, og al dens energi omdannes til kinetisk energi. En 100-keV elektron når hastigheder, der overstiger halvdelen af lysets hastighed. Når de rammer overfladen, bremser partiklerne meget hurtigt og mister deres kinetiske energi. Det bliver til røntgenstråler eller varme.}

Elektroner kommer i kontakt med individuelle atomer i anodematerialet. Stråling genereres, når de interagerer med orbitaler (røntgenfotoner) og med kernen (bremsstrahlung).

Link Energy

Hver elektron inde i et atom har en vis bindingsenergi, som afhænger af sidstnævntes størrelse og det niveau, partiklen befinder sig på. Bindingsenergien spiller en vigtig rolle i genereringen af karakteristiske røntgenstråler og er nødvendig for at fjerne en elektron fra et atom.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung producerer det største antal fotoner. Elektroner, der trænger ind i anodematerialet og passerer nær kernen, afbøjes og bremses nedatomets tiltrækningskraft. Deres energi tabt under dette møde fremstår som en røntgenfoton.

Spectrum

Kun nogle få fotoner har en energi tæt på elektronernes. De fleste af dem er lavere. Lad os antage, at der er et rum eller et felt, der omgiver kernen, hvor elektronerne oplever en "bremsende" kraft. Dette felt kan opdeles i zoner. Dette giver kernens felt udseende af et mål med et atom i midten. En elektron, der rammer et hvilket som helst punkt i målet, oplever deceleration og genererer en røntgenfoton. Partikler, der rammer tættest på midten, er de mest påvirkede og mister derfor mest energi og producerer fotoner med den højeste energi. Elektroner, der kommer ind i de ydre zoner, oplever svagere interaktioner og genererer lavere energikvanter. Selvom zonerne har samme bredde, har de et forskelligt areal afhængig af afstanden til kernen. Da antallet af partikler, der falder på en given zone, afhænger af dens samlede areal, er det indlysende, at de ydre zoner fanger flere elektroner og skaber flere fotoner. Denne model kan bruges til at forudsige energispektret for røntgenstråler.

E_max fotoner i hovedbremsstrømspektret svarer til E_{max elektroner. Under dette punkt, når fotonenergien falder, stiger deres antal.}

Et betydeligt antal lavenergifotoner absorberes eller filtreres, når de forsøger at passere gennem anodeoverfladen, rørvinduet eller filteret. Filtrering er generelt afhængig af sammensætningen og tykkelsen af det materiale, hvorigennemstrålen passerer igennem, hvilket bestemmer den endelige form for spektrets lavenergikurve.

KV-indflydelse

Den højenergiske del af spektret bestemmes af spændingen i røntgenrør kV (kilovolt). Dette er fordi det bestemmer energien af elektronerne, der når anoden, og fotoner kan ikke have et potentiale højere end dette. Hvilken spænding arbejder røntgenrøret med? Den maksimale fotonenergi svarer til det maksim alt påførte potentiale. Denne spænding kan ændre sig under eksponering på grund af vekselstrøm. I dette tilfælde er E_max for en foton bestemt af spidsspændingen for oscillationsperioden KV_p.

Udover kvantepotentialet bestemmer KV_p mængden af stråling, der skabes af et givet antal elektroner, der rammer anoden. Da den samlede effektivitet af bremsstrahlung øges på grund af en stigning i energien af de bombarderende elektroner, som er bestemt af KV_p, følger det, at KV_{ppåvirker enhedens effektivitet.}

Ændring af KV_{p ændrer norm alt spektret. Det samlede areal under energikurven er antallet af fotoner. Uden et filter er spektret en trekant, og mængden af stråling er proportional med kvadratet af KV. I nærvær af et filter øger en stigning i KV også penetrationen af fotoner, hvilket reducerer procentdelen af filtreret stråling. Dette fører til en stigning i strålingsoutput.}

Karakteristisk stråling

Den type interaktion, der producerer karakteristikkenstråling, omfatter kollision af højhastighedselektroner med orbitale. Interaktion kan kun forekomme, når den indkommende partikel har E_k større end bindingsenergien i atomet. Når denne betingelse er opfyldt, og der opstår en kollision, udstødes elektronen. I dette tilfælde forbliver en ledig plads, som udfyldes af en partikel med et højere energiniveau. Når elektronen bevæger sig, afgiver den energi, som udsendes i form af et røntgenkvante. Dette kaldes karakteristisk stråling, da E af en foton er en karakteristik af det kemiske element, som anoden er lavet af. For eksempel, når en elektron fra K-niveauet af wolfram med E_bond=69,5 keV slås ud, udfyldes den ledige stilling af en elektron fra L-niveauet med E _{binding=10, 2 keV. Den karakteristiske røntgenfoton har en energi svarende til forskellen mellem disse to niveauer eller 59,3 keV.}

Faktisk resulterer dette anodemateriale i en række karakteristiske røntgenenergier. Dette skyldes, at elektroner på forskellige energiniveauer (K, L osv.) kan slås ud ved at bombardere partikler, og ledige stillinger kan udfyldes fra forskellige energiniveauer. Selvom udfyldning af ledige stillinger på L-niveau genererer fotoner, er deres energier for lave til at blive brugt til diagnostisk billeddannelse. Hver karakteristisk energi får en betegnelse, der angiver den orbital, hvor tomrummet er dannet, med et indeks, der angiver kilden til elektronfyldning. Indeks alfa (α) angiver besættelsen af en elektron fra L-niveauet, og beta (β) angiverpåfyldning fra niveau M eller N.

Spektrum af wolfram. Den karakteristiske stråling af dette metal producerer et lineært spektrum bestående af flere diskrete energier, mens bremsstrahlung skaber en kontinuerlig fordeling. Antallet af fotoner produceret af hver karakteristisk energi adskiller sig ved, at sandsynligheden for at udfylde en ledig plads på K-niveau afhænger af orbitalen.

Spektrum af molybdæn. Anoder af dette metal, der bruges til mammografi, producerer to ret intense karakteristiske røntgenenergier: K-alfa ved 17,9 keV og K-beta ved 19,5 keV. Det optimale spektrum af røntgenrør, som gør det muligt at opnå den bedste balance mellem kontrast og stråledosis for mellemstore bryster, opnås ved E_{ph=20 keV. Bremsstrahlung produceres dog ved høje energier. Mammografiudstyr bruger et molybdænfilter til at fjerne den uønskede del af spektret. Filteret fungerer efter "K-kant"-princippet. Det absorberer stråling ud over elektronernes bindingsenergi ved molybdænatomets K-niveau.}
Spektrum af rhodium. Rhodium har et atomnummer på 45, mens molybdæn har atomnummer 42. Derfor vil den karakteristiske røntgenudsendelse af en rhodiumanode have en lidt højere energi end molybdæn og er mere gennemtrængende. Dette bruges til billeddannelse af tætte bryster.

Dobbeltoverflademolybdæn-rhodiumanoder giver operatøren mulighed for at vælge en fordeling, der er optimeret til forskellige bryststørrelser og densiteter.

Hvilken spænding virker røntgenstrålen på?et rør

Effekt af KV på spektret

Værdien af KV påvirker i høj grad den karakteristiske stråling, da den ikke vil blive produceret, hvis KV er mindre end energien af elektronerne på K-niveau. Når KV overskrider denne tærskel, er mængden af stråling generelt proportional med forskellen mellem rør KV og tærskel KV.

Energispektret for røntgenfotoner, der kommer ud af instrumentet, bestemmes af flere faktorer. Som regel består den af bremsstrahlung og karakteristiske interaktionskvanter.

Den relative sammensætning af spektret afhænger af anodematerialet, KV og filter. I et rør med wolframanode produceres der ingen karakteristisk stråling ved KV< 69,5 keV. Ved højere CV-værdier brugt i diagnostiske undersøgelser øger karakteristisk stråling den samlede stråling med op til 25%. I molybdænenheder kan det udgøre en stor del af den samlede generation.

Effektivitet

Kun en lille del af den energi, der leveres af elektroner, omdannes til stråling. Hoveddelen absorberes og omdannes til varme. Strålingseffektivitet er defineret som andelen af den samlede udstrålede energi fra den samlede elektriske energi, der tilføres anoden. De faktorer, der bestemmer effektiviteten af et røntgenrør, er den påtrykte spænding KV og atomnummeret Z. Et eksempel på en sammenhæng er som følger:

Effektivitet=KV x Z x 10-6.

Forholdet mellem effektivitet og KV har en specifik indflydelse på den praktiske brug af røntgenudstyr. På grund af varmeafgivelsen har rørene en vis grænse for mængden af elektriskden energi, de kan sprede. Dette pålægger en begrænsning på enhedens kraft. Efterhånden som KV stiger, stiger mængden af stråling, der produceres pr. varmeenhed, markant.

Afhængigheden af effektiviteten af røntgengenerering af anodens sammensætning er kun af akademisk interesse, da de fleste enheder bruger wolfram. En undtagelse er molybdæn og rhodium, der bruges til mammografi. Effektiviteten af disse enheder er meget lavere end wolfram på grund af deres lavere atomnummer.

Effektivitet

Effektiviteten af et røntgenrør er defineret som mængden af eksponering, i milliroentgener, leveret til et punkt i midten af den nyttige stråle i en afstand af 1 m fra brændpunktet for hver 1 mAs af elektroner, der passerer gennem enheden. Dens værdi udtrykker enhedens evne til at omdanne energien fra ladede partikler til røntgenstråler. Giver dig mulighed for at bestemme eksponeringen af patienten og billedet. Ligesom effektivitet afhænger enhedens effektivitet af en række faktorer, herunder KV, spændingsbølgeform, anodemateriale og overfladebeskadigelse, filter og brugstid.

KV-kontrol

KV kontrollerer effektivt røntgenrørets output. Det antages generelt, at outputtet er proportion alt med kvadratet af KV. Fordobling af KV øger eksponeringen med 4x.

Bølgeform

Bølgeform beskriver den måde, KV ændrer sig over tid under genereringstråling på grund af strømforsyningens cykliske natur. Der bruges flere forskellige bølgeformer. Det generelle princip er, at jo mindre KV-formen ændrer sig, jo mere effektivt produceres røntgenstråler. Moderne udstyr bruger generatorer med en relativt konstant KV.

Røntgenrør: fabrikanter

Oxford Instruments producerer en række forskellige enheder, herunder glasenheder op til 250 W, 4-80 kV potentiale, brændpunkt op til 10 mikron og en bred vifte af anodematerialer, herunder Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian tilbyder over 400 forskellige typer medicinske og industrielle røntgenrør. Andre velkendte producenter er Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong osv.

Røntgenrør "Svetlana-Rentgen" er produceret i Rusland. Ud over traditionelle enheder med en roterende og stationær anode, fremstiller virksomheden enheder med en kold katode styret af lysstrømmen. Fordelene ved enheden er som følger: