Bagaimanakah tiub x-ray berfungsi?

2024 Pengarang: Curtis Blomfield | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-15 09:44

X-ray dicipta dengan menukar tenaga elektron kepada foton, yang berlaku dalam tiub x-ray. Jumlah (pendedahan) dan kualiti (spektrum) sinaran boleh dilaraskan dengan menukar arus, voltan dan masa operasi peranti.

Prinsip kerja

Tiub sinar-X (foto diberikan dalam artikel) ialah penukar tenaga. Mereka mengambilnya dari rangkaian dan mengubahnya menjadi bentuk lain - sinaran menembusi dan haba, yang kedua merupakan hasil sampingan yang tidak diingini. Reka bentuk tiub sinar-X adalah sedemikian rupa sehingga ia memaksimumkan pengeluaran foton dan menghilangkan haba secepat mungkin.

Tiub ialah peranti yang agak ringkas, biasanya mengandungi dua elemen asas - katod dan anod. Apabila arus mengalir dari katod ke anod, elektron kehilangan tenaga, yang mengakibatkan penjanaan sinar-X.

Anod

Anod ialah komponen yang memancarkanfoton tenaga tinggi. Ini adalah unsur logam yang agak besar yang disambungkan ke kutub positif litar elektrik. Menjalankan dua fungsi utama:

menukar tenaga elektron kepada sinar-x,
mengeluarkan haba.

Bahan anod dipilih untuk meningkatkan fungsi ini.

Sebaik-baiknya, kebanyakan elektron harus membentuk foton bertenaga tinggi, bukan haba. Pecahan jumlah tenaga mereka yang ditukar kepada sinar-X (kecekapan) bergantung kepada dua faktor:

nombor atom (Z) bahan anod,
tenaga elektron.

Kebanyakan tiub sinar-X menggunakan tungsten sebagai bahan anod, yang mempunyai nombor atom 74. Selain mempunyai Z yang besar, logam ini mempunyai beberapa ciri lain yang menjadikannya sesuai untuk tujuan ini. Tungsten adalah unik dalam keupayaannya untuk mengekalkan kekuatan apabila dipanaskan, mempunyai takat lebur yang tinggi dan kadar penyejatan yang rendah.

Selama bertahun-tahun, anod dibuat daripada tungsten tulen. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, aloi logam ini dengan renium telah mula digunakan, tetapi hanya pada permukaan. Anod itu sendiri di bawah salutan tungsten-rhenium diperbuat daripada bahan ringan yang menyimpan haba dengan baik. Dua bahan tersebut ialah molibdenum dan grafit.

Tiub sinar-X yang digunakan untuk mamografi dibuat dengan anod bersalut molibdenum. Bahan ini mempunyai nombor atom perantaraan (Z=42) yang menghasilkan foton ciri dengan tenaga yang mudah untukuntuk mengambil gambar dada. Sesetengah peranti mamografi juga mempunyai anod kedua yang diperbuat daripada rhodium (Z=45). Ini membolehkan anda meningkatkan tenaga dan mencapai penembusan yang lebih besar untuk payudara yang ketat.

Penggunaan aloi rhenium-tungsten meningkatkan keluaran sinaran jangka panjang - dari masa ke masa, kecekapan peranti anod tungsten tulen berkurangan akibat kerosakan haba pada permukaan.

Kebanyakan anod berbentuk seperti cakera serong dan disambungkan pada aci motor elektrik yang memutarkannya pada kelajuan yang agak tinggi sambil memancarkan sinar-X. Tujuan putaran adalah untuk mengeluarkan haba.

Tempat fokus

Tidak keseluruhan anod terlibat dalam penjanaan sinar-X. Ia berlaku pada kawasan kecil permukaannya - tempat tumpuan. Dimensi yang terakhir ditentukan oleh dimensi pancaran elektron yang datang dari katod. Dalam kebanyakan peranti, ia mempunyai bentuk segi empat tepat dan berbeza antara 0.1-2 mm.

Tiub sinar-X direka bentuk dengan saiz titik fokus khusus. Semakin kecil, semakin kurang kabur dan tajam imej, dan semakin besar, semakin baik pelesapan haba.

Saiz titik fokus ialah salah satu faktor yang perlu dipertimbangkan semasa memilih tiub sinar-X. Pengilang menghasilkan peranti dengan titik fokus kecil apabila perlu untuk mencapai resolusi tinggi dan sinaran yang cukup rendah. Contohnya, ini diperlukan semasa memeriksa bahagian kecil dan nipis badan, seperti dalam mamografi.

Tiub sinar-X dihasilkan terutamanya dengan dua saiz titik fokus, besar dan kecil, yang boleh dipilih oleh pengendali mengikut prosedur pengimejan.

Katod

Fungsi utama katod adalah untuk menjana elektron dan mengumpulnya ke dalam rasuk yang diarahkan ke anod. Sebagai peraturan, ia terdiri daripada lingkaran wayar kecil (benang) yang direndam dalam lekukan berbentuk cawan.

Elektron yang melalui litar biasanya tidak boleh meninggalkan konduktor dan pergi ke ruang bebas. Walau bagaimanapun, mereka boleh melakukannya jika mereka mendapat tenaga yang mencukupi. Dalam proses yang dikenali sebagai pelepasan haba, haba digunakan untuk mengeluarkan elektron daripada katod. Ini menjadi mungkin apabila tekanan dalam tiub sinar-X yang dikosongkan mencapai 10^-6–10^{-7 mmHg. Seni. Filamen dipanaskan dengan cara yang sama seperti filamen lampu pijar apabila arus dialirkan melaluinya. Operasi tiub sinar-X disertai dengan memanaskan katod kepada suhu cahaya dengan sesaran sebahagian elektron daripadanya oleh tenaga haba.}

Belon

Anod dan katod terkandung dalam bekas yang tertutup rapat. Belon dan kandungannya sering dirujuk sebagai sisipan, yang mempunyai hayat terhad dan boleh diganti. Tiub sinar-X kebanyakannya mempunyai mentol kaca, walaupun mentol logam dan seramik digunakan untuk beberapa aplikasi.

Fungsi utama belon adalah untuk menyediakan sokongan dan penebat untuk anod dan katod, dan untuk mengekalkan vakum. Tekanan dalam tiub X-ray yang dipindahkanpada 15°C ialah 1.2 10-3 Pa. Kehadiran gas dalam belon akan membolehkan elektrik mengalir dengan bebas melalui peranti, dan bukan hanya dalam bentuk pancaran elektron.

Kes

Reka bentuk tiub sinar-x sedemikian rupa, sebagai tambahan kepada melampirkan dan menyokong komponen lain, badannya berfungsi sebagai perisai dan menyerap sinaran, kecuali pancaran berguna yang melalui tingkap. Permukaan luarnya yang agak besar menghilangkan banyak haba yang dijana di dalam peranti. Ruang antara badan dan sisipan diisi dengan minyak untuk penebat dan penyejukan.

Rantai

Litar elektrik menyambungkan tiub kepada sumber tenaga yang dipanggil penjana. Sumber menerima kuasa daripada sesalur kuasa dan menukarkan arus ulang alik kepada arus terus. Penjana juga membolehkan anda melaraskan beberapa parameter litar:

KV - voltan atau potensi elektrik;
MA ialah arus yang mengalir melalui tiub;
S – tempoh atau masa pendedahan, dalam pecahan sesaat.

Litar menyediakan pergerakan elektron. Mereka dicas dengan tenaga, melalui penjana, dan memberikannya kepada anod. Semasa mereka bergerak, dua transformasi berlaku:

tenaga elektrik berpotensi ditukar kepada tenaga kinetik;
kinetik, seterusnya, ditukar kepada sinar-x dan haba.

Potensi

Apabila elektron memasuki mentol, ia mempunyai potensi tenaga elektrik, yang jumlahnya ditentukan oleh voltan KV antara anod dan katod. Tiub X-ray berfungsidi bawah voltan, untuk mencipta 1 KV yang mana setiap zarah mesti mempunyai 1 keV. Dengan melaraskan KV, pengendali memberikan setiap elektron dengan jumlah tenaga tertentu.

Kinetik

Tekanan rendah dalam tiub sinar-X yang dipindahkan (pada 15°C ialah 10^-6–10^{-7 mmHg.) membolehkan zarah terbang keluar dari katod ke anod di bawah tindakan pelepasan termionik dan daya elektrik. Daya ini mempercepatkan mereka, yang membawa kepada peningkatan kelajuan dan tenaga kinetik dan penurunan potensi. Apabila zarah terkena anod, potensinya hilang dan semua tenaganya ditukar kepada tenaga kinetik. Elektron 100-keV mencapai kelajuan melebihi separuh kelajuan cahaya. Memukul permukaan, zarah menjadi perlahan dengan cepat dan kehilangan tenaga kinetiknya. Ia bertukar menjadi sinar-X atau haba.}

Elektron bersentuhan dengan atom individu bahan anod. Sinaran dihasilkan apabila ia berinteraksi dengan orbital (foton sinar-X) dan dengan nukleus (bremsstrahlung).

Pautan Tenaga

Setiap elektron di dalam atom mempunyai tenaga pengikat tertentu, yang bergantung pada saiz elektron dan tahap di mana zarah itu berada. Tenaga pengikat memainkan peranan penting dalam penjanaan ciri sinar-X dan diperlukan untuk mengeluarkan elektron daripada atom.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung menghasilkan bilangan foton terbesar. Elektron yang menembusi bahan anod dan melepasi berhampiran nukleus terpesong dan perlahandaya tarikan atom. Tenaga mereka yang hilang semasa pertemuan ini muncul sebagai foton sinar-X.

Spektrum

Hanya beberapa foton yang mempunyai tenaga hampir dengan tenaga elektron. Kebanyakan mereka lebih rendah. Mari kita anggap bahawa terdapat ruang atau medan mengelilingi nukleus di mana elektron mengalami daya "brek". Medan ini boleh dibahagikan kepada zon. Ini memberikan medan nukleus rupa sasaran dengan atom di tengah. Elektron yang mengenai mana-mana titik sasaran mengalami nyahpecutan dan menghasilkan foton sinar-X. Zarah yang terkena paling hampir dengan pusat adalah yang paling terjejas dan oleh itu kehilangan tenaga paling banyak, menghasilkan foton tenaga tertinggi. Elektron yang memasuki zon luar mengalami interaksi yang lebih lemah dan menjana kuanta tenaga yang lebih rendah. Walaupun zon mempunyai lebar yang sama, ia mempunyai kawasan yang berbeza bergantung pada jarak ke teras. Oleh kerana bilangan zarah yang jatuh pada zon tertentu bergantung pada jumlah luasnya, jelas bahawa zon luar menangkap lebih banyak elektron dan mencipta lebih banyak foton. Model ini boleh digunakan untuk meramalkan spektrum tenaga sinar-X.

E_maks foton spektrum bremsstrahlung utama sepadan dengan E_{maks elektron. Di bawah titik ini, apabila tenaga foton berkurangan, bilangannya meningkat.}

Sebilangan besar foton tenaga rendah diserap atau ditapis semasa ia cuba melepasi permukaan anod, tingkap tiub atau penapis. Penapisan secara amnya bergantung kepada komposisi dan ketebalan bahan yang melaluinyarasuk melepasi, yang menentukan bentuk akhir lengkung tenaga rendah spektrum.

Pengaruh KV

Bahagian spektrum tenaga tinggi ditentukan oleh voltan dalam tiub sinar-X kV (kilovolt). Ini kerana ia menentukan tenaga elektron yang mencapai anod, dan foton tidak boleh mempunyai potensi yang lebih tinggi daripada ini. Apakah voltan yang digunakan oleh tiub sinar-x? Tenaga foton maksimum sepadan dengan potensi maksimum yang digunakan. Voltan ini mungkin berubah semasa pendedahan disebabkan oleh arus sesalur AC. Dalam kes ini, E_maks foton ditentukan oleh voltan puncak tempoh ayunan KV_p.

Selain potensi kuantum, KV_p menentukan jumlah sinaran yang dihasilkan oleh bilangan elektron tertentu yang mengenai anod. Memandangkan kecekapan keseluruhan bremsstrahlung meningkat disebabkan oleh peningkatan tenaga elektron pengeboman, yang ditentukan oleh KV_p, ia berikutan bahawa KV_{pmenjejaskan kecekapan peranti.}

Menukar KV_{p biasanya menukar spektrum. Jumlah kawasan di bawah lengkung tenaga ialah bilangan foton. Tanpa penapis, spektrum adalah segi tiga, dan jumlah sinaran adalah berkadar dengan kuasa dua KV. Dengan kehadiran penapis, peningkatan KV juga meningkatkan penembusan foton, yang mengurangkan peratusan sinaran yang ditapis. Ini membawa kepada peningkatan dalam keluaran sinaran.}

Sinaran ciri

Jenis interaksi yang menghasilkan cirisinaran, termasuk perlanggaran elektron berkelajuan tinggi dengan orbital. Interaksi hanya boleh berlaku apabila zarah yang masuk mempunyai E_k lebih besar daripada tenaga pengikat dalam atom. Apabila keadaan ini dipenuhi dan perlanggaran berlaku, elektron dikeluarkan. Dalam kes ini, kekosongan kekal, yang diisi oleh zarah tahap tenaga yang lebih tinggi. Apabila elektron bergerak, ia mengeluarkan tenaga, yang dipancarkan dalam bentuk kuantum sinar-X. Ini dipanggil sinaran ciri, kerana E foton adalah ciri unsur kimia dari mana anod dibuat. Sebagai contoh, apabila elektron daripada tahap K tungsten dengan E_ikatan=69.5 keV tersingkir, kekosongan itu diisi oleh elektron daripada tahap L dengan E _{bon=10, 2 keV. Ciri foton sinar-X mempunyai tenaga yang sama dengan perbezaan antara kedua-dua tahap ini, atau 59.3 keV.}

Malah, bahan anod ini menghasilkan beberapa tenaga sinar-X yang khas. Ini kerana elektron pada tahap tenaga yang berbeza (K, L, dsb.) boleh tersingkir dengan mengebom zarah, dan kekosongan boleh diisi dari tahap tenaga yang berbeza. Walaupun pengisian kekosongan peringkat L menghasilkan foton, tenaga mereka terlalu rendah untuk digunakan dalam pengimejan diagnostik. Setiap tenaga ciri diberi sebutan yang menunjukkan orbital di mana kekosongan terbentuk, dengan indeks yang menunjukkan sumber pengisian elektron. Indeks alfa (α) menunjukkan pendudukan elektron dari peringkat L, dan beta (β) menunjukkanpengisian dari tahap M atau N.

Spektrum tungsten. Sinaran ciri logam ini menghasilkan spektrum linear yang terdiri daripada beberapa tenaga diskret, manakala bremsstrahlung mencipta pengedaran berterusan. Bilangan foton yang dihasilkan oleh setiap tenaga ciri berbeza kerana kebarangkalian untuk mengisi kekosongan tahap K bergantung pada orbital.

Spektrum molibdenum. Anod logam ini yang digunakan untuk mamografi menghasilkan dua tenaga sinar-X ciri yang agak sengit: K-alpha pada 17.9 keV, dan K-beta pada 19.5 keV. Spektrum optimum tiub sinar-X, yang membolehkan untuk mencapai keseimbangan terbaik antara kontras dan dos sinaran untuk payudara bersaiz sederhana, dicapai pada E_{ph=20 keV. Walau bagaimanapun, bremsstrahlung dihasilkan pada tenaga yang tinggi. Peralatan mamografi menggunakan penapis molibdenum untuk mengeluarkan bahagian spektrum yang tidak diingini. Penapis berfungsi pada prinsip "K-edge". Ia menyerap sinaran melebihi tenaga pengikat elektron pada aras K atom molibdenum.}
Spektrum rhodium. Rhodium mempunyai nombor atom 45, manakala molibdenum mempunyai nombor atom 42. Oleh itu, ciri pelepasan sinar-X anod rhodium akan mempunyai tenaga yang lebih tinggi sedikit daripada molibdenum dan lebih menembusi. Ini digunakan untuk pengimejan payudara padat.

Anod molibdenum-rhodium dua permukaan membenarkan pengendali memilih pengedaran yang dioptimumkan untuk saiz dan ketumpatan payudara yang berbeza.

Apakah voltan yang digunakan oleh sinar-x?sebuah tiub

Kesan KV pada spektrum

Nilai KV sangat mempengaruhi sinaran ciri, kerana ia tidak akan dihasilkan jika KV kurang daripada tenaga elektron aras K. Apabila KV melebihi ambang ini, jumlah sinaran secara amnya berkadar dengan perbezaan antara tiub KV dan ambang KV.

Spektrum tenaga foton sinar-X yang keluar daripada instrumen ditentukan oleh beberapa faktor. Sebagai peraturan, ia terdiri daripada bremsstrahlung dan kuanta interaksi ciri.

Komposisi relatif spektrum bergantung pada bahan anod, KV dan penapis. Dalam tiub dengan anod tungsten, tiada sinaran ciri dihasilkan pada KV< 69.5 keV. Pada nilai CV yang lebih tinggi yang digunakan dalam kajian diagnostik, sinaran ciri meningkatkan jumlah sinaran sehingga 25%. Dalam peranti molibdenum, ia boleh membentuk sebahagian besar daripada jumlah penjanaan.

Kecekapan

Hanya sebahagian kecil daripada tenaga yang dihantar oleh elektron ditukarkan kepada sinaran. Bahagian utama diserap dan ditukar kepada haba. Kecekapan sinaran ditakrifkan sebagai perkadaran jumlah tenaga terpancar daripada jumlah tenaga elektrik yang diberikan kepada anod. Faktor yang menentukan kecekapan tiub sinar-X ialah voltan terpakai KV dan nombor atom Z. Contoh hubungan adalah seperti berikut:

Kecekapan=KV x Z x 10-6.

Hubungan antara kecekapan dan KV mempunyai kesan khusus pada penggunaan praktikal peralatan X-ray. Oleh kerana pembebasan haba, tiub mempunyai had tertentu pada jumlah elektriktenaga yang mereka boleh hilangkan. Ini mengenakan had pada kuasa peranti. Walau bagaimanapun, apabila KV meningkat, jumlah sinaran yang dihasilkan setiap unit haba meningkat dengan ketara.

Pergantungan kecekapan penjanaan sinar-X pada komposisi anod hanya untuk kepentingan akademik, kerana kebanyakan peranti menggunakan tungsten. Pengecualian ialah molibdenum dan rhodium yang digunakan dalam mamografi. Kecekapan peranti ini jauh lebih rendah daripada tungsten kerana nombor atomnya yang lebih rendah.

tekanan dalam tiub x-ray yang dikosongkan

Kecekapan

Kecekapan tiub sinar-X ditakrifkan sebagai jumlah pendedahan, dalam milliroentgens, dihantar ke satu titik di tengah-tengah rasuk berguna pada jarak 1 m dari titik fokus untuk setiap 1 mAs elektron yang melalui peranti. Nilainya menyatakan keupayaan peranti untuk menukar tenaga zarah bercas kepada sinar-x. Membolehkan anda menentukan pendedahan pesakit dan imej. Seperti kecekapan, kecekapan peranti bergantung pada beberapa faktor, termasuk KV, bentuk gelombang voltan, bahan anod dan kerosakan permukaan, penapis dan masa penggunaan.

kawalan KV

KV mengawal keluaran tiub sinar-X dengan berkesan. Secara amnya diandaikan bahawa output adalah berkadar dengan kuasa dua KV. Menggandakan KV meningkatkan pendedahan sebanyak 4x.

Bentuk Gelombang

Bentuk gelombang menerangkan cara KV berubah mengikut masa semasa penjanaansinaran disebabkan oleh sifat kitaran bekalan kuasa. Beberapa bentuk gelombang yang berbeza digunakan. Prinsip umum ialah semakin kurang perubahan bentuk KV, semakin cekap sinar-X dihasilkan. Peralatan moden menggunakan penjana dengan KV yang agak malar.

Tiub X-ray: pengeluar

Oxford Instruments menghasilkan pelbagai peranti, termasuk peranti kaca sehingga 250 W, potensi 4-80 kV, titik fokus sehingga 10 mikron dan pelbagai jenis bahan anod, termasuk Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian menawarkan lebih 400 jenis tiub x-ray perubatan dan industri yang berbeza. Pengeluar terkenal lain ialah Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, dll.

Tiub sinar-X "Svetlana-Rentgen" dihasilkan di Rusia. Sebagai tambahan kepada peranti tradisional dengan anod berputar dan pegun, syarikat itu mengeluarkan peranti dengan katod sejuk yang dikawal oleh fluks cahaya. Kelebihan peranti adalah seperti berikut: