Como os tubos de raios-X funciona?

Os raios X são gerados através da conversão da energia dos electrões de fotões, que ocorre no tubo de raios-X. Quantidade (exposição) e a qualidade de radiação (espectro) pode ser ajustada mudando a corrente, tensão e tempo do instrumento.

princípio de funcionamento

tubos de raios-X (foto dada no artigo) são conversores de energia. Eles recebê-lo a partir da rede e convertido em outras formas – radiao penetrante e calor, o último é um produto secundário indesejável. de raios-X do dispositivo de tubo de tal modo que maximiza a produção de fotões e dissipa o calor tão rapidamente quanto possível.

O tubo é um dispositivo relativamente simples, que compreende tipicamente dois elementos básicos – um cátodo e um ânodo. Quando a corrente flui desde o cátodo para o ânodo, os electrões perder energia, o que conduz à geração de raios-X.

anódio

O ânodo é um componente, em que a emissão de fotões de alta energia produzida. Este é um elemento relativamente maciça de metal, que está ligado ao pólo positivo do circuito eléctrico. Ele tem duas funções principais:

• Ele converte a energia electrónica em radiação de raios-X,
• Ele dissipa o calor.

O material para o ânodo é seleccionado para aumentar estas funções.

Idealmente, a maior parte dos electrões devem formar um fotões de alta energia, em vez de calor. Proporção de energia total, que é convertida em radiao-X (COP) depende de dois factores:

• número atómico (Z) do material do ânodo,
• energia de elétrons.

Na maior parte dos tubos de raios-x como um material do ânodo usado tungsténio, cujo número atómico é igual a 74. Para além da grande Z, este metal tem certas outras características que o tornam adequado para este propósito. Tungsténio é único na sua capacidade para manter a força quando aquecido, tem um ponto de fusão elevado e uma baixa taxa de evaporação.

Por muitos anos, o anodo é feito de tungstênio puro. Nos últimos anos, começamos a usar esta liga de metal com o rênio, mas só na superfície. ânodo auto sob o revestimento de tungsténio-rénio feito de material leve, bem com armazenamento de calor. Duas dessas substâncias são molibdênio e grafite.

O tubo de raios-X utilizados para a mamografia, é feita com o ânodo, revestido com molibdénio. Este material tem um número atómico intermediário (Z = 42), que gera fotões com energia característica, adequadas para a gravação de peito. Alguns dispositivos de mamografia também ter um segundo ânodo, formado a partir de ródio (Z = 45). Isso torna possível para aumentar a energia e alcançar uma maior penetração de mamas densas.

A utilização de ligas de tungsténio-rénio melhora a saída de radiação de longo prazo – com dispositivos de eficiência tempo com ânodo feito de tungsténio puro é reduzido devido a danos térmicos à superfície.

A maior parte do ânodo tem a forma dos discos cónicos e fixado ao eixo do motor, o que lhes roda a velocidades relativamente elevadas, no momento da emissão de raios-X. O objetivo da rotação – a remoção de calor.

ponto focal

A parte de geração de raios-X não todo o ânodo. Ela ocorre em uma pequena área de sua superfície – o ponto focal. Dimensões última determinado tamanho do feixe de elétrons proveniente do cátodo. Na maioria dos que tem uma forma rectangular varia dentro de dispositivos de 0,1-2 mm.

O desenho do tubo de raios-x com um certo tamanho da mancha focal. Quanto menor ela for, menos motion blur e maior nitidez, eo que é mais, melhor dissipação do calor.

tamanho do ponto focal é um fator que deve ser considerado quando se escolhe o tubo de raios-X. Os fabricantes produzem dispositivos com pequeno ponto focal, onde ele é necessário para alcançar alta resolução e radiação suficiente pequena. Por exemplo, é necessário no estudo de partes pequenas e delicadas do corpo como na mamografia.

O tubo de raios-X produzem principalmente pontos focais com dois tamanhos – grandes e pequenas, que podem ser seleccionadas pelo operador de acordo com o procedimento de formação de imagens.

cátodo

A principal função do cátodo – para gerar electrões e recolhendo-os num feixe dirigido para o ânodo. Ele é geralmente constituído por um fio em espiral (filamento) encaixado num recesso em forma de taça.

Elétrons que atravessam o circuito normalmente não pode deixar o condutor e deixar um espaço livre. No entanto, eles podem fazê-lo, se eles obter energia suficiente. Em um processo conhecido como emissão térmica, o calor utilizado para expelir os electrões do cátodo. Isto torna-se possível quando a pressão de um tubo de raio-X evacuado atinge 10 ^{-6 -7} -10 Torr. Art. O fio é aquecida da mesma maneira como uma lâmpada de filamento em espiral por passagem de uma corrente através da mesma. tubo de raios catódicos trabalho é acompanhado por aquecimento a uma temperatura de luminescência deslocamento energia térmica daí os electrões.

balão

O ânodo e cátodo estão contidos numa caixa estanque – cilindro. O balão e o seu conteúdo é muitas vezes referida como uma inserção, que tem uma vida útil limitada e pode ser substituído. O tubo de raios-x têm, geralmente, uma ampola de vidro, apesar de metal e cerâmica cilindros utilizados para algumas aplicações.

A função principal é suportar o recipiente e o isolamento do ânodo e do cátodo, e a manutenção de vácuo. A pressão no tubo de raios-X evacuado a 15 ° C é de 1,2 x 10 ^-3 Pa. A presença de gás no tanque permitiria electricidade a fluir através do dispositivo livremente, não apenas sob a forma de um feixe de electrões.

habitação

aparelho de tubo de raios-X de modo a que, para além do invólucro e suporte de outros componentes, que serve como um corpo de blindagem e absorve a radiação, excepto para o feixe útil que passa através da janela. A sua relativamente grande superfície externa dissipa a maior parte do calor gerado no dispositivo. O espaço entre o invólucro e a inserção é cheio com óleo que proporciona isolamento e arrefecendo-o.

cadeia

O circuito eléctrico conecta o telefone a uma fonte de energia, que é chamado um gerador. Fonte é alimentado a partir da rede e converte a corrente alternada em corrente contínua. O gerador também permite ajustar alguns parâmetros da cadeia:

• KV – voltagem ou potencial eléctrico;
• MA – corrente que flui através do tubo;
• S – duração ou tempo de exposição, em fracções de segundo.

O circuito fornece o movimento de electrões. Eles são acusados de energia, passando pelo gerador, e dar-lhe para o ânodo. Como seu movimento ocorre duas transformações:

• energia potencial elétrica é convertida em energia cinética;
• cinética, por sua vez, é convertido em radiação de raios-X e de calor.

potencial

Quando os electrões chegar no balão, que possuem potencial de energia eléctrica, que é determinada pela quantidade de tensão de kV entre o ânodo e o cátodo. O tubo de raios-X foi operada a uma voltagem para gerar uma KV que cada partícula deve ter uma keV. Ao ajustar a KV, o operador dá cada electrão é uma certa quantidade de energia.

cinética

De baixa pressão em um tubo de raio-X evacuado (a 15 ° C é de 10 ^{-6 -7} -10 Torr. V.) permite que as partículas sob a acção de emissão e força eléctrica incandescente emitida a partir do cátodo para o ânodo. Esta força acelera-los, resultando em maior velocidade e energia cinética e potencial descendente. Quando uma partícula aterra no ânodo, o seu potencial é perdida, e toda a sua energia é convertida em energia cinética. de electrões de 100 KeV atinge uma velocidade maior do que a metade da velocidade da luz. Golpear a superfície da partícula está a abrandar muito rapidamente e perdem a sua energia cinética. Ela se vira para raios-X ou calor.

Electrões entrar em contacto com os átomos individuais do material do ânodo. A radiação gerada pela sua interacção com orbitais (fotões de raios-X), e com um núcleo (bremsstrahlung).

energia de ligação

Cada electrões num átomo tem uma certa energia de ligao, que depende do tamanho do último e o nível a que a partícula está localizada. A energia de ligação desempenha um papel importante na geração dos raios X característicos e é necessária para remover um electrão de um átomo.

bremsstrahlung

Bremsstrahlung produz o maior número de fotões. Os electrões penetrar no material de ânodo que se estende perto e para o núcleo, e desvia desacelerado átomo de força gravitacional. Sua energia perdida durante esta reunião aparece na forma de fótons de raios-X.

gama de

Apenas alguns fótons têm uma energia perto a energia electrónica. A maioria deles é menor. Assume-se que existe um espaço ou área que rodeia o núcleo, em que a força de electrões experiência "inibição". Este campo pode ser dividida em zonas. Isto dá uma vista do núcleo da área de alvo do átomo no centro. Electrónicos abrangidos em qualquer lugar do alvo é desacelerado e gera um fóton de raio-X. Partículas que caem mais próximo do centro, estão mais expostos e, portanto, perder a maior parte da energia, produzindo muito fótons de alta energia. Electrões entrar na zona exterior tendo uma interacção fraca e gerar fotões de energia mais baixa. Embora a área têm a mesma largura, que tem uma área diferente, dependendo da distância a partir do núcleo. Como o número de partículas incidente sobre a zona, depende de sua área total, é óbvio que a área externa capturar mais elétrons e causar mais fótons. espectro de raios-X de energia pode ser previsto por este modelo.

E fotões _max espectro bremsstrahlung principal correspondente a E electrões _max. Abaixo deste ponto, com a diminuição da energia dos fótons aumenta o seu número.

Um número significativo de fotões de baixa energia absorvida ou filtrada, à medida que tentam passar através da superfície do tubo de ânodo ou filtro de caixa. A filtragem é geralmente depende da composição e da espessura do material através do qual o feixe passa, e isto determina a forma final da curva do espectro de baixa energia.

influência KV

A parte de alta energia do espectro determina os tubos de raios-x de tensão de kV (quilovolts). Isso é porque ele determina a energia dos elétrons que atingem o ânodo, e os fótons não pode ter o potencial maior do que este. Sob qualquer tubo de raios-X de tensão em execução? A energia máxima de fotões corresponde ao potencial máximo aplicado. Esta tensão pode variar durante a exposição devido à rede de corrente alternada. Neste caso, _Emax tensão de pico determinada por fotões oscilação período KV _p.

Além disso quanta de potencial, KV _p determina a quantidade de radiação gerado por um dado número de electrões que atingem o ânodo. Uma vez que a eficiência total da radiação bremsstrahlung é aumentada pelo aumento de energia de electrões incidente, que é determinada _{p KV,} isto implica que o KV _p afecta a eficiência do dispositivo.

Alterando KV _p, geralmente alteram o espectro. A área total sob a curva de energia representa o número de fotões. espectro não filtrada é um triângulo, e a quantidade de radiação em proporção ao quadrado KV. Na presença do filtro também aumenta KV aumento de penetração de fotões, o que reduz a percentagem de radiação filtrada. Isto leva a um maior rendimento de radiação.

radiação característica

O tipo de interacção que gera a radiação característica compreende colisão de alta velocidade com electrões orbitais. Interacção só pode ocorrer quando uma parte E _da partícula tem maior do que a energia de ligação de um átomo. Quando essa condição for atendida, e há uma colisão, o elétron é nocauteado. Portanto, a posição aberta, preenchido pelo um nível de energia mais elevada de partículas. À medida que avançamos o elétron dá energia emitida na forma de fótons de raios-X. É chamada a radiação característica, uma vez que E é o elemento químico característica de fotões a partir do qual o ânodo é feito. Por exemplo, quando um electrão é batido K tungsténio _ligação camada com E = 69,5 keV, a vaga é preenchida com um electrão a partir da _{comunicação} G-nível, com E = 10,2 keV. Característica fóton de raio-X tem uma energia igual à diferença entre os dois níveis, ou 59,3 keV.

Na verdade, o material do ânodo leva a um número de energias de raios X característicos. Isto ocorre porque electrões em vários níveis de energia (K, L, etc.) pode ser batido bombardeando as partículas e as vagas podem ser preenchidas com uma variedade de níveis de energia. Enquanto o vagas L-nível gera fotões e suas energias são demasiado pequena para utilização em imagiologia de diagnóstico. Cada energia característica é dada uma designação que indica a orbital, em que uma vaga, com um índice que mostra uma fonte de electrões requerido. alfa (α) indica o índice de electrões de enchimento a partir de L-nível, e beta (β) indica o nível de enchimento de M ou N.

• Espectro de tungsténio. A radiação característica do metal produz um espectro linear que consiste em várias energias discretas e travagem gera distribuição contínua. O número de fotões criadas por cada característica de energia, caracterizado pelo facto da probabilidade de preencher a vaga de nível K depende da orbital.
• molibdênio Spectrum. Ânodos desta metal utilizado para a mamografia, produzir duas suficientemente intenso característico de energia de raios-X: K-alfa de 17,9 keV e o K-beta em 19,5 keV. A gama óptima de tubos de raios-X, o que permite obter o melhor equilíbrio entre o contraste e a dose de irradiação para o tamanho médio da mama alcançado a E _p = 20 keV. No entanto Bremsstrahlung produzir mais energia. Em equipamento de mamografia para a remoção de partes indesejadas do filtro de espectro de molibdénio usado. O filtro funciona no princípio da «K-edge." Ele absorve radiação em excesso de energia de ligação no átomo de molibdénio-K nível de electrões.
• O espectro de ródio. O ródio possui número atómico 45, e de molibdénio – 42. Por conseguinte, os raios-X característicos de um ânodo de ródio terá uma energia um pouco maior do que a de molibdénio e mais penetrante. Ele é usado para geração de imagens mamas densas.

Ânodos com áreas de superfície dupla, molibdénio, ródio, permitir ao operador seleccionar uma distribuição optimizada para seios de tamanho e densidade diferente.

O efeito sobre o espectro KV

valor KV afecta grandemente a radiação característica, ie. K. Não será produzido se menos KV elétrons nível K-energia. Quando KV excede este valor limiar, a quantidade de radiação é geralmente proporcional à diferença e o tubo KV limiar KV.

O espectro de energia de fotões de feixe de raios X emitidos a partir do dispositivo é determinada por vários factores. Como regra, é constituída por bremsstrahlung ea interação característica.

A composição relativa do espectro depende do material do ânodo, KV e filtro. Num tubo com uma característica de emissão de tungsténio ânodo não é formada no KV <69,5 keV. Em valores mais elevados de HF utilizados em estudos de diagnóstico, a radiação característica aumenta a radiação total a 25%. Os dispositivos de molibdénio pode atingir uma grande parte da capacidade de geração total.

eficiência

Apenas uma pequena parte da energia fornecida pelos elétrons é convertida em radiação. A fracção principal é absorvida e convertida em calor. eficiência de radiação é definida como a fracção de potência total irradiada a partir da General Electric transmitida ânodo. Os factores que determinam a eficácia do tubo de raios-X são aplicados KV tensão e número atómico Z. A relação aproximada dos seguintes:

• Eficiência = KV x Z x 10 ^-6.

A relação entre a eficiência e KV tem um efeito específico sobre a utilização prática do equipamento de raios-X. Devido à geração de calor do tubo tem um limite no número de energia eléctrica que pode dissipar. Que impõe à capacidade do limite de dispositivo. Com o aumento da KV, no entanto, a quantidade de radiação produzida por um de calor aumenta significativamente.

A dependência da eficiência da geração de raios-X da composição do ânodo é apenas de interesse académico, porque a maioria dos dispositivos utilizados de tungsténio. Uma excepção é molibdénio e ródio, utilizado na mamografia. Eficiência destes dispositivos é significativamente menor para o tungstênio por causa de seu número atômico menor.

eficácia

tubo de raios-X A eficiência é definida como a quantidade de irradiação millirentgenah entregue a um ponto no centro do feixe útil a uma distância de 1 m a partir do ponto focal para cada 1 Mas electrões passam através do dispositivo. O seu valor representa a capacidade do dispositivo para converter a energia das partículas carregadas na radiação de raios-X. Ele permite que você para determinar a exposição do paciente, e o instantâneo. Como a eficiência, a eficiência do dispositivo depende de vários factores, incluindo KV, a forma de onda de tens, o material do ânodo e o grau de danos na superfície para o dispositivo de filtro e o tempo de utilização.

KV-gestão

KV Voltagem do tubo de raios-X controla eficazmente a radiação saída. Como regra geral, presume-se que a saída é proporcional ao quadrado da KV. Dobrando a exposição KV aumenta 4 vezes.

forma de onda

A forma de onda descreve o método através do qual KV varia com o tempo durante a geração de radiação, devido à natureza cíclica de potência. Usado várias formas de onda diferentes. O princípio geral é: quanto menor for a alteração na KV forma, a radiação de raios-X é produzida eficientemente. O moderno equipamento geradores usado com KV relativamente constante.

tubos de raios-X: Fabricantes

Oxford Instruments Company fabrica vários dispositivos, incluindo vidro, poder de 250 W, 4-80 kV potencial, os focais local 10 microns e uma vasta gama de materiais de ânodo, t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian oferece mais de 400 diferentes tipos de tubos de raios-X médicos e industriais. Outros produtores conhecidos são Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong et al.

Na Rússia produzidos tubos de raios-X "Svetlana-Roentgen". Além dos dispositivos tradicionais com rotação e empresa ânodo estacionário fabrica dispositivos de fluxo luminoso de cátodo frio controlada. Benefícios dos seguintes dispositivos:

• trabalhar de forma contínua e de impulsos de modos;
• ausência de inércia;
• regulando a intensidade da corrente de LED;
• Espectro de pureza;
• a possibilidade de radiação de raios-X de intensidade variável.