X-strale word geskep deur elektronenergie in fotone om te skakel, wat in 'n x-straalbuis plaasvind. Die hoeveelheid (blootstelling) en kwaliteit (spektrum) van bestraling kan aangepas word deur die stroom, spanning en bedryfstyd van die toestel te verander.
Werkbeginsel
X-straalbuise (die foto word in die artikel gegee) is energie-omsetters. Hulle neem dit uit die netwerk en verander dit in ander vorme - deurdringende straling en hitte, laasgenoemde is 'n ongewenste neweproduk. Die ontwerp van die X-straalbuis is sodanig dat dit fotonproduksie maksimeer en hitte so vinnig as moontlik afvoer.
'n Buis is 'n relatief eenvoudige toestel, wat gewoonlik twee fundamentele elemente bevat - 'n katode en 'n anode. Wanneer stroom van die katode na die anode vloei, verloor die elektrone energie, wat die opwekking van X-strale tot gevolg het.
Anode
Die anode is die komponent wat uitstraalhoë energie fotone. Dit is 'n relatief massiewe metaalelement wat aan die positiewe pool van die elektriese stroombaan gekoppel is. Voer twee hooffunksies uit:
- skakel elektronenergie om in x-strale,
- verdryf hitte.
Die anodemateriaal is gekies om hierdie funksies te verbeter.
Ideaal gesproke moet die meeste van die elektrone hoë-energiefotone vorm, nie hitte nie. Die fraksie van hul totale energie wat in X-strale omgeskakel word (doeltreffendheid) hang van twee faktore af:
- atoomgetal (Z) van die anodemateriaal,
- energie van elektrone.
Die meeste X-straalbuise gebruik wolfram as 'n anodemateriaal, wat 'n atoomgetal van 74 het. Benewens 'n groot Z, het hierdie metaal 'n paar ander eienskappe wat dit geskik maak vir hierdie doel. Wolfram is uniek in sy vermoë om sterkte te behou wanneer dit verhit word, het 'n hoë smeltpunt en lae verdampingstempo.
Vir baie jare is die anode van suiwer wolfram gemaak. In onlangse jare is 'n legering van hierdie metaal met renium begin gebruik word, maar slegs op die oppervlak. Die anode self onder die wolfram-renium-bedekking is gemaak van 'n liggewig materiaal wat hitte goed stoor. Twee sulke stowwe is molibdeen en grafiet.
X-straalbuise wat vir mammografie gebruik word, word gemaak met 'n molibdeenbedekte anode. Hierdie materiaal het 'n intermediêre atoomgetal (Z=42) wat kenmerkende fotone genereer met energieë wat gerieflik is omvir die neem van foto's van die bors. Sommige mammografie-toestelle het ook 'n tweede anode wat van rodium gemaak is (Z=45). Dit laat jou toe om energie te verhoog en groter penetrasie vir stywe borste te bereik.
Die gebruik van renium-wolfram-legering verbeter langtermyn-stralingsuitset – met verloop van tyd neem die doeltreffendheid van suiwer wolfram-anodetoestelle af as gevolg van termiese skade aan die oppervlak.
Die meeste anodes is gevorm soos skuins skywe en is aan 'n elektriese motoras geheg wat hulle teen relatief hoë spoed roteer terwyl hulle X-strale uitstraal. Die doel van rotasie is om hitte te verwyder.
Fokalpunt
Nie die hele anode is betrokke by die generering van X-strale nie. Dit kom op 'n klein area van sy oppervlak voor - 'n fokuspunt. Die afmetings van laasgenoemde word bepaal deur die afmetings van die elektronstraal wat van die katode af kom. In die meeste toestelle het dit 'n reghoekige vorm en wissel tussen 0,1-2 mm.
X-straalbuise is ontwerp met 'n spesifieke fokuspuntgrootte. Hoe kleiner dit is, hoe minder vaag en skerper die beeld, en hoe groter dit is, hoe beter hitteafvoer.
Fokale kolgrootte is een van die faktore wat in ag geneem moet word wanneer jy X-straalbuise kies. Vervaardigers vervaardig toestelle met klein fokuspunte wanneer dit nodig is om hoë resolusie en voldoende lae bestraling te bereik. Dit word byvoorbeeld vereis wanneer klein en dun dele van die liggaam ondersoek word, soos in mammografie.
X-straalbuise word hoofsaaklik vervaardig met twee fokuspuntgroottes, groot en klein, wat deur die operateur volgens die beeldprosedure gekies kan word.
Cathode
Die hooffunksie van die katode is om elektrone te genereer en dit in 'n bundel te versamel wat op die anode gerig is. As 'n reël bestaan dit uit 'n klein draadspiraal (draad) wat in 'n bekervormige holte gedompel is.
Elektrone wat deur die stroombaan gaan, kan gewoonlik nie die geleier verlaat en in vrye ruimte ingaan nie. Hulle kan dit egter doen as hulle genoeg energie kry. In 'n proses bekend as termiese emissie, word hitte gebruik om elektrone uit die katode te verdryf. Dit word moontlik wanneer die druk in die ontruimde X-straalbuis 10-6–10-7 mmHg bereik. Art. Die gloeidraad verhit op dieselfde manier as die gloeidraad van 'n gloeilamp wanneer stroom daardeur gevoer word. Die werking van die X-straalbuis gaan gepaard met verhitting van die katode tot die gloeitemperatuur met die verplasing van 'n deel van die elektrone daaruit deur termiese energie.
Ballon
Die anode en katode is in 'n hermeties verseëlde houer vervat. Daar word dikwels na die ballon en sy inhoud verwys as 'n insetsel, wat 'n beperkte leeftyd het en vervang kan word. X-straalbuise het meestal glasgloeilampe, hoewel metaal- en keramiekgloeilampe vir sommige toepassings gebruik word.
Die hooffunksie van die ballon is om ondersteuning en isolasie vir die anode en katode te verskaf, en om 'n vakuum te handhaaf. Druk in die ontruimde X-straalbuisby 15°C is 1,2 10-3 Pa. Die teenwoordigheid van gasse in die ballon sal elektrisiteit vrylik deur die toestel laat vloei, en nie net in die vorm van 'n elektronstraal nie.
Case
Die ontwerp van die x-straalbuis is sodanig dat, benewens om ander komponente te omsluit en te ondersteun, sy liggaam as 'n skild dien en straling absorbeer, behalwe vir die nuttige straal wat deur die venster gaan. Sy relatief groot buitenste oppervlak versprei baie van die hitte wat binne die toestel gegenereer word. Die spasie tussen die liggaam en die insetsel is gevul met olie vir isolasie en verkoeling.
Ketting
'n Elektriese stroombaan verbind die buis met 'n energiebron wat 'n kragopwekker genoem word. Die bron ontvang krag van die hoofleiding en skakel wisselstroom om na gelykstroom. Die kragopwekker laat jou ook toe om sommige stroombaanparameters aan te pas:
- KV - spanning of elektriese potensiaal;
- MA is die stroom wat deur die buis vloei;
- S – duur of blootstellingstyd, in breukdele van 'n sekonde.
Die stroombaan verskaf die beweging van elektrone. Hulle word met energie gelaai, gaan deur die kragopwekker, en gee dit aan die anode. Soos hulle beweeg, vind twee transformasies plaas:
- potensiële elektriese energie word omgeskakel in kinetiese energie;
- kineties word op sy beurt in x-strale en hitte omgeskakel.
potensiaal
Wanneer elektrone die gloeilamp binnedring, het hulle potensiële elektriese energie, waarvan die hoeveelheid bepaal word deur die spanning KV tussen die anode en katode. X-straalbuis werkonder spanning, om 1 KV te skep waarvan elke deeltjie 1 keV moet hê. Deur KV aan te pas, gee die operateur elke elektron 'n sekere hoeveelheid energie.
Kinetics
Lae druk in die ontruimde X-straalbuis (by 15°C is dit 10-6–10-7 mmHg.) laat deeltjies toe om van die katode na die anode uit te vlieg onder die werking van termioniese emissie en elektriese krag. Hierdie krag versnel hulle, wat lei tot 'n toename in spoed en kinetiese energie en 'n afname in potensiaal. Wanneer 'n deeltjie die anode tref, gaan sy potensiaal verlore en al sy energie word in kinetiese energie omgeskakel.’n 100-keV-elektron bereik spoed van meer as die helfte van die spoed van lig. Deur die oppervlak te tref, vertraag die deeltjies baie vinnig en verloor hul kinetiese energie. Dit verander in X-strale of hitte.
Elektrone kom in kontak met individuele atome van die anodemateriaal. Bestraling word gegenereer wanneer hulle met orbitale (X-straalfotone) en met die kern (bremsstrahlung) in wisselwerking tree.
Link Energy
Elke elektron binne 'n atoom het 'n sekere bindingsenergie, wat afhang van die grootte van laasgenoemde en die vlak waarop die deeltjie geleë is. Die bindingsenergie speel 'n belangrike rol in die generering van kenmerkende X-strale en is nodig om 'n elektron van 'n atoom te verwyder.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung produseer die grootste aantal fotone. Elektrone wat die anodemateriaal binnedring en naby die kern beweeg, word afgebuig en vertraagdie aantrekkingskrag van die atoom. Hul energie wat tydens hierdie ontmoeting verloor is, verskyn as 'n X-straalfoton.
Spectrum
Slegs 'n paar fotone het 'n energie naby dié van elektrone. Die meeste van hulle is laer. Kom ons neem aan dat daar 'n spasie of veld rondom die kern is waarin die elektrone 'n "remkrag" ervaar. Hierdie veld kan in sones verdeel word. Dit gee die veld van die kern die voorkoms van 'n teiken met 'n atoom in die middel. 'n Elektron wat enige punt van die teiken tref, ervaar vertraging en genereer 'n X-straalfoton. Deeltjies wat die naaste aan die middel tref, word die meeste geraak en verloor dus die meeste energie, wat die hoogste energiefotone produseer. Elektrone wat die buitenste sones binnekom ervaar swakker interaksies en genereer laer energiekwanta. Alhoewel die sones dieselfde breedte het, het hulle 'n ander area, afhangende van die afstand na die kern. Aangesien die aantal deeltjies wat op 'n gegewe sone val afhang van die totale oppervlakte daarvan, is dit duidelik dat die buitenste sones meer elektrone vang en meer fotone skep. Hierdie model kan gebruik word om die energiespektrum van X-strale te voorspel.
Emax fotone van die hoofbremsstrahlungspektrum stem ooreen met Emax elektrone. Onder hierdie punt, soos die fotonenergie afneem, neem hul getal toe.
'n Beduidende aantal lae-energie-fotone word geabsorbeer of gefiltreer terwyl hulle probeer om deur die anode-oppervlak, buisvenster of filter te beweeg. Filtrering is oor die algemeen afhanklik van die samestelling en dikte van die materiaal waardeurdie straal gaan deur, wat die finale vorm van die lae-energie-kromme van die spektrum bepaal.
KV-invloed
Die hoë-energie deel van die spektrum word bepaal deur die spanning in X-straalbuise kV (kilovolt). Dit is omdat dit die energie bepaal van die elektrone wat die anode bereik, en fotone kan nie 'n potensiaal hoër as dit hê nie. Met watter spanning werk die x-straalbuis? Die maksimum fotonenergie stem ooreen met die maksimum toegepaste potensiaal. Hierdie spanning kan verander tydens blootstelling as gevolg van AC hoofstroom. In hierdie geval word die Emax van 'n foton bepaal deur die piekspanning van die ossillasieperiode KVp.
Behalwe die kwantumpotensiaal, bepaal KVp die hoeveelheid straling wat geskep word deur 'n gegewe aantal elektrone wat die anode tref. Aangesien die algehele doeltreffendheid van bremsstrahlung toeneem as gevolg van 'n toename in die energie van die bombardeerelektrone, wat bepaal word deur KVp, volg dit dat KVpbeïnvloed die doeltreffendheid van die toestel.
Verandering van KVp verander gewoonlik die spektrum. Die totale oppervlakte onder die energiekromme is die aantal fotone. Sonder 'n filter is die spektrum 'n driehoek, en die hoeveelheid straling is eweredig aan die kwadraat van KV. In die teenwoordigheid van 'n filter verhoog 'n toename in KV ook die penetrasie van fotone, wat die persentasie gefiltreerde straling verminder. Dit lei tot 'n toename in stralingsuitset.
Kenmerkende bestraling
Die tipe interaksie wat die eienskap produseerstraling, sluit die botsing van hoëspoedelektrone met orbitales in. Interaksie kan slegs plaasvind wanneer die inkomende deeltjie Ek groter as die bindingsenergie in die atoom het. Wanneer hierdie voorwaarde nagekom word en 'n botsing vind plaas, word die elektron uitgestoot. In hierdie geval bly daar 'n vakature wat gevul word deur 'n deeltjie van 'n hoër energievlak. Soos die elektron beweeg, gee dit energie af, wat in die vorm van 'n X-straalkwantum uitgestraal word. Dit word kenmerkende straling genoem, aangesien die E van 'n foton 'n kenmerk is van die chemiese element waaruit die anode gemaak is. Byvoorbeeld, wanneer 'n elektron vanaf die K-vlak van wolfram met Ebond=69.5 keV uitgeslaan word, word die vakature gevul deur 'n elektron vanaf die L-vlak met E binding=10, 2 keV. Die kenmerkende X-straalfoton het 'n energie gelykstaande aan die verskil tussen hierdie twee vlakke, of 59,3 keV.
Trouens, hierdie anodemateriaal lei tot 'n aantal kenmerkende X-straal-energieë. Dit is omdat elektrone op verskillende energievlakke (K, L, ens.) uitgeslaan kan word deur deeltjies te bombardeer, en vakatures kan vanaf verskillende energievlakke gevul word. Alhoewel die vulling van vakatures op L-vlak fotone genereer, is hul energie te laag om in diagnostiese beelding gebruik te word. Elke kenmerkende energie kry 'n benaming wat die orbitaal aandui waarin die leegte gevorm het, met 'n indeks wat die bron van elektronvulling aandui. Indeks alfa (α) dui die besetting van 'n elektron vanaf die L-vlak aan, en beta (β) dui aanvul vanaf vlak M of N.
- Spektrum van wolfram. Die kenmerkende straling van hierdie metaal produseer 'n lineêre spektrum wat bestaan uit verskeie diskrete energieë, terwyl die bremsstrahlung 'n kontinue verspreiding skep. Die aantal fotone wat deur elke kenmerkende energie geproduseer word, verskil deurdat die waarskynlikheid om 'n K-vlak vakature te vul afhang van die orbitaal.
- Spektrum van molibdeen. Anodes van hierdie metaal wat vir mammografie gebruik word, produseer twee taamlik intense kenmerkende X-straal-energieë: K-alfa by 17,9 keV, en K-beta by 19,5 keV. Die optimale spektrum van X-straalbuise, wat dit moontlik maak om die beste balans tussen kontras en bestralingsdosis vir mediumgrootte borste te bereik, word bereik by Eph=20 keV. Bremsstrahlung word egter teen hoë energieë geproduseer. Mammografietoerusting gebruik 'n molibdeenfilter om die ongewenste deel van die spektrum te verwyder. Die filter werk volgens die "K-edge"-beginsel. Dit absorbeer straling wat meer as die bindingsenergie van elektrone by die K-vlak van die molibdeenatoom is.
- Spektrum van rodium. Rhodium het 'n atoomgetal van 45, terwyl molibdeen atoomgetal 42 het. Daarom sal die kenmerkende X-straal-emissie van 'n rodiumanode 'n effens hoër energie as dié van molibdeen hê en is dit meer deurdringend. Dit word gebruik om digte borste af te beeld.
Dubbeloppervlak-molibdeen-rhodium-anodes laat die operateur toe om 'n verspreiding te kies wat geoptimaliseer is vir verskillende borsgroottes en -digthede.
Effekt van KV op die spektrum
Die waarde van KV beïnvloed die kenmerkende straling grootliks, aangesien dit nie geproduseer sal word as KV minder is as die energie van die K-vlak elektrone nie. Wanneer KV hierdie drempel oorskry, is die hoeveelheid straling oor die algemeen eweredig aan die verskil tussen buis KV en drumpel KV.
Die energiespektrum van X-straalfotone wat uit die instrument kom, word deur verskeie faktore bepaal. As 'n reël bestaan dit uit bremsstrahlung en kenmerkende interaksie quanta.
Die relatiewe samestelling van die spektrum hang af van die anodemateriaal, KV en filter. In 'n buis met 'n wolframanode word geen kenmerkende straling by KV< 69,5 keV geproduseer nie. By hoër CV-waardes wat in diagnostiese studies gebruik word, verhoog kenmerkende bestraling die totale bestraling met tot 25%. In molibdeentoestelle kan dit 'n groot deel van die totale generasie uitmaak.
Doeltreffendheid
Slegs 'n klein deel van die energie wat deur elektrone gelewer word, word in straling omgeskakel. Die hoofdeel word geabsorbeer en in hitte omgeskakel. Stralingsdoeltreffendheid word gedefinieer as die verhouding van die totale uitgestraalde energie van die totale elektriese energie wat aan die anode oorgedra word. Die faktore wat die doeltreffendheid van 'n X-straalbuis bepaal, is die toegepaste spanning KV en die atoomgetal Z. 'n Voorbeeldverwantskap is soos volg:
Doeltreffendheid=KV x Z x 10-6.
Die verhouding tussen doeltreffendheid en KV het 'n spesifieke impak op die praktiese gebruik van X-stra altoerusting. As gevolg van die vrystelling van hitte, het die buise 'n sekere beperking op die hoeveelheid elektriesedie energie wat hulle kan verdryf. Dit plaas 'n beperking op die krag van die toestel. Soos KV egter toeneem, neem die hoeveelheid straling wat per eenheid hitte geproduseer word aansienlik toe.
Die afhanklikheid van die doeltreffendheid van X-straalgenerering van die samestelling van die anode is slegs van akademiese belang, aangesien die meeste toestelle wolfram gebruik. 'n Uitsondering is molibdeen en rodium wat in mammografie gebruik word. Die doeltreffendheid van hierdie toestelle is baie laer as wolfram as gevolg van hul laer atoomgetal.
Doeltreffendheid
Die doeltreffendheid van 'n X-straalbuis word gedefinieer as die hoeveelheid blootstelling, in milliroentgene, gelewer aan 'n punt in die middel van die nuttige straal op 'n afstand van 1 m vanaf die fokuspunt vir elke 1 mAs van elektrone wat deur die toestel gaan. Die waarde daarvan spreek die vermoë van die toestel uit om die energie van gelaaide deeltjies in x-strale om te skakel. Laat jou toe om die blootstelling van die pasiënt en die beeld te bepaal. Soos doeltreffendheid, hang toesteldoeltreffendheid af van 'n aantal faktore, insluitend KV, spanningsgolfvorm, anodemateriaal en oppervlakskade, filter en tyd van gebruik.
KV-beheer
KV beheer die X-straalbuisuitset effektief. Daar word algemeen aanvaar dat die uitset eweredig is aan die kwadraat van KV. Verdubbeling van KV verhoog blootstelling met 4x.
golfvorm
Golvorm beskryf die manier waarop KV oor tyd verander tydens genereringbestraling as gevolg van die sikliese aard van die kragtoevoer. Verskeie verskillende golfvorms word gebruik. Die algemene beginsel is dat hoe minder die KV-vorm verander, hoe doeltreffender word X-strale geproduseer. Moderne toerusting gebruik kragopwekkers met 'n relatief konstante KV.
X-straalbuise: vervaardigers
Oxford Instruments vervaardig 'n verskeidenheid toestelle, insluitend glastoestelle tot 250 W, 4-80 kV potensiaal, brandpunt tot 10 mikron en 'n wye reeks anodemateriale, insluitend Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian bied meer as 400 verskillende soorte mediese en industriële x-straalbuise. Ander bekende vervaardigers is Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, ens.
X-straalbuise "Svetlana-Rentgen" word in Rusland vervaardig. Benewens tradisionele toestelle met 'n roterende en stilstaande anode, vervaardig die maatskappy toestelle met 'n koue katode wat deur die ligvloei beheer word. Die voordele van die toestel is soos volg:
- werk in aaneenlopende en polsmodusse;
- traagheidloosheid;
- LED huidige intensiteit regulasie;
- spektrumsuiwerheid;
- moontlikheid om x-strale van verskillende intensiteit te verkry.
