Рентгеновская трубка представляет собой вакуумную трубку , которая преобразует электрическую входной мощности в рентгеновских лучах . [1] Доступность этого управляемого источника рентгеновского излучения создала область радиографии , изображения частично непрозрачных объектов с проникающим излучением . В отличие от других источников ионизирующего излучения, рентгеновские лучи производятся только до тех пор, пока на рентгеновскую трубку подается напряжение. Рентгеновские трубки также используются в компьютерных томографах , сканерах багажа в аэропортах, в рентгеновской кристаллографии , анализе материалов и структуры, а также для промышленного контроля.
Растущий спрос на высокопроизводительные системы сканирования и ангиографии для компьютерной томографии (КТ) привел к разработке высокопроизводительных медицинских рентгеновских трубок.
История [ править ]
Рентгеновские трубки произошли от экспериментальных трубок Крукса, с помощью которых рентгеновские лучи были впервые обнаружены 8 ноября 1895 года немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном . Это первое поколение с холодным катодом или Крукса рентгеновские трубки были использованы до тех пор , 1920s.The трубка Крукс не была улучшена Уильямом Кулиджем в 1913 г. [2] Кулидж трубки , которая также называется горячим катодом , является наиболее широко используемым. Он работает с вакуумом очень хорошего качества (около 10 -4 Па, или 10 -6 Торр). [ необходима цитата ]
До конца 1980-х генераторы рентгеновского излучения были просто высоковольтными источниками переменного тока с переменным током постоянного тока. В конце 1980-х появился другой метод управления, названный высокоскоростным переключением. Это следовало за электронной технологией импульсных источников питания (также известных как импульсный источник питания ) и позволяло более точно контролировать рентгеновский аппарат, получать более качественные результаты и уменьшать экспозицию рентгеновских лучей. [ необходима цитата ]
Физика [ править ]
Как и в любой вакуумной лампе , здесь есть катод , который испускает электроны в вакуум, и анод для сбора электронов, таким образом создавая электрический ток, известный как луч , через трубку. Источник высокого напряжения , например от 30 до 150 киловольт (кВ), называемый напряжением трубки , подключается между катодом и анодом для ускорения электронов. Рентгеновский спектр зависит от материала анода и ускоряющего напряжения. [3]
Электроны катода сталкиваются с материалом анода, обычно вольфрамом , молибденом или медью , и ускоряют другие электроны, ионы и ядра в материале анода. Около 1% генерируемой энергии испускается / излучается, обычно перпендикулярно пути электронного луча, в виде рентгеновских лучей. Остальная энергия выделяется в виде тепла. Со временем вольфрам будет осаждаться из мишени на внутренней поверхности трубки, включая поверхность стекла. Это приведет к медленному затемнению трубки и, как предполагалось, к ухудшению качества рентгеновского луча. Испаренный вольфрам конденсируется на внутренней стороне оболочки над «окном» и, таким образом, действует как дополнительный фильтр и снижает способность трубок излучать тепло. [4]Со временем отложения вольфрама могут стать достаточно проводящими, чтобы при достаточно высоких напряжениях возникла дуга. Дуга будет перескакивать с катода на вольфрамовый осадок, а затем на анод. Это искрение вызывает эффект, называемый « растрескивание » на внутреннем стекле рентгеновского окна. Со временем трубка становится нестабильной даже при более низком напряжении, и ее необходимо заменить. На этом этапе узел трубки (также называемый «головкой трубки») удаляется из рентгеновской системы и заменяется новым узлом трубки. Старая трубка в сборе отправляется компании, которая загружает в него новую рентгеновскую трубку.
Эффект генерации рентгеновских фотонов обычно называют эффектом тормозного излучения , сокращение от немецкого bremsen означает тормозить, а Strahlung означает излучение .
Диапазон фотонных энергий, излучаемых системой, можно регулировать, изменяя приложенное напряжение и устанавливая алюминиевые фильтры различной толщины. На пути прохождения рентгеновского луча устанавливаются алюминиевые фильтры для удаления «мягкого» (непроникающего) излучения. Количество испускаемых рентгеновских фотонов или доза регулируется путем управления током и временем экспозиции.
Выпущено тепло [ править ]
В фокусе анода выделяется тепло. Поскольку небольшая часть (менее или равная 1%) энергии электронов преобразуется в рентгеновские лучи, ее можно не учитывать при расчетах тепла. [5] Количество выделяемого тепла (в Джоулях) в фокусном пятне определяется по формуле:
- являясь фактором формы волны
- = пиковое напряжение переменного тока (в вольтах)
- = ток трубки (в милли ампер)
- = время воздействия (в секундах)
Тепловая единица (HU) использовалась в прошлом как альтернатива Джоуля. Это удобный блок, когда к рентгеновской трубке подключен однофазный источник питания. [6] С двухполупериодного выпрямления с синусоидальной волны , = , таким образом , блок тепла:
- 1 HU = 0,707 Дж
- 1,4 HU = 1 Дж [7]
Типы [ править ]
Лампа Крукса (лампа с холодным катодом) [ править ]
Трубки Крукса генерировали электроны, необходимые для создания рентгеновских лучей, путем ионизации остаточного воздуха в трубке вместо нагретой нити накала , поэтому они были частично, но не полностью удалены . Они состояли из стеклянной колбы с атмосферным давлением воздуха от 10 -6 до 5 × 10 -8 (от 0,1 до 0,005 Па ). У них была алюминиевая катодная пластина на одном конце трубки и платиновый анод. цель на другом конце. Поверхность анода была наклонена так, чтобы рентгеновские лучи проходили через боковую часть трубки. Катод был вогнутым, так что электроны фокусировались на небольшом (~ 1 мм) пятне на аноде, приближающемся к точечному источнику рентгеновских лучей, что приводило к более четким изображениям. Трубка имела третий электрод, антикатод, соединенный с анодом. Он улучшил выход рентгеновских лучей, но метод, с помощью которого он этого добился, не изучен. В более распространенной конструкции использовался антикатод из медной пластины (по конструкции аналогичный катоду), расположенный на одной линии с анодом, так что анод находился между катодом и антикатодом.
Для работы между анодами и катодом подавалось постоянное напряжение от нескольких киловольт до 100 кВ, обычно создаваемое индукционной катушкой или, для больших трубок, электростатической машиной .
Лампы Крукса были ненадежными. Со временем остаточный воздух будет поглощаться стенками трубки, снижая давление. Это увеличивало напряжение на трубке, создавая «более жесткие» рентгеновские лучи, пока, в конце концов, трубка не перестала работать. Чтобы предотвратить это, использовались «умягчители» (см. Рисунок). Маленькая трубка, прикрепленная к боковой стороне основной трубки, содержала втулку из слюды или химиката, который выделял небольшое количество газа при нагревании, восстанавливая правильное давление.
Стеклянная оболочка трубки может почернеть при использовании из-за рентгеновских лучей, влияющих на ее структуру.
Трубка Кулиджа (лампа с горячим катодом) [ править ]
- C: нить / катод (-)
- A: анод (+)
- W in и W out : вход и выход воды охлаждающего устройства
В трубке Кулиджа электроны создаются термоэлектронным эффектом из вольфрамовой нити, нагретой электрическим током. Нить накала - это катод трубки. Между катодом и анодом находится потенциал высокого напряжения, электроны, таким образом, ускоряются и затем ударяются об анод.
Имеются две конструкции: оконные трубы и боковые оконные трубы. Трубки с торцевым окном обычно имеют «пропускающую мишень», которая достаточно тонкая, чтобы позволить рентгеновским лучам проходить через цель (рентгеновские лучи излучаются в том же направлении, что и электроны). В одном из распространенных типов трубок с торцевым окном, нить накала находится вокруг анода («кольцевая» или кольцевая), электроны имеют криволинейный путь (половина тороида).
Особенностью трубок с боковым окном является то, что электростатическая линза используется для фокусировки луча на очень маленькое пятно на аноде. Анод специально разработан для рассеивания тепла и износа в результате этого интенсивного сфокусированного потока электронов. Анод расположен точно под углом 1-20 градусов от перпендикуляра к электронному току, чтобы позволить уйти некоторым из рентгеновских фотонов, которые испускаются перпендикулярно направлению электронного тока. Анод обычно делают из вольфрама или молибдена. Трубка имеет окно, предназначенное для выхода генерируемых рентгеновских фотонов.
Мощность трубки Кулиджа обычно составляет от 0,1 до 18 кВт .
Вращающаяся анодная трубка [ править ]
- A: анод
- C: катод
- T: анодная мишень
- W: рентгеновское окно
Значительное количество тепла генерируется в фокусном пятне (области, где пучок электронов, идущих от катода) неподвижного анода. Скорее, вращающийся анод позволяет электронному лучу охватывать большую площадь анода, тем самым компенсируя преимущество более высокой интенсивности испускаемого излучения наряду с меньшим повреждением анода по сравнению с его стационарным состоянием. [8]
Температура фокусного пятна может достигать 2500 ° C (4530 ° F) во время экспонирования, а анодный узел может достигать 1000 ° C (1830 ° F) после серии длительных выдержек. Типичные аноды представляют собой вольфрам-рениевую мишень на молибденовой сердцевине с графитовой подложкой. Рений делает вольфрам более пластичным и устойчивым к износу от воздействия электронных пучков. В молибдена проводит тепло от мишени. Графита обеспечивает тепловую память для анода, и сводит к минимуму вращающейся массы анода.
Микрофокусная рентгеновская трубка [ править ]
Некоторые рентгеновские исследования (например, неразрушающий контроль и трехмерная микротомография ) требуют изображений с очень высоким разрешением и, следовательно, требуют рентгеновских трубок, которые могут генерировать фокусные пятна очень малых размеров, обычно менее 50 мкм в диаметре. Эти трубки называются микрофокусными рентгеновскими трубками.
Существует два основных типа микрофокусных рентгеновских трубок: трубки с твердым анодом и трубки с металлическим струйным анодом.
Микрофокусные рентгеновские трубки с твердым анодом в принципе очень похожи на трубку Кулиджа, но с тем важным отличием, что было уделено внимание тому, чтобы можно было сфокусировать электронный луч в очень маленькое пятно на аноде. Многие микрофокусные источники рентгеновского излучения работают с пятнами фокусировки в диапазоне 5-20 мкм, но в крайних случаях могут образовываться пятна размером менее 1 мкм.
Основным недостатком рентгеновских трубок с микрофокусом с твердым анодом является очень низкая мощность, на которой они работают. Во избежание плавления анода плотность мощности электронного луча должна быть ниже максимального значения. Это значение находится где-то в диапазоне 0,4-0,8 Вт / мкм в зависимости от материала анода. [9] Это означает, что источник микрофокусировки с твердым анодом и фокусом электронного луча 10 мкм может работать при мощности в диапазоне 4-8 Вт.
В микрофокусных рентгеновских трубках с металлической струей и анодом твердый металлический анод заменен струей жидкого металла, которая действует как мишень для электронного луча. Преимущество металлического анода в том, что максимальная плотность мощности электронного пучка значительно увеличена. Значения в диапазоне 3-6 Вт / мкм были зарегистрированы для различных материалов анода (галлий и олово). [10] [11] В случае фокусировки электронного луча 10 мкм источник рентгеновского излучения с металлическим струйным анодом и микрофокусом может работать при 30-60 Вт.
Основным преимуществом повышенного уровня плотности мощности для металлической рентгеновской трубки является возможность работать с меньшим фокусным пятном, скажем 5 мкм, для увеличения разрешения изображения и в то же время более быстрого получения изображения, поскольку мощность выше (15-30 Вт), чем у трубок со сплошным анодом и фокусным пятном 10 мкм.
Опасности производства рентгеновских лучей из электронных ламп [ править ]
Любая электронная лампа, работающая от нескольких тысяч вольт или более, может производить рентгеновское излучение как нежелательный побочный продукт, что вызывает проблемы с безопасностью. [12] [13] Чем выше напряжение, тем сильнее проникающее излучение и тем выше опасность. ЭЛТ - дисплеи, как только общее , в цветных телевизоров и компьютерных дисплеев, работают на 3-40 киловольт , [14] делает их главной заботой среди бытовой техники. Исторически сложилось так, что внимание уделялось меньше электронно-лучевой трубке , поскольку ее толстая стеклянная оболочка пропитана несколькими фунтами свинца для защиты, чем высоковольтному выпрямителю и регулятору напряжения.трубки внутри. В конце 1960-х было обнаружено, что отказ в цепи питания высокого напряжения некоторых телевизоров General Electric может вызвать чрезмерное напряжение на трубке регулятора, вызывая излучение рентгеновских лучей. [ необходима цитата ] Модели были отозваны, и последовавший за этим скандал заставил агентство США, ответственное за регулирование этой опасности, Центр устройств и радиологического здоровья Управления по контролю за продуктами и лекарствами (FDA), потребовать, чтобы все телевизоры включали цепи для предотвращения чрезмерного напряжения в случае выхода из строя. [ необходима цитата ] Опасность, связанная с чрезмерным напряжением, была устранена с появлением всех твердотельныхТелевизоры, у которых нет ламп, кроме ЭЛТ. С 1969 года FDA ограничило телевизионное рентгеновское излучение до 0,5 мР ( миллирентген ) в час. В используемых сегодня плоских экранах нет электронных ламп, способных испускать рентгеновские лучи.
См. Также [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме рентгеновских трубок . |
- Электронно-лучевая томография
- Ишемическая ангиография
- Синхротронное излучение
- Рентгеновская флуоресценция
- Рентгеновский генератор
- стекло-металл-уплотнение
Патенты [ править ]
- Кулидж , патент США 1,211,092 , « Рентгеновская трубка ».
- Langmuir , патент США 1,251,388 , « Способ и устройство для управления рентгеновскими трубками.
- Кулидж, патент США 1,917,099 , « Рентгеновская трубка ».
- Кулидж, патент США 1,946,312 , « Рентгеновская трубка ».
Ссылки [ править ]
- ^ Behling, Rolf (2015). Современные диагностические источники рентгеновского излучения, технологии, производство, надежность . Бока-Ратон, Флорида, США: Тейлор и Фрэнсис, CRC Press. ISBN 9781482241327.
- ^ Кулидж, патент США 1 203 495 . Дата приоритета 9 мая 1913 г.
- ↑ Схема континуума и характерных линий. Архивировано 23 февраля 2008 года на Wayback Machine.
- ^ Джон Г. Стирс; Джоэл П. Фелмли; Джоэл Э. Грей (сентябрь 1986 г.), «ср. Увеличение уровня половинной ценности из-за накопления вольфрама в рентгеновской трубке: факт или вымысел», Радиология , 160 (3): 837–838, doi : 10.1148 / радиология.160.3.3737925 , PMID 3737925
- ^ http://sprawls.org/ppmi2/XRAYHEAT/
- ^ http://sprawls.org/ppmi2/XRAYHEAT/
- ^ Перри Спролс, доктор философии. Нагревание и охлаждение рентгеновской трубки , из Интернет-издания The Physical Principles of Medical Imaging , 2nd Ed.
- ^ https://patents.google.com/patent/US2900543A/en
- ^ DE Grider, A Wright и PK Ausburn (1986), "Электронно-лучевое плавление в микрофокусных рентгеновских трубках", J. Phys. D: Прил. Phys. 19: 2281-2292
- ^ М. Otendal, Т. Туохимаа, У. Вогт и НМ Герц (2008), "A 9 кэВ электронным ударом жидкость-галлий-реактивный рентгеновский источник", Rev. Sci. Instrum. 79: 016102
- ^ Т. Туохимаа, М. Otendal и НМ Герц (2007), «фазового контраста рентгеновского изображения с источником микрофокусной жидкометаллическим струйно-анодной», Appl. Phys. Lett. 91: 074104
- ^ «Мы хотим, чтобы вы знали о телевизионном излучении» . Центр устройств и радиологического здоровья, FDA США. 2006. Архивировано из оригинала 18 декабря 2007 года . Проверено 24 декабря 2007 .
- ^ Пикеринг, Мартин. «Неофициальная история защиты от рентгеновских лучей» . sci.electronics.repair FAQ . Проверено 24 декабря 2007 .
- ^ Хонг, Мишель. «Напряжение телекамеры» . Проверено 11 августа +2016 .
Внешние ссылки [ править ]
- Рентгеновская трубка - рентгеновский снимок рентгеновской трубки
- Сайт катодно-лучевой трубки
- Общество радиологических наук штата Нью-Йорк
- Коллекция рентгеновских трубок Гжегожа Езерского из Польши
- Excillum AB, производитель микрофокусных рентгеновских трубок с металлическим струйным анодом
- пример того, как работают рентгеновские трубки.
