Rentgenstari tiek radīti, pārvēršot elektronu enerģiju fotonos, kas notiek rentgena lampā. Starojuma daudzumu (ekspozīciju) un kvalitāti (spektru) var regulēt, mainot ierīces strāvu, spriegumu un darbības laiku.
Darba princips
Rentgena lampas (foto ir sniegts rakstā) ir enerģijas pārveidotāji. Viņi to ņem no tīkla un pārvērš citos veidos - caurstrāvo starojumu un siltumu, kas ir nevēlams blakusprodukts. Rentgena lampas konstrukcija ir tāda, lai tā maksimāli palielinātu fotonu veidošanos un pēc iespējas ātrāk izkliedētu siltumu.
Caurule ir salīdzinoši vienkārša ierīce, kas parasti satur divus pamatelementus – katodu un anodu. Kad strāva plūst no katoda uz anodu, elektroni zaudē enerģiju, kā rezultātā rodas rentgena stari.
Anods
Anods ir komponents, kas izstaroaugstas enerģijas fotoni. Šis ir salīdzinoši masīvs metāla elements, kas savienots ar elektriskās ķēdes pozitīvo polu. Veic divas galvenās funkcijas:
- pārvērš elektronu enerģiju rentgena staros,
- izkliedē siltumu.
Anoda materiāls ir izvēlēts, lai uzlabotu šīs funkcijas.
Ideālā gadījumā lielākajai daļai elektronu vajadzētu veidot augstas enerģijas fotonus, nevis siltumu. To kopējās enerģijas daļa, kas tiek pārvērsta rentgena staros (efektivitāte), ir atkarīga no diviem faktoriem:
- anoda materiāla atomskaitlis (Z),
- elektronu enerģija.
Lielākajā daļā rentgenstaru lampu kā anoda materiālu izmanto volframu, kura atomu skaits ir 74. Šim metālam ir ne tikai liels Z, tam ir arī dažas citas īpašības, kas padara to piemērotu šim nolūkam. Volframs ir unikāls ar spēju saglabāt izturību karsējot, tam ir augsts kušanas punkts un zems iztvaikošanas ātrums.
Daudzus gadus anods tika izgatavots no tīra volframa. Pēdējos gados ir sākts izmantot šī metāla sakausējumu ar rēniju, bet tikai uz virsmas. Pats anods zem volframa-rēnija pārklājuma ir izgatavots no viegla materiāla, kas labi uzglabā siltumu. Divas šādas vielas ir molibdēns un grafīts.
Rentgena lampas, ko izmanto mamogrāfijai, ir izgatavotas ar anodu, kas pārklāts ar molibdēnu. Šim materiālam ir starpposma atomskaitlis (Z=42), kas ģenerē raksturīgus fotonus ar ērtu enerģiju.krūškurvja fotografēšanai. Dažām mammogrāfijas ierīcēm ir arī otrs anods, kas izgatavots no rodija (Z=45). Tas ļauj palielināt enerģiju un panākt lielāku iespiešanos saspringtām krūtīm.
Rēnija-volframa sakausējuma izmantošana uzlabo ilgtermiņa starojuma izvadi - laika gaitā tīra volframa anoda ierīču efektivitāte samazinās virsmas termisku bojājumu dēļ.
Lielākā daļa anodu ir veidoti kā slīpi diski un ir piestiprināti pie elektromotora vārpstas, kas tos griež salīdzinoši lielā ātrumā, vienlaikus izstarojot rentgena starus. Rotācijas mērķis ir noņemt siltumu.
Fokālā vieta
Rentgenstaru radīšanā nav iesaistīts viss anods. Tas notiek nelielā tās virsmas laukumā - fokusa vietā. Pēdējā izmērus nosaka elektronu stara izmēri, kas nāk no katoda. Lielākajā daļā ierīču tam ir taisnstūrveida forma, un tas svārstās no 0,1 līdz 2 mm.
Rentgenstaru lampas ir izstrādātas ar noteiktu fokusa punkta izmēru. Jo mazāks tas ir, jo mazāk izplūdis un asāks attēls, un jo lielāks tas ir, jo labāka siltuma izkliede.
Fokālā punkta izmērs ir viens no faktoriem, kas jāņem vērā, izvēloties rentgenstaru lampas. Ražotāji ražo ierīces ar maziem fokusa punktiem, ja nepieciešams sasniegt augstu izšķirtspēju un pietiekami zemu starojumu. Piemēram, tas ir nepieciešams, izmeklējot mazas un plānas ķermeņa daļas, piemēram, mamogrāfijā.
Rentgena lampas galvenokārt tiek ražotas ar diviem fokusa punktu izmēriem - lielu un mazu, ko operators var izvēlēties atbilstoši attēlveidošanas procedūrai.
Katods
Katoda galvenā funkcija ir ģenerēt elektronus un savākt tos starā, kas vērsts uz anodu. Parasti tas sastāv no nelielas stieples spirāles (vītnes), kas iegremdēta kausveida padziļinājumā.
Elektroni, kas iet cauri ķēdei, parasti nevar atstāt vadītāju un nonākt brīvā telpā. Tomēr viņi to var izdarīt, ja saņem pietiekami daudz enerģijas. Procesā, kas pazīstams kā termiskā emisija, elektronu izvadīšanai no katoda tiek izmantots siltums. Tas kļūst iespējams, kad spiediens evakuētajā rentgena caurulē sasniedz 10-6–10-7 mmHg. Art. Kvēldiegs uzsilst tāpat kā kvēlspuldzes kvēldiegs, kad caur to tiek izvadīta strāva. Rentgena lampas darbību pavada katoda uzsildīšana līdz mirdzuma temperatūrai, daļu elektronu no tā izspiežot siltuma enerģija.
Baloons
Anods un katods atrodas hermētiski noslēgtā traukā. Balons un tā saturs bieži tiek saukti par ieliktni, kam ir ierobežots kalpošanas laiks un kuru var nomainīt. Rentgena lampās lielākoties ir stikla spuldzes, lai gan dažiem lietojumiem tiek izmantotas metāla un keramikas spuldzes.
Galvenā balona funkcija ir nodrošināt atbalstu un izolāciju anodam un katodam, kā arī uzturēt vakuumu. Spiediens evakuētajā rentgena caurulē15°C temperatūrā ir 1,2 10-3 Pa. Gāzu klātbūtne balonā ļautu elektrībai brīvi plūst caur ierīci, nevis tikai elektronu stara veidā.
Lieta
Rentgena lampas konstrukcija ir tāda, ka tās korpuss papildus aptver un atbalsta citas sastāvdaļas, kalpo kā vairogs un absorbē starojumu, izņemot noderīgo staru, kas iet caur logu. Tā salīdzinoši lielā ārējā virsma izkliedē lielu daļu siltuma, kas rodas ierīces iekšpusē. Telpa starp korpusu un ieliktni ir piepildīta ar eļļu izolācijai un dzesēšanai.
Ķēde
Elektriskā ķēde savieno cauruli ar enerģijas avotu, ko sauc par ģeneratoru. Avots saņem strāvu no tīkla un pārveido maiņstrāvu līdzstrāvā. Ģenerators ļauj arī pielāgot dažus ķēdes parametrus:
- KV - spriegums vai elektriskais potenciāls;
- MA ir strāva, kas plūst caur cauruli;
- S - ilgums vai ekspozīcijas laiks, sekundes daļās.
Ķēde nodrošina elektronu kustību. Tie tiek uzlādēti ar enerģiju, izejot cauri ģeneratoram, un nodod to anodam. Viņiem pārvietojoties, notiek divas pārvērtības:
- potenciālā elektriskā enerģija tiek pārvērsta kinētiskā enerģijā;
- kinētiskā savukārt tiek pārvērsta rentgena staros un siltumā.
Potenciāls
Kad elektroni nonāk spuldzē, tiem ir potenciālā elektriskā enerģija, kuras daudzumu nosaka spriegums KV starp anodu un katodu. Rentgena caurule darbojaszem sprieguma, lai izveidotu 1 KV, no kuriem katrai daļiņai jābūt 1 keV. Pielāgojot KV, operators katram elektronam piešķir noteiktu enerģijas daudzumu.
Kinetika
Zems spiediens evakuētajā rentgena caurulē (pie 15°C tas ir 10-6–10-7 mmHg.) ļauj daļiņām izlidot no katoda uz anodu termiskās emisijas un elektriskā spēka ietekmē. Šis spēks tos paātrina, kas izraisa ātruma un kinētiskās enerģijas palielināšanos un potenciāla samazināšanos. Kad daļiņa nonāk pret anodu, tās potenciāls tiek zaudēts un visa enerģija tiek pārvērsta kinētiskā enerģijā. 100 keV elektrons sasniedz ātrumu, kas pārsniedz pusi no gaismas ātruma. Saskaroties ar virsmu, daļiņas ļoti ātri palēninās un zaudē savu kinētisko enerģiju. Tas pārvēršas rentgena staros vai siltumā.
Elektroni saskaras ar atsevišķiem anoda materiāla atomiem. Radiācija rodas, kad tie mijiedarbojas ar orbitālēm (rentgenstaru fotoniem) un ar kodolu (bremsstrahlung).
Link Energy
Katram elektronam atoma iekšienē ir noteikta saistīšanas enerģija, kas ir atkarīga no pēdējā lieluma un līmeņa, kurā atrodas daļiņa. Saistošajai enerģijai ir svarīga loma raksturīgo rentgenstaru veidošanā, un tā ir nepieciešama elektrona noņemšanai no atoma.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung rada vislielāko fotonu skaitu. Elektroni, kas iekļūst anoda materiālā un iet tuvu kodolam, tiek novirzīti un palēninātiatoma pievilkšanas spēks. Viņu enerģija, kas tika zaudēta šīs tikšanās laikā, parādās kā rentgena fotons.
Spektrs
Tikai dažu fotonu enerģija ir līdzīga elektronu enerģijai. Lielākā daļa no tām ir zemākas. Pieņemsim, ka ap kodolu ir telpa vai lauks, kurā elektroni piedzīvo "bremzēšanas" spēku. Šo lauku var iedalīt zonās. Tas piešķir kodola laukam mērķa izskatu ar atomu centrā. Elektrons, kas ietriecas jebkurā mērķa punktā, piedzīvo palēninājumu un ģenerē rentgenstaru fotonu. Visvairāk tiek ietekmētas daļiņas, kas nonāk vistuvāk centram, un tāpēc tās zaudē visvairāk enerģijas, ražojot visaugstākās enerģijas fotonus. Elektroniem, kas nonāk ārējās zonās, ir vājāka mijiedarbība un tie rada zemākus enerģijas kvantus. Lai gan zonām ir vienāds platums, tām ir atšķirīgs laukums atkarībā no attāluma līdz kodolam. Tā kā daļiņu skaits, kas nokrīt noteiktā zonā, ir atkarīgs no tās kopējās platības, ir acīmredzams, ka ārējās zonas uztver vairāk elektronu un rada vairāk fotonu. Šo modeli var izmantot, lai prognozētu rentgenstaru enerģijas spektru.
Emax galvenā starojuma spektra fotoni atbilst Emax elektroniem. Zem šī punkta, fotonu enerģijai samazinoties, to skaits palielinās.
Ievērojams skaits zemas enerģijas fotonu tiek absorbēts vai filtrēts, mēģinot iziet cauri anoda virsmai, caurules logam vai filtram. Filtrēšana parasti ir atkarīga no materiāla sastāva un biezuma, caur kurustars iet cauri, kas nosaka spektra zemas enerģijas līknes galīgo formu.
KV ietekme
Spektra augstas enerģijas daļu nosaka spriegums rentgenstaru lampās kV (kilovolti). Tas ir tāpēc, ka tas nosaka elektronu enerģiju, kas sasniedz anodu, un fotonu potenciāls nevar būt lielāks par šo. Ar kādu spriegumu darbojas rentgena caurule? Maksimālā fotona enerģija atbilst maksimālajam pielietotajam potenciālam. Šis spriegums ekspozīcijas laikā var mainīties maiņstrāvas tīkla strāvas dēļ. Šajā gadījumā fotona Emax nosaka svārstību perioda KVp. maksimālais spriegums.
Papildus kvantu potenciālam KVp nosaka starojuma daudzumu, ko rada noteikts elektronu skaits, kas skar anodu. Tā kā kopējā bremžu pārslēgšanas efektivitāte palielinās, palielinoties bombardējošo elektronu enerģijai, ko nosaka KVp, no tā izriet, ka KVpietekmē ierīces efektivitāti.
Mainot KVp, parasti mainās spektrs. Kopējais laukums zem enerģijas līknes ir fotonu skaits. Bez filtra spektrs ir trīsstūris, un starojuma daudzums ir proporcionāls KV kvadrātam. Filtra klātbūtnē KV palielināšanās palielina arī fotonu iespiešanos, kas samazina filtrētā starojuma procentuālo daudzumu. Tas palielina starojuma izvadi.
Raksturīgs starojums
Mijiedarbības veids, kas rada raksturlielumustarojums, ietver ātrgaitas elektronu sadursmi ar orbitālajiem elektroniem. Mijiedarbība var notikt tikai tad, ja ienākošajai daļiņai ir Ek lielāka par saistīšanas enerģiju atomā. Kad šis nosacījums ir izpildīts un notiek sadursme, elektrons tiek izmests. Šajā gadījumā paliek brīva vieta, kuru aizpilda augstāka enerģijas līmeņa daļiņa. Elektronam kustoties, tas izdala enerģiju, kas tiek izstarota rentgena kvantu veidā. To sauc par raksturīgo starojumu, jo fotona E ir ķīmiskā elementa, no kura izgatavots anods, īpašība. Piemēram, ja izsit elektronu no volframa K līmeņa ar Ebond=69,5 keV, vakanci aizpilda elektrons no L līmeņa ar E. obligācija=10, 2 keV. Raksturīgā rentgena fotona enerģija ir vienāda ar starpību starp šiem diviem līmeņiem jeb 59,3 keV.
Patiesībā šis anoda materiāls rada vairākas raksturīgas rentgenstaru enerģijas. Tas ir tāpēc, ka elektronus dažādos enerģijas līmeņos (K, L utt.) var izsist, bombardējot daļiņas, un vakances var aizpildīt no dažādiem enerģijas līmeņiem. Lai gan L līmeņa vakanču aizpildīšana rada fotonus, to enerģija ir pārāk zema, lai to izmantotu diagnostikas attēlveidošanā. Katrai raksturīgajai enerģijai tiek piešķirts apzīmējums, kas norāda orbitāli, kurā izveidojās vakance, ar indeksu, kas norāda elektronu piepildījuma avotu. Indekss alfa (α) norāda elektrona aizņemšanu no L līmeņa, un beta (β) norādaaizpildīšana no M vai N līmeņa.
- Volframa spektrs. Šim metālam raksturīgais starojums rada lineāru spektru, kas sastāv no vairākām diskrētām enerģijām, savukārt starojums rada nepārtrauktu sadalījumu. Katras raksturīgās enerģijas radīto fotonu skaits atšķiras ar to, ka K līmeņa vakances aizpildīšanas varbūtība ir atkarīga no orbitāles.
- Molibdēna spektrs. Šī metāla anodi, ko izmanto mamogrāfijā, rada divas diezgan intensīvas raksturīgās rentgenstaru enerģijas: K-alfa pie 17,9 keV un K-beta pie 19,5 keV. Optimālais rentgenstaru lampu spektrs, kas ļauj sasniegt vislabāko līdzsvaru starp kontrastu un starojuma devu vidēja izmēra krūtīm, tiek sasniegts pie Eph=20 keV. Tomēr bremsstrahlung tiek ražots ar lielu enerģiju. Mammogrāfijas iekārta izmanto molibdēna filtru, lai noņemtu nevēlamo spektra daļu. Filtrs darbojas pēc "K-edge" principa. Tas absorbē starojumu, kas pārsniedz elektronu saistīšanas enerģiju molibdēna atoma K līmenī.
- Rodija spektrs. Rodija atomu skaits ir 45, bet molibdēna atomu skaits ir 42. Tāpēc rodija anoda raksturīgajam rentgena starojumam būs nedaudz lielāka enerģija nekā molibdēnam, un tas ir caurlaidīgāks. To izmanto blīvu krūšu attēlveidošanai.
Dubultās virsmas molibdēna-rodija anodi ļauj operatoram izvēlēties sadalījumu, kas optimizēts dažādiem krūšu izmēriem un blīvumiem.
KV ietekme uz spektru
KV vērtība lielā mērā ietekmē raksturīgo starojumu, jo tas neradīsies, ja KV būs mazāks par K līmeņa elektronu enerģiju. Ja KV pārsniedz šo slieksni, starojuma daudzums parasti ir proporcionāls starpībai starp cauruli KV un slieksni KV.
No instrumenta izplūstošo rentgena fotonu enerģijas spektru nosaka vairāki faktori. Parasti tas sastāv no bremsstrahlung un raksturīgajiem mijiedarbības kvantiem.
Spektra relatīvais sastāvs ir atkarīgs no anoda materiāla, KV un filtra. Caurulē ar volframa anodu pie KV< 69,5 keV netiek radīts raksturīgs starojums. Pie augstākām CV vērtībām, ko izmanto diagnostikas pētījumos, raksturīgais starojums palielina kopējo starojumu līdz pat 25%. Molibdēna ierīcēs tas var veidot lielu daļu no kopējās paaudzes.
Efektivitāte
Tikai neliela daļa no elektronu piegādātās enerģijas tiek pārvērsta starojumā. Galvenā daļa tiek absorbēta un pārvērsta siltumā. Radiācijas efektivitāte ir definēta kā kopējās izstarotās enerģijas proporcija no kopējās elektroenerģijas, kas tiek nodota anodam. Faktori, kas nosaka rentgenstaru lampas efektivitāti, ir pielietotais spriegums KV un atomskaitlis Z. Sakarības piemērs ir šāds:
Efektivitāte=KV x Z x 10-6.
Saistībai starp efektivitāti un KV ir īpaša ietekme uz rentgena iekārtu praktisko izmantošanu. Siltuma izdalīšanās dēļ caurulēm ir noteikts elektriskā daudzuma ierobežojumsenerģiju, ko viņi var izkliedēt. Tas ierobežo ierīces jaudu. Tomēr, palielinoties KV, ievērojami palielinās radiācijas daudzums, ko rada siltuma vienība.
Rentgenstaru ģenerēšanas efektivitātes atkarība no anoda sastāva ir tikai akadēmiska nozīme, jo lielākajā daļā ierīču tiek izmantots volframs. Izņēmums ir mamogrāfijā izmantotais molibdēns un rodijs. Šo ierīču efektivitāte ir daudz zemāka nekā volframa to zemākā atomu skaita dēļ.
Efektivitāte
Rentgenstaru lampas efektivitāte ir definēta kā ekspozīcijas apjoms milirentgēnos, kas tiek piegādāts punktam noderīgā stara centrā 1 m attālumā no fokusa punkta uz katru 1 mAs elektroni, kas iet caur ierīci. Tās vērtība izsaka ierīces spēju pārvērst uzlādēto daļiņu enerģiju rentgena staros. Ļauj noteikt pacienta un attēla ekspozīciju. Tāpat kā efektivitāte, arī ierīces efektivitāte ir atkarīga no vairākiem faktoriem, tostarp KV, sprieguma viļņu formas, anoda materiāla un virsmas bojājumiem, filtra un lietošanas laika.
KV vadība
KV efektīvi kontrolē rentgenstaru lampas izvadi. Parasti tiek pieņemts, ka izvade ir proporcionāla KV kvadrātam. Divkāršojot KV, ekspozīcija palielinās par 4 reizēm.
Viļņu forma
Viļņu forma apraksta veidu, kā KV mainās laika gaitā ģenerēšanas laikāstarojums barošanas avota cikliskā rakstura dēļ. Tiek izmantotas vairākas dažādas viļņu formas. Vispārējais princips ir tāds, ka jo mazāk mainās KV forma, jo efektīvāk tiek ražoti rentgena stari. Mūsdienu iekārtās tiek izmantoti ģeneratori ar relatīvi nemainīgu KV.
Rentgenstaru lampas: ražotāji
Oxford Instruments ražo dažādas ierīces, tostarp stikla ierīces ar jaudu līdz 250 W, 4–80 kV potenciālu, fokusa punktu līdz 10 mikroniem un plašu anoda materiālu klāstu, tostarp Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian piedāvā vairāk nekā 400 dažādu veidu medicīniskās un rūpnieciskās rentgenstaru lampas. Citi labi zināmi ražotāji ir Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong utt.
Rentgenlampas "Svetlana-Rentgen" tiek ražotas Krievijā. Papildus tradicionālajām ierīcēm ar rotējošu un stacionāru anodu uzņēmums ražo ierīces ar aukstu katodu, ko kontrolē gaismas plūsma. Ierīces priekšrocības ir šādas:
- strādājiet nepārtrauktā un impulsa režīmā;
- inerce;
- LED strāvas intensitātes regulēšana;
- spektra tīrība;
- iespēja iegūt dažādas intensitātes rentgenstarus.
