Рентгеновские генераторы и трубки. Рентгеновская техника

Рентгеновский излучатель для медицинской диагностики представляет собой маслонаполненный металлический кожух с рентгеновской трубкой. Рентгеновская трубка - это колба из термостойкого стекла, внутри которой размещены в глубоком вакууме термокатод и анод (рис.

2.3). Термокатод накаливается за счет прохождения через вольфрамовую спираль электрического тока. В процессе термоэлектронной эмиссии катода и благодаря наличию разности потенциалов между катодом и анодом в 25–150 кВ создается поток электронов, бомбардирующих поверхность анода. Пучок электронов фокусируется электростатической системой в малое фокальное пятно на поверхности анода.

Электроны осуществляют ионизацию атомов материала анода, тормозятся и останавливаются. Большая часть энергии, передаваемой электронами аноду, конвертируется в тепловую, и только малая ее часть (меньше 1 %) преобразуется в тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Некоторая часть этих рентгеновских лучей проходит через выходные окна колбы и кожуха, фильтр, коллимирующее устройство и далее через пациента - на приемник.

Рентгеновские лучи, распространяющиеся в других направлениях, поглощаются кожухом трубки. Вся конструкция трубки устанавливается на штативе, обеспечивающем легкость ее позиционирования. Коллиматор необходим для управления размерами и направлением рентгеновского пучка.

Рис. 2.3. Конструкция рентгеновской трубки с вращающимся анодом:

1 - термовыключатель; 2 - высоковольтный кабель; 3 - катод прямого накала; 4 - рентгенопрозрачное окно; 5 - вакуум; 6 - блок катода; 7 - высоковольтный кабель; 8 - отпаечный отросток; 9 - свинцовый корпус; 10 - стеклянная колба; 11 - мишень; 12 - анод; 13 - тепловой экран; 14 - держатель из молибдена; 15 - маслорасширительная диафрагма

На рис. 2.4. наглядно представлен внешний вид типичной рентгеновской трубки с вращающимся анодом для рентгеновского аппарата общего назначения .

Конструкция узла термокатода и электронно-оптической системы играет очень важную роль, поскольку нерезкость изображения в значительной степени зависит от размеров фокального пятна на поверхности анода, а выходная мощность излучения трубки определяется электронным током, приходящим на анод.

Катод (чаще всего прямого накала) представляет собой вольфрамовую спираль, которая устанавливается в никелевой капсуле. Эта капсула поддерживает нить накала и имеет такую форму, что создаваемое электрическое поле фокусирует электроны в узкий пучок. Вращающийся анод имеет коническую поверхность с тупым углом при вершине (рис. 2.4, 2.5).

В выходное окно поступают те рентгеновские лучи, которые идут приблизительно под прямым углом к направлению электронного пучка, так что на поверхности приемника рентгеновское излучение имеет квадратное сечение, даже если поток электронов, бомбардирующий мишень, хорошо сколлимирован.

Рис. 2.4. Рентгеновская трубка с вращающимся анодом:

1 - колба, 2 - катодный узел, 3 - скошенный (конический) анод, 4 - ротор и подшипниковый узел

Угол наклона поверхности анода q выбирается исходя из назначения трубки и изменяется в зависимости от требований к размерам поля и фокального пятна, а также к выходной мощности трубки (рис. 2.6). Для рентгеновских трубок общего назначения величина угла q составляет около 17°.

Во многих случаях анод имеет скос под двумя различными углами, а также две нити накала для выбора либо узкого, либо широкого фокального пятна, а также для обеспечения повышенной надежности трубки.

Поскольку большая часть энергии, отдаваемая потоком электронов аноду, преобразуется в тепло, то одной из важнейших проблем является проблема его уменьшения и быстрого его отвода и рассеяния. В самом деле, мощность электронного пучка в рентгенодиагностических аппаратах может достигать примерно 100 кВ ´ 300 мА = 30 кВт. Эту проблему можно решить таким образом, чтобы поток электронов падал на поверхность вращающегося анода, а полоска фокуса двигалась по периферии анодного диска. Для трубок общего назначения скорость вращения анода составляет примерно 3000 об/мин, а диаметр анодного диска - порядка 10 см.

Рис. 2.5. Схема рентгенодиагностической системы

Анод изготавливают, как правило, из вольфрама, хотя для специальных применений, в которых требуется рентгеновское излучение с малой энергией фотонов, используется молибден. Атомный номер вольфрама Z = 74, вольфрам имеет необходимые теплопроводность и теплоемкость, а также высокую температуру плавления. Важно, чтобы атомный номер материала анода был большим, так как выход тормозного излучения с анода увеличивается с атомным номером, а спектр рентгеновского излучения, создаваемый элементом с большим атомным номером, хорошо подходит для получения изображения более массивных частей тела. Для увеличения срока службы рентгеновской трубки часто используют сплав вольфрама с рением (в пропорции 90:10). Это уменьшает разрушение поверхности анода (в виде появления микротрещин), вызываемое продолжительными циклическими процессами нагрева и охлаждения.

Рис. 2.6. Использование скошенного анода для уменьшения эффективного размера фокального пятна. Ширина пучка электронов равна lcosq, в то время как размер фокального пятна, измеренный относительно центральной оси поля излучения, равен lsin q.

Важно, чтобы анодный диск имел высокую полную теплоемкость. Большая теплоемкость, связанная с увеличением размера и массы анода, позволяет достигать более коротких временных интервалов между экспозициями. Для трубок, работающих в напряженном режиме, теплоемкость анода можно увеличить введением молибденовой подложки, поскольку молибден имеет более высокую удельную теплоемкость, чем вольфрам (табл. 2.1).

Таблица 2.1 Свойства молибдена и вольфрама

Анодный диск крепится на тонком молибденовом стержне, что уменьшает обратный поток тепла и предохраняет от перегрева подшипники ротора. От вращающегося анода тепло отводится главным образом излучением стеклянной колбе и далее – за счет теплопроводности – трансформаторному маслу, заполняющему кожух.

Электропривод вращения анода устроен по принципу асинхронного двигателя, причем ротор, жестко соединенный с анодом, вращается внутри колбы в глубоком вакууме, а статор располагается снаружи и охлаждается маслом.

Использование: в рентгенотехнике. Сущность изобретения: анод содержит основание из молибденового сплава, в состав которого входит по меньшей мере один из элементов, выбранных из группы, включающей ниобий, тантал и рений, и мишень из сплава вольфрама, основание и мишень выполнены в виде связной монокристаллической структуры. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к источникам рентгеновского излучения и может быть использовано при создании рентгеновских излучателей с повышенным уровнем мощности и ресурсом работы для медицинских и технических целей. Известны вращающиеся аноды рентгеновской трубки, например для компьютерных томографов, выполненные в виде металлического диска из тугоплавкого сплава, например, на основе молибдена с нанесенным на него слоем из вольфрам-рениевого сплава . Однако аноды данного типа обладают недостаточным ресурсом работы и невысокой надежностью из-за процессов рекристаллизации в рабочей зоне при высоких тепловых нагрузках. Наиболее близким техническим решением к заявляемому по технической сущности является анод, содержащий основание из молибденового сплава, в состав которого входит по меньшей мере один из элементов, выбранных из группы, включающей ниобий, тантал и рений, и мишень из вольфрама или его сплава . Недостаток данного анода заключается в структурной нестабильности дисперсно-упрочненных молибденовых сплавов. В таких материалах при повышенных температурах могут интенсивно протекать процессы рекристаллизации. Их термопрочность в условиях циклического воздействия также имеет температурные пределы при используемых скоростях вращения анода. При этом циклические внутренние напряжения вызывают растрескивание поверхности кольцевой рабочей дорожки на мишени анода, что обусловливает снижение интенсивности излучения и ресурса работы трубки. Поэтому при использовании поликристаллических материалов, в частности сплавов на основе молибдена, максимальная допустимая мощность рентгеновского излучателя и его ресурс работы определяются из условия, чтобы среднемассовая температура анода не превосходила 1200-1300 о С. Целью изобретения является повышение стойкости анода к тепловым нагрузкам. Цель достигается тем, что диск анода и слой мишени выполнены в виде монокристалла. Кроме того, использование монокристаллического сплава на основе молибдена, преимущественно легированного ниобием и/или танталом в количестве 1-9% по массе, в котором также может содержаться 0,5-9% по массе рения, обеспечивает повышение уровня жаропрочности анода в области температур 1400-1700 о С и удовлетворительную обрабатываемость при комнатных температурах. Сплавы данного состава относятся к сплавам с твердорастворным типом упрочнения и характеризуются высокой структурной стабильностью во всем температурном интервале существования. Поэтому при выполнении анодного диска из монокристаллического сплава полностью исключены все процессы, связанные с температурной кинетикой развития структуры, характерные для поликристаллических сплавов. Указанные отличия позволяют поднять допустимый уровень среднемассовой температуры диска до 1400-1600 о С. Кроме того, выполнение диска монокристаллическим таким образом, чтобы его поверхность со стороны слоя мишени совпадала с плотноупакованной кристаллографической гранью {110}, позволяет дополнительно повысить надежность анода и допустимую мощность за счет ориентации кристалла. Легирование молибдена в указанных выше количествах ниобием, танталом и рением обеспечивает оптимальность теплофизических и структурных свойств. При количествах меньших нижнего уровня существенно снижается жаропрочность, а при количествах больших верхнего уровня снижается теплопроводность. В совокупности все это позволяет повысить надежность работы анода и повысить мощность рентгеновской трубки, а также увеличить ресурс работы анода. П р и м е р. Металлический анод выполнен в виде диска из монокристалла молибденового сплава. Диаметр диска около 100 мм, толщина около 5 мм. Поверхность диска со стороны мишени имеет конусность 12 о. Заготовка диска получена методом зонной плавки. Слой мишени выполнен методом высокотемпературного (1600 о С) вакуумного напыления в виде монокристалла вольфрама. Предварительные тепловые испытания изготовленных анодов проведены в сравнении с анодами известной конструкции и имеющими одинаковую теплоемкость (аноды рентгеновской трубки 2-30БД11-150). Получено, что по рассеиваемой мощности предложенные аноды превосходят известные на 30-40%, что обеспечивает повышение надежности работы анода, а также мощности рентгеновской трубки, содержащей анод заявляемой конструкции.

Формула изобретения

1. ВРАЩАЮЩИЙСЯ АНОД РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ, содержащий основание из молибденового сплава, в состав которого входит по меньшей мере один из элементов, выбранных из группы, включающей ниобий, тантал и рений, и мишень из вольфрама или его сплава, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости анода к тепловым нагрузкам, основание и мишень выполнены в виде связной монокристаллической структуры. 2. Анод по п.1, отличающийся тем, что поверхность связной монокристаллической структуры совпадает с плоскостью кристаллографической формы {110}.

Каковы особенности выбора рентгеновского аппарата

Качественная и своевременная диагностика - залог успешного и эффективного лечения. Вот почему в современном мире без рентгеновского аппарата не обходится ни одно лечебно-диагностическое учреждение.

Руководители медицинских центров часто сталкиваются с вопросом выбора данного оборудования, но как определить, какой рентген аппарат из великого множество вариантов, представленных на рынке, подойдет для клиники? По каким параметрам выбрать и купить рентген аппарат? Как не переплатить за ненужные функции и не упустить главное?

Сегодня все чаще устаревшие «пленочные» аппараты заменяются цифровыми рентгеновскими аппаратами, увеличивающими пропускную способность кабинета и сводящими к минимум дозу облучения. Стоит ли сделать выбор в их пользу или работать «по старинке»?

В данной статье мы расскажем, какими бывают рентгеновские системы и чем они друг от друга отличаются, о их преимуществах и особенностях, которые важно знать тем, кто решил купить рентгеновский аппарат.

Виды рентгенографических аппаратов

В соответствии с условиями эксплуатации, рентген аппарат может быть палатным, передвижным и стационарным.

Представлены и специализированные типы рентген аппаратов:

применяющиеся в операционных при хирургических вмешательствах - «ГУСЬ», «С-дуга»

аппараты для ангиографии - «С-дуга»

маммограф ические - «маммграфы»

стационарные на два и три рабочих места

ангиографические «С-дуга» «ангио комплексы»

компьютерные томографы с разным количеством срезов

дентальные рентгены для стоматологических отделений

Также существуют переносные малогабаритные аппараты, использующиеся для простых рентген-исследований в машине скорой помощи или на дому у пациента. Область применения переносных аппаратов крайне ограничена, ввиду их очень низкой мощности, поэтому они не могут заменить собой ни передвижной, ни тем более стационарный рентгеновский аппарат.

Передвижные рентгеновские установки применяются в основном в палатах, в связи с этим их часто называют «палатным рентген аппаратом». Мощность передвижных рентгенаппаратов составляет в среднем от 2,5 кВт до 32 кВт. Мощность классических стационарных аппаратов начинается от 40 кВт.

Некоторые медицинские центры, имеющие существенные ограничения на установку стационарного рентген аппарата, используют передвижной (палатный) рентген мощностью 32 кВт для рентгенографических исследований в отделении рентгенологии.

Рентгеновский аппарат типа U-arm представляет из себя рентгенографический аппарат с расположенными на едином вращающемся штативе излучателем и детектором. Для снимков в положении «лёжа» используется рентген-прозрачная каталка. Данный тип стационарных рентген аппаратов чаще всего используется в помещениях с небольшой площадью.

Рентгеновские системы на базе телеуправляемого стола-штатива - это наиболее дорогой тип стационарных рентгенографических аппаратов. Это установки 3 в 1 для рентгенодиагностического отделения любого современного медицинского учреждения. Они позволяют проводить все возможные рентгенографические и рентгеноскопические исследования. Наиболее распространенный тип стационарных рентгеновских систем в медицинских центрах - это классические рентгенографические аппараты на два рабочих места. Основными компонентами таких систем являются рентгеновская трубка (с потолочным или напольным креплением), стол снимков - для положения «лёжа», стойка снимков - для положения «стоя» и генератор.

При покупке рентген аппарата важно определиться с профилем исследований и местом расположения оборудования. Выбрав вид рентгеновского аппарата, можно перейти к оценке его технических параметров.

Важные технические характеристики рентгенаппаратов

Мощность генератора

При выборе аппарата следует учесть и основные технические характеристики. Чем выше мощность питающего устройства, тем меньше время экспозиции, тем ниже лучевая нагрузка, и при некоторых исследованиях выше качество изображения. В особенности это важно при обследовании тучных пациентов.

Для стационарных рентгеновских аппаратов диапазон мощности генератора в среднем составляет от 40кВт до 80кВт. Наибольшее распространение получили конфигурации с мощностью питающего устройства 50кВт - этого достаточно для проведения подавляющего большинства исследований. Но важно учитывать, что мощность генератора должна быть согласована с рабочей мощностью фокусов рентгеновской трубки, которые определяют рабочую мощность системы «генератор - рентгеновская трубка».

Тип генератора

При выборе рентгенаппарата важно также учитывать тип генератора: высокочастотные питающие устройства отличаются небольшой пульсацией анодного напряжения, что увеличивает ресурс рентгеновской трубки и снижает дозу облучения для пациента.

Технические решения, реализованные в конструкции лучших современных генераторов, обеспечивают получение рентгенограмм с высоким контрастным и пространственным разрешениями, а также максимальную безопасность исследования за счет минимизации «мягкого» рентгеновского излучения, не участвующего в формировании изображения.

Параметры рентгеновской трубки

Основными характеристиками самой рентгеновской трубки, которые важны для рентгенодиагностики, являются эффективные размеры фокусов .

Значение теоретически достижимого пространственного разрешения уменьшается при увеличении размера фокуса. При размере фокуса 2 мм по разным оценкам можно распознать до 3 пар линий/мм, даже если детектор имеет лучшие характеристики (рентгеновская пленка, например, позволяет различать 10-15 пар линий/мм). Все трубки имеют два рабочих фокуса. Чем ниже значение размера фокуса рентгеновской трубки, тем более четкими будут получаемые снимки, но уменьшение размера фокуса уменьшает и рабочую мощность.

При этом важно, чтобы мощность генератора рентген аппарата соответствовала рабочей мощности фокусов поставляемой трубки.

Еще одной характеристикой рентгеновских трубок является значение теплоемкости анода , влияющее на ресурсоемкость системы. Чем выше этот показатель, тем больше количество исследований до перегрева трубки и тем дольше она прослужит.

При выборе стационарного рентгенографического аппарата стоит обратить внимание на характеристики стола снимков.

В производстве столов снимков с высокой максимальной разрешенной нагрузкой применяются наиболее дорогие и надежные комплектующие. Хорошим показателем считается разрешенная максимальная нагрузка на стол в 200кг, но некоторые производители выпускают опциональные модели столов с разрешенной нагрузкой до 290 кг или даже выше.

Рентгенаппарат может быть также оснащен столом снимков, имеющим опцию «лифта», позволяющей перемещать поверхность стола в вертикальной плоскости - в среднем в диапазоне 500-850 мм от уровня напольного покрытия.

Варианты крепления трубки

У стационарных рентгеновских аппаратов на 2 рабочих места существует два варианта крепления трубки - на напольном штативе и потолочное.

Наибольшее распространение в частных медицинских центрах получил вариант крепления трубки на напольном штативе. Он проще в монтаже, не имеет серьезных ограничений по минимальной высоте потолков и площади рентген-кабинета.

Потолочное крепление трубки - это более дорогой, в том числе и в монтаже, вариант, но и более надежный и удобный в работе. Если позволяют габариты помещения, потолочное перекрытие и бюджет, выделенный на рентгенографический аппарат, то при большом планируемом потоке пациентов лучше остановиться на варианте потолочного крепления трубки.

Если же при большом потоке пациентов предполагается покупка рентгенаппарата с напольным крепление трубки, следует обратить внимание на варианты с усиленным напольных штативом.

Преимущества цифровых рентген-аппаратов

В последние годы диагностика всё чаще проводится с использованием цифровой рентгенографической аппаратуры нового поколения. Она обеспечивает мгновенное получение снимков, исключает процесс проявки, позволяет хранить изображения и проводить диагностику с помощью компьютерной техники.

Цифровой рентгеновский аппарат отличается тем, что полученные при помощи рентгеновского облучения изображения анатомических структур обрабатываются цифровым способом.

Главными достоинствами этого современного метода диагностики можно назвать:

высочайшее качество получаемых изображений: возможность их цифровой обработки позволяет выявить важные детали;

скорость и удобство работы: сразу после проведения процедуры изображение доступно для анализа;

удобство хранения и экономия пространства за счет создания мобильных и легкодоступных рентгеновских архивов,

более низкая стоимость исследований за счет отсутствия пленки и реактивов, и экологическая безопасность, благодаря устранению этапа проявки.

Для пациентов также важно, что современный цифровой рентген аппарат сводит к минимуму облучение в ходе процедуры исследования.

Рентгеновские аппараты, оснащенные цифровой системой, стоят дороже аналоговых, зато не требуют проявочной машины с расходными материалами и специального затемненного помещения для нее.

Переход на цифровую технологию позволяет существенно увеличить пропускную способность рентген кабинета, уменьшить дозовую нагрузку на пациента, а также снизить время ожидания результата для пациента. Появляется возможность редактирования и обработки полученных снимков, чтобы специалистам было легче определиться с диагнозом и спецификой заболевания.

Система на основе полупроводниковых плоских детекторов - это самая современная технология, имеющая более высокое разрешение.

В CR системах применяется принцип люминофорной чувствительности. Внешне это обычный рентген аппарат, в котором вместо пленочной кассеты используется CR-кассета на основе запоминающих люминофоров. После снимка кассету необходимо достать из аппарата и поместить в специальное считывающее устройство - дигитайзер. По окончании процесса считывания дигитайзер передаёт полученное цифровое изображение на рабочую станцию лаборанта, при этом кассета будет очищена и готова к следующему исследованию.

В DR системах применяются полупроводниковые плоскопанельные детекторы. Цифровой рентгеновский аппарат на два рабочих места может быть оснащен как одним беспроводным плоскопанельным детектором, который необходимо перемещать от стола к стойке снимков, так и двумя - и для стола и для стойки снимков.

При этом необходимо учитывать, что плоскопанельный детектор ни в коем случае нельзя ронять, а его стоимость составляет большую часть всей DR-системы, в отличии от CR, где стоимость отдельно взятой кассеты незначительна.

После снимка, практически моментально, плоскопанельный детектор передает цифровое изображение на рабочую станцию лаборанта. В цепочке отсутствует звено в виде оцифровщика (дигитайзера), что существенно сокращает время получения цифрового изображения, а также надежность всей системы.

Системы с плоскопанельным детектором (DR) стоят дороже систем на кассетах с дигитайзером (CR), но они оправданы при большом потоке пациентов, так как существенно повышают пропускную способность рентген кабинета, являются более надежными, а также позволяют получать изображения наилучшего качества.

Помимо рабочей станции лаборанта, как правило, входящей в комплект поставки CR или DR систем, для оснащения отделения рентгенологии с цифровым рентгеновским аппаратом понадобятся рабочая станция врача, комплектуемая медицинским монитором высокого разрешения, и специальный принтер для распечатки рентгеновских снимков.

При выборе и покупке рентгеновского аппарата желательно учитывать наличие сети авторизованных производителем сервисных центров на территории России со складом основных запчастей, которые осуществляют как гарантийное, так и постгарантийное обслуживание.

Грамотный подбор оборудования имеет огромное значение для полноценного функционирования рентгенологического отделения в частной клинике.

При расчете теплового режима анодов рентгеновских трубок, как правило, вполне допустимо считать, что теплофизические характеристики материалов, из которых изготовлен анод, не зависят от температуры.

Как известно, практически вся потребляемая трубкой электрическая мощность преобразуется в тепло, выделяемое на аноде рентгеновской трубки. Поэтому при конструировании рентгеновских трубок необходимо рассчитывать их тепловые режимы. С точки зрения нагрева наиболее критическими являются центр фокусного пятна и центр спая мишени с массивным анодом.

При расчете теплового режима анодов рентгеновских трубок, как правило, вполне допустимо считать, что теплофизические характеристики материалов, из которых изготовлен анод, не зависят от температуры.

Если имеем цилиндрический анод радиуса R, и высотой h с массивной мишенью толщиной d , то данную задачу удобнее решать в цилиндрических координатах. Допустим, что мишень бомбардируется осесимметричным электронным пучком с радиусом r . Распределение плотности тока в пучке и, следовательно, распределение теплового потока в фокусном пятне на поверхности мишени будем считать равномерным. Как показывает опыт, основание анода является практически изотермическим и будем считать, что с помощью системы охлаждения температура основания Тс1 поддерживается постоянной. Поскольку боковая поверхность массивного анода обычно находится в вакууме, то теплоотводом через нее можно пренебречь. Для охлаждения трубки можно применить простую систему воздушного охлаждение в виде радиатора в основании анода. Предположив, что основание анода не будет нагреваться выше 100ºС в постоянном режиме работы на мощности 400 ватт, можно рассчитать требуемую площадь радиатора по формуле:

где S – площадь радиатора в метрах, T осн - температура основания анода, Т в - температура окружающего воздуха, W - рассеиваемая мощность, а - коэффициент теплоотдачи. Для систем с естественным конвекционным охлаждением а =(2...10) Вт/м²К,для систем с принудительным воздушным охлаждением а =(10…150) Вт/м²К и более. Для принудительного охлаждения(а=100 Вт/м²К) рентгеновской трубки в постоянном режиме требуется площадь радиатора около 0,06 м 2 .

При работе в постоянном режиме более предпочтительны системы с жидкостным охлаждением. Для данной рентгеновской трубки можно использовать систему охлаждения в виде радиатора в защитном кожухе с трансформаторным маслом. Расчёт такой системы охлаждения можно произвести по формуле:

где t – температура радиатора, С; t 0 – температура масла, С; S - поверхность теплообмена, м 2 ; ς = 1 – при вертикальном положении радиатора; ς = 0.8 – при горизонтальном положении радиатора. Предположив, что система охлаждения будет подводить к горизонтально расположенному радиатору масло с температурой 30С и отводить с температурой не выше 100С можно рассчитать требуемую площадь радиатора.

Если принять теплоёмкость масла равной С = 1.8 кДж/(кг*К) (С = 1.5 кДж/(л*К)) то для отвода тепла потребуется поток масла болееU=0.229 л/мин.

Рис. 3. Схема цилиндрического медного анода с вольфрамовой мишенью

Расчёт теплового режима производился в математическом пакете Mathcad.

Р а д и у с а н о д а, с м

Т о л щ и н а а н о д а, с м

Р а д и у с ф о к у с н о г о п я т н а, с м

Т о л щ и н а ф о л ь ф р а м о в о й м и ш е н и, с м

Т е м п е р а т у р а о х л а ж д а е м о г о о с н о в а н и я а н о д а, 0С

М о щ н о с т ь т р у б к и, В т

К о э ф ф и ц и е н т т е п л о п р о в о д н о с т и м а т е р и а л а м и ш е н и (в о л ь ф р а м а), В т /(с м *г р а д)

К о э ф ф и ц и е н т т е п л о п р о в о д н о с т и м а т е р и а л а а н о д а (м е д и), В т /(с м *г р а д)

Т е м п е р а т у р а в ц е н т р е ф о к у с н о г о п я т н а о п р е д е л я е т с я к а к

Т е м п е р а т у р а в ц е н т р е с п а я м и ш е н и с а н о д о м о п р е д е л я е т с я к а к

Функции ff1 и fm2, используемые при расчёте температур, зависят от геометрии анода, радиуса фокусного пятна и коэффициентов и теплопроводности мишени и тела анода.

Температуры в таком режиме не превышают допустимых 2000°С для вольфрамовой мишени и 800°С для медного анода. Максимально возможная мощность, рассеиваемая разрабатываемой трубки по этой модели - 670 ватт. Превышение этой мощности приведёт к разрушению медного анода в месте соприкосновения с вольфрамовой мишенью. Но, следует отметить, данная модель не учитывает излучение с поверхности анода и мишени, не учитывает и тот факт, что радиатор анода может нагреваться свыше 100°С.

Рентгеновское излучение создается путем преобразования энергии электронов в фотоны, которое происходит в рентгеновской трубке. Количество (экспозицию) и качество (спектр) излучения можно регулировать путем изменения тока, напряжения и времени работы прибора.

Принцип работы

Рентгеновские трубки (фото приведено в статье) являются преобразователями энергии. Они получают ее из сети и превращают в другие формы - проникающее излучение и тепло, при этом последнее является нежелательным побочным продуктом. трубки таково, что она максимизирует производство фотонов и рассеивает тепло так быстро, насколько это возможно.

Трубка представляет собой относительно простой прибор, как правило, содержащий два принципиальных элемента - катод и анод. Когда ток течет от катода к аноду, электроны теряют энергию, что приводит к генерации рентгеновского излучения.

Анод

Анод является компонентом, в котором производится испускание высокоэнергетических фотонов. Это сравнительно массивный элемент из металла, который соединяется с положительным полюсом электрической цепи. Выполняет две основные функции:

• преобразует энергию электронов в рентгеновское излучение,
• рассеивает тепло.

Материал для анода выбирается так, чтобы усилить эти функции.

В идеале большинство электронов должно образовывать высокоэнергетические фотоны, а не тепло. Доля их полной энергии, которая превращается в рентгеновское излучение, (КПД) зависит от двух факторов:

• атомного номера (Z) анодного материала,
• энергии электронов.

В большинстве рентгеновских трубок в качестве материала анода используется вольфрам, атомный номер которого равен 74. В дополнение к большому Z, этот металл обладает некоторыми другими характеристиками, которые делают его подходящими для этой цели. Вольфрам уникален по своей способности сохранять прочность при нагревании, имеет высокую температуру плавления и низкую скорость испарения.

В течение многих лет анод делали из чистого вольфрама. В последние годы начали использовать сплав этого металла с рением, но лишь на поверхности. Сам анод под вольфрам-рениевым покрытием изготовляется ​​из легкого материала, хорошо аккумулирующего тепло. Двумя такими веществами являются молибден и графит.

Рентгеновские трубки, используемые для маммографии, изготавливают с анодом, покрытым молибденом. Этот материал имеет промежуточный атомный номер (Z=42), который генерирует характеристические фотоны с энергиями, удобными для съемки груди. Некоторые приборы для маммографии также имеют второй анод, выполненный из родия (Z=45). Это позволяет повысить энергию и добиться большего проникновения для плотной груди.

Сплава улучшает долгосрочный выход излучения - со временем эффективность устройств с анодом из чистого вольфрама уменьшается вследствие термического повреждения поверхности.

Большинство анодов имеет ​​форму скошенных дисков и крепится к валу электродвигателя, который вращает их на относительно высоких скоростях во время испускания рентгеновских лучей. Цель вращения - отвод тепла.

Фокальное пятно

В генерации рентгеновского излучения участвует не весь анод. Оно возникает на небольшом участке его поверхности - фокальном пятне. Размеры последнего определяются размерами электронного пучка, поступающего из катода. В большинстве устройств оно имеет прямоугольную форму и варьируется в пределах 0,1-2 мм.

Рентгеновские трубки проектируют с определенным размером фокального пятна. Чем оно меньше, тем меньше размытость и выше четкость изображения, и чем оно больше, тем лучше отводится тепло.

Размер фокусного пятна является одним из факторов, который необходимо учитывать, когда выбирают рентгеновские трубки. Производители выпускают приборы с малыми фокальными пятнами, когда необходимо достичь высокой разрешающей способности и достаточно небольшой радиации. Например, это требуется при исследовании малых и тонких частей тела, как в маммографии.

Рентгеновские трубки в основном производят с фокусными пятнами двух размеров - большим и малым, которые могут быть выбраны оператором в соответствии с процедурой формирования изображения.

Катод

Основная функция катода - генерировать электроны и собирать их в луч, направленный на анод. Как правило, он состоит из небольшой проволочной спирали (нити), погруженной в чашеобразное углубление.

Электроны, проходящие по цепи, обычно не могут покинуть проводник и уйти в свободное пространство. Однако они могут это сделать, если получат достаточное количество энергии. В процессе, известном как термоэмиссия, для изгнания электронов из катода используется тепло. Это становится возможным, когда давление в откачанной рентгеновской трубке достигает 10 -6 -10 -7 мм рт. ст. Нить нагревается таким же образом, как спираль лампы накаливания при пропускании через нее тока. Работа рентгеновской трубки сопровождается нагревом катода до температуры свечения с вытеснением тепловой энергией из него части электронов.

Баллон

Анод и катод содержатся в герметичном корпусе - баллоне. Баллон и его содержимое часто называют вставкой, которая имеет ограниченный срок службы и может заменяться. Рентгеновские трубки в основном имеют стеклянные колбы, хотя для некоторых применений используются металлические и керамические баллоны.

Основной функцией баллона является обеспечение поддержки и изоляция и поддержание вакуума. Давление в откачанной рентгеновской трубке при 15°C составляет 1,2·10 -3 Па. Наличие газов в баллоне позволило бы электричеству течь через прибор свободно, а не только в виде электронного пучка.

Корпус

Устройство рентгеновской трубки таково, что, в дополнение к ограждению и поддержке других компонентов, ее корпус служит щитом и поглощает излучение, за исключением проходящего через окно полезного пучка. Его относительно большая внешняя поверхность рассеивает большую часть тепла, образуемого внутри устройства. Пространство между корпусом и вставкой заполнено маслом, обеспечивающим изоляцию и ее охлаждение.

Цепь

Электрическая цепь соединяет трубку с источником энергии, который называется генератором. Источник получает питание от сети и преобразует переменный ток в постоянный. Генератор также позволяет регулировать некоторые параметры цепи:

• KV - напряжение или электрический потенциал;
• MA - ток, который течет через трубку;
• S - длительность или время экспозиции, в долях секунды.

Цепь обеспечивает движение электронов. Они заряжаются энергией, проходя через генератор, и отдают ее аноду. По мере их движения происходит два преобразования:

• потенциальная электрическая энергия превращается в кинетическую;
• кинетическая, в свою очередь, преобразуется в рентгеновское излучение и тепло.

Потенциал

Когда электроны поступают в колбу, они обладают потенциальной электрической энергией, количество которой определяется напряжением KV между анодом и катодом. Рентгеновская трубка работает под напряжением, для создания 1 KV которого каждая частица должна обладать 1 кэВ. Регулируя KV, оператор наделяет каждый электрон определенным количеством энергии.

Кинетика

Низкое давление в откачанной рентгеновской трубке (при 15°C оно составляет 10 -6 -10 -7 мм рт. ст.) позволяет частицам под действием термоэлектронной эмиссии и электрической силы вылетать из катода к аноду. Эта сила ускоряет их, что приводит к увеличению скорости и кинетической энергии и убыванию потенциальной. Когда частица попадает на анод, ее потенциал теряется, и вся ее энергия переходит в кинетическую. 100-кэВ электрон достигает скорости, превышающей половины Ударяясь о поверхность, частицы очень быстро замедляются и теряют свою кинетическую энергию. Она превращается в рентгеновское излучение или тепло.

Электроны вступают в контакт с отдельными атомами материала анода. Излучение генерируется при их взаимодействии с орбиталями (рентгеновские фотоны) и с ядром (тормозное излучение).

Энергия связи

Каждый электрон внутри атома обладает определенной энергией связи, которая зависит от размера последнего и уровня, на котором находится частица. Энергия связи играет важную роль в генерации характеристического рентгеновского излучения и необходима для удаления электрона из атома.

Тормозное излучение

Тормозное излучение производит наибольшее количество фотонов. Электроны, проникающие в материал анода и проходящие вблизи ядра, отклоняются и замедляются силой притяжения атома. Их энергия, теряемая во время этой встречи, появляется в виде рентгеновского фотона.

Спектр

Лишь немногие фотоны обладают энергией, близкой к энергии электронов. У большинства из них она ниже. Предположим, что существует пространство, или поле, окружающее ядро, в котором электроны испытывают силу «торможения». Это поле может быть разделено на зоны. Это дает полю ядра вид мишени с атомом в центре. Электрон, попадающий в любую точку мишени, испытывает торможение и генерирует рентгеновский фотон. Частицы, попадающие ближе всего к центру, подвергаются наибольшему воздействию и, следовательно, теряют больше всего энергии, производя самые высокоэнергичные фотоны. Электроны, попадающие во внешние зоны, испытывают более и генерируют кванты с более низкой энергией. Хотя зоны имеют одинаковую ширину, что они имеют разную площадь, зависящую от расстояния до ядра. Так как число частиц, попадающих на данную зону, зависит от ее общей площади, то очевидно, что внешние зоны захватывают больше электронов и создают больше фотонов. По этой модели можно предсказать энергетический спектр рентгеновского излучения.

E max фотонов основного спектра тормозного излучения соответствует E max электронов. Ниже этой точки, с уменьшением энергии квантов их число растет.

Значительное число фотонов с малыми энергиями поглощается или фильтруется, поскольку они пытаются пройти через поверхность анода, окно трубки или фильтр. Фильтрация, как правило, зависит от состава и толщины материала, через который проходит луч, что и определяет конечный вид низкоэнергетической кривой спектра.

Влияние KV

Высокоэнергетическую часть спектра определяет напряжение в рентгеновских трубках kV (киловольт). Это происходит потому, что оно обусловливает энергию электронов, достигающих анода, а фотоны не могут обладать потенциалом, большим чем этот. Под каким напряжением работает рентгеновская трубка? Максимальная энергия фотона соответствует максимальному приложенному потенциалу. Это напряжение может изменяться во время экспозиции из-за переменного тока сети. В этом случае E max фотона определяется пиковым напряжением периода колебаний KV p .

Кроме потенциала квантов, KV p определяет количество радиации, создаваемой данным числом электронов, попадающих на анод. Так как общая эффективность тормозного излучения увеличивается за счет роста энергии бомбардирующих электронов, которая определяется KV p , то отсюда следует, что KV p влияет на КПД прибора.

Изменение KV p , как правило, изменяет спектр. Общая площадь под кривой энергий представляет собой число фотонов. Без фильтра спектр представляет собой треугольник, а количество радиации пропорционально квадрату KV. При наличии фильтра увеличение KV также увеличивает проникновение фотонов, что снижает процент фильтруемого излучения. Это ведет к увеличению радиационного выхода.

Характеристическое излучение

Тип взаимодействия, который производит характеристическое излучение, включает столкновение высокоскоростных электронов с орбитальными. Взаимодействие может происходить только тогда, когда входящая частица обладает Е к большей, чем энергия связи в атоме. Когда это условие соблюдено, и происходит столкновение, электрон выбивается. При этом остается вакансия, заполняемая частицей более высокого энергетического уровня. По мере движения электрон отдает энергию, излучаемую в виде рентгеновского кванта. Это называется характеристическим излучением, так как E фотона является характеристикой химического элемента, из которого сделан анод. Например, когда выбивается электрон К-уровня вольфрама с Е связи =69,5 кэВ, вакансия заполняется электроном из L-уровня с E связи =10,2 кэВ. Характеристический рентгеновский фотон обладает энергией, равной разности между этими двумя уровнями, или 59,3 кэВ.

На самом деле, данный материал анода приводит к появлению ряда характеристических энергий рентгеновского излучения. Это происходит потому, что электроны на различных энергетических уровнях (K, L и т.д.) могут быть выбиты бомбардирующими частицами, а вакансии могут быть заполнены из различных энергетических уровней. Несмотря на то что заполнение вакансий L-уровня генерирует фотоны, их энергии слишком малы для использования в диагностической визуализации. Каждой характеристической энергии дается обозначение, которое указывает на орбиталь, в которой образовалась вакансия, с индексом, который показывает источник заполнения электрона. Индекс альфа (α) обозначает заполнение электрона из L-уровня, а бета (β) указывает на заполнение из уровня М или N.

• Спектр вольфрама. Характеристическое излучение этого металла производит состоящий из нескольких дискретных энергий, а тормозное создает непрерывное распределение. Число фотонов, созданных каждой характеристической энергией, отличается тем, что вероятность заполнения вакансии K-уровня зависит от орбитали.
• Спектр молибдена. Аноды из данного металла, используемые для маммографии, производят две достаточно интенсивные характеристические энергии рентгеновского излучения: K-альфа при 17,9 кэВ, и K-бета при 19,5 кэВ. Оптимальный спектр рентгеновских трубок, позволяющий достичь наилучший баланс между контрастностью и для груди среднего размера, достигается при Е ф =20 кэВ. Однако тормозное излучение производится большими энергиями. В оборудовании для маммографии для удаления нежелательной части спектра используется молибденовый фильтр. Фильтр работает по принципу «K-края». Он поглощает излучение, превышающее энергию связи электронов на К-уровне атома молибдена.
• Спектр родия. Родий имеет атомный номер 45, а молибден - 42. Поэтому характеристическое рентгеновское излучение родиевого анода будет иметь немного большую энергию, чем у молибдена, и более проникающую. Это используется для получения изображений плотной груди.

Аноды с двойными участками поверхности, молибден-родиевыми, дают возможность оператору выбрать распределение, оптимизированное под молочные железы разного размера и плотности.

Влияние KV на спектр

Значение KV сильно влияет на характеристическое излучение, т. к. оно не будет производиться, если KV меньше энергии электронов K-уровня. Когда KV превышает это пороговое значение, количество излучения, как правило, пропорционально разности KV трубки и порогового KV.

Спектр энергий фотонов рентгеновского луча, выходящего из прибора, определяется несколькими факторами. Как правило, он состоит из квантов тормозного и характеристического взаимодействия.

Относительный состав спектра зависит от материала анода, KV и фильтра. В трубке с вольфрамовым анодом характеристическое излучение не образуется при KV< 69,5 кэВ. При более высоких значениях КВ, используемых в диагностических исследованиях, характеристическое излучение увеличивает суммарную радиацию до 25%. В молибденовых устройствах оно может составить большую часть общего объема генерации.

КПД

Лишь небольшая часть энергии, доставляемая электронами, преобразуется в радиацию. Основная доля поглощается и превращается в тепло. КПД излучения определяется как доля полной излучаемой энергии от общей электрической, сообщаемой аноду. Факторами, которые определяют КПД рентгеновской трубки, являются приложенное напряжение KV и атомный номер Z. Примерное отношение следующее:

• КПД = KV х Z х 10 -6 .

Взаимосвязь между эффективностью и KV оказывает специфическое влияние на практическое использование рентгеновского оборудования. Из-за выделения тепла трубки имеют определенный предел по количеству электрической энергии, которую они могут рассеивать. Это накладывает ограничение на мощность прибора. С увеличением KV, однако, количество радиации, произведенное на единицу тепла, значительно увеличивается.

Зависимость генерации рентгеновского излучения от состава анода представляет лишь академический интерес, поскольку в большинстве устройств используется вольфрам. Исключением является молибден и родий, используемые в маммографии. КПД этих приборов значительно ниже вольфрамовых из-за их более низкого атомного номера.

Эффективность

Эффективность рентгеновской трубки определяется как количество облучения в миллирентгенах, доставленного в точку в центре полезного пучка на расстоянии 1 м от фокусного пятна на каждый 1 мАс электронов, проходящих через прибор. Ее значение выражает способность прибора преобразовывать энергию заряженных частиц в рентгеновское излучение. Позволяет определить экспозицию пациента и снимка. Как и КПД, эффективность устройства зависит от ряда факторов, в том числе KV, формы волны напряжения, материала анода и степени повреждения его поверхности, фильтра и времени использования прибора.

KV-управление

Напряжение KV эффективно управляет выходным излучением рентгеновской трубки. Как правило, предполагается, что выход пропорционален квадрату KV. Удвоение KV увеличивает экспозицию в 4 раза.

Форма волны

Форма волны описывает способ, с помощью которого KV изменяется со временем в процессе генерации радиации из-за циклической природы электропитания. Используется несколько различных форм волн. Общий принцип таков: чем меньше изменяется форма KV, тем эффективнее производится рентгеновское излучение. В современном оборудовании используют генераторы с относительно постоянным KV.

Рентгеновские трубки: производители

Компания Oxford Instruments выпускает различные устройства, включая стеклянные мощностью до 250 Вт, потенциалом 4-80 кВ, фокальным пятном до 10 микрон и широким диапазоном материалов анода, в т. ч. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian предлагает более 400 различных типов медицинских и промышленных рентгеновских трубок. Другими известными производителями являются Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong и др.

В России выпускаются рентгеновские трубки «Светлана-Рентген». Помимо традиционных приборов с вращающимся и стационарным анодом, предприятие изготавливает устройства с холодным катодом, управляемым световым потоком. Преимущества прибора следующие:

• работа в непрерывном и импульсном режимах;
• безынерционность;
• регулирование интенсивности током светодиода;
• чистота спектра;
• возможность получения рентгеновского излучения различной интенсивности.