Принцип работы рентгеновских трубок

Определение напряжения энергии

Напряжение энергии в рентгеновской трубке является важным параметром, определяющим энергию фотонов рентгеновского излучения. Напряжение энергии, также известное как высокое напряжение, определяет, как быстрые электроны ускоряются и сталкиваются с анодом рентгеновской трубки, создавая рентгеновское излучение.

Напряжение энергии измеряется в киловольтах (кВ) и непосредственно влияет на спектр рентгеновского излучения, которое может быть получено с помощью рентгеновской трубки. Чем выше напряжение энергии, тем больше энергии имеют фотоны рентгеновского излучения и тем большую глубину проникновения они способны достичь вещества.

Определение напряжения энергии в рентгеновской трубке может быть выполнено с помощью встроенного генератора напряжения или внешнего источника высокого напряжения. Оно может быть установлено в пределах определенного диапазона значений в зависимости от требуемых характеристик рентгеновского излучения.

Принцип работы прибора

РТ — это устройство, которое функционирует как диод, но способно осуществлять свои задачи в режиме пространственного заряда.

Принцип работы достаточно прост: эмиссия производится в результате повышенного напряжения. Именно вследствие этого РТ должна располагаться в фартуке из свинца. Благодаря последнему не происходит лишнего . В результате выводится исключительно невредный лучевой поток. Далее неопасные лучи ограничиваются с помощью стационарного либо двигающегося коллиматора. Он хоть и не является деталью фартука, но делать рентген без него нельзя, так как произойдет утечка вредного излучения.

Кроме того, фартук способствует защите от высоких напряжений, которые создаются между анодом и катодом. Заряд проходит по кабелю, который идет из повышающей трансформаторной будки с генератором. Образуется рентгеновское излучение с огромными затратами энергии, в основном обращенными на прогрев элементов, расположенных внутри рентгеновской трубки. Мельчайшие доли секунды энергия концентрируется на фокусе, далее она размещается по всему фокусному пятну.

Дольше происходит перевод энергии на непроводящее масло, которое находится в фартуке РТ. В это же время энергия как горячее излучение перемещается на фартук, выполненный из металла. И, наконец, уже из стенок происходит высвобождение энергии в качестве конвенции либо вентиляции. Во время такого теплообмена рентгеновская трубка нагревается до определенного предела — экстремальной температуры, которая и не должна ни в коем случае выйти за рамки необходимых показателей. Иначе произойдет разрушение рентгеновской трубки. Температурный режим фокуса и его пятна подлежит контролю при помощи того, что устанавливаются определенный временной режим и напряжение, подаваемые с генератора под минимальным, ограниченным заполняющим фактором. Последний вычисляется при помощи разработанной таблицы характеристик нагрузки.

Время охлаждения контролируется приборами с родным ПО с помощью специальной схемы моделирования скопленного тепла. Если же такая функция отсутствует, то контроль осуществляется с помощью спланированного расписания, которое составил рабочий персонал, основываясь на смене волн нагрева и охлаждения анода. Температурный режим фартука контролируется так же переменой нагрева и охлаждения. В данном случае он должен выполняться с длительными промежутками во времени: по половине дня на охлаждение и нагревание. Регулируется температура в кожухе с помощью 3 устройств:

переключатель температур внешний;
переключатель температур внутренний;
микропереключатель.

Струйный материал фильтрует полезные лучи. У РТ им служит:

стекло;
масло;
пластик.

Но такой фильтрации, конечно, недостаточно для того, чтобы ограничить низкую энергию мягких лучей. Последние приносят вред человеческому организму, а изображение не передают. По этой причине на приборе располагаются дополнительные фильтры на безвредных лучах. Оценка пользы и вреда рентгеновского облучения сложна. Работу на рентгеновском оборудовании должен осуществлять только обученный квалифицированный специалист. Данные устройства не предназначаются для работы вручную или замещения автоматического управления временным показателем охлаждения. Однако без них нельзя говорить о полной безопасности аппарата. В обычной работе такие устройства не применяются.

Читайте также:

Принцип работы МРТ

Следует обратить внимание, что сама РТ не имеет данных устройств для создания границ температурного режима. Исходя из чего необходимо контролировать цикл энергии, которая идет с генератора.

Это поможет не навредить пациенту. Калибровка накаливания на одном уровне осуществляется при помощи дополнительного программирования системы, содержащей необходимую информацию.

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.

Основные принципы работы

Рентгеновский аппарат для металла основывается на использовании рентгеновского излучения для визуализации внутренней структуры металлических объектов. Главным компонентом такого аппарата является рентгеновская трубка, которая генерирует рентгеновское излучение при помощи высоковольтного разряда и ускорения электронов. Рентгеновская трубка направляет излучение через металлический объект, а затем детектирует проходящие через него рентгеновские фотоны.

Принцип работы рентгеновского аппарата для металла заключается в том, что различные структурные элементы внутри металлического объекта могут поглощать и рассеивать рентгеновское излучение по-разному. Таким образом, аппарат может создать изображение внутренней структуры объекта на основе различных интенсивностей прошедшего через него излучения.

Применение рентгеновского аппарата для металла широко распространено в промышленности и научных исследованиях. Этот метод позволяет обнаруживать дефекты, трещины, включения и другие неоднородности в металлических материалах. Он также может использоваться для контроля качества сварных соединений, анализа деталей перед их монтажом, исследования внутренней структуры металлических изделий и т.д. Благодаря своей невидимости для человеческого глаза, рентгеновское излучение позволяет проводить неразрушающий контроль, обнаруживать дефекты, которые невозможно увидеть невооруженным глазом или обычными методами проверки.

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 KVвысоких значениях КВ, используемых в диагностических исследованиях, характеристическое излучение увеличивает суммарную радиацию до 25%. В молибденовых устройствах оно может составить большую часть общего объема генерации.

Читайте также:

Устройство и принцип работы рентгеновского аппарата

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 коэффициента полезного действия 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.

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.

Назначение и устройство кожуха рентгеновской трубки

Внешняя металлическая оболочка трубки называется кожух. Его назначение – защита от лучевого и электрического поражения, охлаждение трубки, направление рентгеновского потока в нужном направлении.

Кожух заполняется маслом для охлаждения трубки. Так как при значительном нагреве масла в нем начинаются процессы образования дегтя, то в кожухе устанавливаются резиновые мембраны и под ними замыкающие контакты. При достижении заданной температуры мембраны перемещаются и замыкают контакты, после чего раздается зуммер. Также для безопасности в кожухе трубки могут устанавливаться датчики срабатывания по превышению температуры и давления масла. Дополнительно для охлаждения кожухи могут снабжаться вентиляторами, теплообменниками.

В кожухе имеется выходное окно и тубус, через которое поток излучения направляется в сторону обследуемого пациента. Например, в трубках для КТ создается узкий веерообразный поток излучения с углом расхождения 30-50°C.

Читайте также:

Почему томограф издает такие звуки: шум во время процедуры МРТ

Принцип работы прибора

Принцип работы достаточно прост: эмиссия производится в результате повышенного напряжения. Именно вследствие этого РТ должна располагаться в фартуке из свинца. Благодаря последнему не происходит лишнего облучения. В результате выводится исключительно невредный лучевой поток. Далее неопасные лучи ограничиваются с помощью стационарного либо двигающегося коллиматора. Он хоть и не является деталью фартука, но делать рентген без него нельзя, так как произойдет утечка вредного излучения.

переключатель температур внешний;
переключатель температур внутренний;
микропереключатель.

Струйный материал фильтрует полезные лучи. У РТ им служит:

стекло;
масло;
пластик.

Читайте также:

Чистка печени по Морицу

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.

Рентгеновское излучение трубка

Основными компонентами рентгеновского генератора являются трубка, генератор высокого напряжения, пульт управления и система охлаждения. Как обсуждалось на нашем сайте, рентгеновские лучи генерируются путем направления потока высокоскоростных электронов на материал-мишень, такой как вольфрам, который имеет высокий атомный номер. Когда электроны замедляются или останавливаются при взаимодействии с атомными частицами мишени, возникает рентгеновское излучение. Это происходит в рентгеновской трубке, такой как показанная здесь.

Рентгеновская трубка является одним из компонентов рентгеновского генератора, и трубки бывают разных форм и размеров. На изображении ниже показана часть коллекции рентгеновских трубок. Рентгеновское излучение и рентгеновские трубки являются основным методом неразрушающего контроля.

Катод трубки (нить накала) нагревается током низкого напряжения в несколько ампер. Нить нагревается, и электроны в проводе свободно удерживаются. Высоковольтный генератор создает большой электрический потенциал между катодом и анодом.

Электроны, которые освобождаются от катода, сильно притягиваются к анодной мишени. Поток электронов между катодом и анодом является током трубки. Ток трубки измеряется в миллиамперах и регулируется регулирующим током низкого напряжения, подаваемого на катод. Чем выше температура нити накала, тем больше электронов покидают катод и перемещаются к аноду. Параметр миллиампера или тока на пульте управления регулирует температуру нити накала, которая связана с интенсивностью рентгеновского излучения.

Фокусирующая чашка используется для концентрации потока электронов в небольшой области мишени, называемой фокусным пятном. Размер фокусного пятна является важным фактором в способности системы создавать четкое изображение.

Большая часть энергии, подводимой к трубке, преобразуется в тепло в фокусном месте анода.

Как упоминалось выше, анодная мишень обычно изготавливается из вольфрама, который имеет высокую температуру плавления в дополнение к высокому атомному номеру. Однако охлаждение анода активными или пассивными средствами необходимо. Системы охлаждения воды или масла часто используются для охлаждения труб. Некоторые маломощные трубки охлаждаются просто с помощью теплопроводящих материалов и ребер, потребляющих тепло.

Эта процедура прогрева осторожно повышает ток и напряжение трубки, чтобы медленно сжечь любой доступный кислород, прежде чем трубка будет работать на большой мощности

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 анода и катода, 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.

Фокальное пятно

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.

Некоторые справки об РТ

Электровакуумный прибор 0.2БДМ7-50 применяется в дентальном рентген-устройстве, 5Д 2РТ 1.6 БДМ 13-90 используется для функционирования рентгенаппаратов с точкой заземления. Работа прибора должна быть при напряжении не больше 110 кВт, а моноблок в обязательном порядке необходимо наполнять специальным маслом. Для работы близкого фокуса применяют РТ 1БТВ4-100. Аппарат 1.7БДМ18-100 используют для работы РТ в передвижном приборе. 2-20БД14-15 и 2-20БД14-150 применим в диагностических целях. Для работы рентгеновской трубки 2.5-30БД29-150 существует устройство «Проскан». 4БПМ8-250 применяется в медицине для проведения исследований и диагностики.

Типы рентген-аппаратов

Сам по себе рентген используется не так часто. Однако излучатели применяют в другом оборудовании, позволяющее комплексно обследовать пациента. Поэтому появилось большое количество типов рентген-аппаратов.

Вот основные из них:

Рентгенодиагностический аппарат общего назначения. Это как раз аппарат в чистом виде, который выполняет одну функцию – формирование одного снимка.
Ангиограф. Обеспечивает обследование кровеносных сосудов, помогает выявить аневризмы, пороки развития сосудов, тромбоз и ряд других заболеваний.
Дентальный рентгеновский аппарат. Это устройство, обеспечивающее подробными данными стоматологов. Используется в стоматологических клиниках для определения патологии и контроля установки штифтов, пломбирования каналов.
Рентгеновский маммограф. Позволяет диагностировать состояние молочной железы, определять патологии, включая онкологические заболевания.
Флюорограф. Устройство, позволяющее оценить состояние дыхательной системы, обследует легкие и помогает своевременно обнаружить туберкулез и другие патологии.
Рентгеновский компьютерный томограф. Позволяет проводить комплексное обследование и обнаруживать патологические структуры во всем организме. При необходимости используется контрастное усиление, обеспечивающее более четкое изображение.
Рентгенотерапевтический аппарат. Позволяет проводить лечение пациентов с онкологическими заболеваниями. При помощи лучевой и радиотерапии устраняются онкологические клетки, разрушаются метастазы и останавливается развитие опухоли.
Дефектоскопический рентгеновский аппарат. Применяется для промышленного контроля и позволяет определять дефекты и повреждения продукции.
Пантомографический дентальный аппарат. Применяется для получения полного панорамного изображения зубочелюстной системы. Используется для создания капы, вставных челюстей и устранения патологий полости рта.

Это основные виды рентген-аппаратов, однако есть и другие, которые не так часто используются.

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.

Использование рений-вольфрамового 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.

Роль рентгеновского онп в медицине

Рентгеновский онп — это один из самых важных инструментов в медицинской диагностике. Он позволяет врачам получать изображения внутренних органов и тканей пациента, что помогает в определении различных заболеваний и состояний.

Рентгеновский онп широко применяется в различных областях медицины, включая радиологию, ортопедию, стоматологию и др. Наиболее часто он используется для обнаружения и диагностики различных патологий, таких как переломы костей, опухоли, инфекции, пневмония и т.д.

Принцип работы рентгеновского онп основан на способности рентгеновских лучей проникать через ткани человека и регистрироваться на специальной пленке или детекторе. Когда пациент проходит через процедуру рентгеновского осмотра, он становится между источником рентгеновских лучей и детектором. Рентгеновские лучи, проходя через ткани пациента, попадают на детектор и создают изображение, которое врач может использовать для оценки состояния пациента.

Одним из главных преимуществ рентгеновского онп является его доступность и относительная недороговизна. Рентгеновские аппараты находятся в большинстве медицинских учреждений и позволяют проводить диагностику на самом раннем этапе заболевания.

Однако, несмотря на все преимущества, рентгеновский онп имеет некоторые ограничения. Он может создавать только двумерные изображения, что делает его недостаточным для некоторых видов исследований. Кроме того, рентгеновские лучи могут оказывать вредное влияние на организм человека при длительном и повторном использовании, поэтому применение рентгеновского онп должно быть ограничено и осмотренно квалифицированным врачом.

В целом, рентгеновский онп является важным инструментом в медицине, который позволяет врачам обнаруживать и диагностировать различные патологии и состояния у пациентов. Он обеспечивает высокую доступность и точность и может быть эффективно использован в рутинной практике медицинской диагностики.

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.

Влияние напряжения на качество изображения

Напряжение является одним из ключевых параметров в работе рентгеновской трубки. Оно оказывает значительное влияние на качество получаемого изображения, остроту контуров объектов и конечную дозу излучения.

Повышение напряжения в рентгеновской трубке приводит к увеличению проникающей способности рентгеновских лучей. Это позволяет проводить более глубокое проникновение лучей в материалы и получать информацию о внутренней структуре объектов.

Однако, при повышении напряжения, качество изображения может ухудшаться из-за эффекта рассеяния лучей в материале. При проникновении через материалы, рентгеновские лучи могут сталкиваться с атомами и рассеиваться, что ведет к потере резкости изображения. Для уменьшения этого эффекта, используют специальные фильтры, которые помогают снизить рассеяние.

Кроме того, низкое напряжение может привести к недостаточной проникающей способности лучей, что может затруднить визуализацию внутренних деталей объекта. Оптимальное значение напряжения выбирается в зависимости от конкретной задачи и типа исследуемого объекта.

Для достижения наилучшего качества изображения, необходимо тщательно настроить напряжение, учитывая его влияние на проникновение лучей, рассеяние и конечную дозу излучения

Также важно применять специальные методы обработки изображений, которые помогут улучшить его резкость и контрастность

Фокальное пятно

Генерация рентгеновского излучения

Рентгеновский аппарат генерирует рентгеновское излучение с помощью высоковольтного генератора, который создает электрическую разность потенциалов между катодом и анодом. Этот высокий потенциал вызывает электронный поток, который переходит через вакуум и ускоряется в сторону анода.

При достижении анода, электроны сталкиваются с металлической поверхностью и теряют свою энергию в результате тепловых или иных процессов. Кроме того, происходит явление тормозного излучения, когда электроны замедляются и испускают рентгеновское излучение различной энергии.

Кроме того, в рентгеновском аппарате применяется и другой метод генерации рентгеновского излучения – характеристическое излучение. При этом процессе электроны, попадая на анод, сталкиваются с атомами металлического материала анода и выбивают электроны из его внутренних оболочек. В результате такого столкновения, высвобожденные электроны заполняют «дырки» в оболочках, испуская рентгеновские фотоны различной энергии.

Оба метода генерации рентгеновского излучения, тормозное и характеристическое, применяются в рентгеновском аппарате, чтобы обеспечить максимальную эффективность и качество получаемых изображений.