Da die Röntgenröhren arbeiten?

Röntgenstrahlen werden durch die Umwandlung der Energie der Elektronen in Photonen erzeugt, die in der Röntgenröhre auftritt. Menge (Exposition) und Qualität (Spektrum) Strahlung kann durch Ändern des Stroms, der Spannung und der Zeit des Gerätes eingestellt werden.

Arbeitsprinzip

Röntgenröhren (Foto im Artikel angegeben) sind Energiewandler. Sie erhalten sie vom Netzwerk und umgewandelt in andere Formen – eindringende Strahlung und Wärme, wobei die letztere ist ein unerwünschtes Nebenprodukt. Röntgenröhrenvorrichtung, so dass es die Produktion von Photonen maximiert und führt die Wärme so schnell wie möglich.

Das Rohr ist eine relativ einfache Vorrichtung, die typischerweise zwei Grundelemente – eine Kathode und eine Anode. Wenn Strom von der Kathode zur Anode fließt, verlieren die Elektronen Energie, die von Röntgenstrahlen zur Erzeugung führt.

Anode

Die Anode ist eine Komponente, wobei die Emission von hochenergetischen Photonen erzeugt. Dies ist ein relativ massives Metallelement, das mit dem positiven Pol der elektrischen Schaltung verbunden ist. Es hat zwei Hauptfunktionen:

• Er wandelt die Elektronenenergie in Röntgenstrahlung,
• Es leitet Wärme.

Das Material für die Anode ausgewählt ist, diese Funktionen zu verbessern.

die meisten der Elektronen sollte Idealerweise bilden ein hochenergetischer Photonen, anstatt Wärme. Verhältnis von Gesamtenergie, die in der Röntgenstrahlung (COP) umgewandelt wird, hängt von zwei Faktoren ab:

• Ordnungszahl (Z) des Anodenmaterials,
• Elektronenenergie.

In den meisten Röntgenröhren als Material für die Anode verwendet Wolfram, dessen Atomnummer bis 74. Zusätzlich zu der großen Z gleich, so hat dieses Metall bestimmte andere Eigenschaften, die es für diesen Zweck geeignet zu machen. Wolfram ist einzigartig in seiner Fähigkeit, Stärke zu halten, wenn sie erhitzt, das einen hohen Schmelzpunkt hat und eine geringe Verdampfungsrate.

Seit vielen Jahren ist die Anode aus reinem Wolfram hergestellt. In den letzten Jahren haben wir begonnen, diese Metalllegierung mit Rhenium zu verwenden, aber nur an der Oberfläche. Selbst Anode unter der Wolfram-Rhenium-Beschichtung aus leichtem Material, guten Wärmespeicher hergestellt. Zwei solche Substanzen sind Molybdän und Graphit.

Die Röntgenröhre für die Mammographie verwendet wird, ist mit der Anode, beschichtet mit Molybdän hergestellt. Dieses Material hat eine mittlere Atomzahl (Z = 42), die Photonen mit einer charakteristischen Energie, geeignet für die Aufnahme der Brust erzeugt. Einige Mammographiegeräte haben auch eine zweite Anode, gebildet aus Rhodium (Z = 45). Dies ermöglicht es, Energie zu erhöhen und eine bessere Penetration für dichte Brüste zu erreichen.

Die Verwendung von Wolfram-Rhenium-Legierung verbessert die Langzeit-Strahlungsleistung – mit Zeiteffizienz Geräten mit Anode aus reinem Wolfram aufgrund der thermischen Beschädigung der Oberfläche verringert.

Der größte Teil der Anode die Gestalt der Kegelscheiben und an der Motorwelle befestigt ist, die sie bei relativ hohen Geschwindigkeiten zum Zeitpunkt der Emission von Röntgenstrahlen rotiert. Der Zweck der Drehung – die Wärmeabfuhr.

Brennpunkts

Der Röntgenerzeugungsteil nicht die gesamte Anode. Es kommt in einem kleinen Bereich seiner Oberfläche – den Brennpunkt. Abmessungen zuletzt ermittelte Größe des Elektronenstrahls von der Kathode kommenden. In der Mehrzahl der es sich um eine rechteckige Form variiert innerhalb 0,1-2 mm Geräte.

Die Röntgenröhre Design mit einer bestimmten Größe des Brennflecks. Je kleiner sie ist, desto weniger Bewegungsunschärfe und eine höhere Schärfe und was mehr ist, die eine bessere Wärmeableitung.

Brennfleckgröße ist ein Faktor, der berücksichtigt werden muss, wenn die Röntgenröhre zu wählen. Hersteller produzieren Geräte mit kleinen Brennfleck, wo es notwendig ist, eine hohe Auflösung und klein genug, um Strahlung zu erreichen. Zum Beispiel ist es in der Studie von kleinen und empfindlichen Teilen des Körpers wie in der Mammographie erforderlich.

Die Röntgenröhre produziert hauptsächlich Brennflecke mit zwei Größen – groß und klein, die durch den Bediener in Übereinstimmung mit dem Bilderzeugungsverfahren ausgewählt werden kann.

Kathode

Die Hauptfunktion der Kathode – Elektronen zu erzeugen und sie in einen zur Anode gerichteten Strahl zu sammeln. Es besteht im allgemeinen aus einem kleinen Spiraldraht (Filament) in einer topfförmigen Vertiefung eingebettet.

Elektronen, die durch die Schaltung vorbei normalerweise nicht den Leiter verlassen und einen freien Raum lassen. Aber sie können es tun, wenn sie genug Energie bekommen. In einem Verfahren, wie thermische Emission bekannt, verwendet, die Wärme, die Elektronen von der Kathode zu vertreiben. Dies wird möglich , wenn der Druck in einem evakuierten Röntgenröhre erreicht 10 ^-6 bis 10 ^-7 Torr. Art. Das Garn wird in der gleichen Weise wie eine spiralförmige Glühfadenlampe erwärmt, indem ein Strom hindurchgeleitet. Arbeitskathodenstrahlröhre wird durch Erhitzen auf eine Temperatur Lumineszenz Verschiebung thermische Energie der Elektronen daraus begleitet.

Ballon

Zylinder – Die Anode und Kathode sind in einem abgedichteten Gehäuse enthalten ist. Der Ballon und seine Inhalte werden oft als Einsatz bezeichnet, die eine begrenzte Lebensdauer hat und ersetzt werden kann. Die Röntgenröhre hat im allgemeinen einen Glaskolben, obwohl Metall- und Keramikzylinder für einige Anwendungen verwendet werden.

Die Hauptfunktion ist es, den Behälter und die Isolierung zu unterstützen , der Anode und der Kathode, und die Aufrechterhaltung Vakuum. Der Druck in der evakuierten Röntgenröhre bei 15 ° C beträgt 1,2 × 10 ^-3 Pa. Die Anwesenheit von Gas in dem Behälter erlauben würde Strom frei durch die Vorrichtung zu fließen, und nicht nur in Form eines Elektronenstrahls.

Gehäuse

Röntgenröhrenvorrichtung derart, dass, zusätzlich zu dem Gehäuse und Unterstützung von anderen Komponenten, dient er als Schutzkörper und absorbiert die Strahlung, mit Ausnahme der Nutzstrahl durch das Fenster verläuft. Seine relativ große äußere Oberfläche führt den größten Teil der Wärme in der Vorrichtung erzeugt. Der Raum zwischen der Schale und der Einsatz ist mit Öl gefüllt, die es Isolierung und Kühlung zur Verfügung stellt.

Kette

Die elektrische Schaltung verbindet das Telefon mit einer Stromquelle, die ein Generator genannt wird. Quelle ist aus dem Netz gespeist und wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom zu leiten. Der Generator ermöglicht es Ihnen auch einige Parameter der Kette anzupassen:

• KV – Spannung oder elektrisches Potential;
• MA – Strom, der durch das Rohr fließt;
• S – die Dauer oder die Belichtungszeit, in Bruchteilen einer Sekunde.

Die Schaltung stellt die Bewegung von Elektronen. Sie sind mit Energie aufgeladen, durch den Generator vorbei, und geben Sie es an die Anode. Da ihre Bewegung auftritt zwei Transformationen:

• elektrische Potentialenergie wird in kinetische Energie umgewandelt wird;
• kinetischer wird wiederum in Röntgenstrahlung und Wärme umgewandelt.

Potenzial

Wenn die Elektronen in den Kolben gelangen, besitzen sie potentielle elektrische Energie, die durch die Menge der KV Spannung zwischen der Anode und der Kathode bestimmt. Die Röntgenstrahlröhre wurde betrieben bei einer Spannung von 1 kV bis zu erzeugen, die jedes Teilchen 1 keV haben. Durch die KV Einstellung gibt die Bediener jedes Elektron eine bestimmte Menge an Energie.

Kinetik

Niederdruck in einem evakuierten Röntgenröhre (bei 15 ° C ist 10 ^-6 bis 10 ^-7 Torr. V.) erlaubt die Partikel unter der Wirkung der thermionischen Emission und elektrische Kraft , emittiert von der Kathode zur Anode. Diese Kraft beschleunigt sie, was zu erhöhten Geschwindigkeit und kinetische Energie und potentielle absteigende Folge hat. Wenn ein Teilchen auf der Anode landet, wird ihr Potential verloren, und alle seine Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. 100-keV Elektronen erreicht eine Geschwindigkeit größer als die halbe Lichtgeschwindigkeit. die Oberfläche des Partikels Striking verlangsamt sehr schnell nach unten und ihre kinetische Energie verlieren. Sie wendet sich an Röntgenstrahlen oder Wärme.

Elektronen kommen in Kontakt mit den einzelnen Atome des Anodenmaterials. Strahlung, die durch ihre Wechselwirkung mit Orbitale (Röntgenphotonen), und mit einem Kern (Bremsstrahlung).

Bindungsenergie

Jedes Elektron in einem Atom hat eine bestimmte Bindungsenergie, die von der Größe des letzteren und der Höhe abhängt, mit der das Teilchen befindet. Die Bindungsenergie spielt eine wichtige Rolle bei der Erzeugung der charakteristischen Röntgenstrahlen und benötigt wird, um ein Elektron von einem Atom zu entfernen.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung erzeugt die größte Anzahl von Photonen. Die Elektronen in das Anodenmaterial eindringen und in den Zellkern der Nähe erstreckt, umgelenkt und abgebremst Gravitationskraft Atom. Ihre Energie, die während dieser Sitzung verloren erscheint in Form von Röntgenphotonen.

Bereich von

Nur wenige Photonen haben eine Energie nahe der Elektronenenergie. Die meisten von ihnen ist es niedriger. Es sei angenommen, dass es einen Raum oder Bereich ist, den Kern umgibt, wobei die Elektronen Erfahrung Kraft „Hemmung“. Dieses Feld kann in Zonen unterteilt sein. Daraus ergibt sich eine Ansicht des Feldkerns des Zielatom in der Mitte. Elektronische überall im Ziel fällt, wird abgebremst und erzeugt ein Röntgenphoton. Partikel, die am nächsten zum Zentrum fallen, sind die meisten ausgesetzt und deshalb die meiste Energie verlieren, die Herstellung von sehr hochenergetischer Photonen. Elektronen in die äußeren Zone eine Eingabe erlebte schwache Wechselwirkung und Photonen mit niedrigerer Energie erzeugen. Obwohl der Bereich die gleiche Breite hat, dass sie einen anderen Bereich in Abhängigkeit von der Entfernung vom Kern haben. Da die Anzahl der Partikel, die auf der Zone, auf der Gesamtfläche abhängt, ist es offensichtlich, dass der Außenbereich mehr Elektronen einzufangen und mehr Photonen verursachen. Energieröntgenspektrum kann durch das Modell vorhergesagt werden.

E _max Photonen Hauptbremsstrahlungsspektrum entsprechend E _max Elektronen. Unterhalb diesem Punkt steigt mit abnehmender Photonenenergie ihre Zahl.

Eine erhebliche Anzahl von Photonen mit niedriger Energie absorbiert oder gefiltert, während sie durch die Oberfläche der Anodenröhre oder Box-Filter zu passieren versucht. Filterung ist in der Regel abhängig von der Zusammensetzung und Dicke des Materials, durch die der Strahl läuft, und dies bestimmt die endgültige Form des Niedrigenergiespektrumskurve.

Einfluss KV

Der Hochenergieteil des Spektrums bestimmt die Spannung Röntgenröhren in kV (Kilovolt). Dies ist, weil es die Energie der Elektronen erreichen die Anode bestimmt, und Photonen nicht das Potential größer ist als diese haben. Unter jeder Spannung Laufröntgenröhre? Die maximale Photonenenergie entspricht das maximale angelegte Potential. Diese Spannung kann während der Belichtung variieren aufgrund des Wechselstromnetzes. In diesem Fall, _max Spitzenspannung E durch Photonen Oszillationsperiode KV _{p bestimmt.}

Weitere potentielle Quanten bestimmt KV _p die Menge der Strahlung , die von einer gegebenen Anzahl von Elektronen erzeugt , um die Anode zu erreichen. Da der Gesamtwirkungsgrad von Bremsstrahlung durch die einfallende Elektronenenergie zunimmt erhöht wird, was KV _p bestimmt _wird, impliziert dies , dass die KV _p das Wirkungsgrad der Vorrichtung beeinträchtigt.

Ändern KV _p, verändert in der Regel das Spektrum. Die Gesamtfläche unter der Energiekurve stellt die Anzahl von Photonen. Ungefiltertes Spektrum ist ein Dreieck, und die Menge an Strahlung im Verhältnis zum Quadrat KV. In Gegenwart des Filters erhöht auch KV Erhöhung Eindringen von Photonen, die den prozentualen Anteil der gefilterten Strahlung reduziert. Dies führt zu einem erhöhten Strahlungsausbeute.

charakteristische Strahlung

Die Art der Wechselwirkung, die die charakteristische Strahlung erzeugt umfasst Hochgeschwindigkeits-Kollision mit orbitalen Elektronen. Wechselwirkung kann nur dann erfolgen , wenn ein Teil E _des Teilchens hat größer als die Bindungsenergie eines Atoms. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, und es gibt eine Kollision, wird das Elektron herausgeschlagen. Dies lässt offene Stellung, durch das Teilchen ein höheres Energieniveau gefüllt. Wie wir das Elektron gibt Energie emittiert in Form von Röntgenphotonen bewegen. Es ist die charakteristische Strahlung bezeichnet, da E die Photonen charakteristische chemische Element ist, aus dem die Anode besteht. Wenn beispielsweise ein Elektron geklopft K Wolframschicht _Zusammenhang mit E = 69,5 keV ist die Vakanz mit einem Elektron aus der L-Level – _{Kommunikation} mit E = 10,2 keV gefüllt. Charakteristische Röntgenphotonenenergie besitzt die gleich die Differenz zwischen den beiden Ebenen, oder 59,3 keV.

In der Tat führt das Anodenmaterial in eine Anzahl von charakteristischen Röntgenenergien. Dies geschieht, weil Elektronen bei verschiedenen Energieniveaus (K, L, etc.) geklopft werden können Partikel bombardieren und die offenen Stellen können mit einer Vielzahl von Energieniveaus gefüllt werden. Während die offenen Stellen L-Pegel erzeugen Photonen und ihre Energien für die Verwendung zu klein sind, in der diagnostischen Bildgebung. Jede charakteristische Energie ist eine Bezeichnung, die die gegebenen orbital anzeigt, wobei eine freie Stelle, mit einem Index, der eine Elektronenquelle zeigt, erforderlich. alpha (α) bezeichnet den Index des Füllens Elektrons von dem L-Pegel, und beta (β) den Füllgrad M oder N.

• Spectrum Wolfram. Die charakteristische Strahlung des Metalls erzeugt ein lineares Spektrum, bestehend aus mehreren diskreten Energien und Bremsen erzeugen kontinuierliche Verteilung. Die Anzahl der Photonen, die von jeder charakteristischen Energie erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahrscheinlichkeit, die Vakanz K-Niveau der Füllung auf der Orbital abhängt.
• Spectrum Molybdän. Anoden dieses Metalls für die Mammographie verwendet wird, erzeugt zwei ausreichend intensiv charakteristische Röntgenenergie: K-alpha bei 17,9 keV und dem K-beta bei 19,5 keV. Der optimale Bereich von Röntgenröhren, die das beste Gleichgewicht zwischen Kontrast und zu erreichen , ermöglicht Bestrahlungsdosis für die durchschnittliche Größe der Brust bei E _p = 20 keV erreicht. Allerdings Bremsstrahlung mehr Energie produzieren. In der Mammographie Ausrüstung für unerwünschte Teile des Spektrums verwendet Molybdänfilter zu entfernen. Der Filter arbeitet nach dem Prinzip der «K-Kante.“ Es absorbiert Strahlung im Überschuss Elektronenbindungsenergie an dem Molybdänatom K-Ebene.
• Das Spektrum von Rhodium. Rhodium weist der Ordnungszahl 45, und Molybdän – 42. Daher sind die charakteristischen Röntgenstrahlen eines Rhodium Anode eine etwas höhere Energie als die von Molybdän und durchdringender haben wird. Es wird für die Abbildung dichte Brüste verwendet.

Anoden mit Doppeloberflächenbereichen, Molybdän, Rhodium, ermöglichen dem Bediener eine Verteilung für die Brüste von unterschiedlicher Größe und Dichte optimiert auszuwählen.

Der Effekt auf das Spektrum KV

KV-Wert wirkt sich stark auf die charakteristische Strahlung, also. K. Es wird nicht, wenn weniger KV K-Energieniveau Elektronen erzeugt werden. Wenn KV diesen Schwellenwert überschreitet, ist die Menge an Strahlung auf die Differenz in der Regel proportional und das Schwellen kV Röhren KV.

Das Energiespektrum der Photonen der Röntgenstrahl von der Vorrichtung emittiert wird von mehreren Faktoren bestimmt. In der Regel besteht sie aus der Bremsstrahlung und charakteristischen Wechselwirkung.

Die relative Zusammensetzung des Spektrums hängt von dem Anodenmaterial, KV und Filter. In einem Rohr mit einer Wolframanode Abstrahlcharakteristik nicht bei KV <69,5 keV gebildet. Bei höheren Werten von HF in diagnostischen Untersuchungen verwendet wurden, erhöht die charakteristische Strahlung, die Gesamtstrahlung zu 25%. Die Molybdän-Vorrichtungen kann er einen großen Teil der gesamten Erzeugungskapazität erreichen.

Wirksamkeit

Nur ein kleiner Teil der Energie durch die Elektronen abgegeben wird in Strahlung umgewandelt. Die Hauptfraktion wird absorbiert und in Wärme umgewandelt. Strahlungswirkungsgrad ist definiert als der Bruchteil der gesamten abgestrahlten Leistung von dem General Electric Anode verliehen. Die Faktoren, die die Effizienz der Röntgenröhre bestimmen Spannung kV angelegt und der Ordnungszahl Z. das ungefähre Verhältnis der folgenden:

• Wirkungsgrad = KV x Z x 10 ^-6.

Die Beziehung zwischen der Effizienz und KV hat eine spezifische Wirkung auf die praktische Verwendung von Röntgengeräten. Aufgrund der Wärmeerzeugung des Rohres eine Grenze für die Anzahl der elektrischen Energie, die sie abstrahlen können. Er erlegt die Kapazität der Vorrichtung zu begrenzen. Mit zunehmender KV erzeugte jedoch die Menge an Strahlung, die durch eine der Wärme signifikant erhöht.

Die Abhängigkeit der Effizienz der Röntgenstrahlerzeugung von der Zusammensetzung der Anode ist nur von akademischem Interesse, da die meisten Geräte Wolfram verwendet. Eine Ausnahme ist Molybdän und Rhodium, in der Mammografie eingesetzt. Effizienz dieser Geräte ist deutlich geringer für Wolfram wegen ihrer niedrigeren Ordnungszahl.

Wirksamkeit

Efficiency Röntgenröhre als Strahlungsmenge definiert millirentgenah für jeweils 1 mAs Elektronen von dem Brennfleck in einem Abstand von 1 m in der Mitte des Nutzstrahl zu einem Punkt abgegeben, die durch das Gerät. Sein Wert stellt die Fähigkeit der Vorrichtung, um die Energie der geladenen Teilchen in der Röntgenstrahlung, zu umwandeln. Es ermöglicht Ihnen, die Exposition des Patienten und den Snapshot zu bestimmen. Als Effizienz hängt Effizienz der Vorrichtung von mehreren Faktoren ab, einschließlich KV, die Spannungswellenform, das Anodenmaterial und dem Grad der Beschädigung der Oberfläche der Filtereinrichtung und zum Zeitpunkt der Verwendung.

KV-Management

Spannung kV Röntgenröhre effektiv steuert die Ausgangsstrahlung. In der Regel wird angenommen, daß der Ausgang mit dem Quadrat des KV proportional ist. Verdopplungs KV Exposition erhöht 4 mal.

Wellenform

Die Wellenform beschreibt die Methode, mit der KV mit der Zeit während der Erzeugung von Strahlung aufgrund der zyklischen Natur der Leistung variiert. Gebrauchte mehrere verschiedene Wellenformen. Das allgemeine Prinzip ist: Je kleiner die Änderung der Form KV, die Röntgenstrahlung effizient produziert wird. Die moderne Ausstattung Generatoren mit relativ konstanten KV verwendet.

Röntgenröhren: Hersteller

Oxford Instruments Company produziert verschiedene Geräte, einschließlich Glas, Leistung 250 W, 4-80 kV Potential, der Brennfleck 10 Mikrometer und einer Vielzahl von Anodenmaterialien, t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian bietet mehr als 400 verschiedene Arten von medizinischen und industriellen Röntgenröhren. Andere bekannte Hersteller sind Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong et al.

In Russland produziert Röntgenröhren "Svetlana-Roentgen". Zusätzlich zu den herkömmlichen Geräten mit rotierenden und feststehenden Anode Unternehmen produziert Geräte der Kaltkathodenlichtstrom gesteuert. Vorteile der folgenden Geräte:

• arbeitet in einem kontinuierlichen und Impulse Modi;
• Fehlen Trägheit;
• Regulieren der Intensität des LED-Stroms;
• Spektrum Reinheit;
• die Möglichkeit der Röntgenstrahlung mit unterschiedlicher Intensität.