كيف تعمل أنابيب الأشعة السينية؟

يتم توليد أشعة سينية بواسطةتحويل طاقة الإلكترون إلى فوتونات ، والتي تحدث في أنبوب الأشعة السينية. يمكن تنظيم كمية (التعرض) ونوعية (الطيف) للإشعاع عن طريق تغيير زمن التيار والجهد والتشغيل للأداة.

مبدأ العملية

أنابيب الأشعة السينية (الصورة موجودة في المقال)هي محولات الطاقة. يحصلون عليها من الشبكة وتحويلها إلى أشكال أخرى - اختراق الإشعاع والحرارة ، في حين أن الأخير هو منتج ثانوي غير مرغوب فيه. إن جهاز أنبوب الأشعة السينية هو الذي يعمل على زيادة إنتاج الفوتونات وتبديد الحرارة بأسرع وقت ممكن.

الأنبوب بسيط نسبيايحتوي الجهاز ، كقاعدة عامة ، على عنصرين رئيسيين - الكاثود والأنود. عندما يتدفق التيار من الكاثود إلى الأنود ، تفقد الإلكترونات الطاقة ، مما يؤدي إلى توليد الأشعة السينية.

الأنود

الأنود هو المكون الذي فيهانبعاث فوتونات عالية الطاقة. هذا هو عنصر هائل نسبيا من المعدن الذي يتصل إلى القطب الموجب للدائرة الكهربائية. ينفذ وظيفتين رئيسيتين:

• يحول طاقة الإلكترونات إلى أشعة سينية ،
• تبدد الحرارة.

يتم اختيار مادة الأنود لتعزيز هذه الوظائف.

من الناحية المثالية، فإن معظم إلكترونات ينبغي أن تشكل الفوتونات ذات الطاقة العالية، بدلا من الحرارة. نسبة من الطاقة الإجمالية، التي يتم تحويلها إلى الأشعة السينية (COP) تعتمد على عاملين:

• العدد الذري (Z) من مادة الأنود ،
• طاقة الالكترونات.

في معظم أنابيب الأشعة السينيةتستخدم مادة الأنود التنغستن ، التي يبلغ عددها الذري 74. بالإضافة إلى Z الكبيرة ، يتميز هذا المعدن ببعض الخصائص الأخرى التي تجعله مناسبًا لهذا الغرض. التنغستن فريدة من نوعها في قدرتها على الحفاظ على القوة عند تسخينها ، لديها نقطة انصهار عالية ومعدل تبخر منخفض.

لسنوات عديدة كان الأنود مصنوعًا من نقيالتنغستن. في السنوات الأخيرة ، بدأنا باستخدام سبيكة من هذا المعدن مع الرينيوم ، ولكن فقط على السطح. يتكون الأنود نفسه تحت طلاء التنغستن - الرينيوم من مادة خفيفة تتراكم الحرارة بشكل جيد. اثنين من هذه المواد هي الموليبدينوم والجرافيت.

أنابيب الأشعة السينية المستخدمة لالتصوير الشعاعي للثدي ، يتم تصنيعه مع الأنود المطلي بالموليبدينوم. تحتوي هذه المادة على عدد ذري ​​متوسط ​​(Z = 42) ، والذي يولد فوتونات مميزة ذات طاقات ملائمة لتصوير الثدي. بعض أدوات التصوير الشعاعي للثدي لديها أيضا أنود الثاني مصنوع من الروديوم (ض = 45). هذا يسمح لك لزيادة الطاقة وتحقيق قدر أكبر من الاختراق لصندوق كثيف.

يحسن استخدام سبائك التنجستن الرنيومغلة الإشعاع على المدى الطويل - مع مرور الوقت ، تنخفض كفاءة الأجهزة ذات الأنود من التنغستن النقي بسبب التلف الحراري إلى السطح.

معظم الأنودات لها شكل أقراص مشطوفةوتعلق على رمح المحرك الكهربائي ، والتي تدور عليها بسرعة عالية نسبيا أثناء انبعاث الأشعة السينية. الغرض من الدوران هو إزالة الحرارة.

البؤرة

في توليد الأشعة السينية ،الأنود كله. يحدث على مساحة صغيرة من سطحه - بقعة بؤرية. يتم تحديد أبعاد هذا الأخير من خلال أبعاد حزمة الإلكترون القادمة من الكاثود. في معظم الأجهزة ، يكون لها شكل مستطيل وتتفاوت ضمن نطاق 0.1-2 مم.

مشروع أنابيب الأشعة السينية بحجم معين من البؤرة. كلما كانت الصورة أصغر ، كلما كانت الصورة أقل وضوحًا ، وكلما كانت أكثر ، كلما تمت إزالة الحرارة بشكل أفضل.

حجم البؤرة هو واحد منالعوامل التي يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار أنابيب الأشعة السينية. ينتج المصنعون أجهزة ذات بقع بؤرية صغيرة عندما يكون من الضروري تحقيق درجة وضوح عالية وإشعاع صغير كافي. على سبيل المثال ، هو مطلوب في دراسة أجزاء صغيرة ورقيقة من الجسم ، كما هو الحال في التصوير الشعاعي للثدي.

يتم إنتاج أنابيب الأشعة السينية بشكل أساسي ببقع بؤرية ذات حجمين - كبيرها وصغيرها ، والتي يمكن اختيارها من قبل المشغل وفقًا لإجراءات تشكيل الصورة.

أشعة الكاثود

تتمثل الوظيفة الرئيسية للكاثود في توليد إلكترونات وجمعها في حزمة موجهة إلى القطب الموجب. وكقاعدة عامة ، تتكون من سلك حلزوني صغير (خيوط) ، مغمورة في اكتئاب على شكل كوب.

عادة لا تستطيع الإلكترونات المارة عبر دائرةترك الموصل والذهاب إلى الفضاء الحر. ومع ذلك ، يمكنهم القيام بذلك إذا حصلوا على طاقة كافية. في العملية المعروفة باسم الانبعاث الحراري ، يتم استخدام الحرارة لطرد الإلكترونات من الكاثود. يصبح هذا ممكنًا عندما يصل الضغط في أنبوب الأشعة السينية الذي تم إخلاؤه إلى 10^-6-10^-7 ملم زئبق. الفن. يسخن الغزل بنفس الطريقة مثل مصباح خيوط دوامة عن طريق تمرير therethrough الحالي. ويرافق عمل أنبوب أشعة الكاثود عن طريق تسخين إلى درجة حرارة التلألؤ النزوح الطاقة الحرارية منها الإلكترونات.

بالون

ويرد القطب الموجب والكاثود في العلبة المختومة -زجاجة. يطلق على البالون ومحتوياته في الغالب اسمًا يحتوي على عمر محدود ويمكن استبداله. تحتوي أنابيب الأشعة السينية بشكل أساسي على مصابيح زجاجية ، على الرغم من استخدام أسطوانات معدنية وسيراميك لبعض التطبيقات.

وتتمثل المهمة الرئيسية للأسطوانة في توفير الدعم والعزل للأنود والكاثود والحفاظ على الفراغ. الضغط في أنبوب الأشعة السينية المفرغ عند 15 درجة مئوية هو 1.2 × 10^-3 ولاية بنسيلفينيا إن وجود الغازات في الأسطوانة سوف يسمح للكهرباء بالتدفق عبر الجهاز بحرية ، وليس فقط في شكل شعاع الإلكترون.

إسكان

ترتيب أنبوب الأشعة السينية هو الذي ، فيبالإضافة إلى السياج ودعم المكونات الأخرى ، يعمل جسمه كدرع ويمتص الإشعاع ، باستثناء شعاع مفيد يمر عبر النافذة. إن سطحه الخارجي الكبير نسبياً يبدد الكثير من الحرارة المتولدة داخل الجهاز. يمتلئ الفراغ بين الجسم والإدخال بالزيت ، الذي يوفر العزل وتبريده.

سلسلة

الدائرة الكهربائية تربط الأنبوب بالمصدرالطاقة ، والتي تسمى مولد. يستقبل المصدر الطاقة من الشبكة ويحول التيار المتردد إلى تيار ثابت. يتيح لك المولد أيضًا ضبط بعض معلمات الدائرة:

• KV - جهد كهربائي أو جهد كهربائي ؛
• MA هو التيار الذي يتدفق خلال الأنبوب ؛
• S - مدة أو وقت التعرض ، في كسور من الثانية.

تضمن السلسلة حركة الإلكترونات. وهم مشحونون بالطاقة ، ويمرون بالمولد ، ويعطونه إلى القطب الموجب. أثناء تحركهم ، هناك تحويلين:

• يتم تحويل الطاقة الكهربائية المحتملة إلى طاقة حركية ؛
• يتم تحويل الحركية بدورها إلى إشعاع الأشعة السينية والحرارة.

إمكانية

عندما تدخل الإلكترونات القارورة ، لديهمالطاقة الكهربية المحتملة ، يتحدد مقدارها بالجهد KV بين الأنود والكاثود. يعمل أنبوب الأشعة السينية تحت الجهد الكهربائي ، لإنشاء 1 كيلوفولت والتي يجب أن يكون لكل جسيم 1 كيلو فولت. من خلال ضبط KV ، يقوم المشغل بتعيين كل إلكترون كمية من الطاقة.

حركية

الضغط المنخفض في أنبوب الأشعة السينية المفرغة (عند 15 درجة مئوية هو 10^-6-10^-7 ملم زئبق. الفن.) يسمح للجسيمات بالانتقال من الكاثود إلى الأنود تحت تأثير انبعاث حراري وقوة كهربائية. هذه القوة تسرعهم ، مما يؤدي إلى زيادة في السرعة والطاقة الحركية وانخفاض في الطاقة الكامنة. عندما يضرب جسيم الأنود ، يتم فقدان إمكاناته ، وكل طاقته تذهب إلى الطاقة الحركية. يصل إلكترون 100-keV إلى سرعة تتجاوز نصف سرعة الضوء. عند ضرب السطح ، تتباطأ الجسيمات بسرعة كبيرة وتفقد طاقة حركتها. يتحول إلى الأشعة السينية أو الحرارة.

تتلامس الإلكترونات مع الذرات الفردية لمادة الأنود. يتم توليد الإشعاع عند تفاعله مع المدارات (الفوتونات بالأشعة السينية) ومع النواة (bremsstrahlung).

قوة الاتصال

كل إلكترون داخل الذرة لديهيحددها طاقة الربط ، والتي تعتمد على حجم هذا الأخير والمستوى الذي يقع فيه الجسيم. تلعب طاقة الربط دورًا مهمًا في توليد الأشعة السينية المميزة وهي ضرورية لإزالة الإلكترون من الذرة.

إشعاع انكباحي

إشعاع الفرامل تنتج أعظمعدد الفوتونات. إن الإلكترونات التي تخترق المادة الأنودية والمرور بالقرب من النواة تنحرف وتتباطأ بفعل قوة الجذب للذرة. وتبدو طاقتهم المفقودة خلال هذا الاجتماع في صورة فوتون الأشعة السينية.

مجموعة من

فقط عدد قليل من الفوتونات لديها الطاقة قريبة منطاقة الالكترونات. معظمهم أقل. لنفترض أن هناك مساحة أو مجال المحيطة الأساسية، حيث الإلكترونات تجربة القوة "تثبيط". يمكن تقسيم هذا المجال إلى مناطق. وهذا يعطي مجال النواة شكل الهدف مع وجود ذرة في المركز. يمر الإلكترون الذي يضرب أي نقطة من الهدف بالتباطؤ ويولد فوتونا بالأشعة السينية. تتعرض الجسيمات الأقرب إلى المركز إلى التأثير الأكبر ، وبالتالي تفقد معظم الطاقة ، وتنتج فوتونات عالية الطاقة. تتعرض الإلكترونات التي تدخل المناطق الخارجية لتفاعلات أضعف وتولد كميات مع طاقة أقل. على الرغم من أن المناطق لها نفس العرض ، إلا أنها تحتوي على مساحة مختلفة ، حسب المسافة إلى اللب. ولما كان عدد من الحوادث الجسيمات على المنطقة، يعتمد على مساحته الإجمالية، فمن الواضح أن المنطقة الخارجية التقاط المزيد من الإلكترونات وتسبب المزيد من الفوتونات. وفقًا لهذا النموذج ، من الممكن التنبؤ بطيف الطاقة لإشعاع الأشعة السينية.

E_ماكس الفوتونات من الطيف bremsstrahlung الأساسي يتوافق مع E_ماكس الإلكترونات. تحت هذه النقطة ، مع انخفاض في طاقة الكميات ، يزداد عددها.

عدد كبير من الفوتونات ذات طاقات منخفضةيتم امتصاصه أو تصفيته ، أثناء محاولته المرور عبر سطح الأنود أو نافذة الأنبوب أو الفلتر. يعتمد الترشيح ، كقاعدة عامة ، على تركيبة وسمك المادة التي تمر من خلالها الحزمة ، والتي تحدد الشكل النهائي للمنحنى المنخفض الطاقة للطيف.

تأثير KV

يحدد الجزء عالي الطاقة من الطيفالجهد أنابيب الأشعة السينية في كيلو فولت (كيلو فولت). هذا هو لأنه يحدد طاقة الإلكترونات الوصول إلى القطب الموجب، والفوتونات لا يمكن أن يكون أكبر من إمكانيات من هذا. تحت أي جهد يعمل أنبوب الأشعة السينية؟ يتوافق مع الحد الأقصى للطاقة الفوتون إلى الحد الأقصى تطبيق المحتملة. قد تختلف هذه الجهد خلال التعرض بسبب الشبكة الحالية بالتناوب. في هذه الحالة هـ_ماكس يتم تحديد الفوتون بواسطة ذروة الجهد من فترة التذبذب KV_ص.

بالإضافة إلى إمكانات الكانتا ، KV_ص يحدد كمية الإشعاع التي تنتجهامن خلال عدد الإلكترونات الحادث على الأنود. حيث أن الكفاءة العامة لل bremsstrahlung تزداد نتيجة لنمو طاقة إلكترونات القذف ، والتي يتم تحديدها بواسطة KV_ص، يتبع ذلك KV_ص يؤثر على كفاءة الجهاز.

تغيير KV_ص، كقاعدة عامة ، يغير الطيف. المساحة الكلية تحت منحنى الطاقة هو عدد الفوتونات. وبدون الفلتر ، يكون الطيف مثلثًا ، وتتناسب كمية الإشعاع مع مربع KV. في وجود مرشح ، زيادة في KV أيضا يزيد من اختراق الفوتونات ، مما يقلل من نسبة الإشعاع المرشح. هذا يؤدي إلى زيادة في غلة الإشعاع.

إشعاع مميزة

نوع التفاعل الذي ينتجالإشعاع المميز ، ينطوي على تصادم الإلكترونات عالية السرعة مع تلك المدارات. يمكن أن يحدث التفاعل فقط عندما يكون للجسيم الوارد E_إلى أكبر من طاقة الربط في الذرة. عندما يتحقق هذا الشرط ، ويحدث تصادم ، يتم إخراج الإلكترون. هذا يترك شاغرة مليئة بجسيمات مستوى طاقة أعلى. ومع تحرك الحركة ، ينقل الإلكترون الطاقة المشعة في صورة كموم الأشعة السينية. وهذا ما يطلق عليه الإشعاع المميز ، لأن الفوتون E هو خاصية مميزة للعنصر الكيميائي الذي يصنع منه الأنود. على سبيل المثال ، عندما يتم إخراج إلكترون من مستوى K من التنغستن مع E_{اتصالات}= 69.5 كيلو فولت ، يتم ملء الوظيفة الشاغرة بواسطة إلكترون من المستوى L مع E_{اتصالات}= 10.2 كيلوفولت يحتوي الفوتون السيني المميز على طاقة تساوي الفرق بين هذين المستويين ، أو 59.3 كيلوفولت.

في الواقع ، هذه المواد أنود يؤدي إلىظهور عدد من الطاقة المميزة للأشعة السينية. وذلك لأن الإلكترونات عند مستويات طاقة مختلفة (K، L ، إلخ) يمكن أن تتعرض لضربات بالقنابل ، ويمكن ملء الشواغر من مستويات طاقة مختلفة. على الرغم من أن ملء الشواغر على مستوى L يولد الفوتونات ، إلا أن طاقاتها صغيرة جدًا بحيث لا يمكن استخدامها في التصوير التشخيصي. تعطى كل طاقة مميزة تسمية تشير إلى المدار الذي تشكلت فيه الوظيفة الشاغرة ، مع فهرس يشير إلى مصدر ملء الإلكترون. يشير مؤشر ألفا (ألفا) إلى ملء الإلكترون من المستوى L ، ويشير بيتا (β) إلى الملء من مستوى M أو N.

• الطيف من التنغستن. الإشعاع المميز لهذا المعدنتنتج طيف خطي يتكون من عدة طاقات منفصلة ، و bremsstrahlung يخلق توزيع مستمر. يختلف عدد الفوتونات التي تم إنشاؤها بواسطة كل طاقة مميزة في أن احتمال ملء شغور على مستوى K يعتمد على المدار.
• طيف الموليبدينوم. الأنودات المصنوعة من هذا المعدن ، وتستخدم لالتصوير الشعاعي للثدي ، تنتج اثنين من طاقات الأشعة السينية المميزة جدا: K-alpha عند 17.9 keV ، و K-beta عند 19.5 keV. يتم تحقيق الطيف الأمثل من أنابيب الأشعة السينية ، مما يسمح لتحقيق أفضل توازن بين التباين والجرعة الإشعاعية لثدي متوسط ​​الحجم ، في E_و= 20 كيلوفولت. ومع ذلك ، يتم إنتاج bremsstrahlung بواسطة طاقات عالية. في جهاز التصوير الشعاعي للثدي ، يتم استخدام مرشح الموليبدينوم لإزالة الجزء غير المرغوب فيه من الطيف. يعمل المرشح وفقًا لمبدأ K-edge. إنه يمتص الإشعاع الذي يتجاوز طاقة الربط للإلكترونات عند مستوى K لذرة الموليبدينوم.
• طيف الروديوم. يحتوي الروديوم على عدد ذري ​​يبلغ 45 ، ويحتوي الموليبدينوم على 42. لذلك ، فإن إشعاع الأشعة السينية المميز من الأنود الروديوم سيكون له طاقة أعلى بقليل من طاقة الموليبدينوم ، وأكثر اختراقًا. يستخدم هذا للحصول على صور الثدي الكثيف.

مصاعد مع المساحات السطحية مزدوجة، الموليبدينوم، الروديوم، وتمكين المشغل لتحديد التوزيع الأمثل للثدي مختلفة الحجم والكثافة.

تأثير KV على الطيف

تؤثر قيمة KV بشدة على الخاصيةالإشعاع ، لأنه لن يتم إنتاجه إذا كانت KV أقل من طاقة الإلكترونات على مستوى K. عندما يتجاوز KV هذه العتبة ، يتناسب مقدار الإشعاع عادةً مع الفرق بين أنبوب KV و KV عتبة.

يتم تحديد طيف الطاقة للفوتونات بالأشعة السينية المنبعثة من الجهاز بعدة عوامل. كقاعدة عامة ، فهي تتكون من الكميات من bremsstrahlung والتفاعل المميز.

يعتمد التركيب النسبي للطيف على المادةالأنود ، KV والتصفية. في أنبوب مع الأنود التنغستن ، لا يتم تشكيل الإشعاع المميز في KV <69.5 كيلو فولت. في القيم العليا للسيرة الذاتية المستخدمة في الدراسات التشخيصية ، يزيد الإشعاع المميز من الإشعاع الكلي إلى 25٪. في أجهزة الموليبدينوم ، يمكن أن تمثل معظم الجيل الإجمالي.

كفاءة

فقط جزء صغير من الطاقة المسلمةيتم تحويل الإلكترونات إلى إشعاع. يتم امتصاص الجزء الرئيسي وتحويله إلى حرارة. تعرف كفاءة الإشعاع بأنها جزء من إجمالي الطاقة المشعة من إجمالي الطاقة الكهربائية ، ويتم إبلاغها إلى القطب الموجب. العوامل التي تحدد كفاءة أنبوب الأشعة السينية هي الفولتية المطبقة KV والرقم الذري Z. النسبة التقريبية هي كما يلي:

• الكفاءة = KV x Z x 10^-6.

العلاقة بين الكفاءة و KVتأثير محدد على الاستخدام العملي لمعدات الأشعة السينية. بسبب توليد الحرارة ، يكون للأنابيب حد معين من حيث كمية الطاقة الكهربائية التي يمكن أن تتبددها. هذا يفرض قيودًا على قوة الجهاز. مع الزيادة في KV ، ومع ذلك ، يتم زيادة كمية الإشعاع المنتج لكل وحدة حرارة بشكل ملحوظ.

الاعتماد على الكفاءةإن توليد الأشعة السينية من تركيبة الأنود هي ذات أهمية أكاديمية فقط ، حيث إن معظم الأجهزة تستخدم التنغستن. الاستثناءات هي الموليبدينوم والروديوم ، وتستخدم في التصوير الشعاعي للثدي. كفاءة هذه الأجهزة أقل بكثير من التنغستن بسبب انخفاض عددها الذري.

فعالية

يتم تحديد كفاءة أنبوب الأشعة السينيةحيث يصل مقدار التشعيع في شعاع الميلي إلى النقطة في مركز الحزمة المفيدة على مسافة 1 متر من البقعة البؤرية لكل 1 مللي أمبير من الإلكترونات التي تمر عبر الصك. وتعبر قيمته عن قدرة الجهاز على تحويل طاقة الجسيمات المشحونة إلى أشعة سينية. يسمح لك بتحديد تعرض المريض للصورة. مثل الكفاءة ، تعتمد كفاءة الجهاز على عدد من العوامل ، بما في ذلك KV ، وموجة موجة الجهد ، ومواد الأنود ودرجة الضرر على سطحه ، ومرشحه ، ووقت استخدام الجهاز.

التحكم KV

يتحكم الجهد KV بفاعلية في إشعاع خرج أنبوب الأشعة السينية. وكقاعدة عامة ، يفترض أن الناتج متناسب مع مربع KV. مضاعفة KV يزيد من التعرض بنسبة 4 مرات.

الموجي

يصف الموجي الطريقة التي فيهايختلف KV بمرور الوقت خلال توليد الإشعاع بسبب الطبيعة الدورية لمصدر الطاقة. تستخدم عدة أشكال موجية. المبدأ العام هو: كلما قل حجم شكل KV ، تم إنتاج أشعة X أكثر فعالية. في المعدات الحديثة ، يتم استخدام المولدات ذات KV ثابت نسبيًا.

أنابيب الأشعة السينية: الشركات المصنعة

تنتج أكسفورد إنسترومنتس مختلفبما في ذلك الأجهزة الزجاجية بقوة تصل إلى 250 واط ، وإمكانية من 4-80 كيلو فولت ، وبقعة بؤرية تصل إلى 10 ميكرون ومجموعة واسعة من المواد الأنودية ، بما في ذلك Ag ، Au ، Co ، Cr ، Cu ، Fe ، Mo ، Pd ، Rh ، Ti ، و.

تقدم فاريان أكثر من 400 نوع مختلفأنابيب الأشعة السينية الطبية والصناعية. ومن الشركات المشهورة الأخرى Dunille و GE و Philips و Shimadzu و Siemens و Toshiba و IAE و Hangzhou Wandong و Kailong وغيرها.

في روسيا ، يتم تصنيع أنابيب الأشعة السينية"سفيتلانا-رونتجن". بالإضافة إلى الأجهزة التقليدية مع الأنود الدورية والثابتة ، تقوم الشركة بتصنيع الأجهزة ذات الكاثود البارد ، التي تسيطر عليها تدفق الضوء. مزايا الجهاز هي:

• العمل في الأنماط المستمرة والنبضة ؛
• غياب الجمود.
• تنظيم الكثافة الحالية لل LED ؛
• نقاء الطيف
• إمكانية الحصول على الأشعة السينية ذات الكثافة المختلفة.
</ أول </ p>