لوله های اشعه ایکس چگونه کار می کنند؟

2024 نویسنده: Curtis Blomfield | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-15 09:36

اشعه ایکس با تبدیل انرژی الکترون به فوتون، که در یک لوله اشعه ایکس انجام می شود، ایجاد می شود. میزان (قرار گرفتن در معرض) و کیفیت (طیف) تابش را می توان با تغییر جریان، ولتاژ و زمان کار دستگاه تنظیم کرد.

اصل کار

لوله های اشعه ایکس(عکس در مقاله داده شده است) مبدل های انرژی هستند. آنها آن را از شبکه می گیرند و به اشکال دیگری تبدیل می کنند - تشعشع و گرمای نافذ، که دومی یک محصول جانبی نامطلوب است. طراحی لوله اشعه ایکس به گونه ای است که تولید فوتون را به حداکثر می رساند و گرما را در سریع ترین زمان ممکن دفع می کند.

لوله یک دستگاه نسبتاً ساده است که معمولاً شامل دو عنصر اساسی است - یک کاتد و یک آند. هنگامی که جریان از کاتد به آند می‌رسد، الکترون‌ها انرژی خود را از دست می‌دهند که منجر به تولید اشعه ایکس می‌شود.

Anode

آند جزءی است که ساطع می کندفوتون های انرژی بالا این یک عنصر فلزی نسبتاً عظیم است که به قطب مثبت مدار الکتریکی متصل است. دو عملکرد اصلی را انجام می دهد:

انرژی الکترون را به اشعه ایکس تبدیل می کند،
گرما را از بین می برد.

مواد آند برای بهبود این عملکردها انتخاب شده است.

در حالت ایده آل، بیشتر الکترون ها باید فوتون های پرانرژی تشکیل دهند، نه گرما. کسری از انرژی کل آنها که به اشعه ایکس تبدیل می شود (بازده) به دو عامل بستگی دارد:

عدد اتمی (Z) ماده آند،
انرژی الکترونها.

بیشتر لوله های اشعه ایکس از تنگستن به عنوان ماده آند استفاده می کنند که عدد اتمی آن 74 است. این فلز علاوه بر داشتن Z بزرگ، ویژگی های دیگری نیز دارد که آن را برای این منظور مناسب می کند. تنگستن در توانایی خود در حفظ استحکام هنگام گرم شدن، دارای نقطه ذوب بالا و نرخ تبخیر کم است.

برای سال‌ها، آند از تنگستن خالص ساخته می‌شد. در سال های اخیر، آلیاژی از این فلز با رنیم شروع به استفاده از آن شده است، اما فقط در سطح. خود آند زیر پوشش تنگستن-رنیم از ماده ای سبک ساخته شده است که گرما را به خوبی ذخیره می کند. دو ماده از این قبیل مولیبدن و گرافیت هستند.

لوله های اشعه ایکسکه برای ماموگرافی استفاده می شوند با آند پوشش داده شده مولیبدن ساخته می شوند. این ماده دارای یک عدد اتمی میانی (Z=42) است که فوتون‌های مشخصه‌ای را با انرژی مناسب تولید می‌کند.برای عکس گرفتن از قفسه سینه برخی از دستگاه های ماموگرافی نیز دارای آند دوم از رودیوم هستند (Z=45). این به شما امکان می دهد انرژی را افزایش دهید و برای سینه های سفت نفوذ بیشتری داشته باشید.

استفاده از آلیاژ رنیم- تنگستن خروجی تابش طولانی مدت را بهبود می بخشد - با گذشت زمان، کارایی دستگاه های آند تنگستن خالص به دلیل آسیب حرارتی به سطح کاهش می یابد.

بیشتر آندها به شکل دیسک‌های اریب‌دار هستند و به شفت موتور الکتریکی متصل می‌شوند که آنها را با سرعت‌های نسبتاً بالایی می‌چرخاند در حالی که اشعه ایکس ساطع می‌کنند. هدف از چرخش حذف گرما است.

نقطه کانونی

کل آند در تولید اشعه ایکس نقش ندارد. این در ناحیه کوچکی از سطح آن رخ می دهد - یک نقطه کانونی. ابعاد دومی با ابعاد پرتو الکترونی که از کاتد می آید تعیین می شود. در اکثر دستگاه ها، شکل مستطیلی دارد و بین 0.1-2 میلی متر متغیر است.

لوله های اشعه ایکسبا اندازه نقطه کانونی خاصی طراحی شده اند. هرچه کوچکتر باشد، تصویر کمتر تار و واضح تر است، و هر چه بزرگتر باشد، گرما بهتر دفع می شود.

اندازه نقطه کانونی یکی از عواملی است که باید در انتخاب تیوب های اشعه ایکس در نظر گرفت. زمانی که برای دستیابی به وضوح بالا و تابش به اندازه کافی کم لازم است، سازندگان دستگاه هایی با نقاط کانونی کوچک تولید می کنند. به عنوان مثال، این مورد در هنگام معاینه قسمت های کوچک و نازک بدن مانند ماموگرافی ضروری است.

لوله های اشعه ایکسعمدتاً با دو اندازه نقطه کانونی بزرگ و کوچک تولید می شوند که می تواند توسط اپراتور مطابق روش تصویربرداری انتخاب شود.

کاتد

عملکرد اصلی کاتد تولید الکترون و جمع آوری آنها در پرتوی است که به سمت آند هدایت می شود. به عنوان یک قاعده، از یک سیم مارپیچ (نخ) کوچک تشکیل شده است که در یک فرورفتگی فنجانی شکل فرو رفته است.

الکترونهایی که از مدار عبور می کنند معمولا نمی توانند هادی را ترک کنند و به فضای آزاد بروند. با این حال، اگر انرژی کافی دریافت کنند، می توانند این کار را انجام دهند. در فرآیندی که به انتشار حرارتی معروف است، از گرما برای بیرون راندن الکترون ها از کاتد استفاده می شود. این زمانی ممکن می شود که فشار در لوله اشعه ایکس تخلیه شده به 10^-6-10^{-7 میلی متر جیوه برسد. هنر فیلامنت مانند رشته یک لامپ رشته ای با عبور جریان از آن گرم می شود. عملکرد لوله اشعه ایکس با گرم کردن کاتد تا دمای درخشش همراه با جابجایی بخشی از الکترون ها از آن توسط انرژی گرمایی همراه است.}

بالون

آند و کاتد در یک ظرف مهر و موم شده قرار دارند. بالون و محتویات آن اغلب به عنوان یک درج نامیده می شود که عمر محدودی دارد و قابل تعویض است. لوله های اشعه ایکس عمدتا دارای لامپ های شیشه ای هستند، اگرچه از لامپ های فلزی و سرامیکی برای برخی کاربردها استفاده می شود.

عملکرد اصلی بالون پشتیبانی و عایق برای آند و کاتد و حفظ خلاء است. فشار در لوله اشعه ایکس تخلیه شدهدر دمای 15 درجه سانتیگراد 1.2 10-3 Pa است. وجود گازها در بالون به الکتریسیته اجازه می‌دهد آزادانه در دستگاه جریان یابد و نه فقط به شکل یک پرتو الکترونی.

مورد

طراحی لوله اشعه ایکس به گونه ای است که علاوه بر محصور کردن و حمایت از سایر اجزا، بدنه آن به جز پرتو مفیدی که از پنجره می گذرد، نقش سپر و جذب اشعه را دارد. سطح بیرونی نسبتا بزرگ آن بیشتر گرمای تولید شده در داخل دستگاه را دفع می کند. فضای بین بدنه و درج با روغن برای عایق کاری و خنک کننده پر شده است.

زنجیره

یک مدار الکتریکی لوله را به منبع انرژی به نام ژنراتور متصل می کند. منبع برق از شبکه برق دریافت می کند و جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می کند. ژنراتور همچنین به شما امکان می دهد برخی از پارامترهای مدار را تنظیم کنید:

KV - ولتاژ یا پتانسیل الکتریکی؛
MA جریانی است که از طریق لوله می گذرد؛
S - مدت یا زمان نوردهی، در کسری از ثانیه.

مدار حرکت الکترون ها را فراهم می کند. آنها با عبور از ژنراتور با انرژی شارژ می شوند و آن را به آند می دهند. همانطور که آنها حرکت می کنند، دو تبدیل رخ می دهد:

انرژی الکتریکی بالقوه به انرژی جنبشی تبدیل می شود؛
جنبشی به نوبه خود به اشعه ایکس و گرما تبدیل می شود.

پتانسیل

هنگامی که الکترون ها وارد لامپ می شوند، دارای انرژی الکتریکی پتانسیل هستند که مقدار آن با ولتاژ KV بین آند و کاتد تعیین می شود. لوله اشعه ایکس کار می کندتحت ولتاژ، برای ایجاد 1 کیلو ولت که هر ذره باید 1 کو ولت داشته باشد. با تنظیم KV، اپراتور به هر الکترون مقدار معینی انرژی می دهد.

سینتیک

فشار کم در لوله اشعه ایکس تخلیه شده (در دمای 15 درجه سانتیگراد 10^-6-10^{-7 میلی متر جیوه است.) به ذرات اجازه می دهد تا تحت تأثیر گسیل ترمیونی و نیروی الکتریکی از کاتد به آند پرواز کنند. این نیرو به آنها سرعت می بخشد که منجر به افزایش سرعت و انرژی جنبشی و کاهش پتانسیل می شود. وقتی ذره ای به آند برخورد می کند، پتانسیل آن از بین می رود و تمام انرژی آن به انرژی جنبشی تبدیل می شود. یک الکترون 100 کیلو ولتی به سرعتی بیش از نیمی از سرعت نور می رسد. با برخورد به سطح، ذرات خیلی سریع کند می شوند و انرژی جنبشی خود را از دست می دهند. تبدیل به اشعه ایکس یا گرما می شود.}

الکترونها با اتمهای جداگانه ماده آند در تماس هستند. تشعشع زمانی ایجاد می شود که آنها با اوربیتال ها (فوتون های اشعه ایکس) و با هسته (bremsstrahlung) برهم کنش داشته باشند.

Link Energy

هر الکترون در داخل یک اتم دارای انرژی اتصال خاصی است که به اندازه دومی و سطحی که ذره در آن قرار دارد بستگی دارد. انرژی اتصال نقش مهمی در تولید پرتوهای X مشخصه ایفا می کند و برای حذف یک الکترون از اتم ضروری است.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung بیشترین تعداد فوتون را تولید می کند. الکترون‌هایی که به ماده آند نفوذ کرده و از نزدیک هسته عبور می‌کنند منحرف شده و کند می‌شوند.نیروی جاذبه اتم انرژی از دست رفته آنها در طول این برخورد به عنوان یک فوتون پرتو ایکس ظاهر می شود.

طیف

فقط تعداد کمی از فوتون ها انرژی نزدیک به الکترون ها دارند. اکثر آنها پایین تر هستند. اجازه دهید فرض کنیم که فضای یا میدانی در اطراف هسته وجود دارد که در آن الکترون ها نیروی "ترمز" را تجربه می کنند. این میدان را می توان به مناطق تقسیم کرد. این به میدان هسته ظاهر یک هدف با یک اتم در مرکز می دهد. الکترونی که به هر نقطه ای از هدف برخورد می کند، کاهش سرعت را تجربه می کند و یک فوتون پرتو ایکس تولید می کند. ذرات نزدیک به مرکز بیشترین تأثیر را دارند و بنابراین بیشترین انرژی را از دست می دهند و بیشترین فوتون های انرژی را تولید می کنند. الکترون هایی که وارد مناطق بیرونی می شوند برهمکنش ضعیف تری را تجربه می کنند و کوانتوم های انرژی کمتری تولید می کنند. اگرچه پهنای پهنه ها یکسان است، اما بسته به فاصله تا هسته، مساحت متفاوتی دارند. از آنجایی که تعداد ذراتی که روی یک منطقه می‌افتند به مساحت کل آن بستگی دارد، بدیهی است که مناطق بیرونی الکترون‌های بیشتری را جذب کرده و فوتون‌های بیشتری ایجاد می‌کنند. این مدل می تواند برای پیش بینی طیف انرژی اشعه ایکس استفاده شود.

E_max فوتون طیف اصلی bremsstrahlung با E_{max الکترون مطابقت دارد. در زیر این نقطه، با کاهش انرژی فوتون، تعداد آنها افزایش می یابد.}

تعداد قابل توجهی از فوتون های کم انرژی در هنگام عبور از سطح آند، پنجره لوله یا فیلتر جذب یا فیلتر می شوند. فیلتراسیون به طور کلی به ترکیب و ضخامت ماده ای که از طریق آن انجام می شود بستگی داردپرتو از آن عبور می کند که شکل نهایی منحنی کم انرژی طیف را تعیین می کند.

تاثیر KV

قسمت پرانرژی طیف توسط ولتاژ در لوله های پرتو ایکس کیلوولت (کیلوولت) تعیین می شود. این به این دلیل است که انرژی الکترون هایی که به آند می رسند را تعیین می کند و فوتون ها نمی توانند پتانسیل بالاتر از این داشته باشند. لوله اشعه ایکس با چه ولتاژی کار می کند؟ حداکثر انرژی فوتون مربوط به حداکثر پتانسیل اعمال شده است. این ولتاژ ممکن است در طول قرار گرفتن در معرض به دلیل جریان برق AC تغییر کند. در این مورد، E_max یک فوتون با ولتاژ اوج دوره نوسان KV_{p تعیین می شود.}

علاوه بر پتانسیل کوانتومی، KV_p مقدار تابش ایجاد شده توسط تعداد معینی از الکترون ها را که به آند برخورد می کنند را تعیین می کند. از آنجایی که بازده کلی bremsstrahlung به دلیل افزایش انرژی الکترون های بمباران افزایش می یابد، که با KV_p تعیین می شود، نتیجه می شود که KV_{pبر کارایی دستگاه تأثیر می گذارد.}

تغییر KV_{p معمولاً طیف را تغییر می دهد. مساحت کل زیر منحنی انرژی تعداد فوتون ها است. بدون فیلتر، طیف یک مثلث است و مقدار تابش متناسب با مربع KV است. در حضور فیلتر، افزایش KV همچنین باعث افزایش نفوذ فوتون ها می شود که درصد تابش فیلتر شده را کاهش می دهد. این منجر به افزایش خروجی تابش می شود.}

تابش مشخص

نوع تعاملی که مشخصه را ایجاد می کندتابش، شامل برخورد الکترون های پرسرعت با الکترون های مداری است. برهمکنش زمانی می تواند رخ دهد که ذره ورودی دارای E_k بیشتر از انرژی اتصال در اتم باشد. وقتی این شرط برآورده شد و برخورد اتفاق افتاد، الکترون به بیرون پرتاب می شود. در این حالت، یک جای خالی باقی می ماند که توسط ذره ای با سطح انرژی بالاتر پر می شود. همانطور که الکترون حرکت می کند، انرژی تولید می کند که به شکل یک کوانتوم پرتو ایکس منتشر می شود. این تابش مشخصه نامیده می شود، زیرا E فوتون مشخصه عنصر شیمیایی است که آند از آن ساخته شده است. به عنوان مثال، هنگامی که یک الکترون از سطح K تنگستن با E_bond=69.5 کو حذف می شود، جای خالی توسط الکترونی از سطح L با E _{پر می شود. پیوند=10، 2 کو. فوتون پرتو ایکس مشخصه دارای انرژی برابر با اختلاف بین این دو سطح یا 59.3 کو است.}

در واقع، این ماده آند منجر به تعدادی انرژی مشخصه اشعه ایکس می شود. این به این دلیل است که الکترون‌ها در سطوح مختلف انرژی (K، L، و غیره) می‌توانند با بمباران ذرات حذف شوند و جای خالی را می‌توان از سطوح مختلف انرژی پر کرد. اگرچه پر کردن جای خالی سطح L فوتون تولید می کند، انرژی آنها برای استفاده در تصویربرداری تشخیصی بسیار کم است. به هر انرژی مشخصه یک نام داده می شود که نشان دهنده اوربیتالی است که در آن جای خالی شکل گرفته است، با شاخصی که منبع پر شدن الکترون را نشان می دهد. شاخص آلفا (α) اشغال یک الکترون از سطح L را نشان می دهد و بتا (β) نشان می دهد.پر کردن از سطح M یا N.

طیف تنگستن. تابش مشخصه این فلز یک طیف خطی متشکل از چندین انرژی مجزا تولید می کند، در حالی که bremsstrahlung یک توزیع پیوسته ایجاد می کند. تعداد فوتون‌های تولید شده توسط هر انرژی مشخصه از این جهت متفاوت است که احتمال پر کردن یک جای خالی سطح K به اوربیتال بستگی دارد.

طیف مولیبدن. آندهای این فلز که برای ماموگرافی استفاده می‌شوند، دو انرژی پرتو ایکس نسبتاً شدید تولید می‌کنند: K-alpha در 17.9 کو و K-بتا در 19.5 کو. طیف بهینه لوله های اشعه ایکس، که امکان دستیابی به بهترین تعادل بین کنتراست و دوز تابش را برای سینه های با اندازه متوسط فراهم می کند، در E_{ph=20 keV به دست می آید. با این حال، bremsstrahlung در انرژی های بالا تولید می شود. تجهیزات ماموگرافی از یک فیلتر مولیبدن برای حذف قسمت ناخواسته طیف استفاده می کنند. این فیلتر بر اساس اصل "K-Edge" کار می کند. این تابش بیش از انرژی اتصال الکترون ها را در سطح K اتم مولیبدن جذب می کند.}
طیف رودیوم. رودیوم دارای عدد اتمی 45 است، در حالی که مولیبدن دارای عدد اتمی 42 است. بنابراین، تابش پرتو ایکس مشخصه آند رودیم انرژی کمی بالاتر از مولیبدن خواهد داشت و نافذتر است. این برای تصویربرداری از سینه های متراکم استفاده می شود.

آندهای مولیبدن-رودیوم دو سطحی به اپراتور این امکان را می دهد که توزیعی را انتخاب کند که برای اندازه ها و تراکم های مختلف سینه بهینه شده است.

اشعه ایکس با چه ولتاژی کار می کند؟یک لوله

اثر KV بر روی طیف

مقدار KV تا حد زیادی بر تابش مشخصه تأثیر می گذارد، زیرا اگر KV کمتر از انرژی الکترون های سطح K باشد، تولید نمی شود. وقتی KV از این آستانه فراتر رود، مقدار تابش معمولاً با تفاوت بین KV لوله و KV آستانه متناسب است.

طیف انرژی فوتون های اشعه ایکس که از دستگاه خارج می شوند توسط چندین عامل تعیین می شود. به عنوان یک قاعده، از bremsstrahlung و کوانتومهای برهمکنش مشخصه تشکیل شده است.

ترکیب نسبی طیف به مواد آند، KV و فیلتر بستگی دارد. در یک لوله با آند تنگستن، هیچ تشعشع مشخصه ای در KV< 69.5 کو تولید نمی شود. در مقادیر بالاتر CV که در مطالعات تشخیصی استفاده می شود، تشعشع مشخصه تابش کل را تا 25٪ افزایش می دهد. در دستگاه های مولیبدن، می تواند بخش بزرگی از کل تولید را تشکیل دهد.

کارایی

تنها بخش کوچکی از انرژی ارسال شده توسط الکترون ها به تابش تبدیل می شود. قسمت اصلی جذب شده و به گرما تبدیل می شود. راندمان تابش به عنوان نسبت کل انرژی تابش شده از کل انرژی الکتریکی ارسال شده به آند تعریف می شود. عواملی که کارایی یک لوله اشعه ایکس را تعیین می کنند، ولتاژ اعمال شده KV و عدد اتمی Z هستند. یک رابطه مثال به شرح زیر است:

کارایی=KV x Z x 10-6.

رابطه بین بازده و KV تأثیر خاصی بر استفاده عملی از تجهیزات اشعه ایکس دارد. به دلیل آزاد شدن گرما، لوله ها محدودیت خاصی در میزان الکتریسیته دارندانرژی که می توانند از بین ببرند. این امر محدودیتی در قدرت دستگاه ایجاد می کند. با افزایش KV، مقدار تابش تولید شده در هر واحد گرما به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

وابستگی راندمان تولید اشعه ایکس به ترکیب آند تنها مورد توجه دانشگاهی است، زیرا بیشتر دستگاه ها از تنگستن استفاده می کنند. یک استثنا مولیبدن و رودیوم مورد استفاده در ماموگرافی است. راندمان این دستگاه ها به دلیل عدد اتمی پایین تر از تنگستن بسیار کمتر است.

کارایی

کارایی یک لوله اشعه ایکس به عنوان مقدار نوردهی، بر حسب میلی‌رینتژن، به نقطه‌ای در مرکز پرتو مفید در فاصله ۱ متری از نقطه کانونی برای هر ۱ میلی‌آمپرس تعریف می‌شود. الکترون هایی که از دستگاه عبور می کنند. مقدار آن بیانگر توانایی دستگاه برای تبدیل انرژی ذرات باردار به اشعه ایکس است. به شما امکان می دهد نوردهی بیمار و تصویر را تعیین کنید. مانند راندمان، راندمان دستگاه به عوامل متعددی از جمله KV، شکل موج ولتاژ، مواد آند و آسیب سطح، فیلتر و زمان استفاده بستگی دارد.

کنترل KV

KV به طور موثر خروجی لوله اشعه ایکس را کنترل می کند. به طور کلی فرض می شود که خروجی متناسب با مربع KV است. دوبرابر کردن KV نوردهی را 4 برابر افزایش می‌دهد.

شکل موج

شکل موج روش تغییر KV را در طول زمان در طول تولید توصیف می کندتشعشع به دلیل ماهیت چرخه ای منبع تغذیه. چندین شکل موج مختلف استفاده می شود. اصل کلی این است که هرچه شکل KV کمتر تغییر کند، اشعه ایکس کارآمدتر تولید می شود. تجهیزات مدرن از ژنراتورهایی با KV نسبتاً ثابت استفاده می‌کنند.

لوله های اشعه ایکس: سازندگان

Oxford Instruments دستگاه های مختلفی تولید می کند، از جمله دستگاه های شیشه ای تا 250 وات، پتانسیل 4-80 کیلوولت، نقطه کانونی تا 10 میکرون و طیف گسترده ای از مواد آند، از جمله Ag، Au، Co، Cr، مس، آهن، مو، پالادیم، Rh، Ti، W.

Varian بیش از 400 نوع مختلف لوله اشعه ایکس پزشکی و صنعتی را ارائه می دهد. دیگر تولیدکنندگان معروف عبارتند از Dunlee، GE، Philips، Shimadzu، Siemens، Toshiba، IAE، Hangzhou Wandong، Kailong و غیره.

لوله های اشعه ایکس "Svetlana-Rentgen" در روسیه تولید می شود. علاوه بر دستگاه های سنتی با آند چرخان و ثابت، این شرکت دستگاه هایی با کاتد سرد کنترل شده توسط شار نور تولید می کند. مزایای دستگاه به شرح زیر است: