Khi ống tia X làm việc?

X-quang bức xạ được tạo ra bằng cách chuyển đổi năng lượng của điện tử thành photon, xảy ra trong một ống tia X. Số lượng (tiếp xúc) và chất lượng (quang phổ) của bức xạ có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp, điện thế và thời gian hoạt động của thiết bị.

Nguyên tắc hoạt động

Các ống tia X (hình ảnh được đưa ra trong bài báo) là các bộ chuyển đổi năng lượng. Họ nhận nó từ mạng và biến nó thành các hình thức khác - xâm nhập bức xạ và nhiệt, trong khi sau đó là một sản phẩm phụ không mong muốn. Thiết bị ống tia X là như vậy mà nó tối đa hoá việc sản xuất các photon và giải phóng nhiệt càng nhanh càng tốt.

Ống này là một thiết bị tương đối đơn giản, thường chứa hai yếu tố chính - cực âm và cực dương. Khi dòng điện chảy từ cực âm đến cực dương, các điện tử mất năng lượng dẫn đến sự hình thành tia X.

Cực dương

Anot là một thành phần trong đó các photon năng lượng cao được phát ra. Đây là một phần tử kim loại tương đối lớn kết nối với cực dương của mạch điện. Nó thực hiện hai chức năng chính:

• Chuyển đổi năng lượng của điện tử thành tia X,
• Giải nhiệt.

Vật liệu cho anode được chọn để tăng cường các chức năng này.

Lý tưởng nhất, hầu hết các điện tử nên hình thành các photon năng lượng cao hơn là nhiệt. Tỷ lệ tổng năng lượng của chúng, được chuyển đổi thành bức xạ X-quang, (HIỆU QUẢ) phụ thuộc vào hai yếu tố:

• Số nguyên tử (Z) của vật liệu cực dương,
• Năng lượng của điện tử.

Trong hầu hết các ống tia X, vonfram được sử dụng làm vật liệu cực dương, số nguyên tử của nó là 74. Ngoài các Z lớn, kim loại này có một số đặc điểm khác mà làm cho nó phù hợp cho mục đích này. Tungsten là duy nhất trong khả năng duy trì độ bền khi đun nóng, có điểm nóng chảy cao và tỷ lệ bốc hơi thấp.

Trong nhiều năm anode được làm bằng vonfram tinh khiết. Trong những năm gần đây, hợp kim của kim loại này với rheni, nhưng chỉ trên bề mặt, đã được sử dụng. Bản thân anôt dưới lớp phủ vonframen-rhenium được làm bằng vật liệu nhẹ tích tụ nhiệt tốt. Hai chất như vậy là molybden và graphite.

Các ống tia X được sử dụng để chụp quang tuyến vú được làm bằng cực dương tráng với molybden. Vật liệu này có số nguyên tử trung gian (Z = 42), tạo ra các photon đặc biệt với năng lượng thuận tiện cho việc chụp hình vú. Một số dụng cụ chụp nhũ ảnh cũng có một cực dương thứ hai làm bằng rhodium (Z = 45). Điều này cho phép bạn tăng năng lượng và đạt được sự thâm nhập lớn hơn cho một ngực dày đặc.

Việc sử dụng hợp kim rheni-vonfram cải thiện năng suất bức xạ dài hạn - theo thời gian, hiệu quả của các thiết bị có anode của vonfram thuần khiết giảm do nhiệt gây tổn hại cho bề mặt.

Hầu hết các anodes có hình dạng của các đĩa vát và được gắn vào trục của động cơ điện, chúng quay với tốc độ tương đối cao trong quá trình phát xạ tia X. Mục đích của luân chuyển là loại bỏ nhiệt.

Tiêu điểm

Trong thế hệ X-quang, không phải toàn bộ anode tham gia. Nó xảy ra trên một diện tích bề mặt nhỏ - một điểm nhấn. Kích thước của ống sau được xác định bởi kích thước của chùm electron phát ra từ cực âm. Trong hầu hết các thiết bị, nó có hình chữ nhật và dao động trong khoảng 0.1-2 mm.

Dự án ống tia X với một kích thước nhất định của tiêu điểm. Kích thước càng nhỏ, độ mờ càng ít và độ rõ nét của hình ảnh càng cao, và càng nhiều thì nhiệt lượng càng tốt.

Kích thước của điểm nhấn là một trong những yếu tố cần phải tính đến khi lựa chọn ống tia X. Các nhà sản xuất sản xuất các thiết bị có điểm đốm nhỏ, khi cần phải đạt được độ phân giải cao và bức xạ nhỏ đủ. Ví dụ, nó là cần thiết trong nghiên cứu các bộ phận nhỏ và mỏng của cơ thể, như trong chụp quang tuyến vú.

Ống X-quang chủ yếu được sản xuất với các đầu mối có hai kích cỡ - lớn và nhỏ, có thể được lựa chọn bởi nhà điều hành theo thủ tục hình thành.

Cathod

Chức năng chính của cathode là tạo ra các điện tử và thu thập chúng trong một chùm hướng tới cực dương. Theo quy định, nó bao gồm một dây xoắn dây nhỏ (sợi dây), đắm mình trong một chén hình trầm cảm.

Các electron đi qua mạch, thường không thể rời khỏi dây dẫn và đi vào không gian trống. Tuy nhiên, họ có thể làm điều này nếu họ có đủ năng lượng. Trong quá trình được gọi là sự phát xạ nhiệt, nhiệt được sử dụng để loại bỏ các điện tử khỏi cực âm. Điều này trở nên có thể khi áp suất trong ống tia X thải ra đạt 10 ^{-6 -10-7} mm Hg. Nghệ thuật Dây tóc được nung nóng theo cùng cách với sợi dây của đèn sợi đốt khi dòng điện chạy qua nó. Công việc của ống tia X được đi kèm với sự gia nhiệt của cực âm đến nhiệt độ phát quang với việc thay thế một số các điện tử bằng năng lượng nhiệt từ nó.

Xi lanh

Anốt và catốt được chứa trong vỏ bọc kín. Khinh khí cầu và nội dung của nó thường được gọi là chèn có giới hạn tuổi thọ và có thể được thay thế. Các ống tia X chủ yếu có bóng đèn thủy tinh, mặc dù các kim loại và bình xi lanh được sử dụng cho một số ứng dụng.

Chức năng chính của xi lanh là để cung cấp hỗ trợ và cách điện của anode và cực âm, và duy trì một chân không. Áp suất trong ống tia X được tản nhiệt tại 15 ° C là 1,2 · 10 ^-3 Pa. Sự có mặt của khí trong bình sẽ cho phép điện chạy qua thiết bị một cách tự do, và không chỉ dưới dạng một chùm electron.

Nhà ở

Các thiết bị ống tia X là như vậy, ngoài các hàng rào và hỗ trợ của các thành phần khác, nhà ở của nó phục vụ như một lá chắn và hấp thụ bức xạ, ngoại trừ một chùm hữu ích đi qua cửa sổ. Bề mặt ngoài bề mặt tương đối lớn của nó giải phóng phần lớn lượng nhiệt được tạo ra bên trong thiết bị. Khoảng trống giữa thân và bộ chèn đầy dầu, tạo ra cách nhiệt và làm mát.

Chuỗi

Mạch điện kết nối ống với nguồn năng lượng, được gọi là máy phát điện. Nguồn nhận nguồn từ mạng và chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành một hằng số. Máy phát điện cũng cho phép bạn điều chỉnh một số thông số của mạch:

• KV - điện áp hoặc điện tiềm năng;
• MA là dòng điện chạy qua ống;
• S - thời gian hoặc thời gian tiếp xúc, trong phần phân số của giây.

Chuỗi này đảm bảo chuyển động của điện tử. Họ bị tính phí năng lượng, đi qua máy phát điện, và cung cấp cho anode. Khi họ di chuyển, có hai biến đổi:

• Năng lượng điện tiềm ẩn được chuyển thành năng lượng động học;
• Các động học, lần lượt, được chuyển đổi thành bức xạ tia X và nhiệt.

Tiềm năng

Khi các electron đi vào bình, chúng có năng lượng điện tiềm năng, số lượng được xác định bởi điện áp KV giữa cực dương và cực âm. Ống tia X hoạt động dưới điện áp, tạo ra 1 KV trong đó mỗi hạt nên có 1 keV. Bằng cách điều chỉnh KV, nhà điều hành sẽ chỉ định mỗi electron một lượng năng lượng.

Kinetics

Áp suất thấp trong ống tia X tản nhiệt (ở nhiệt độ 15 ° C là 10 ^{-6 -10-7} mmHg) cho phép các hạt thoát khỏi cathode đến anode dưới tác động của sự phát xạ nhiệt và điện lực. Lực lượng này gia tốc chúng, làm tăng vận tốc và động năng và giảm năng lượng tiềm tàng. Khi một hạt chạm cực dương, tiềm năng của nó bị mất, và toàn bộ năng lượng của nó đi đến động năng. Một điện tử 100 keV đạt vận tốc vượt quá một nửa tốc độ ánh sáng. Đột nhiên bề mặt, các hạt nhanh chóng làm chậm lại và mất động năng của chúng. Nó chuyển thành X-quang hoặc nhiệt.

Các điện tử tiếp xúc với các nguyên tử riêng lẻ của vật liệu cực dương. Bức xạ được tạo ra khi chúng tương tác với các orbitals (photon tia X) và với hạt nhân (bremsstrahlung).

Sức mạnh truyền thông

Mỗi electron trong nguyên tử có một năng lượng liên kết nhất định, phụ thuộc vào kích thước của nó và mức độ hạt nằm. Năng lượng liên kết đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra bức xạ tia X đặc trưng và là cần thiết để loại bỏ electron khỏi nguyên tử.

Bremsstrahlung

Bức xạ phanh tạo ra số lượng photon lớn nhất. Các điện tử xuyên qua vật liệu cực dương và đi qua gần hạt nhân bị lệch hướng và làm chậm lại bởi lực hấp dẫn của nguyên tử. Năng lượng của chúng, bị mất trong cuộc họp này, xuất hiện dưới dạng một photon tia X.

Quang phổ

Chỉ có một vài photon có năng lượng gần với năng lượng của các điện tử. Hầu hết trong số họ là thấp hơn. Giả sử có một khoảng trống, hoặc một trường xung quanh hạt nhân, trong đó các electron gặp phải lực "ức chế". Trường này có thể được chia thành các vùng. Điều này cho phép lĩnh vực hạt nhân một mục tiêu với một nguyên tử ở giữa. Một điện tử chạm tới bất kỳ điểm nào của mục tiêu trải qua sự giảm tốc và tạo ra một photon tia X. Các hạt nằm gần trung tâm nhất sẽ chịu tác động lớn nhất, và do đó mất năng lượng nhiều nhất, tạo ra các photon năng lượng cao nhất. Các electron đi vào các khu vực bên ngoài gặp phải sự tương tác yếu hơn và tạo ra các lượng tử với năng lượng thấp hơn. Mặc dù các vùng có cùng chiều rộng, chúng có các khu vực khác nhau, phụ thuộc vào khoảng cách tới lõi. Vì số hạt rơi xuống một vùng nhất định phụ thuộc vào diện tích của nó, rõ ràng là các vùng bên ngoài thu được nhiều điện tử hơn và tạo ra nhiều photon hơn. Theo mô hình này, có thể dự đoán phổ năng lượng của bức xạ tia X.

E _{max của các} photon của quang phổ bremsstrahlung cơ bản tương ứng với Emax _{của các} electron. Dưới điểm này, với sự giảm năng lượng của lượng tử, số lượng của chúng tăng lên.

Một số lượng đáng kể các photon có năng lượng thấp được hấp thụ hoặc lọc, khi chúng cố gắng đi qua bề mặt anode, cửa sổ ống hoặc bộ lọc. Việc lọc theo nguyên tắc phụ thuộc vào thành phần và chiều dày của vật liệu mà qua đó chùm tia sẽ quyết định dạng cuối cùng của đường cong năng lượng thấp của quang phổ.

Ảnh hưởng của KV

Phần năng lượng cao của quang phổ xác định điện áp trong ống tia X kV (kilovolt). Điều này là do nó xác định năng lượng của các electron đạt cực dương, và các photon không thể có tiềm năng lớn hơn thế này. Dưới công việc của ống tia X là gì? Năng lượng photon tối đa tương ứng với tiềm năng áp dụng tối đa. Điện áp này có thể thay đổi trong thời gian tiếp xúc do dòng điện AC. Trong trường hợp này, E _{max của} photon được xác định bởi điện áp đỉnh của chu kỳ dao động KV _p .

Ngoài các tiềm năng của lượng tử, KVP xác định lượng bức xạ được sản xuất bởi một số lượng nhất định các điện tử vào cực dương. Vì hiệu quả tổng thể của bremsstrahlung tăng lên do sự tăng trưởng năng lượng của các electron đang bắn phá, được xác định bởi KV _p , sau đó KV _p ảnh hưởng đến hiệu quả của thiết bị.

Sự thay đổi KV _p , như một quy luật, thay đổi quang phổ. Tổng diện tích dưới đường cong năng lượng là số photon. Nếu không có bộ lọc, quang phổ là một tam giác, và lượng bức xạ tỷ lệ với hình vuông của KV. Trong sự hiện diện của một bộ lọc, sự gia tăng KV cũng làm tăng sự thâm nhập của photon, làm giảm tỷ lệ bức xạ được lọc. Điều này dẫn đến sự gia tăng năng suất bức xạ.

Bức xạ đặc trưng

Loại tương tác tạo ra bức xạ đặc trưng liên quan đến sự va chạm của các electron tốc độ cao với các quỹ đạo. Tương tác có thể xảy ra chỉ khi hạt sắp tới có E lớn hơn năng lượng liên kết trong nguyên tử. Khi điều kiện này được đáp ứng, va chạm xảy ra, điện tử sẽ bị loại ra. Điều này để lại một chỗ trống chứa đầy một hạt có mức năng lượng cao hơn. Khi chuyển động chuyển động, electron sẽ giải phóng năng lượng bức xạ dưới dạng lượng tử tia X. Đây được gọi là bức xạ đặc trưng, vì photon E là một đặc tính của nguyên tố hóa học mà từ đó anode được tạo ra. Ví dụ, khi điện cực vonfram vonfram bị loại ra với _{khớp nối} E = 69,5 keV, vị trí này được lấp đầy bằng một điện tử từ mức L với E = 10,2 keV. Các photon tia X đặc trưng có một năng lượng tương đương với sự khác biệt giữa hai cấp, hoặc 59,3 keV.

Trong thực tế, vật liệu cực dương này dẫn đến sự xuất hiện của một số năng lượng tia X đặc trưng. Điều này là do các electron ở các mức năng lượng khác nhau (K, L, vv) có thể bị loại ra bởi các hạt bắn phá, và các vị trí trống có thể được lấp đầy từ các mức năng lượng khác nhau. Mặc dù thực tế là điền vào các vị trí trống của mức L tạo ra photon, năng lượng của họ quá nhỏ để sử dụng trong chẩn đoán hình ảnh. Mỗi năng lượng đặc trưng được chỉ định cho thấy quỹ đạo trong đó một vị trí trống đã được hình thành, với một chỉ số cho thấy nguồn nạp electron. Chỉ số alpha (α) cho thấy việc làm đầy electron từ mức L, và beta (β) cho thấy sự điền từ mức M hoặc N.

• Quang phổ vonfram. Các bức xạ đặc trưng của kim loại này tạo ra một phổ tuyến tính bao gồm một số năng lượng rời rạc, và bremsstrahlung tạo ra một sự phân bố liên tục. Số lượng các photon tạo ra bởi mỗi năng lượng đặc trưng khác nhau có nghĩa là xác suất điền vào một vị trí cấp K phụ thuộc vào quỹ đạo.
• Phổ của molybden. Anode từ kim loại này được sử dụng cho chụp tuyến vú tạo ra hai năng lượng tia X đặc trưng khá mạnh: K-alpha ở 17,9 keV, và K-beta ở 19,5 keV. Tầm quang phổ tối ưu của ống tia X giúp cho cân bằng tốt nhất giữa độ tương phản và liều bức xạ đối với vú trung bình đạt được ở _Ef = 20 keV. Tuy nhiên, bremsstrahlung được sản xuất bởi năng lượng cao. Trong thiết bị chụp quang tuyến vú, một bộ lọc molybden được sử dụng để loại bỏ phần không mong muốn của quang phổ. Bộ lọc hoạt động theo nguyên tắc "K-edge". Nó hấp thụ bức xạ vượt quá năng lượng liên kết của các điện tử ở mức K của nguyên tử molybden.
• Quang phổ của rhodi. Rhodium có một số nguyên tử là 45, và molybdenum có 42. Vì vậy, bức xạ tia X đặc trưng của cực rhodium sẽ có năng lượng cao hơn so với molybden và thâm nhập hơn. Điều này được sử dụng để có được hình ảnh của bộ ngực dày đặc.

Anode có diện tích bề mặt gấp đôi, molypden roto, cho phép nhà điều hành lựa chọn một phân bố tối ưu cho các tuyến vú có kích thước và mật độ khác nhau.

Ảnh hưởng của KV lên phổ

Giá trị KV ảnh hưởng mạnh đến bức xạ đặc trưng vì nó sẽ không được sản sinh nếu KV nhỏ hơn năng lượng điện tử của K-level. Khi KV vượt quá ngưỡng này, lượng bức xạ thường tỉ lệ thuận với sự khác biệt giữa ống KV và KV ngưỡng.

Phổ năng lượng của các photon tia X phát ra từ dụng cụ được xác định bởi một số yếu tố. Theo nguyên tắc, nó bao gồm các quanta của bremsstrahlung và sự tương tác đặc trưng.

Thành phần tương đối của quang phổ phụ thuộc vào vật liệu của anode, KV và bộ lọc. Trong một ống có anode vonfram, bức xạ đặc trưng không được hình thành tại KV <69,5 keV. Ở các giá trị CV cao hơn được sử dụng trong các nghiên cứu chẩn đoán, bức xạ đặc trưng làm tăng tổng bức xạ lên 25%. Trong các thiết bị molybden, nó có thể chiếm phần lớn trong tổng số thế hệ.

Hiệu quả

Chỉ một phần nhỏ năng lượng được cung cấp bởi các electron được chuyển thành bức xạ. Phần chính được hấp thu và chuyển thành nhiệt. Hiệu quả bức xạ được định nghĩa là phần nhỏ của tổng năng lượng bức xạ từ tổng lượng điện năng cung cấp cho anode. Các yếu tố xác định hiệu quả của tia X là điện áp áp dụng KV và số nguyên tử Z. Tỷ lệ gần đúng như sau:

• Hiệu suất = KV x Z x 10 ^-6 .

Mối quan hệ giữa hiệu quả và KV có tác động cụ thể đến việc sử dụng thiết bị X-quang thực tế. Do sự tạo nhiệt, các ống có một giới hạn nhất định về lượng năng lượng điện mà chúng có thể tiêu tan. Điều này áp đặt giới hạn về sức mạnh của thiết bị. Với sự gia tăng KV, tuy nhiên, lượng bức xạ được tạo ra cho mỗi đơn vị nhiệt tăng lên đáng kể.

Sự phụ thuộc của hiệu quả của việc tạo ra tia X đối với thành phần anode chỉ là mối quan tâm học thuật, vì hầu hết các thiết bị sử dụng vonfram. Ngoại lệ là molybden và rohodium, được sử dụng trong chụp quang tuyến vú. Hiệu suất của các thiết bị này thấp hơn nhiều so với vonfram vì số nguyên tử thấp hơn của chúng.

Tính hiệu quả

Hiệu quả của ống tia X được định nghĩa là lượng bức xạ trong tia milli được đưa đến một điểm ở trung tâm của chùm hữu ích ở khoảng cách 1 m từ điểm nhấn cho mỗi 1 mA điện tử đi qua dụng cụ. Giá trị của nó thể hiện khả năng của thiết bị để chuyển đổi năng lượng của các hạt tích điện thành bức xạ tia X. Cho phép bạn xác định độ phơi nhiễm của bệnh nhân và hình ảnh. Giống như hiệu quả, hiệu quả của thiết bị phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm KV, dạng sóng điện áp, vật liệu cực dương và mức độ thiệt hại cho bề mặt, bộ lọc và thời gian sử dụng của thiết bị.

Kiểm soát KV

Điện áp KV điều khiển hiệu quả bức xạ đầu ra của ống tia X. Theo nguyên tắc, giả sử rằng đầu ra tỉ lệ thuận với hình vuông của KV. Tăng gấp đôi KV lên gấp 4 lần.

Dạng sóng

Dạng sóng mô tả cách thức mà KV thay đổi theo thời gian trong quá trình tạo ra bức xạ do tính chất tuần hoàn của nguồn điện. Một số dạng sóng khác nhau được sử dụng. Nguyên tắc chung là: hình dạng của KV nhỏ hơn, sẽ tạo ra bức xạ tia X hiệu quả hơn. Trong các thiết bị hiện đại, máy phát điện với KV tương đối thường được sử dụng.

Ống tia X: nhà sản xuất

Oxford Instruments sản xuất các thiết bị khác nhau, bao gồm các loại thủy tinh có công suất lên đến 250 W, tiềm năng từ 4-80 kV, tiêu cự tối đa 10 micron và một loạt các vật liệu cực dương, bao gồm Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian cung cấp hơn 400 loại ống tia X và y tế công nghiệp khác nhau. Các nhà sản xuất nổi tiếng khác là Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hàng Châu Wandong, Kailong và những người khác.

Tại Nga, ống tia X "Svetlana-Roentgen" được sản xuất. Ngoài các thiết bị truyền thống có anode xoay và tĩnh, công ty còn sản xuất các thiết bị có cathode lạnh, được điều khiển bởi một luồng ánh sáng. Những ưu điểm của thiết bị là:

• Làm việc ở chế độ liên tục và xung;
• Thiếu quán tính;
• Quy định cường độ hiện tại của đèn LED;
• Độ tinh khiết của quang phổ;
• Khả năng lấy x-quang với cường độ khác nhau.