Как работают рентгеновские трубки?

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.

Принцип работы

Рентгеновские трубки (фото приведено в статье) являются преобразователями энергии. Они получают ее из сети и превращают в другие формы – проникающее излучение и тепло, при этом последнее является нежелательным побочным продуктом. Устройство рентгеновской трубки таково, что она максимизирует производство фотонов и рассеивает тепло так быстро, насколько это возможно.

Трубка представляет собой относительно простой прибор, как правило, содержащий два принципиальных элемента – катод и анод. Когда ток течет от катода к аноду, электроны теряют энергию, что приводит к генерации рентгеновского излучения.

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:

Видео: Схема рентгеновской трубки. Ряд конкретных конструкций трубок

• 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.

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.

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.

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.

Корпус

Устройство рентгеновской трубки таково, что, в дополнение к ограждению и поддержке других компонентов, ее корпус служит щитом и поглощает излучение, за исключением проходящего через окно полезного пучка. Его относительно большая внешняя поверхность рассеивает большую часть тепла, образуемого внутри устройства. Пространство между корпусом и вставкой заполнено маслом, обеспечивающим изоляцию и ее охлаждение.

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:

Видео: ЭЛТ - Электронно лучевая трубка

• потенциальная электрическая энергия превращается в кинетическую;
• кинетическая, в свою очередь, преобразуется в рентгеновское излучение и тепло.

Потенциал

Когда электроны поступают в колбу, они обладают потенциальной электрической энергией, количество которой определяется напряжением KV между анодом и катодом. Рентгеновская трубка работает под напряжением, для создания 1 KV которого каждая частица должна обладать 1 кэВ. Регулируя KV, оператор наделяет каждый электрон определенным количеством энергии.

Кинетика

Низкое давление в откачанной рентгеновской трубке (при 15°C оно составляет 10^-6–10^-7 мм рт. ст.) позволяет частицам под действием термоэлектронной эмиссии и электрической силы вылетать из катода к аноду. Эта сила ускоряет их, что приводит к увеличению скорости и кинетической энергии и убыванию потенциальной. Когда частица попадает на анод, ее потенциал теряется, и вся ее энергия переходит в кинетическую. 100-кэВ электрон достигает скорости, превышающей половины скорости света. Ударяясь о поверхность, частицы очень быстро замедляются и теряют свою кинетическую энергию. Она превращается в рентгеновское излучение или тепло.

Электроны вступают в контакт с отдельными атомами материала анода. Излучение генерируется при их взаимодействии с орбиталями (рентгеновские фотоны) и с ядром (тормозное излучение).

Энергия связи

Каждый электрон внутри атома обладает определенной энергией связи, которая зависит от размера последнего и уровня, на котором находится частица. Энергия связи играет важную роль в генерации характеристического рентгеновского излучения и необходима для удаления электрона из атома.

Тормозное излучение

Тормозное излучение производит наибольшее количество фотонов. Электроны, проникающие в материал анода и проходящие вблизи ядра, отклоняются и замедляются силой притяжения атома. Их энергия, теряемая во время этой встречи, появляется в виде рентгеновского фотона.

Спектр

Лишь немногие фотоны обладают энергией, близкой к энергии электронов. У большинства из них она ниже. Предположим, что существует пространство, или поле, окружающее ядро, в котором электроны испытывают силу «торможения». Это поле может быть разделено на зоны. Это дает полю ядра вид мишени с атомом в центре. Электрон, попадающий в любую точку мишени, испытывает торможение и генерирует рентгеновский фотон. Частицы, попадающие ближе всего к центру, подвергаются наибольшему воздействию и, следовательно, теряют больше всего энергии, производя самые высокоэнергичные фотоны. Электроны, попадающие во внешние зоны, испытывают более слабые взаимодействия и генерируют кванты с более низкой энергией. Хотя зоны имеют одинаковую ширину, что они имеют разную площадь, зависящую от расстояния до ядра. Так как число частиц, попадающих на данную зону, зависит от ее общей площади, то очевидно, что внешние зоны захватывают больше электронов и создают больше фотонов. По этой модели можно предсказать энергетический спектр рентгеновского излучения.

E_max фотонов основного спектра тормозного излучения соответствует E_max электронов. Ниже этой точки, с уменьшением энергии квантов их число растет.

Значительное число фотонов с малыми энергиями поглощается или фильтруется, поскольку они пытаются пройти через поверхность анода, окно трубки или фильтр. Фильтрация, как правило, зависит от состава и толщины материала, через который проходит луч, что и определяет конечный вид низкоэнергетической кривой спектра.

Влияние KV

Высокоэнергетическую часть спектра определяет напряжение в рентгеновских трубках kV (киловольт). Это происходит потому, что оно обусловливает энергию электронов, достигающих анода, а фотоны не могут обладать потенциалом, большим чем этот. Под каким напряжением работает рентгеновская трубка? Максимальная энергия фотона соответствует максимальному приложенному потенциалу. Это напряжение может изменяться во время экспозиции из-за переменного тока сети. В этом случае E_max фотона определяется пиковым напряжением периода колебаний KV_p.

Кроме потенциала квантов, KV_p определяет количество радиации, создаваемой данным числом электронов, попадающих на анод. Так как общая эффективность тормозного излучения увеличивается за счет роста энергии бомбардирующих электронов, которая определяется KV_p, то отсюда следует, что KV_p влияет на КПД прибора.

Изменение KV_p, как правило, изменяет спектр. Общая площадь под кривой энергий представляет собой число фотонов. Без фильтра спектр представляет собой треугольник, а количество радиации пропорционально квадрату KV. При наличии фильтра увеличение KV также увеличивает проникновение фотонов, что снижает процент фильтруемого излучения. Это ведет к увеличению радиационного выхода.

Характеристическое излучение

Тип взаимодействия, который производит характеристическое излучение, включает столкновение высокоскоростных электронов с орбитальными. Взаимодействие может происходить только тогда, когда входящая частица обладает Е_к большей, чем энергия связи в атоме. Когда это условие соблюдено, и происходит столкновение, электрон выбивается. При этом остается вакансия, заполняемая частицей более высокого энергетического уровня. По мере движения электрон отдает энергию, излучаемую в виде рентгеновского кванта. Это называется характеристическим излучением, так как E фотона является характеристикой химического элемента, из которого сделан анод. Например, когда выбивается электрон К-уровня вольфрама с Е_связи=69,5 кэВ, вакансия заполняется электроном из L-уровня с E_связи=10,2 кэВ. Характеристический рентгеновский фотон обладает энергией, равной разности между этими двумя уровнями, или 59,3 кэВ.

На самом деле, данный материал анода приводит к появлению ряда характеристических энергий рентгеновского излучения. Это происходит потому, что электроны на различных энергетических уровнях (K, L и т.д.) могут быть выбиты бомбардирующими частицами, а вакансии могут быть заполнены из различных энергетических уровней. Несмотря на то что заполнение вакансий L-уровня генерирует фотоны, их энергии слишком малы для использования в диагностической визуализации. Каждой характеристической энергии дается обозначение, которое указывает на орбиталь, в которой образовалась вакансия, с индексом, который показывает источник заполнения электрона. Индекс альфа (&alpha-) обозначает заполнение электрона из L-уровня, а бета (&beta-) указывает на заполнение из уровня М или N.

• Спектр вольфрама. Характеристическое излучение этого металла производит линейный спектр, состоящий из нескольких дискретных энергий, а тормозное создает непрерывное распределение. Число фотонов, созданных каждой характеристической энергией, отличается тем, что вероятность заполнения вакансии K-уровня зависит от орбитали.
• Спектр молибдена. Аноды из данного металла, используемые для маммографии, производят две достаточно интенсивные характеристические энергии рентгеновского излучения: K-альфа при 17,9 кэВ, и K-бета при 19,5 кэВ. Оптимальный спектр рентгеновских трубок, позволяющий достичь наилучший баланс между контрастностью и дозой облучения для груди среднего размера, достигается при Е_ф=20 кэВ. Однако тормозное излучение производится большими энергиями. В оборудовании для маммографии для удаления нежелательной части спектра используется молибденовый фильтр. Фильтр работает по принципу «K-края». Он поглощает излучение, превышающее энергию связи электронов на К-уровне атома молибдена.
• Спектр родия. Родий имеет атомный номер 45, а молибден – 42. Поэтому характеристическое рентгеновское излучение родиевого анода будет иметь немного большую энергию, чем у молибдена, и более проникающую. Это используется для получения изображений плотной груди.

Аноды с двойными участками поверхности, молибден-родиевыми, дают возможность оператору выбрать распределение, оптимизированное под молочные железы разного размера и плотности.

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 KV< 69,5 кэВ. При более высоких значениях КВ, используемых в диагностических исследованиях, характеристическое излучение увеличивает суммарную радиацию до 25%. В молибденовых устройствах оно может составить большую часть общего объема генерации.

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.

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.

KV-управление

Напряжение KV эффективно управляет выходным излучением рентгеновской трубки. Как правило, предполагается, что выход пропорционален квадрату KV. Удвоение KV увеличивает экспозицию в 4 раза.

Форма волны

Форма волны описывает способ, с помощью которого KV изменяется со временем в процессе генерации радиации из-за циклической природы электропитания. Используется несколько различных форм волн. Общий принцип таков: чем меньше изменяется форма KV, тем эффективнее производится рентгеновское излучение. В современном оборудовании используют генераторы с относительно постоянным KV.

Рентгеновские трубки: производители

Компания Oxford Instruments выпускает различные устройства, включая стеклянные мощностью до 250 Вт, потенциалом 4–80 кВ, фокальным пятном до 10 микрон и широким диапазоном материалов анода, в т. ч. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian предлагает более 400 различных типов медицинских и промышленных рентгеновских трубок. Другими известными производителями являются Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong и др.

В России выпускаются рентгеновские трубки «Светлана-Рентген». Помимо традиционных приборов с вращающимся и стационарным анодом, предприятие изготавливает устройства с холодным катодом, управляемым световым потоком. Преимущества прибора следующие:

• работа в непрерывном и импульсном режимах;
• безынерционность;
• регулирование интенсивности током светодиода;
• чистота спектра;
• возможность получения рентгеновского излучения различной интенсивности.