Röntgencső - X-ray tube

A röntgencső olyan vákuumcső, amely az elektromos bemeneti teljesítményt röntgenné alakítja . Ennek az irányítható röntgenforrásnak a rendelkezésre állása hozta létre a röntgenfelvételt , a részben átlátszatlan tárgyak behatoló sugárzással történő képalkotását . Az ionizáló sugárzás más forrásaival ellentétben a röntgensugarak csak addig keletkeznek, amíg a röntgencső be van kapcsolva. A röntgencsöveket CT-szkennerekben , repülőtéri poggyászszkennerekben, röntgenkristályográfiában , anyag- és szerkezetelemzésben, valamint ipari ellenőrzésben is használják.

A nagy teljesítményű számítógépes tomográfiai (CT) pásztázó és angiográfiai rendszerek iránti növekvő kereslet nagyon nagy teljesítményű orvosi röntgencsövek fejlesztését ösztönözte.

Coolidge röntgencső, 1917 körüli. A fűtött katód a bal oldalon, az anód pedig jobb. A röntgensugarak lefelé kerülnek.

Történelem

A röntgencsövek olyan kísérleti Crookes -csövekből alakultak ki , amelyekkel Wilhelm Conrad Röntgen német fizikus 1895. november 8-án fedezte fel először a röntgensugarakat . Ezeket az első generációs hideg katódot vagy Crookes röntgencsöveket az 1920-as évekig használták. A Crookes-csövet William Coolidge javította 1913-ban. A legelterjedtebb a Coolidge-cső , más néven forró katódcső . Nagyon jó minőségű vákuummal működik (kb. 10 −4 Pa, vagy 10 −6 Torr).

Az 1980-as évek végéig a röntgengenerátorok csupán nagyfeszültségű, váltakozó áramú és váltakozó áramú tápegységek voltak. Az 1980-as évek végén egy másik irányítási módszer alakult ki, az úgynevezett nagy sebességű kapcsolás. Ez a tápegységek (más néven kapcsoló üzemmódú tápegységek ) elektronikai technológiáját követte , és lehetővé tette a röntgen egység pontosabb vezérlését, jobb minőségű eredményeket és csökkentett röntgen expozíciót.

Fizika

A ródium -célú röntgencső által kibocsátott röntgensugár spektruma 60 kV- on működik . A sima, folytonos görbe a bremsstrahlungnak köszönhető , és a tüskék a ródium atomokra jellemző K vonalak .

Mint minden vákuumcsőnél , itt is van egy katód , amely elektronokat bocsát ki a vákuumba, és egy anód az elektronok összegyűjtésére, ezáltal létrehozva a csövön át az áram áramát, amelyet nyalábnak neveznek . Egy nagyfeszültségű áramforrás, például 30–150 kilovolt (kV), az úgynevezett csőfeszültség , a katódon és az anódon keresztül csatlakozik az elektronok felgyorsításához. A röntgenspektrum az anód anyagától és a gyorsító feszültségtől függ.

A katódból származó elektronok ütköznek az anódanyaggal, általában volfrámmal , molibdénnel vagy rézzel , és felgyorsítják az anódanyagon belüli más elektronokat, ionokat és magokat. A keletkező energia körülbelül 1% -a bocsát ki / sugároz, általában merőlegesen az elektronnyaláb útjára, röntgensugárként. Az energia többi része hő formájában szabadul fel. Idővel volfrám lesz a célból a cső belső felületére, beleértve az üveg felületét is. Ez lassan sötétíti a csövet, és úgy gondolták, hogy rontja a röntgensugár minőségét. A párologtatott volfrám a burok belsejében az "ablak" felett kondenzálódik, és ezáltal kiegészítő szűrőként működik, és csökkenti a csövek hősugárzási képességét. Végül a volfrám-lerakódás kellően vezetőképessé válhat ahhoz, hogy elég magas feszültség mellett ív keletkezzen. Az ív a katódról a volfrám lerakódásra, majd az anódra ugrik. Ez az íveltetés " őrületnek " nevezett hatást vált ki a röntgenablak belső üvegén. Az idő múlásával a cső alacsonyabb feszültség mellett is instabillá válik, és ki kell cserélni. Ezen a ponton a csőszerelvényt (más néven "csőfej") eltávolítják a röntgenrendszerből, és új csőszerelvényre cserélik. A régi csőszerelvényt egy céghez szállítják, amely új röntgencsővel tölti fel.

A X-ray foton-generáló hatást általában úgynevezett bremsstrahlung hatást, egy összehúzódása a német Bremsen jelenti a fék, és a Strahlung jelenti sugárzást .

A rendszer által kibocsátott fotonikus energiák tartománya az alkalmazott feszültség megváltoztatásával és változó vastagságú alumínium szűrők beépítésével állítható be. Alumínium szűrőket helyeznek a röntgensugár útjába, hogy eltávolítsák a "puha" (nem behatoló) sugárzást. A kibocsátott röntgenfotonok számát vagy a dózist az áramlás és az expozíciós idő szabályozásával állítják be.

Hő kiadva

Az anód fókuszpontjában hő keletkezik. Mivel az elektronenergia kis hányada (legfeljebb 1%) átalakul röntgensugarakká, a hőszámításoknál figyelmen kívül hagyható. A fókuszpontban előállított hőmennyiséget (joule-ban) az alábbiak adják meg:

lévén a hullámalak tényező
= csúcsfeszültség (voltban)
= csőáram (milliamperben)
= expozíciós idő (másodpercben)

A hőegységet (HU) a múltban a Joule alternatívájaként használták. Kényelmes egység, ha egyfázisú áramforrás van csatlakoztatva a röntgencsőhöz. A teljes hullámú kijavítása szinuszhullám , = , így a hő egység:

1 HU = 0,707 J
1,4 HU = 1 J

Típusok

Crookes cső (hideg katódcső)

Crookes röntgencső az 1900-as évek elejéről. A katód a jobb oldalon van, az anód a közepén, balra csatlakozik a hűtőbordával. A 10 órás elektróda az antikatód. A tetején lévő készülék egy „lágyító”, amelyet a gáznyomás szabályozására használnak.

A Crookes-csövek a csőben lévő maradék levegő ionizálásával hevített izzószál helyett hozták létre a röntgensugarak létrehozásához szükséges elektronokat , így azokat részben, de nem teljesen kiürítették . Ezek összetétele egy üveg izzó körülbelül 10 -6 5 × 10 -8 atmoszférikus nyomáson a levegő (0,1-0,005 Pa ). A cső egyik végén alumínium katódlemez , a másik végén platina anód célpont volt. Az anód felülete ferde volt, hogy a röntgensugarak a cső oldalán keresztül sugározzanak. A katód homorú úgy, hogy az elektronok összpontosítottak egy kis (~ 1 mm) folt az anód, közelítő egy pontszerű forrásból X-sugarak, ami élesebb képeket. A csőben volt egy harmadik elektróda, egy antikatód, amely az anódhoz volt csatlakoztatva. Javította a röntgen kimenetet, de nem érthető a módszer, amellyel ezt elérte. Egy elterjedtebb elrendezés szerint rézlemezes antikatódot használtak (szerkezete a katódhoz hasonló) az anóddal összhangban úgy, hogy az anód a katód és az antikatód között legyen.

Működtetéséhez, egy DC feszültség néhány kilovolt , hogy akár 100 kV-os között alkalmazott anódok és a katód, általában által létrehozott indukciós tekercs , vagy nagyobb csövek, egy elektrosztatikus gép .

A Crookes csövek nem voltak megbízhatóak. Az idő múlásával a maradék levegőt a cső falai elnyelik, csökkentve a nyomást. Ez megnövelte a cső feszültségét, „keményebb” röntgensugarakat generálva, míg végül a cső leállt. Ennek megakadályozására „lágyító” eszközöket használtak (lásd a képet). A főcső oldalához rögzített kis cső csillámhüvelyt vagy vegyszert tartalmaz, amely melegítéskor kis mennyiségű gázt szabadít fel, helyreállítva a megfelelő nyomást.

A cső üvegburkolata feketedni fog a használat során a szerkezetét befolyásoló röntgensugarak miatt.

Coolidge cső (forró katód cső)

Coolidge oldalsó ablak cső (séma)
  • C: izzószál / katód (-)
  • A: anód (+)
  • W be és W ki : a hűtőberendezés vízbe- és kimenete

A Coolidge csőben, az elektronok által termelt termoionos hatása egy volfrám izzószál melegíti az elektromos áram. Az izzószál a cső katódja. A nagyfeszültségű potenciál a katód és az anód között van, az elektronok így felgyorsulnak , majd eltalálják az anódot.

Kétféle kivitel létezik: végablak csövek és oldalsó ablak csövek. A végablakok csöveinek általában „átviteli célpontja” van, amely elég vékony ahhoz, hogy a röntgensugarak áthaladhassanak a célponton (a röntgensugarak ugyanabban az irányban bocsátanak ki, mint az elektronok mozognak.) A végablakok egyik tipikus típusában az izzószál az anód körül van ("gyűrű alakú" vagy gyűrű alakú), az elektronok görbült utat mutatnak (a toroid fele).

Ami az oldalsó ablakcsövek különlegessége, hogy egy elektrosztatikus lencsét használnak a nyaláb fókuszálására az anód egy nagyon kis pontjára. Az anódot kifejezetten az intenzív fókuszált elektronzáródásból eredő hő és kopás elvezetésére tervezték. Az anód pontosan 1-20 fokos szöget zár be merőlegesen az elektronáramra, hogy az elektronáram irányára merőlegesen kibocsátott néhány röntgensugárzó foton elmeneküljön. Az anód általában volfrámból vagy molibdénből készül. A csőnek van egy ablaka, amely a keletkezett röntgensugár fotonjainak menekülésére szolgál.

A Coolidge cső teljesítménye általában 0,1 és 18 kW között mozog .

Forgó anódcső

Egyszerűsített forgó anódcső vázlat
  • V: Anód
  • C: katód
  • T: Anód célpont
  • W: Röntgenablak
tipikusan forgó anód röntgencső

Jelentős mennyiségű hő keletkezik egy álló anód gyújtópontjában (azon a területen, ahová a katódból érkező elektronnyaláb ér). Ehelyett egy forgó anód lehetővé teszi, hogy az elektronnyaláb az anód nagyobb területét söpörje be, ezzel megváltva a kibocsátott sugárzás nagyobb intenzitásának az előnyét, valamint csökkentse az anód károsodását az álló helyzetéhez képest.

A fókuszpont hőmérséklete expozíció alatt elérheti a 2500 ° C-ot, az anódszerelvény pedig nagy expozíciós sorozatokat követően elérheti az 1000 ° C-ot (1830 ° F). Jellemző anódok a molibdén magban lévő volfrám-rénium célpontok, grafittal megtámasztva. A rénium a volfrámot képlékenyebbé és kopásállóbbá teszi az elektronnyalábok ütközése miatt. A molibdén a célból vezeti a hőt. A grafit hőtárolást biztosít az anód számára, és minimalizálja az anód forgó tömegét.

Mikrofókuszú röntgencső

Néhány röntgenvizsgálat (például roncsolásmentes tesztelés és 3D-s mikrotomográfia ) nagyon nagy felbontású képeket igényel, ezért röntgencsövekre van szükség, amelyek nagyon kicsi, jellemzően 50 μm átmérőjű fókuszpontméretet képesek létrehozni. Ezeket a csöveket mikrofókuszos röntgencsöveknek nevezzük.

A mikrofókuszos röntgencsöveknek két alapvető típusa van: szilárd anódos csövek és fém-sugár-anód csövek.

A szilárdanódos mikrofókuszos röntgencsövek elvileg nagyon hasonlítanak a Coolidge-csőhöz, de azzal a fontos különbséggel, hogy ügyeltek arra, hogy az elektronnyalábot az anód nagyon kis pontjába tudják fókuszálni. Számos mikrofókuszos röntgenforrás 5-20 μm-es fókuszfoltokkal működik, de szélsőséges esetekben 1 μm-nél kisebb foltok keletkezhetnek.

A szilárdanódos mikrofókuszos röntgencsövek fő hátránya, hogy nagyon alacsony teljesítményen működnek. Az anód megolvadásának elkerülése érdekében az elektronnyaláb teljesítménysűrűségének a maximális érték alatt kell lennie. Ez az érték az anód anyagától függően valahol a 0,4-0,8 W / μm tartományban van. Ez azt jelenti, hogy egy 10 μm-es elektronnyaláb-fókusszal rendelkező szilárdanódos mikrofókuszforrás 4-8 W tartományban képes működni.

A fémsugaras-anódos mikrofókuszos röntgencsövekben a szilárd fém-anódot egy folyékony fémsugárral helyettesítik, amely elektronnyaláb-célként működik. A fémsugaras anód előnye, hogy az elektronnyaláb maximális teljesítménysűrűsége jelentősen megnő. A különböző anódanyagok (gallium és ón) 3-6 W / μm közötti értékeket jelentettek. 10 μm-es elektronnyaláb-fókusszal egy fém-sugár-anód mikrofókuszos röntgenforrás 30-60 W-on működhet.

A megnövekedett teljesítménysűrűség legfőbb előnye a fémsugaras röntgencső számára az a lehetőség, hogy kisebb fókuszos ponttal, például 5 μm-rel működjön a képfelbontás növelése és a kép gyorsabb megszerzése érdekében, mivel a teljesítmény nagyobb (15-30 W), mint a 10 μm-es fókuszfoltokkal rendelkező szilárd anódos csöveknél.

A vákuumcsövekből származó röntgensugárzás veszélyei

Két nagyfeszültségű egyenirányító cső, amely képes röntgensugarak létrehozására

Bármely , több ezer voltos vagy annál nagyobb feszültségű vákuumcső nem kívánt melléktermékként röntgensugarat képes előállítani, ami biztonsági kérdéseket vet fel. Minél nagyobb a feszültség, annál jobban behatol a keletkező sugárzás és annál nagyobb a veszély. A színes televíziókban és a számítógépes kijelzőkben egyszer elterjedt CRT kijelzők 3-40 kilovolton működnek , ami a háztartási készülékek körében a legfőbb gondot okozza. Történelmileg az aggodalom kevésbé a katódsugárcsőre összpontosult , mivel vastag üvegburkolatát több font ólommal impregnálják árnyékolás céljából, mint a nagyfeszültségű (HV) egyenirányító és a benne lévő feszültségszabályozó csöveket. Az 1960-as évek végén kiderült, hogy egyes General Electric tévék HV tápellátási áramkörének meghibásodása túlzott feszültségeket hagyhat a szabályozó csövén, ami röntgensugarakat bocsát ki. A modelleket felidéztük, és az ezt követő botrány miatt a veszély szabályozásáért felelős amerikai ügynökség , az Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hatóság (FDA) Eszközök és Radiológiai Egészségügyi Központ (FDA) megkövetelte, hogy minden tévében legyen áramkör a túlzott feszültségek megelőzése érdekében. kudarc. A túlfeszültséggel járó veszély kiküszöbölésre került az összes félvezetős tévék megjelenésével, amelyeknek a CRT-n kívül más csöve van. 1969 óta az FDA a TV röntgenkibocsátását óránként 0,5 mR ( milliroentgen ) értékre korlátozta. Az 1990-es évektől kezdődően a CRT-kről a többi képernyőtechnológiára való áttérés után egyáltalán nincsenek röntgensugárzásra képes vákuumcsövek.

Lásd még

Szabadalmak

Hivatkozások

Külső linkek