Рентгеновская трубка — это вакуумная трубка , которая преобразует входную электрическую мощность в рентгеновские лучи . [1] Наличие этого контролируемого источника рентгеновских лучей создало область рентгенографии , визуализацию частично непрозрачных объектов с помощью проникающего излучения . В отличие от других источников ионизирующего излучения , рентгеновские лучи производятся только до тех пор, пока рентгеновская трубка находится под напряжением. Рентгеновские трубки также используются в компьютерных томографах , сканерах багажа в аэропортах, рентгеновской кристаллографии , анализе материалов и структуры, а также для промышленного контроля.
Растущий спрос на высокопроизводительные компьютерные томографические (КТ) системы сканирования и ангиографии привел к разработке очень высокопроизводительных медицинских рентгеновских трубок.
Рентгеновские трубки произошли от экспериментальных трубок Крукса , с помощью которых рентгеновские лучи были впервые открыты 8 ноября 1895 года немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном . Холодный катод первого поколения или рентгеновские трубки Крукса использовались до 1920-х годов. Эти трубки работают за счет ионизации остаточного газа внутри трубки. Положительные ионы бомбардируют катод трубки, высвобождая электроны, которые ускоряются к аноду и производят рентгеновские лучи, когда попадают на него. [2] Трубка Крукса была усовершенствована Уильямом Кулиджем в 1913 году. [3] Трубка Кулиджа , также называемая трубкой с горячим катодом , использует термоэлектронную эмиссию , при которой вольфрамовый катод нагревается до достаточно высокой температуры для испускания электронов, которые затем ускоряется к аноду в почти идеальном вакууме. [2]
До конца 1980-х годов рентгеновские генераторы представляли собой просто высоковольтные источники переменного тока с переменным током постоянного тока. В конце 1980-х годов появился другой метод управления, названный высокоскоростным переключением. Это последовало за электронной технологией импульсных источников питания (также известной как импульсный источник питания ) и позволило более точно управлять рентгеновским аппаратом, получить более качественные результаты и снизить рентгеновское облучение. [ нужна цитата ]
Как и в любой вакуумной трубке , здесь есть катод , который испускает электроны в вакуум, и анод , собирающий электроны, тем самым создавая поток электрического тока, известный как луч , через трубку. Источник питания высокого напряжения , например от 30 до 150 киловольт (кВ), называемый напряжением трубки , подключается к катоду и аноду для ускорения электронов. Спектр рентгеновского излучения зависит от материала анода и ускоряющего напряжения. [4]
Электроны катода сталкиваются с материалом анода, обычно вольфрамом , молибденом или медью , и ускоряют другие электроны, ионы и ядра внутри материала анода. Около 1% генерируемой энергии испускается/излучается, обычно перпендикулярно пути электронного луча, в виде рентгеновских лучей. Остальная часть энергии выделяется в виде тепла. Со временем вольфрам будет осаждаться из мишени на внутреннюю поверхность трубки, включая поверхность стекла. Это приведет к медленному затемнению трубки и, как считалось, ухудшит качество рентгеновского луча. Испаренный вольфрам конденсируется на внутренней стороне оболочки над «окном» и, таким образом, действует как дополнительный фильтр и снижает способность трубки излучать тепло. [5] Со временем вольфрамовый налет может стать достаточно проводящим, и при достаточно высоких напряжениях возникнет дуга. Дуга перескочит от катода к вольфрамовому осадку, а затем к аноду. Это искрение вызывает эффект, называемый « безумием », на внутреннем стекле рентгеновского окна. Со временем лампа становится нестабильной даже при более низких напряжениях, и ее необходимо заменить. На этом этапе трубка в сборе (также называемая «головкой трубки») снимается с рентгеновской системы и заменяется новой трубкой в сборе. Старая трубка в сборе отправляется в компанию, которая загружает в нее новую рентгеновскую трубку.
Два эффекта, генерирующих рентгеновские фотоны, обычно называются «Характеристическим эффектом» и эффектом тормозного излучения , соединением немецкого слова « bremsen» , означающего «тормозить», и « Strahlung» , означающего излучение .
Диапазон фотонных энергий, излучаемых системой, можно регулировать, изменяя приложенное напряжение и устанавливая алюминиевые фильтры различной толщины. На пути рентгеновского луча устанавливаются алюминиевые фильтры для удаления «мягкого» (непроникающего) излучения. Количество испускаемых рентгеновских фотонов или доза регулируется путем контроля тока и времени воздействия.
Тепло выделяется в фокусе анода. Поскольку небольшая часть (менее или равная 1%) энергии электронов преобразуется в рентгеновские лучи, ее можно игнорировать в тепловых расчетах. [6] Количество тепла, выделяемого (в Джоулях) в фокусном пятне, определяется по формуле:
Тепловая единица (HU) использовалась в прошлом как альтернатива Джоулю. Это удобный агрегат, когда к рентгеновской трубке подключается однофазный источник питания. [7] При полноволновом выпрямлении синусоидальной волны , = , таким образом, тепловая единица:
Трубки Крукса генерировали электроны, необходимые для создания рентгеновских лучей, путем ионизации остаточного воздуха в трубке, а не нагретой нити накала , поэтому они были частично, но не полностью эвакуированы . Они представляли собой стеклянную колбу с атмосферным давлением воздуха от 10 -6 до 5×10 -8 ( от 0,1 до 0,005 Па ). У них была алюминиевая катодная пластина на одном конце трубки и платиновая анодная мишень на другом конце. Поверхность анода была расположена под углом так, чтобы рентгеновские лучи проходили через боковую часть трубки. Катод был вогнутым, так что электроны фокусировались в небольшом (около 1 мм) пятне на аноде, приближающемся к точечному источнику рентгеновских лучей, что приводило к более четкому изображению. Трубка имела третий электрод — антикатод, соединенный с анодом. Это улучшило качество рентгеновского излучения, но метод, с помощью которого этого удалось добиться, не понятен. В более распространенной конструкции использовался антикатод из медной пластины (по конструкции аналогичный катоду), расположенный на одном уровне с анодом, так что анод находился между катодом и антикатодом.
Для работы между анодами и катодом подавалось постоянное напряжение от нескольких киловольт до 100 кВ, обычно генерируемое индукционной катушкой или, для более крупных трубок, электростатической машиной .
Трубки Крукса были ненадежны. Со временем остаточный воздух будет поглощаться стенками трубки, снижая давление. Это увеличивало напряжение на трубке, создавая «более жесткие» рентгеновские лучи, пока в конечном итоге трубка не перестала работать. Чтобы этого не произошло, использовались устройства-смягчители (см. рисунок). Небольшая трубка, прикрепленная сбоку от основной трубки, содержала слюдяную гильзу или химическое вещество, которое при нагревании выделяло небольшое количество газа, восстанавливая правильное давление.
Стеклянная оболочка трубки почернела при использовании из-за воздействия рентгеновских лучей на ее структуру.
В трубке Кулиджа электроны создаются термоэлектронным эффектом вольфрамовой нити , нагретой электрическим током. Нить накала является катодом трубки. Потенциал высокого напряжения находится между катодом и анодом, поэтому электроны ускоряются , а затем попадают на анод.
Существует две конструкции: трубы с торцевым окном и трубы с боковым окном. Трубки с торцевым окном обычно имеют «пропускающую мишень», которая достаточно тонка, чтобы позволить рентгеновским лучам проходить через мишень (рентгеновские лучи испускаются в том же направлении, в котором движутся электроны). В одном распространенном типе трубки с торцевым окном нить находится вокруг анода («кольцевая» или кольцеобразная), электроны имеют криволинейную траекторию (половина тороида).
Особенностью трубок с боковым окном является то, что электростатическая линза используется для фокусировки луча в очень маленькое пятно на аноде. Анод специально разработан для рассеивания тепла и износа, возникающих в результате интенсивного сфокусированного потока электронов. Анод точно расположен под углом 1–20 градусов перпендикулярно электронному току, чтобы обеспечить выход некоторых рентгеновских фотонов, которые испускаются перпендикулярно направлению электронного тока. Анод обычно изготавливается из вольфрама или молибдена. Трубка имеет окно, предназначенное для выхода генерируемых рентгеновских фотонов.
Мощность лампы Кулиджа обычно находится в пределах от 0,1 до 18 кВт .
.jpg/1280px-Rotating_anode_x-ray_tube_(labeled).jpg)
Значительное количество тепла выделяется в фокальном пятне (области, куда попадает луч электронов, идущий от катода) неподвижного анода. Скорее, вращающийся анод позволяет электронному лучу охватить большую площадь анода, тем самым реализуя преимущество более высокой интенсивности испускаемого излучения, а также меньшее повреждение анода по сравнению с его стационарным состоянием. [9]
Температура фокального пятна может достигать 2500 °C (4530 °F) во время экспозиции, а температура анодного узла может достигать 1000 °C (1830 °F) после серии больших экспозиций. Типичные аноды представляют собой вольфрам-рениевую мишень на молибденовом сердечнике, покрытом графитом. Рений делает вольфрам более пластичным и устойчивым к износу от воздействия электронных лучей. Молибден проводит тепло от мишени . Графит обеспечивает аккумулирование тепла для анода и сводит к минимуму вращающуюся массу анода.
Некоторые рентгеновские исследования (например, неразрушающий контроль и трехмерная микротомография ) требуют изображений с очень высоким разрешением и, следовательно, требуют рентгеновских трубок, которые могут генерировать очень маленькие размеры фокального пятна, обычно менее 50 мкм в диаметре. Эти трубки называются микрофокусными рентгеновскими трубками.
Существует два основных типа микрофокусных рентгеновских трубок: трубки с твердым анодом и трубки с металлическим струйным анодом.
Микрофокусные рентгеновские трубки с твердым анодом в принципе очень похожи на трубку Кулиджа, но с тем важным отличием, что были приняты меры для фокусировки электронного луча в очень маленькое пятно на аноде. Многие микрофокусные источники рентгеновского излучения работают с фокусными пятнами в диапазоне 5–20 мкм, но в крайних случаях могут образовываться пятна размером менее 1 мкм.
Основным недостатком микрофокусных рентгеновских трубок с твердым анодом является их очень низкая рабочая мощность. Чтобы избежать плавления анода, плотность мощности электронного пучка должна быть ниже максимального значения. Это значение находится где-то в диапазоне 0,4-0,8 Вт/мкм в зависимости от материала анода. [10] Это означает, что микрофокусный источник с твердым анодом и фокусом электронного пучка 10 мкм может работать на мощности в диапазоне 4-8 Вт.
В микрофокусных рентгеновских трубках с металлоструйным анодом твердый металлический анод заменен струей жидкого металла, которая действует как мишень электронного пучка. Преимущество металлоструйного анода состоит в том, что максимальная плотность мощности электронного пучка существенно увеличивается. Сообщалось о значениях в диапазоне 3–6 Вт/мкм для различных материалов анода (галлия и олова). [11] [12] В случае фокуса электронного пучка 10 мкм микрофокусный источник рентгеновского излучения с металлоструйным анодом может работать при мощности 30-60 Вт.
Основным преимуществом повышенного уровня плотности мощности для металлоструйной рентгеновской трубки является возможность работать с меньшим фокусным пятном, скажем, 5 мкм, чтобы увеличить разрешение изображения и в то же время получить изображение быстрее, поскольку мощность выше (15-30 Вт), чем для трубок с твердым анодом и фокусным пятном 10 мкм.
Любая вакуумная трубка , работающая при напряжении в несколько тысяч вольт и более, может производить рентгеновские лучи в качестве нежелательного побочного продукта, что поднимает проблемы безопасности. [13] [14] Чем выше напряжение, тем сильнее проникает возникающее излучение и тем выше опасность. ЭЛТ- дисплеи, когда-то распространенные в цветных телевизорах и компьютерных дисплеях, работают при напряжении 3–40 киловольт в зависимости от размера [15] , что делает их основной проблемой среди бытовой техники. Исторически сложилось так, что внимание уделялось не столько электронно-лучевой трубке , поскольку ее толстая стеклянная оболочка пропитана несколькими фунтами свинца для экранирования, сколько выпрямителям высокого напряжения (ВН) и трубкам регуляторов напряжения внутри более ранних телевизоров. В конце 1960-х годов было обнаружено, что сбой в цепи питания высокого напряжения некоторых телевизоров General Electric может привести к возникновению чрезмерного напряжения на трубке регулятора, что приведет к излучению рентгеновских лучей. Модели были отозваны, и последовавший скандал заставил американское агентство, ответственное за регулирование этой опасности, Центр устройств и радиологического здоровья Управления по контролю за продуктами и лекарствами (FDA), потребовать, чтобы все телевизоры имели схемы для предотвращения чрезмерного напряжения в случае отказ. [16] Опасность, связанная с чрезмерным напряжением, была устранена с появлением полностью твердотельных телевизоров, в которых нет других ламп, кроме ЭЛТ. С 1969 года FDA ограничило излучение телевизионного рентгеновского излучения до 0,5 мР ( миллирентген ) в час. С переходом от ЭЛТ к другим технологиям экранов , начавшимся в 1990-х годах, вообще не осталось электронных ламп, способных излучать рентгеновские лучи. [ нужна цитата ]
