Рентгеновская трубка — это вакуумная трубка , которая преобразует электрическую входную мощность в рентгеновские лучи . [1] Наличие этого управляемого источника рентгеновских лучей создало область радиографии , 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 структур, а также для промышленного контроля.
Растущий спрос на высокопроизводительные системы компьютерной томографии (КТ) и ангиографии привел к разработке высокопроизводительных медицинских рентгеновских трубок.
Рентгеновские трубки произошли от экспериментальных трубок Крукса, с помощью которых рентгеновские лучи были впервые обнаружены 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, чтобы высвободить электроны, которые ускоряются по направлению к аноду и производят рентгеновские лучи, когда они ударяются о него. [2] Трубка Крукса была усовершенствована Уильямом Кулиджем в 1913 году. [3] Трубка Кулиджа , также называемая трубкой с горячим катодом , использует термоионную эмиссию , где вольфрамовый катод нагревается до достаточно высокой температуры, чтобы испускать электроны, которые затем ускоряются по направлению к аноду в почти идеальном вакууме. [2]
До конца 1980-х годов рентгеновские генераторы были просто высоковольтными, переменно-постоянными источниками питания. В конце 1980-х годов появился другой метод управления, называемый высокоскоростным переключением. Он последовал за электронной технологией импульсных источников питания (также известных как импульсные источники питания ) и позволил более точно управлять рентгеновским аппаратом, получать более качественные результаты и сокращать рентгеновское облучение. [ необходима цитата ]
Как и в любой вакуумной трубке , есть катод , который испускает электроны в вакуум, и анод для сбора электронов, тем самым устанавливая поток электрического тока, известный как луч , через трубку. Высоковольтный источник питания, например, от 30 до 150 киловольт (кВ), называемый напряжением трубки , подключен через катод и анод для ускорения электронов. Спектр рентгеновского излучения зависит от материала анода и ускоряющего напряжения. [4]
Электроны из 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, как правило, перпендикулярно пути электронного пучка, в виде рентгеновских лучей. Остальная часть энергии выделяется в виде тепла. Со временем вольфрам будет осаждаться из мишени на внутреннюю поверхность трубки, включая стеклянную поверхность. Это будет медленно затемнять трубку и, как считалось, ухудшать качество рентгеновского пучка. Испаренный вольфрам конденсируется на внутренней стороне оболочки над «окном» и, таким образом, действует как дополнительный фильтр и снижает способность трубки излучать тепло. [5] В конце концов, вольфрамовое покрытие может стать достаточно проводящим, чтобы при достаточно высоких напряжениях возникала дуга. Дуга будет переходить от катода к вольфрамовому покрытию, а затем к аноду. Эта дуга вызывает эффект, называемый « трещинами » на внутреннем стекле рентгеновского окна. Со временем трубка становится нестабильной даже при более низких напряжениях и должна быть заменена. В этот момент узел трубки (также называемый «головкой трубки») извлекается из рентгеновской системы и заменяется новым узлом трубки. Старый узел трубки отправляется в компанию, которая перезагружает его новой рентгеновской трубкой. [ необходима цитата ]
Два эффекта генерации рентгеновских фотонов обычно называются «характеристическим эффектом» и эффектом тормозного излучения , соединением немецкого слова bremsen, что означает тормозить, и Strahlung, что означает излучение . [6]
Диапазон фотонных энергий, излучаемых системой, можно регулировать, изменяя приложенное напряжение и устанавливая алюминиевые фильтры различной толщины. Алюминиевые фильтры устанавливаются на пути рентгеновского луча для удаления «мягкого» (непроникающего) излучения. Количество излучаемых рентгеновских фотонов, или доза, регулируется путем управления током и временем экспозиции. [ необходима цитата ]
Тепло вырабатывается в фокусном пятне анода. Поскольку небольшая часть (меньше или равная 1%) энергии электронов преобразуется в рентгеновские лучи, ее можно игнорировать при расчетах тепла. [7] Количество тепла, вырабатываемого (в джоулях) в фокусном пятне, определяется по формуле:
Тепловая единица (HU) использовалась в прошлом как альтернатива Джоулю. Это удобная единица, когда однофазный источник питания подключен к рентгеновской трубке. [7] При двухполупериодном выпрямлении синусоиды = , 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 вакуумированы . Они состояли из стеклянной колбы с давлением воздуха около 10−6 до 5×10−8 атмосфер ( 0,1–0,005 Па ) . Они имели алюминиевую катодную пластину на одном конце трубки и платиновую анодную мишень на другом конце. Поверхность анода была наклонена так, чтобы рентгеновские лучи излучались через боковую часть трубки. Катод был вогнутым, так что электроны фокусировались на небольшом (~1 мм) пятне на аноде, приближаясь к точечному источнику рентгеновских лучей, что приводило к более четким изображениям. Трубка имела третий электрод, антикатод, соединенный с анодом. Он улучшал выход рентгеновских лучей, но метод, с помощью которого это достигалось, не понятен. Более распространенная конструкция использовала медный пластинчатый антикатод (похожий по конструкции на катод) на одной линии с анодом таким образом, что анод находился между катодом и антикатодом. [ необходима цитата ]
Для работы между анодами и катодом применялось постоянное напряжение от нескольких киловольт до 100 кВ, обычно создаваемое индукционной катушкой или, для более крупных трубок, электростатической машиной . [ необходима цитата ]
Трубки Крукса были ненадежны. Со временем остаточный воздух поглощался стенками трубки, снижая давление. Это увеличивало напряжение на трубке, создавая «более жесткие» рентгеновские лучи, пока в конечном итоге трубка не переставала работать. Чтобы предотвратить это, использовались «смягчающие» устройства (см. рисунок). Небольшая трубка, прикрепленная сбоку к основной трубке, содержала слюдяную оболочку или химикат, который выделял небольшое количество газа при нагревании, восстанавливая правильное давление. [ необходима цитата ]
Стеклянная оболочка трубки почернела бы при использовании из-за рентгеновских лучей, влияющих на ее структуру. [ необходима цитата ]
В трубке Кулиджа электроны производятся термоионным эффектом из вольфрамовой нити , нагретой электрическим током. Нить является катодом трубки. Высоковольтный потенциал находится между катодом и анодом, электроны таким образом ускоряются , а затем ударяются об анод. [ необходима цитата ]
Существует две конструкции: трубки с торцевым окном и трубки с боковым окном. Трубки с торцевым окном обычно имеют «мишень пропускания», которая достаточно тонка, чтобы рентгеновские лучи проходили через мишень (рентгеновские лучи испускаются в том же направлении, что и электроны). В одном распространенном типе трубки с торцевым окном нить накала находится вокруг анода («кольцевая» или кольцеобразная), электроны имеют изогнутую траекторию (половина тороида). [ необходима цитата ]
Особенностью трубок с боковым окном является то, что электростатическая линза используется для фокусировки луча на очень маленькую точку на аноде. Анод специально разработан для рассеивания тепла и износа, возникающих в результате этого интенсивного сфокусированного потока электронов. Анод точно наклонен на 1-20 градусов перпендикулярно электронному току, чтобы позволить выходить некоторым рентгеновским фотонам, которые испускаются перпендикулярно направлению электронного тока. Анод обычно изготавливается из вольфрама или молибдена. Трубка имеет окно, предназначенное для выхода генерируемых рентгеновских фотонов. [ необходима цитата ]
Мощность трубки Кулиджа обычно колеблется от 0,1 до 18 кВт . [ необходима ссылка ]
.jpg/1280px-Rotating_anode_x-ray_tube_(labeled).jpg)
Значительное количество тепла генерируется в фокусном пятне (область, куда попадает пучок электронов, идущий от катода) неподвижного анода. Вместо этого вращающийся анод позволяет электронному пучку охватывать большую площадь анода, тем самым искупая преимущество более высокой интенсивности испускаемого излучения, а также уменьшая повреждение анода по сравнению с его неподвижным состоянием. [9]
Температура фокального пятна может достигать 2500 °C (4530 °F) во время экспозиции, а анодная сборка может достигать 1000 °C (1830 °F) после серии больших экспозиций. Типичные аноды представляют собой вольфрам-рениевую мишень на молибденовом сердечнике, подкрепленную графитом. Рений делает вольфрам более пластичным и устойчивым к износу от воздействия электронных пучков. Молибден проводит тепло от мишени. Графит обеспечивает тепловое хранение для анода и минимизирует вращающуюся массу анода.
Некоторые рентгеновские исследования (например, неразрушающий контроль и 3-D микротомография ) требуют изображений с очень высоким разрешением и, следовательно, требуют рентгеновских трубок, которые могут генерировать очень малые размеры фокусного пятна, обычно менее 50 мкм в диаметре. Такие трубки называются микрофокусными рентгеновскими трубками. [ необходима цитата ]
Существует два основных типа микрофокусных рентгеновских трубок: трубки с твердым анодом и трубки с металлическим струйным анодом. [ необходима ссылка ]
Микрофокусные рентгеновские трубки с твердым анодом в принципе очень похожи на трубку Кулиджа, но с важным отличием, заключающимся в том, что были приняты меры для фокусировки электронного пучка в очень маленькое пятно на аноде. Многие микрофокусные рентгеновские источники работают с фокусными пятнами в диапазоне 5-20 мкм, но в крайних случаях могут быть получены пятна размером менее 1 мкм. [ необходима цитата ]
Главным недостатком микрофокусных рентгеновских трубок с твердым анодом является их очень низкая рабочая мощность. Чтобы избежать расплавления 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 при мощности в диапазоне 4-8 Вт.
В микрофокусных рентгеновских трубках с металлическим струйным анодом твердый металлический анод заменяется струей жидкого металла, которая действует как мишень электронного пучка. Преимущество металлического струйного анода заключается в том, что максимальная плотность мощности электронного пучка значительно увеличивается. Значения в диапазоне 3-6 Вт/мкм были зарегистрированы для различных материалов анода (галлий и олово). [11] [12] В случае с фокусом электронного пучка 10 мкм микрофокусный рентгеновский источник с металлическим струйным анодом может работать при мощности 30-60 Вт.
Основным преимуществом повышенного уровня плотности мощности для рентгеновской трубки с металлоструйным источником является возможность работы с меньшим фокусным пятном, например, 5 мкм, для повышения разрешения изображения и в то же время более быстрого получения изображения, поскольку мощность выше (15–30 Вт), чем у трубок с твердым анодом и фокусным пятном 10 мкм.
Любая вакуумная трубка, работающая при напряжении в несколько тысяч вольт или более, может производить рентгеновские лучи как нежелательный побочный продукт, что поднимает вопросы безопасности. [13] [14] Чем выше напряжение, тем более проникающим является результирующее излучение и тем больше опасность. ЭЛТ- дисплеи, когда-то распространенные в цветных телевизорах и компьютерных дисплеях, работают при напряжении от 3 до 40 киловольт в зависимости от размера, [15] что делает их главной проблемой среди бытовых приборов. Исторически беспокойство было сосредоточено не столько на электронно-лучевой трубке , поскольку ее толстая стеклянная оболочка пропитана несколькими фунтами свинца для экранирования, сколько на высоковольтных (HV) выпрямителях и регуляторах напряжения внутри ранних телевизоров. В конце 1960-х годов было обнаружено, что сбой в цепи питания HV некоторых телевизоров General Electric может привести к чрезмерному напряжению на регуляторе трубки, заставляя ее испускать рентгеновские лучи. Модели были отозваны, и последовавший за этим скандал заставил агентство США, ответственное за регулирование этой опасности, Центр по приборам и радиационному здоровью Управления по контролю за продуктами и лекарствами (FDA), потребовать, чтобы все телевизоры включали схемы для предотвращения чрезмерного напряжения в случае отказа. [16] Опасность, связанная с чрезмерным напряжением, была устранена с появлением полностью твердотельных телевизоров, в которых нет других трубок, кроме ЭЛТ. С 1969 года FDA ограничило рентгеновское излучение телевизоров до 0,5 мР ( миллирентген ) в час. По мере развития других технологий экранов , начиная с 1990-х годов, производство ЭЛТ постепенно прекращалось. Эти другие технологии, такие как LED , LCD и OLED , не способны производить рентгеновские лучи из-за отсутствия высоковольтного трансформатора. [17]
