Рентгеновская трубка

Уильям Кулидж объясняет медицинскую визуализацию и рентген.

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 проникающим излучением . 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.

История

Рентгеновские трубки произошли от экспериментальных трубок Крукса, с помощью которых рентгеновские лучи были впервые открыты 8 ноября 1895 года немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном . первого поколения Холодный катод или Крукса рентгеновские трубки 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 при попадании на него производят рентгеновские лучи. ^[2] Трубка Крукса была усовершенствована Уильямом Кулиджем в 1913 году. ^[3] В трубке Кулиджа , также называемой трубкой с горячим катодом , используется термоэлектронная эмиссия , при которой вольфрамовый катод нагревается до достаточно высокой температуры, чтобы испускать электроны, которые затем ускоряются 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 ссылка ]}

Физика

Спектр рентгеновских лучей, излучаемых рентгеновской трубкой с родиевой мишенью, работающей при напряжении 60 кВ . Гладкая непрерывная кривая обусловлена *тормозным излучением* , а пики представляют собой характерные K-линии атомов родия. Обратите внимание, что излучение начинается около длины волны 20 пм, что соответствует E = hc/λ.

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] В конце концов, 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. ^{[ нужна ссылка ]}

Два эффекта, генерирующих рентгеновские фотоны, обычно называются «характеристическим эффектом» и эффектом тормозного излучения , соединением немецкого слова «bremsen», означающего «тормозить», и «Strahlung», означающего излучение . ^{[ нужна ссылка ]}

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. ^{[ нужна ссылка ]}

Выделено тепло

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:

E_{\mathrm {heat} }=w\mathrm {V_{p}} \mathrm {I} \mathrm {t}

w

являющийся коэффициентом формы волны

\mathrm {V_{p}}

= пиковое переменное напряжение (в Вольтах)

\mathrm {I}

= ток лампы (в миллиамперах)

\mathrm {t}

= время экспозиции (в секундах)

Тепловая единица (HU) использовалась в прошлом как альтернатива Джоулю. Это удобный агрегат, когда к рентгеновской трубке подключается однофазный источник питания. ^[6] При полноволновом выпрямлении синусоидальной волны , $w$ = ${\frac {1}{\sqrt {2}}}\approx 0.707$ , таким образом, тепловая единица:

1 HU = 0,707 Дж

1,4 HU = 1 Дж ^[7]

Типы

Лампа Крукса (лампа с холодным катодом)

Трубки Крукса генерировали электроны, необходимые для создания рентгеновских лучей, путем ионизации остаточного воздуха в трубке вместо нагретой нити накала , поэтому они были частично, но не полностью эвакуированы . Они представляли собой стеклянную колбу с примерно 10 ⁻⁶ до 5×10 ⁻⁸ атмосферное давление воздуха . (0,1–0,005 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. ^{[ нужна ссылка ]}

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 . ^{[ нужна ссылка ]}

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. ^{[ нужна ссылка ]}

Стеклянная оболочка трубки почернела при использовании из-за воздействия рентгеновских лучей на ее структуру. ^{[ нужна ссылка ]}

Лампа Кулиджа (лампа с горячим катодом)

Труба бокового окна Кулиджа (схема)
C: нить накала/катод (-)
А: анод (+)
W _in и W _out : вход и выход воды из охлаждающего устройства.

В трубке Кулиджа электроны создаются термоэлектронным эффектом вольфрамовой нагретой нити, электрическим током. Нить накала является катодом трубки. Потенциал высокого напряжения находится между катодом и анодом, поэтому электроны ускоряются , а затем попадают на анод. ^{[ нужна ссылка ]}

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). ^{[ нужна ссылка ]}

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 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. ^{[ нужна ссылка ]}

Мощность лампы Кулиджа обычно находится в пределах от 0,1 до 18 кВт . ^{[ нужна ссылка ]}

Вращающаяся анодная трубка

Значительное количество тепла выделяется в фокальном пятне (области, куда попадает луч электронов, идущий от катода) неподвижного анода. Скорее, вращающийся анод позволяет электронному лучу охватывать большую площадь анода, тем самым реализуя преимущество более высокой интенсивности испускаемого излучения, а также меньшее повреждение анода по сравнению с его стационарным состоянием. ^[8]

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 более пластичным и устойчивым к износу от воздействия делает вольфрам электронных лучей. Молибден проводит тепло от мишени. Графит обеспечивает аккумулирование тепла для анода и сводит к минимуму вращающуюся массу анода.

Микрофокусная рентгеновская трубка

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. ^{[ нужна ссылка ]}

Существует два основных типа микрофокусных рентгеновских трубок: трубки с твердым анодом и трубки с металлическим струйным анодом. ^{[ нужна ссылка ]}

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. ^{[ нужна ссылка ]}

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. ^[9] 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). ^[10]^[11] 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.

Опасности производства рентгеновских лучей из вакуумных трубок

Две выпрямительные трубки высокого напряжения, способные генерировать рентгеновские лучи.

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. ^[12]^[13] Чем выше напряжение, тем большую проникающую способность образует излучение и тем выше опасность. ЭЛТ- дисплеи, которые когда-то использовались в цветных телевизорах и компьютерных дисплеях, работают при напряжении 3–40 киловольт в зависимости от размера. ^[14] что делает их главной 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. ^[15] 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. По мере развития других экранных технологий , начиная с 1990-х годов, производство ЭЛТ постепенно сокращалось. Эти другие технологии, такие как LED , LCD и OLED , не способны производить рентгеновские лучи из-за отсутствия трансформатора высокого напряжения. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Патенты

Кулидж , патент США № 1 211 092 , « Рентгеновская трубка ».
Ленгмюр , патент США № 1251388 « Способ и устройство для управления рентгеновскими трубками».
Кулидж, патент США № 1 917 099 « Рентгеновская трубка ».
Кулидж, патент США № 1946312 « Рентгеновская трубка ».

Ссылки

^ Белинг, Рольф (2015). Современные диагностические источники рентгеновского излучения, технологии, производство, надежность . Бока-Ратон, Флорида, США: Тейлор и Фрэнсис, CRC Press. ISBN 9781482241327 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Молд, Ричард Ф. (29 декабря 2017 г.). «Уильям Дэвид Кулидж (1873–1975). Биография с особым упоминанием рентгеновских трубок» . Теперь. Журнал онкологии . 67 (4): 273–280. дои : 10.5603/NJO.2017.0045 . ISSN 2300-2115 . Архивировано из оригинала 17 января 2023 г. Проверено 17 января 2023 г.
^ Кулидж, патент США 1 203 495 . Дата приоритета 9 мая 1913 года.
^ «Рентгеновский и элементный анализ» . www.bruker.com . Архивировано из оригинала 23 февраля 2008 года.
^ Джон Г. Стирс; Джоэл П. Фелмли; Джоэл Э. Грей (сентябрь 1986 г.), «см., Увеличение слоя половинной стоимости из-за накопления вольфрама в рентгеновской трубке: факт или вымысел», Radiology , 160 (3): 837–838, doi : 10.1148/ радиология.160.3.3737925 , PMID 3737925
^ Перейти обратно: ^а ^б Растягивается, Перри. «Нагрев и охлаждение рентгеновской трубки» . Физические принципы медицинской визуализации . Архивировано из оригинала 01 декабря 2021 г. Проверено 19 мая 2019 г.
^ Перри Спроулс, доктор философии. Нагрев и охлаждение рентгеновской трубки. Архивировано 1 декабря 2021 г. в Wayback Machine , из интернет-издания «Физические принципы медицинской визуализации» , 2-е изд.
^ «Рентгеновская трубка» . Архивировано из оригинала 01 декабря 2021 г. Проверено 19 мая 2019 г.
^ DE Grider, A. Wright и PK Ausburn (1986), «Электронно-лучевое плавление в микрофокусных рентгеновских трубках», J. Phys. Д: Прил. Физ. 19:2281-2292
^ М. Отендал, Т. Туохимаа, У. Фогт и Х.М. Герц (2008), «Источник рентгеновского излучения с жидким галлием и струей электронного удара с энергией 9 кэВ», Rev. Sci. Инструмент. 79:016102
^ Т. Туохимаа, М. Отендал и Х.М. Герц (2007), «Фазово-контрастное рентгеновское изображение с микрофокусным источником с жидкометаллическим струйным анодом», Appl. Физ. Летт. 91:074104
^ «Мы хотим, чтобы вы знали о телевизионном излучении» . Центр устройств и радиологического здоровья, FDA США. 2006. Архивировано из оригинала 18 декабря 2007 года . Проверено 24 декабря 2007 г.
^ Пикеринг, Мартин. «Неофициальная история рентгеновской защиты» . Часто задаваемые вопросы по sci.electronics.repair. Архивировано из оригинала 7 февраля 2012 г. Проверено 24 декабря 2007 г.
^ Хонг, Мишель. «Напряжение телевизионной кинескопа» . Архивировано из оригинала 21 октября 2000 года . Проверено 11 августа 2016 г.
^ Мюррей, Сьюзен (23 сентября 2018 г.). «Когда телевизоры были радиоактивными» . Атлантика . Архивировано из оригинала 12 января 2021 г. Проверено 11 декабря 2020 г.

Внешние ссылки

Рентгеновская трубка - рентгенограмма рентгеновской трубки
Сайт электронно-лучевой трубки
Общество радиологических наук штата Нью-Йорк
Коллекция рентгеновских трубок Гжегожа Езерского из Польши.
Excillum AB, производитель микрофокусных рентгеновских трубок с металлическим струйным анодом.
Пример работы рентгеновских трубок.

[1] Белинг, Рольф (2015). Современные диагностические источники рентгеновского излучения, технологии, производство, надежность . Бока-Ратон, Флорида, США: Тейлор и Фрэнсис, CRC Press. ISBN 9781482241327 .

[Mould_2017-2] Перейти обратно: ^а ^б Молд, Ричард Ф. (29 декабря 2017 г.). «Уильям Дэвид Кулидж (1873–1975). Биография с особым упоминанием рентгеновских трубок» . Теперь. Журнал онкологии . 67 (4): 273–280. дои : 10.5603/NJO.2017.0045 . ISSN 2300-2115 . Архивировано из оригинала 17 января 2023 г. Проверено 17 января 2023 г.

[3] Кулидж, патент США 1 203 495 . Дата приоритета 9 мая 1913 года.

[4] «Рентгеновский и элементный анализ» . www.bruker.com . Архивировано из оригинала 23 февраля 2008 года.

[5] Джон Г. Стирс; Джоэл П. Фелмли; Джоэл Э. Грей (сентябрь 1986 г.), «см., Увеличение слоя половинной стоимости из-за накопления вольфрама в рентгеновской трубке: факт или вымысел», Radiology , 160 (3): 837–838, doi : 10.1148/ радиология.160.3.3737925 , PMID 3737925

[:0-6] Перейти обратно: ^а ^б Растягивается, Перри. «Нагрев и охлаждение рентгеновской трубки» . Физические принципы медицинской визуализации . Архивировано из оригинала 01 декабря 2021 г. Проверено 19 мая 2019 г.

[7] Перри Спроулс, доктор философии. Нагрев и охлаждение рентгеновской трубки. Архивировано 1 декабря 2021 г. в Wayback Machine , из интернет-издания «Физические принципы медицинской визуализации» , 2-е изд.

[8] «Рентгеновская трубка» . Архивировано из оригинала 01 декабря 2021 г. Проверено 19 мая 2019 г.

[9] DE Grider, A. Wright и PK Ausburn (1986), «Электронно-лучевое плавление в микрофокусных рентгеновских трубках», J. Phys. Д: Прил. Физ. 19:2281-2292

[10] М. Отендал, Т. Туохимаа, У. Фогт и Х.М. Герц (2008), «Источник рентгеновского излучения с жидким галлием и струей электронного удара с энергией 9 кэВ», Rev. Sci. Инструмент. 79:016102

[11] Т. Туохимаа, М. Отендал и Х.М. Герц (2007), «Фазово-контрастное рентгеновское изображение с микрофокусным источником с жидкометаллическим струйным анодом», Appl. Физ. Летт. 91:074104

[12] «Мы хотим, чтобы вы знали о телевизионном излучении» . Центр устройств и радиологического здоровья, FDA США. 2006. Архивировано из оригинала 18 декабря 2007 года . Проверено 24 декабря 2007 г.

[13] Пикеринг, Мартин. «Неофициальная история рентгеновской защиты» . Часто задаваемые вопросы по sci.electronics.repair. Архивировано из оригинала 7 февраля 2012 г. Проверено 24 декабря 2007 г.

[14] Хонг, Мишель. «Напряжение телевизионной кинескопа» . Архивировано из оригинала 21 октября 2000 года . Проверено 11 августа 2016 г.

[15] Мюррей, Сьюзен (23 сентября 2018 г.). «Когда телевизоры были радиоактивными» . Атлантика . Архивировано из оригинала 12 января 2021 г. Проверено 11 декабря 2020 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]