Для чего нужна рентгеновская трубка и как она работает?

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.

Устройство катода и анода

Катод рентгеновской трубки представляет собой сложную систему, формирующую поток электронов заданной формы. Сам катод представляет собой нить накала из вольфрама – плоскую или цилиндрическую. Кроме него, катодный узел содержит катодный держатель, токоведущие провода и стойки, экран катода и изолятор. Заданную форму электронного потока обеспечивает форма нити накала и форма экрана.

Электрод, непосредственно формирующий рентгеновское излучение в трубке, называется анодом. Анод состоит из тела анода и мишени. К телу анода предъявляются следующие требования: высокая теплоемкость и теплопроводность, высокая температура плавления. Для изготовления мишени анода необходимо использовать материал с высокой температурой плавления и низкой упругостью паров при высокой температуре. Чаще всего для этого применяют вольфрам.

Если в трубке используется вращающийся анод, то трубка также содержит ротор, жестко соединенный с анодом, который вращается внутри колбы, и статор, расположенный снаружи и охлаждаемый маслом.

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:

• 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.

Как устроена рентгеновская трубка?

Современные трубки имеют следующее устройство: внутри стеклянной колбы с вакуумом впаяны электроды – катод и анод. Они находятся напротив друг друга.

Катод представляет собой спираль из вольфрамовой нити. При подаче на нее тока катод начинает испускать поток электронов, который ускоряется и двигается в сторону анода за счет разности потенциалов между ними. Процесс отрыва электронов с катода называется электронной эмиссией.

Анод действует как мишень для электронов. Попадая на анод, электроны резко тормозятся, и большая часть их кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию, а наименьшая часть (около 1%) – в рентгеновское излучение. Оно направлено перпендикулярно оси движению электронов – за счет скошенной поверхности анода.

Для материала анода подбирается тугоплавкий сплав, который, с одной стороны, быстро рассеивает тепло, с другой стороны – максимально эффективно преобразует энергию в рентгеновское излучение. Чаще всего – используется вольфрам, который имеет высокую температуру плавления и сохраняет свою прочность при нагреве.

Участок анода, куда попадают электроны, называется фокусным* пятном. От его размера зависит качество получаемых изображений – чем он меньше, тем резче получается рисунок. Обратной стороной является более быстрое повреждение анода. Чтобы избежать этого, рентгеновские трубки снабжают вращающимся анодом и конструируют с двумя фокусами – большим и малым.

Так как очень большое количество энергии преобразуется в нежелательное тепло, то рентгеновскую трубку снабжают системой охлаждения – водным, воздушным или масляным.

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.

Варианты рентгеновского генератора

Киловольтаж – Рентгеновские генераторы бывают самых разных размеров и конфигураций. Существуют стационарные устройства, предназначенные для использования в лабораторных или производственных средах, а также портативные системы, которые можно легко перенести на место работы. Системы доступны в широком диапазоне уровней энергии. При проверке крупных стальных или тяжелых металлических компонентов могут потребоваться системы, способные производить миллионы электрон-вольт, чтобы проникнуть на всю толщину материала. Альтернативно, для небольших, легких компонентов может потребоваться только система, способная производить всего несколько десятков киловольт.

Размер фокусного пятна

Еще одним важным фактором является размер фокусного пятна трубки, поскольку это учитывает геометрическую нерезкость получаемого изображения.

Как правило, чем меньше размер пятна, тем лучше. Но поскольку поток электронов фокусируется на меньшую площадь, мощность трубки должна быть уменьшена, чтобы предотвратить перегрев на аноде трубки. Следовательно, размер фокусного пятна становится компромиссом между разрешающей способностью и мощностью.

Генераторы и промышленные рентгеновские аппараты можно классифицировать как обычные, минифокусные и микрофокусные системы. Обычные единицы имеют фокусные пятна больше, чем приблизительно 0,5 мм, минифокусные единицы имеют фокусные пятна в диапазоне от 50 микрон до 500 микрон (от 0,050 мм до 0,5 мм), а системы микрофокусировки имеют фокусные пятна меньше 50 микрон. Меньшие размеры пятна особенно выгодны в случаях, когда необходимо увеличение объекта или области объекта. Стоимость системы обычно увеличивается, когда размер пятна уменьшается, а некоторые микрофокусные трубки превышают 100 000 долларов США. Некоторые производители объединяют две нити разных размеров, чтобы сделать трубку с двойным фокусом. Это обычно включает в себя обычный и минифокусный размер пятна и добавляет гибкости системе.

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.

Некоторые справки об РТ

Электровакуумный прибор 0.2БДМ7-50 применяется в дентальном рентген-устройстве, 5Д 2РТ 1.6 БДМ 13-90 используется для функционирования рентгенаппаратов с точкой заземления. Работа прибора должна быть при напряжении не больше 110 кВт, а моноблок в обязательном порядке необходимо наполнять специальным маслом. Для работы близкого фокуса применяют РТ 1БТВ4-100. Аппарат 1.7БДМ18-100 используют для работы РТ в передвижном приборе. 2-20БД14-15 и 2-20БД14-150 применим в диагностических целях. Для работы рентгеновской трубки 2.5-30БД29-150 существует устройство «Проскан». 4БПМ8-250 применяется в медицине для проведения исследований и диагностики.

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.

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:

• 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.

Строение электровакуумного прибора

Схема рентгеновской трубки выглядит так:

• стандартная колба;
• горловина анода;
• двигающийся диск анода;
• фокус-пятно анода;
• спираль накаливания катода;
• система фокуса катода.

Сегодня электровакуумные приборы оснащены двумя фокусами большого и малого размеров, на них и распределяются электроны. Для этого в окно встроен прибор коллимации, который должен находиться в постоянном движении, чтобы рентгеновская трубка не повредилась. В этих целях снизу устроена система передвижения анода.

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).

РЕНТГЕ́НОВСКАЯ ТРУ́БКА

РЕНТГЕ́НОВСКАЯ ТРУ́БКА, элек­тро­ва­ку­ум­ный при­бор для по­лу­че­ния рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния. Осн. эле­мен­ты Р. т. – ка­тод и анод, раз­ме­щён­ные в ва­ку­ум­ном бал­ло­не. При под­ве­де­нии к ано­ду на­пря­же­ния эми­ти­руе­мые ка­то­дом элек­тро­ны ус­ко­ря­ют­ся силь­ным элек­трич. по­лем в про­стран­ст­ве меж­ду элек­тро­да­ми и бом­бар­ди­ру­ют по­верх­ность ано­да. Рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те рез­ко­го тор­мо­же­ния ус­ко­рен­ных элек­тро­нов при их уда­ре об анод; при­об­ре­тён­ная элек­тро­на­ми ки­не­тич. энер­гия ча­стич­но пре­об­ра­зу­ет­ся в энер­гию рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния, а бо́ль­шая её часть – в те­п­ло­вую энер­гию.

Р. т. ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся для про­све­чи­ва­ния ма­те­риа­лов (де­фек­то­ско­пии), рент­ге­но­ст­рук­тур­но­го и рент­ге­нос­пек­траль­но­го ана­ли­за, для тех­но­ло­гич. це­лей, мед. ди­аг­но­сти­ки и те­ра­пии и др. В боль­шин­ст­ве ти­пов Р. т. ис­поль­зу­ют­ся вольф­ра­мо­вые пря­мо­на­каль­ные ка­то­ды в ви­де пло­ской, вин­то­вой или V-об­раз­ной спи­ра­ли (см. Тер­мо­элек­трон­ный ка­тод). В Р. т., пред­на­зна­чен­ных для ге­не­ри­ро­ва­ния ко­рот­ких (0,01–1 мкс) им­пуль­сов рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния, при­ме­ня­ют хо­лод­ные ка­то­ды (в ви­де ост­рия или лез­вия) из Wo и др. ма­териа­лов, ра­бо­таю­щие в ре­жи­ме ав­то­элек­трон­ной или взрыв­ной элек­трон­ной эмис­сии. В Р. т. по­лу­чи­ли рас­про­стра­не­ние мас­сив­ные (тол­стые) и т. н. про­стрель­ные ано­ды. Мас­сив­ный анод со­сто­ит из ми­ше­ни тол­щи­ной 0,02–3 мм и мед­но­го ци­лин­д­ра (те­ла ано­да); про­стрель­ный анод – из тон­кос­лой­ной (тол­щи­ной неск. мкм) ми­ше­ни и сла­бо погло­щаю­щей рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние под­лож­ки. Ма­те­ри­ал для ми­ше­ни вы­би­ра­ет­ся в за­ви­си­мо­сти от на­зна­че­ния Р. т. Для по­лу­че­ния ин­тен­сив­но­го тор­моз­но­го из­лу­че­ния ми­шень из­го­тов­ля­ют из ме­тал­лов с боль­шим атом­ным но­ме­ром: Wo, Re и др. Ес­ли ис­поль­зу­ют ха­рак­те­ри­стич. из­лу­че­ние Р. т. (напр., в рент­ге­но­ст­рук­тур­ном ана­ли­зе), то ми­шень вы­пол­ня­ют из ма­те­риа­ла, обес­пе­чи­ваю­ще­го тре­буе­мую дли­ну вол­ны спек­траль­ных ли­ний (для этих це­лей при­ме­ня­ют Cr, Fe, Cu и др. ме­тал­лы).

По спо­со­бу ва­куу­ми­ро­ва­ния Р. т. под­раз­де­ля­ют­ся на от­па­ян­ные (с по­сто­ян­ным ва­куу­мом, наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны) и раз­бор­ные, в ко­то­рых ва­ку­ум в про­цес­се ра­бо­ты под­дер­жи­ва­ет­ся не­пре­рыв­но с по­мо­щью на­со­сов. При­ме­не­ние раз­бор­ных Р. т. обу­слов­ле­но не­об­хо­ди­мо­стью за­ме­ны ма­те­риа­ла ано­да, кро­ме то­го, та­кие Р. т. до­пус­ка­ют ре­монт труб­ки. Р. т. раз­ли­ча­ют так­же по вре­ме­ни из­лу­че­ния – не­пре­рыв­но­го дей­ст­вия и им­пульс­ные; по ти­пу ох­ла­ж­де­ния ано­да – с во­дя­ным, мас­ля­ным, возд. и ра­ди­ац. ох­ла­ж­де­ни­ем; по спо­со­бу фо­ку­си­ров­ки элек­тро­нов на анод – с элек­тро­ста­тич., маг­нит­ной и элек­тро­маг­нит­ной фо­ку­си­ров­кой; по раз­ме­ру и фор­ме фо­кус­но­го пят­на (об­лас­ти из­лу­че­ния на по­верх­но­сти ано­да) и др.

Осн. па­ра­мет­ры Р. т.: но­ми­наль­ное на­пря­же­ние на труб­ке (10–2000 кВ); ли­ней­ные раз­ме­ры фо­кус­но­го пят­на (1 мкм – 10 мм); но­ми­наль­ная мощ­ность (для тру­бок не­пре­рыв­но­го дей­ст­вия – от 20 мВт до 90 кВт); угол рас­тво­ра ра­бо­че­го пуч­ка рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния (3–180° в за­ви­си­мо­сти от кон­ст­рук­ции труб­ки). Кпд Р. т. со­став­ля­ет 0,1–5%.

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.

Emax фотонов основного спектра тормозного излучения соответствует Emax 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.

Рентгеновская трубка ее устройство, характеристическое излучение.

Рентгеновская трубка представляет собой запаянную вакуумированную стеклянную трубку, в которой находятся электроды (рис.2). При наложении разности потенциалом между электродами (порядка 10-50 кВ) электроны отрываются от катода и с огромной скоростью начинают двигаться по направлению к аноду. При столкновении с анодом электроны останавливаются, при этом основная часть их энергии идет на нагрев анода, и очень небольшая часть (порядка 1%) трансформируется в излучение, которое выходит из трубки через бериллиевое окошко. Энергия излучения hν равна работе по перемещению электрона с зарядом e в электрическом поле с разностью потенциалов V: eV = hν = hc/λ

При допущении о переходе всей энергии электрона в излучение можно рассчитать минимальную длину волны возникающего излучения: λmin = hc/eV, а с учетом значений физических констант (h, c, e) эта формула принимает вид: λmin (Ǻ)= 12,4/V(кэВ). Из данной зависимости следует, что с повышением разности потенциалов между катодом и анодом минимально возможное значение длины волны λmin будет уменьшаться (рис.)Поскольку большая часть энергии электронов идет на нагрев анода, то в спектре рентгеновской трубки появляются волны с длинами λ > λmin, причем их образование более вероятно, чем λmin.

Эти процессы характеризуют так называемую тормозную област

ь спектра рентгеновской трубки (рис.). При дальнейшем повышении разности потенциалов в спектре рентгеновской трубки появляются интенсивные узкие пики. Их происхождение объясняется следующими процессами. Электроны приобретают энергию, которой оказывается достаточно, чтобы выбить электроны с внутренних оболочек атомов металла, из которого сделан анод. Далее электроны с вышележащих уровней переходят на вакантное место. Этот переход сопровождается испусканием излучения с длиной волны λ = hc/ΔE, где ΔE – разница в энергии между электронными уровнями. Поскольку величины ΔE имеют характерные значения для любого сорта атомов, то и линии в спектре рентгеновской трубки, возникающие в результате этого процесса, называются характеристическими, а соответствующая область спектра –
характеристической областьюНаправления применения рентгеновской дифрактометрии.
Рентгеновская дифрактометрия является важным неразрушающим методом анализа веществ в твердом, порошковом или кристаллическом виде: металлы, минералы, полимеры, катализаторы, синтетические материалы, фармацевтические продукты, тонкие пленки и слои, керамика, а также полупроводники. Изучение свойств материалов и контроль качества в науке и на производстве невозможен без рентгеновской дифрактометрии.

Рентгенографические методы анализа щироко используются для изучения структуры, состава и свойств различных материалов, и в том числе, строительных. Широкому распространению рентгенографического анализа способствовала его объективность, универсальность, быстрота многих его методов, точность и возможность решения разнообразных задач, часто не доступных для других методов исследования. С помощью рентгенографического анализа исследуют качественный и количественный минералогический и фазовый состав материалов (рентгенофазовый анализ) тонкую структуру кристаллических веществ — форму, размер и тип элементарной ячейки, симметрию кристалла. Координаты атомов в пространстве (рентгеноструктурный анализ) степень совершенства кристаллов и наличие в них зональных напряжений размер мозаичных блоков в монокристаллах тип твердых растворов, степень их упорядоченности и границы растворимости размер и ориентировку частиц в дисперсных системах текстуру веществ и состояние поверхностных слоев различных материалов плотность, коэффициент термического расширения, толщину листовых материалов и покрытий внутренние микродефекты в изделиях (дефектоскопия) поведение веществ при низких и высоких температурах и давлениях и т. д.

Билет 4.

Рентгенограмма (синоним рентгеновский снимок) — постоянное негативное изображение исследуемого объекта, полученное на специальной (рентгеновской) пленке или фотобумаге при помощи рентгеновского излучения. Для получения рентгенограммы используют одно из основных свойств рентгеновского излучения (см.) — проникать через различные среды и ткани организма и поглощаться ими в различной степени в зависимости от их физико-химических свойств. Важнейшее значение при этом имеет порядковый номер элементов (по таблице Менделеева), составляющих те или иные ткани, толщина слоя снимаемого объекта и его плотность, а также длина волны рентгеновского излучения, практически определяемая жесткостью, выраженной в киловольтах. Установлено, что поглощение рентгеновского излучения пропорционально четвертой степени порядкового номера элемента (Z) и третьей степени длины волны. Следовательно, атомы кальция (Z = 20), составляющие в основном костную ткань, по сравнению с атомами кислорода (Z=8), входящими в состав так называемых мягких тканей, поглощают рентгеновское излучение сильнее: 204:84 =160 000 : 4096=40, т. е. приблизительно в 40 раз. Отсюда понятно, почему кости по сравнению с мягкими тканями дают на рентгенограмме гораздо более интенсивную тень. На этой же закономерности основано применение контрастных веществ, таких как барий (Z=56), йод (Z=53) и других, там, где естественные условия контрастности недостаточны или отсутствуют. Так как рентгенографический эффект, кроме свойств объекта, зависит от качества (жесткости) и количества (в миллиамперсекундах) рентгеновского излучения, прошедшего через объект исследования и достигшего усиливающих экранов и пленки, ясно, что чем жестче будет излучение, иначе говоря, чем больше его проникающая способность и чем больше экспозиция, т. е. количество излучения, тем сильнее будет процесс фотохимического воздействия на светочувствительный слой и тем выраженнее будет степень почернения пленки после ее фотообработки. Основными наиболее важными критериями оценки рентгенограммы, определяющими ее пригодность для целей рентгенодиагностики, являются: 1) оптическая контрастность; 2) резкость изображения и 3) отсутствие артефактов.

Интенсивность — количественная характеристика рентгеновского излучения, которая выражается количеством лучей, испускаемых трубкой в единицу времени. Интенсивность рентгеновского излучения измеряется в миллиамперах. Сравнивая её с интенсивностью видимого света от обычной лампы накаливания, можно провести аналогию: так, лампа на 20 Ватт будет светить с одной интенсивностью, или силой, а лампа на 200 Ватт — с другой, при этом качество самого света (его спектр) является одинаковым. Интенсивность рентгеновского излучения, по сути, это его количество. Каждый электрон создаёт на аноде один или несколько квантов излучения, следовательно, количество рентгеновских лучей при экспонировании объекта регулируется путём изменения количества электронов, стремящихся к аноду, и количества взаимодействий электронов с атомами вольфрамовой мишени, что можно осуществить двумя путями:

1. Изменяя степень накала спирали катода при помощи понижающего трансформатора (количество электронов, образующихся при эмиссии, будет зависеть от того, насколько сильно раскалена вольфрамовая спираль, а количество квантов излучения будет зависеть от количества электронов);

2. Изменяя величину высокого напряжения, подводимого повышающим трансформатором к полюсам трубки — кадоду и аноду (чем выше напряжение подаётся на полюса трубки, тем большую кинетическую энергию получают электроны, которые за счёт своей энергии могут взаимодействовать с несколькими атомами вещества анода поочерёдно — см. рис. 5; электроны с низкой энергией смогут вступить в меньшее число взаимодействий).

Интенсивность рентгеновского излучения (анодный ток), помноженная на выдержку (время работы трубки), соответствует экспозиции рентгеновского излучения, которая измеряется в мАс (миллиамперах в секунду). Экспозиция — это параметр, который, также как и интенсивность, характеризует количество лучей, испускаемых рентгеновской трубкой. Разница состоит лишь в том, что экспозиция учитывает ещё и время работы трубки (так, например, если трубка работает 0,01 сек., то количество лучей будет одним, а если 0,02 сек, то количество лучей будет другим — в два раза больше). Экспозиция излучения устанавливается рентгенологом на контрольной панели рентгеновского аппарата в зависимости от вида исследования, размеров исследуемого объекта и диагностической задачи.

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 Emax фотона определяется пиковым напряжением периода колебаний KVp.

Кроме потенциала квантов, KVp 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 KVp, то отсюда следует, что KVp влияет на КПД прибора.

Изменение KVp, 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.

Типы рентген-аппаратов

Первое, с чем необходимо определиться при покупке рентген аппарата – это профиль исследований и место расположения прибора.

Все рентгеновские установки можно разделить по способу установки и эксплуатации на:

• стационарные
• передвижные или мобильные

Использование стационарных рентгеновских систем предполагается исключительно в специально предназначенных и оборудованных для этого помещениях. Их мощность начинается от 40 кВт.

Они в свою очередь делятся на рентгеновские системы

• на 2 рабочих места – самые популярные стационарные рентгены, включающие в себя рентгеновскую трубку, стол и стойку снимков, а также генератор. Рентгеновская трубка может быть как с потолочным, так и напольным креплением, стол снимков предназначен для положения «лежа», а стойка – для положения «стоя».
• на 3 рабочих места – телеуправляемые поворотные столы-штативы – отличаются самой высокой ценой и непревзойдённой функциональностью: вам становятся доступны все виды рентгенографических и рентгеноскопических исследований.
• рентген-аппараты U-arm, часто называемые «коромысло» и подходящие для небольших по площади помещений

Передвижные ренгеновские аппараты называются часто палатными или мобильными. Их мощность стартует от 12,5 кВт и не превышает 32 кВт. Палатный рентген – оптимальное решение при наличии ограничений на установку стационарного оборудования.

Характеристическое излучение

Тип взаимодействия, который производит характеристическое излучение, включает столкновение высокоскоростных электронов с орбитальными. Взаимодействие может происходить только тогда, когда входящая частица обладает Ек 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 Есвязи=69,5 кэВ, вакансия заполняется электроном из L-уровня с Eсвязи=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 (α) обозначает заполнение электрона из L-уровня, а бета (β) 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 Еф=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.

Устройство рентгеновской трубки.

Тема: Физико-технические основы рентгенологии. Методы исследования. Принцип искусственного контрастирования.

Введение.

Современные технологии лучевой диагностики в настоящее время представлены следующими методами:

1. Рентгенологический метод.
2. Рентгеновская компьютерная томография (РКТ).
3. Магнитно-резонансная томография (МРТ).
4. Ультразвуковое исследование (УЗИ).
5. Радионуклидное исследование (РНИ).

При рентгенологическом методе и рентгеновской компьютерной томографии используется ионизирующее (рентгеновское) излучение, при радиоизотопном методе ионизирующее (гамма-излучение), соответственно при проведении вышеперечисленных методов, пациент получает лучевую нагрузку, что делает нежелательным использование их в детском возрасте; они абсолютно противопоказаны во время беременности.

При ультразвуковом исследовании и магнитно-резонансной томографии применяется неионизирующие излучения (пациент не получает лучевую нагрузку), следовательно, данные методы могут широко использоваться в педиатрии и во время беременности (I триместр беременности является относительным противопоказанием к проведению МРТ).

Открытие В.К.Рентгеном нового вида излучения.

В истории медицины нет более ярких примеров определяющего влияния на его развитие вновь открытых явлений из других областей познания мира, подобных открытию рентгеновских лучей. Это выдающееся открытие, совершившее переворот не только в медицине, но и во многих отраслях науки и техники, состоялось 8 ноября 1895 года. Сделал его профессор физики Вюрцбургского университета в Германии Вильгельм Конрад Рентген.

Изучая волновую природу катодных лучей, Рентген обнаружил неизвестное до этого явление – флюоресценцию кристаллов солей бария на расстоянии 2 метров от катодной трубки. В. К. Рентген сделал вывод об излучении катодной трубкой неизвестных науке лучей, обладающих высокой проникающей способностью и вызывающих свечение кристаллов сернокислого бария. Эти лучи Рентген назвал Х-лучами, а весь мир после его сообщения о сделанном открытии стал называть новый вид излучения рентгеновскими лучами.

В.К. Рентген сделал свое сообщение об открытии Х-лучей 23.01.1896г. на заседании Вюрцбургского физико-медицинского общества, где продемонстрировал первые рентгеновские снимки.

В.К. Рентген не извлек никаких материальных выгод из своего открытия. Он отказался от патента на свое изобретение, заявив: «В соответствии со славными традициями немецких университетских профессоров я считаю, что мое открытие принадлежит человечеству и ему не должны ни в коей мере мешать патенты, лицензии, контракты или контроль какой-либо группы людей».

Благодарное человечество навсегда увековечило память о В.К.Рентгене в названии науки, медицинской специальности и диагностических исследований.

Физические основы рентгенологического метода и принципы работы аппаратуры.

Рентгеновское излучение занимает область электромагнитного спектра между гамма- и ультрафиолетовым излучением, представляет собой поток квантов (фотонов), двигающихся со скоростью света – 300.000 км/с. Электрического заряда кванты не имеют, масса их пренебрежительно мала.

Свойства рентгеновских лучей:

1) Проникающая способность — проходят через объекты, не пропускающие видимый свет, т.е. с их помощью можно увидеть внутреннюю структуру объекта;

2) Флюоресцирующее —вызывают свечение некоторых химических соединений; на этом основана методика рентгеновского просвечивания (рентгеноскопия);

3) Фотохимическое действие —разлагают некоторые химические соединения, в частности, галоидные соединения серебра, применяемые в фотоэмульсиях (на этом основана рентгенография).

4) Ионизирующее действие — рентгеновское излучение способно вызывать распад нейтральных атомов на положительные и отрицательные ионы.

5) Биологическое действие –изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структуре живых организмов при воздействии ионизирующего излучения. В 1986 г. русский физиолог И.Р. Тарханов показал, что рентгеновское излучение, проходя через живые организмы, нарушает их жизнедеятельность. Поэтому проводимые рентгеновские обследования строго учитываются, суммарная доза полученного облучения не должна превышать определенных границ. Многочисленные исследования показывают, что клетки наиболее радиочувствительны в период деления и дифференцировки. Это делает облучение наиболее опасным для детей и беременных женщин. На этом же основана и радиотерапия опухолей – растущая ткань опухоли погибает при облучении в дозах, которые меньше повреждают окружающие нормальные ткани.

Устройство рентгеновской трубки.

Рентгеновская трубка (излучатель) представляет собой стеклянную колбу, в концы которой впаяны электроды – анод и катод. Катод представляет собой спираль, анод – диск со скошенной поверхностью в месте контакта с попадающими на него электронами. Катод нагревается сильным током низкого напряжения и начинает испускать свободные электроны, которые формируют вокруг него так называемое электронное облако. При подаче на электроды высокого напряжения (десятки и сотни киловольт) электроны от поверхности катода отрываются (это явление называется электронной эмиссией), устремляются к аноду и ударяются о его поверхность. Анод вращается с огромной скоростью, на его скошенную поверхность попадает поток электронов, при этом их высокая кинетическая энергия преобразуется в энергию электромагнитных волн с различной частотой, большая часть которой рассеивается в виде теплового излучения. И только около 1% от всей энергии, образованной вследствие торможения электронов об анод, покидает рентгеновскую трубку в виде рентгеновского излучения. Скошенная поверхность анода, на которую направлен поток электроном, определяет направление рентгеновского излучения перпендикулярно к оси их движения в рентгеновской трубке. Благодаря вращению анода поток электронов в разные моменты времени ударяется о разные участки его поверхности, что предохраняет анод от перегревания (рис. 1).

Рисунок 1. Схема строения рентгеновской трубки: 1 – катод, 2 – анод, 3 – поток электронов, 4 – рентгеновское излучение.

Таким образом, по своим физическим характеристикам рентгеновское излучение является тормозным электромагнитным излучением. Источника постоянного излучения (радиоактивного вещества) рентгеновская трубка не содержит, следовательно, пребывание рядом с неработающей рентгеновской трубкой безопасно, человек не подвергается облучению.

Выделяют два основных метода рентгенологического исследования: рентгенография и рентгеноскопия (просвечивание). Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, часто они используются вместе.

Преимущества рентгеноскопии:

§ Метод прост и экономичен (так как часто не затрачивается серебросодержащая рентгеновская пленка);

§ Позволяет исследовать пациента при постепенных поворотах (многоосевое исследование);

§ Возможность полипозиционного исследования;

§ Позволяет наблюдать внутренние органы в их динамике (сердечные сокращения, сосудистая пульсация, перистальтика ЖКТ);

§ Возможность рентгенопальпации.

Преимущества рентгенографии:

§ Главное преимущество заключается в том, что на рентгенограмме выявляется большее количество деталей рентгеновского изображения;

§ Рентгеновский снимок – это объективный документ, пригодный для демонстрации, для прослеживания процесса в динамике и т.д.;

§ Рентгенография – объективный метод исследования, в то время как, рентгеноскопия – субъективный, проводить описание снимков, выполненных в ходе рентгеноскопии имеет право только тот врач, который проводил исследование;

§ Меньше лучевая нагрузка на пациента (так как меньше время воздействия рентгеновского излучения: при рентгенографии – секунды или доли секунд, при рентгеноскопии – минуты).

В большинстве случаев рентгенография на заключительном этапе включает в себя получение традиционного рентгеновского снимка на пленке. После выполнения снимка пленку подвергают специальной обработке: проявке, фиксации, промывке, сушке. Это может выполняться как вручную, так и автоматически в проявочных машинах.

Почернение рентгеновской пленки происходит при восстановлении металлического серебра в ее экспонированном эмульсионном слое. То есть чем больше рентгеновского излучения попадет на данный участок пленки, тем в большей степени она почернеет. И наоборот, если расположенный перед пленкой объект плохо пропускает рентгеновские лучи, то участок пленки, «экранированный» этим объектом, останется светлым.

Существует еще очень важная особенность получения рентгеновс­кого изображения, которая заключается в его суммационном характере. Что это такое? Проходя через исследуемый объект (тело человека), рентгеновский луч пересекает не одну, а огромное множество точек, каждая из которых обладает собственными свойствами по взаимодействию с рентгеновским лучом. Соответственно на любой точке рентгенограммы получится суммарное изображение всего множества проецирующихся друг на друга точек реального объекта, расположен­ных по ходу каждого рентгеновского луча.

Следовательно, на рентгенограмме определяется проекция объекта на плоскость. Судить о глубине расположения того или иного фрагмента исследуемого объекта по одной рентгенограмме нельзя.

Чтобы точно определить, где расположен интересующий объект, надо выполнять рентгенограммы в нескольких проекциях (прямой и боковой).

Основные рентгенологические симптомы:

§ Затемнение – участок более высокой плотности по сравнению с окружающими тканями, на рентгенограммах выглядит как более светлый участок (костные структуры, тела металлической плотности, обызвествления, конкременты).

§ Просветление – область повышенной прозрачности, которая выглядит на рентгенограммах как более темный участок (легочная ткань, воздушные полости, газ в кишке, мягкие ткани).

§ Дефект наполнения – образуется, когда какая-либо ткань препятствует заполнению просвета полого органа контрастным веществом, например, при заполнении мочевого пузыря контрастным веществом камень имеет вид дефекта наполнения (опухоли, конкременты, инородные тела).

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.

Виды рентгеновских трубок, их достоинства и недостатки.

В данной статье мы разберем основные виды рентгеновских трубок, которые используются в рентгеновских аппаратах. Какие-то из этих трубок могут использоваться и в вашем рентгеновском аппарате, или же в тех приборах, которые вы планируете приобрести для вашего предприятия. Итак речь пойдет о следующих аппаратах: импульсных рентгеновских, полупериодных рентеновских, низко и среднечастотных аппаратах постоянного потенциала, а также о высокочастотных аппаратах постоянного потенциала.

1.1. В импульсных рентгеновских аппаратах питание рентгеновской трубки осуществляется кратковременными импульсами напряжения, идущими с низкой частотой. Эффективная мощность данных аппаратов самая низкая, что обеспечивает низкое качество изображения. Катод большинства таких аппаратов не имеет накала, и построен по принципу взрывной эмиссии и достаточно быстро выходит из строя. Трубку необходимо часто менять. Таким образом, низкая эффективность импульсных рентгеновских аппаратов заставляет использовать высокочувствительную рентгеновскую пленку и усиливающие экраны, что приводит к ухудшению качества изображения. В связи с этим в странах ЕС импульсные аппараты практически не используются. К достоинствам импульсных аппаратов можно отнести очень малый вес и размеры, а также низкую стоимость. Эти достоинства обеспечивали довольно широкое распространение импульсных аппаратов в России, но в последнее время все большее внимание уделяться качеству получаемого изображения и импульсные аппараты отходят в мир иной, даже без каких-либо законодательных запретов. Характерный представитель импульсных рентгеновских аппаратов – аппарат Арина. Мощность излучения 50 Вт, ресурс работы рентгеновской трубки — 50 часов. 1.2. Полупериодные рентгеновские аппараты являются следующим шагом после импульсных. Они содержат повышающий трансформатор, но не имеют умножителя. Выпрямителем напряжения служит сама рентгеновская трубка, которая является диодом. Полупериодные аппараты, как и следует из их названия, используют только половину синусоиды высокого напряжения. Полупериодные аппараты работают на низких или средних частотах. В среднем эффективность полупериодного аппарата уступает высокочастотному аппарату постоянного потенциала в 4 раза. К полупериодным аппаратам относятся известные в России аппараты Balto и ICM. 1.3. Низко и среднечастотные аппараты постоянного потенциала. Эти аппараты уже содержат умножитель напряжения и обеспечивают питание трубки напряжением, приближенным к постоянному. Низко и среднечастотные аппараты уступают по эффективности высокочастотным. Примером низкочастотного аппарата является переносной аппарат РАП. 1.4. Высокочастотные аппараты постоянного потенциала. Они являются вершиной развития. Частота преобразования в таких аппаратах обычно превышает 20кГц. Напряжение на трубке можно считать почти постоянным. Эффективность выхода рентгеновского излучения самая высокая и ограничивается только физикой рентгеновской трубки. Номограммы у высокочастотных аппаратов постоянного потенциала примерно совпадают. Представителями этого семейства являются аппараты Smart, Eresco, РПД, СБК.

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.

Система фильтрации рентгеновской трубки

Рентгеновское излучение, получаемое в трубке, представляет собой излучение широкого спектра с разной длиной волны, в том числе мягкое излучение, которое в значительной степени поглощается тканями человека и не влияет на качество получаемого изображения. Цель фильтрации – снизить количество неполезного излучения, тем самым снизив дозу облучения пациента. Фильтрация происходит элементами самой трубки – стеклом, маслом, фильтрами в тубусе кожуха и в коллиматоре. Дальнейшая фильтрация осуществляется уже в самом диагностическом аппарате.

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.

Рентгеновская трубка

Рис. 1. Терапевтическая, рентгеновская трубка с массивным вольфрамовым анодом: 1 — катод; 2 — анод.

Рентгеновская трубка — электровакуумный прибор, предназначенный для получения рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении ускоренных электронов на экране антикатода (анода), изготовленного из тяжелого металла (например, вольфрама). Получение электронов, их ускорение и торможение осуществляется в самой рентгеновской трубке, представляющей вакуумированный стеклянный баллон, в который впаяны металлические электроды: катод (см.) — для получения электронов и анод (см.) — для их торможения (рис. 1). Для ускорения электронов к электродам подводится высокое напряжение.

Вильгельм Конрад Рентген (Wilhelm Conrad Rontgen)

Первая рентгеновская трубка, с которой В. К. Рентген сделал свое открытие, была ионной. Рентгеновская трубка этого типа (хрупкие и трудноуправляемые) в настоящее время полностью вытеснены более совершенными электронными трубками. В них электроны получаются путем накаливания катода. Регулируя ток в цепи накала рентгеновской трубки, а следовательно, и температуру катода, можно изменять количество испускаемых катодом электронов. При низком напряжении не все испускаемые катодом электроны участвуют в создании анодного тока и у катода образуется так называемое электронное облако. При повышении напряжения электронное облако рассасывается и, начиная с определенного напряжения (напряжения насыщения), все электроны достигают анода. Через трубку при этом течет максимальный ток (ток насыщения). Напряжение на рентгеновской трубке обычно выше напряжения насыщения, поэтому возможно раздельно регулировать напряжение и ток Р. т.. Это означает, что жесткость излучения, определяемая напряжением, регулируется независимо от интенсивности, которая обусловлена анодным током. Анод

рентгеновской трубки обычно выполняется в виде массивного медного чехла, обращенного к катоду скошенным торцом, чтобы выходящее рентгеновское излучение было перпендикулярно оси трубки. В толщу анода впаяна вольфрамовая пластинка в 2— (зеркало анода).
Катод
электронной рентгеновской трубки содержит тугоплавкую нить накала, обычно из вольфрама, которая выполнена в виде цилиндрической или плоской спирали и окружена металлическим стаканчиком для фокусирования пучка электронов на зеркале анода (фокусе рентгеновской трубки). В двухфокусных рентгеновских трубках катод содержит две нити накала. При работе рентгеновской трубки на аноде выделяется большое количество тепла. Чтобы предохранить анод от перегрева и повысить мощность рентгеновской трубки, используются охлаждающие анод устройства: воздушное радиаторное, масляное, водяное охлаждение, охлаждение лучеиспусканием. В качестве материала оболочки рентгеновской трубки обычно применяют стекло, которое позволяет прикладывать к электродам достаточно высокое напряжение, пропускает рентгеновское излучение без заметного ослабления (для получения букки-лучей делают бериллиевые окна), достаточно прочно и непроницаемо для газов (вакуум в рентгеновской трубке 10-6— 10-7 мм рт. ст.). Диагностические рентгеновские трубки работают при максимальных напряжениях до 150 кв, терапевтические — до 400 кв.

Рис. 2. Линейчатый фокус диагностической рентгеновской трубки; 1 — зеркало анода; 2 — действительный фокус; 3 — анод; 4 — центральный луч; 5 — оптический фокус; 6 — ось трубки; 7 — катод. Рис. 4. Фокус трубки с вращающимся дисковым анодом: 1 — действительный фокус; 2 — развертка действительного фокуса; 3 — мгновенный фокус; 4 — ось трубки; 5 — катод; 6 — оптический фокус; 7 — анод.

Резкость рентгеновского изображения обусловлена величиной фокуса. Основное требование к диагностическим рентгеновским трубкам — большая мощность при малом фокусе. Современные рентгеновские трубки имеют линейчатый фокус

размером 10—40 мм2, но практическое значение имеет не действительная величина фокуса, а его видимая проекция в направлении пучка, т. е. размеры эффективного оптического фокуса (рис. 2). При угле наклона анода 19° площадь эффективного фокуса в 3 раза меньше действительного, что позволяет увеличить мощность рентгеновской трубки в два раза. Дальнейшее увеличение мощности достигнуто в трубках с вращающимся анодом (рис. 3 и 4). В настоящее время выпускают рентгеновские трубки различного назначения, отличающиеся как конструктивно, так и мощностью, способами охлаждения, защиты от излучения и высокого напряжения. Условное обозначение рентгеновской трубки представляет собой комбинацию букв и цифр. Первая цифра — мощность трубки в киловаттах; второй знак определяет род защиты (Р — защитная от излучения, Б — защитная от излучения и высокого напряжения, отсутствие буквы указывает на отсутствие защиты); третий знак определяет назначение рентгеновской трубки (Д — диагностика, Т — терапия); четвертый — указывает способ охлаждения (К — воздушное радиаторное, М—масляное, В — воздушное, отсутствие буквы означает охлаждение лучеиспусканием); пятая цифра указывает максимальное анодное напряжение в киловольтах. Так, например, 6-РДВ-110 — шестикиловаттная защитная диагностическая
трубка
с водяным охлаждением на 110 кв; трубка 1-Т-1-200—терапевтическая, без защиты, охлаждение лучеиспусканием, мощностью 1 кет на напряженно 200 кв (условный номер 1).

Рис. 3. Трубка с вращающимся дисковым анодом: 1 — катод; 2 — дисковый анод; 3 — защитный диск; 4 — ось анода; 5 — стальной цилиндр — ротор электродвигателя.

Каждую новую трубку перед пуском в работу необходимо проверить на вакуум, не включая накала. Если при этом появится розовое свечение или искра, рентгеновская трубка потеряла вакуум и к работе непригодна. Трубку, сохранившую вакуум, подвергают тренировке: устанавливают ток 1—2 ма при высоком напряжении порядка 1/3 от номинального и в течение 30— 60 мин. напряжение и ток постепенно повышают до значений длительного режима, указанного в паспорте рентгеновской трубки. При эксплуатации рентгеновской трубки необходимо строго придерживаться режимов работы, указанных в ее паспорте.

Рентгеновская трубка — это электровакуумное устройство, применяемое для генерирования рентгеновых лучей путем эмиссии электронов с катода, фокусировки и ускорения их в электрическом поле высокого напряжения с последующим торможением электронного потока на зеркале анода. В результате торможения потока электронов на аноде рентгеновской трубки выделяется большое количество тепла и лишь незначительное количество этой энергии трансформируется в энергию рентгеновского излучения (см.). Со времени открытия Рентгеном икс-лучей и до начала первой мировой войны для рентгенодиагностики и рентгенотерапии применялись так называемые ионные газосодержащие Р. т. (рис. 1), хрупкие и трудноуправляемые. Лилиенфельд (L. Lilienfeld) предложил более совершенную Р. т. с промежуточным электродом, накаливаемым катодом и водяным охлаждением (рис. 2). Однако высоковакуумная двухэлектродная Р. т., предложенная американцем Кулиджем (W. D. Coolidge), постепенно вытеснила все другие Р. т. и применяется в разных модификациях до настоящего времени. Современная рентгеновская трубка

представляет собой высоковольтный вакуумный диод (с двумя электродами — катодом и анодом). Катод Р. т. содержит тугоплавкую нить накала, обычно из вольфрама. В двухфокусных диагностических рентгеновских трубках, предназначенных для разных режимов работы, катод содержит две нити накала для каждого из фокусов. Нити накала, как правило, выполнены в виде цилиндрической или плоской спирали (рис. 3, 1 и 2) соответственно для линейчатого или круглого фокуса. Анод рентгеновской трубки обычно выполнен в виде массивного медного чехла, обращенного к катоду скошенным торцом, в толщу которого впаяна вольфрамовая пластинка толщиной 2—2,5 мм (зеркало анода), являющаяся мишенью, куда фокусируется поток электронов с катода, и представляющая, таким образом, рентгенооптический фокус трубки. Имеются Р. т. для специальных целей, например для внутриполостной рентгенотерапии (рис. 4), в которых анод является дном полого цилиндра, вводимого в соответствующую полость. С целью повышения разрешающей способности современных диагностических трубок фокусу рентгеновской трубки уделяется большое внимание, так как чем острее фокус, тем резче рентгеновское изображение. При оценке рентгенооптических свойств Р. т. следует учитывать, что решающее значение имеет не величина действительного фокуса на зеркале анода, а видимая проекция фокусного пятна в направлении центрального луча, т. е. размеры эффективного оптического фокуса. Уменьшение размеров оптического фокуса достигается уменьшением угла скашивания анода по отношению к центральному лучу. В отличие от терапевтических Р. т. (рис. 5), снабженных круглым или в форме эллипса оптическим фокусом, современные диагностические трубки имеют так называемый линейчатый фокус (рис. 6). В трубках с линейчатым фокусом площадь эффективного фокуса, имеющего форму квадрата, примерно в 3 раза меньше площади действительного фокуса, имеющего форму прямоугольника. При одинаковых рентгенооптических свойствах мощность рентгеновской трубки с линейчатым фокусом примерно в 2 раза больше, чем у Р. т. с круглым фокусом. Дальнейшее повышение мощности диагностических Р. т. достигнуто в трубках с вращающимся анодом (рис. 7 и 8). В этих рентгеновских трубках массивный вольфрамовый анод с линейчатым фокусом, растянутым по всей окружности, укреплен на оси, вращающейся в подшипниках, а катод трубки смещен относительно ее оси так, чтобы фокусированный пучок электронов попадал всегда на скошенную поверхность зеркала анода. При вращении анода пучок фокусированных электронов попадает на меняющийся участок фокуса анода, эффективная величина которого, т. е. оптический фокус, имеет благодаря этому весьма малые размеры (порядка 1X1 мм, 2,5X2,5 мм). Так как скорость вращения анода достаточно велика (анод является продолжением оси двигателя, вращающегося с угловой скоростью 2500 об/мин), мощность трубки при выдержках в 0,1 сек. может достигать 40—50 кВт. Значительное количество тепла, образующегося на аноде работающей трубки, требует ее охлаждения путем отвода тепла с анода в окружающую среду. Это достигается путем воздушного радиаторного охлаждения (рис. 9), водяного охлаждения (рис. 10 и 11) или масляного охлаждения (рис. 12); масло является одновременно и изолирующей средой; масляное охлаждение обычно применяется в так называемых блок-аппаратах (см. Рентгенотехника). В связи с многообразными запросами рентгенодиагностики и рентгенотерапии в настоящее время выпускаются рентгеновские трубки самого различного назначения, отличающиеся как конструктивным оформлением, так и величиной, мощностью, способами охлаждения и защиты от неиспользуемого излучения. Условные обозначения различных типов трубок состоят из комбинаций цифр и букв. Первая цифра — предельно допустимая мощность трубки (в кВт); первая буква определяет защиту от излучения (Р — самозащитная; Б — в защитном кожухе; отсутствие буквы означает отсутствие защиты); вторая буква определяет назначение Р. т. (Д — диагностика; Т — терапия); третья буква указывает систему охлаждения (К — воздушное радиаторное охлаждение, М — масляное, В — водяное, отсутствие буквы означает охлаждение лучеиспусканием); последняя цифра соответствует предельно допустимому анодному напряжению в киловольтах. Так, например, 3-БДМ-2-100 — трехкиловаттная диагностическая трубка с масляным охлаждением (радиаторным) на 100 кв для работы в защитном кожухе (условный номер типа — 2); трубка — 1-Т-1-200 — терапевтическая без защиты с охлаждением лучеиспусканием, мощностью 1 кет на напряжение 200 кв (условный номер типа — 1). Независимо от типа рентгеновской трубки общий принцип их работы состоит в следующем. Накал катода Р. т. вызывает термоэлектронную эмиссию с образованием у катода так называемого электронного облака. С включением высокого напряжения на электродах Р. т. свободные электроны под действием электрического поля устремляются к аноду, тормозятся на его зеркале, причем часть энергии торможения преобразуется в рентгеновское излучение. При повышении напряжения на рентгеновской трубке эмиссионный ток вначале круто возрастает за счет постепенного уменьшения плотности электронного облака. Когда же число электронов, образующихся на катоде, становится равным числу электронов, достигающих анода, дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока, проходящего через Р. т., а лишь увеличивает кинетическую энергию электронов, достигающих анода. Режим работы Р. т., при котором происходит использование всех электронов, образующихся на катоде, а дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения анодного тока, называется током насыщения. Практически ток насыщения i достигается в диагностических рентгеновских трубках при разности потенциалов ? порядка 10—20 кв (рис. 13). Поэтому обычно Р. т. большей частью работают в режиме тока насыщения. При необходимости увеличить анодный ток следует соответственно увеличить ток накала катода и, подняв напряжение, снова создать режим тока насыщения. В процессе промышленного производства из Р. т. удаляют газ до остаточного давления 10-6 —10-7 мм рт. ст. При этой степени вакуума прохождение тока через Р. т. практически обусловлено только термоэлектронной эмиссией с катода. Однако при чрезмерном нагреве деталей трубки, а также при включении ее после длительного перерыва в работе в ней может появиться газ; при этом возникает эффект ионизации; рентгеновская трубка начинает пропускать ток в обоих направлениях. Измерительные приборы на пульте управления обнаруживают резкие колебания анодного тока. Если такую «газящую» Р. т. включить под высокое напряжение без накала катода, в ней создается устойчивый газовый разряд, сопровождающийся характерным свечением трубки. Такая трубка к работе непригодна и подлежит замене. Каждую новую Р. т. перед пуском в работу необходимо проверить на вакуум под высоким напряжением, не включая накала, затем подвергнуть «тренировке». Для этого при анодном напряжении порядка 1/3 от номинального устанавливают ток 1—2 мА. Затем в течение 30—60 мин. напряжение и ток постепенно повышают до номинальных значений длительного режима в соответствии с паспортом Р. т. При эксплуатации Р. т. необходимо строго придерживаться режимов работы, указанных в ее паспорте. См. также Рентгеновские аппараты, Рентгеновское излучение.

Рис. 1. Ионная рентгеновская трубка с воздушным охлаждением и газовым регенератором. Рис. 2. Рентгеновская трубка Лилиенфельда. Рис. 3. Катоды двухфокусных электронных рентгеновских трубок: 1 — с двумя цилиндрическими спиралями нити накала; 2 — с двумя плоскими спиралями нити накала. Рис. 4. Безопасная рентгеновская трубка

для внутриполостной рентгенотерапии: 1 — катод; 2 — анодная трубка; 3 — окно выхода рентгеновых лучей; 4 — анодный цоколь; 5 — водяная рубашка; 6 — патрубки охлаждения. Рис. 5. Терапевтическая рентгеновская трубка с массивным вольфрамовым анодом: 1 — катод; 2 — анод. Рис. 6. Схематическое изображение линейчатого фокуса диагностической рентгеновской трубки: 1 — зеркало анода; 2 — действительный
фокус
; 3 — анод; 4 — центральный луч; 5 — оптический фокус; 6 — ось трубки; 7 — катод. Рис. 7. Трубка с вращающимся дисковым анодом: 1 — катод; 2 — дисковый анод; 3 — защитный диск; 4 — ось анода; 5 — стальной цилиндр-ротор асинхронного электродвигателя. Рис. 8. Схематическое изображение фокуса трубки с вращающимся дисковым анодом: 1 — действительный фокус; 2 — его развертка; 3 — мгновенный фокус; 4 — ось трубки; 5 —
катод
; 6 — оптический фокус; 7 — анод. Рис. 9. Трубка с радиаторным воздушным охлаждением. Рис. 10. Анод трубки с водяным охлаждением: 1 — стержень анода; 2 — резервуар с охлаждающей водой. Рис. 11.
Анод
трубки, охлаждаемой проточной водой: 1 — соединительные трубки водяного охлаждения. Рис. 12. Миниатюрная рентгеновская трубка с масляным охлаждением для рентгенографии зубов. Рис. 13. Анодные характеристически электронной рентгеновской трубки: S’— при токе накала 3,8 a; S—при токе накала 3,4 а.