קרני רנטגן נוצרות על ידי המרת אנרגיית אלקטרונים לפוטונים, המתרחשת בצינור רנטגן. ניתן להתאים את כמות (חשיפה) ואיכות (ספקטרום) של קרינה על ידי שינוי הזרם, המתח וזמן הפעולה של המכשיר.
עקרון העבודה
צינורות רנטגן (התמונה ניתנת בכתבה) הם ממירי אנרגיה. הם לוקחים אותו מהרשת והופכים אותו לצורות אחרות - קרינה חודרת וחום, שהאחרון הוא תוצר לוואי לא רצוי. העיצוב של צינור הרנטגן הוא כזה שהוא ממקסם את ייצור הפוטונים ומפזר חום במהירות האפשרית.
צינור הוא מכשיר פשוט יחסית, המכיל בדרך כלל שני יסודות בסיסיים - קתודה ואנודה. כאשר זרם זורם מהקתודה לאנודה, האלקטרונים מאבדים אנרגיה, מה שגורם ליצירת קרני רנטגן.
Anode
האנודה היא הרכיב שפולטפוטונים באנרגיה גבוהה. זהו אלמנט מתכת מסיבי יחסית המחובר לקוטב החיובי של המעגל החשמלי. מבצע שתי פונקציות עיקריות:
- ממיר אנרגיית אלקטרונים לקרני רנטגן,
- מפזר חום.
חומר האנודה נבחר כדי לשפר את הפונקציות האלה.
באופן אידיאלי, רוב האלקטרונים צריכים ליצור פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה, לא חום. החלק של האנרגיה הכוללת שלהם המומרת לקרני רנטגן (יעילות) תלוי בשני גורמים:
- מספר אטומי (Z) של חומר האנודה,
- אנרגיה של אלקטרונים.
רוב צינורות הרנטגן משתמשים בטונגסטן כחומר אנודה, בעל מספר אטומי של 74. בנוסף ל-Z גדול, למתכת הזו יש עוד כמה מאפיינים שהופכים אותה למתאימה למטרה זו. טונגסטן ייחודי ביכולתו לשמור על חוזק בעת חימום, בעל נקודת התכה גבוהה וקצב אידוי נמוך.
במשך שנים רבות, האנודה הייתה עשויה מטונגסטן טהור. בשנים האחרונות החלו להשתמש בסגסוגת של מתכת זו עם רניום, אך רק על פני השטח. האנודה עצמה מתחת לציפוי טונגסטן-רניום עשויה מחומר קל משקל שאוגר היטב חום. שני חומרים כאלה הם מוליבדן וגרפיט.
צינורות רנטגן המשמשים לממוגרפיה עשויים עם אנודה מצופה מוליבדן. לחומר זה מספר אטומי ביניים (Z=42) היוצר פוטונים אופייניים בעלי אנרגיות נוחותלצילום החזה. לחלק ממכשירי הממוגרפיה יש גם אנודה שנייה עשויה רודיום (Z=45). זה מאפשר לך להגביר את האנרגיה ולהשיג חדירה גדולה יותר עבור שדיים הדוקים.
השימוש בסגסוגת רניום-טונגסטן משפר את תפוקת הקרינה לטווח ארוך - עם הזמן, היעילות של התקני אנודה טונגסטן טהורים יורדת עקב נזק תרמי למשטח.
רוב האנודות מעוצבות כמו דיסקים משופעים ומוצמדות לציר מנוע חשמלי המסובב אותן במהירויות גבוהות יחסית תוך פליטת קרני רנטגן. מטרת הסיבוב היא להסיר חום.
נקודת מוקד
לא כל האנודה מעורבת ביצירת קרני רנטגן. זה מתרחש על שטח קטן של פני השטח שלו - נקודת מוקד. הממדים של האחרונים נקבעים לפי ממדי אלומת האלקטרונים המגיעה מהקתודה. ברוב המכשירים, יש לו צורה מלבנית ומשתנה בין 0.1-2 מ מ.
צינורות רנטגן מעוצבים עם גודל נקודת מוקד ספציפי. ככל שהיא קטנה יותר, התמונה מטושטשת פחות וחדה יותר, וככל שהיא גדולה יותר, פיזור החום טוב יותר.
גודל הנקודה המוקדית הוא אחד הגורמים שיש לקחת בחשבון בעת בחירת צינורות רנטגן. היצרנים מייצרים מכשירים עם נקודות מוקד קטנות כאשר יש צורך להשיג רזולוציה גבוהה וקרינה נמוכה מספיק. לדוגמה, זה נדרש כאשר בודקים חלקים קטנים ודקים בגוף, כמו בממוגרפיה.
שפופרות רנטגן מיוצרות בעיקר עם שני גדלי נקודות מוקד, גדולות וקטן, אותן ניתן לבחור על ידי המפעיל לפי הליך ההדמיה.
Cathode
תפקידה העיקרי של הקתודה הוא ליצור אלקטרונים ולאסוף אותם לאורה המכוונת לאנודה. ככלל, הוא מורכב מספירלת (חוט) תיל קטנה שקועה בשקע בצורת כוס.
אלקטרונים העוברים במעגל בדרך כלל אינם יכולים לעזוב את המוליך ולהיכנס לחלל פנוי. עם זאת, הם יכולים לעשות זאת אם הם מקבלים מספיק אנרגיה. בתהליך המכונה פליטה תרמית, חום משמש להוצאת אלקטרונים מהקתודה. הדבר מתאפשר כאשר הלחץ בצינור הרנטגן המפונה מגיע ל-10-6–10-7 mmHg. אומנות. החוט מתחמם באותו אופן כמו חוט הנימה של מנורת ליבון כאשר מועבר דרכו זרם. פעולת צינור הרנטגן מלווה בחימום הקתודה לטמפרטורת הזוהר עם עקירה של חלק מהאלקטרונים ממנה על ידי אנרגיה תרמית.
Balloon
האנודה והקתודה כלולים במיכל סגור הרמטית. הבלון ותכולתו מכונה לעתים קרובות מוסיף, בעל אורך חיים מוגבל וניתן להחלפה. לשפופרות רנטגן יש בעיקר נורות זכוכית, אם כי נורות מתכת וקרמיקה משמשות ליישומים מסוימים.
תפקידו העיקרי של הבלון הוא לספק תמיכה ובידוד לאנודה ולקתודה, ולשמור על ואקום. לחץ בצינור הרנטגן שפונהב-15°C הוא 1.2 10-3 Pa. הימצאות גזים בבלון תאפשר לחשמל לזרום בחופשיות דרך המכשיר, ולא רק בצורה של קרן אלקטרונים.
Case
העיצוב של צינור הרנטגן הוא כזה שבנוסף לתחומה ותמיכה ברכיבים אחרים, הגוף שלו משמש כמגן וסופג קרינה, למעט הקרן השימושית העוברת דרך החלון. המשטח החיצוני הגדול יחסית שלו מפזר הרבה מהחום שנוצר בתוך המכשיר. החלל בין הגוף לתוספת מלא בשמן לבידוד וקירור.
Chain
מעגל חשמלי מחבר את הצינור למקור אנרגיה הנקרא גנרטור. המקור מקבל חשמל מהרשת וממיר זרם חילופין לזרם ישר. המחולל גם מאפשר לך להתאים כמה פרמטרים של מעגלים:
- KV - מתח או פוטנציאל חשמלי;
- MA הוא הזרם הזורם דרך הצינור;
- S - משך או זמן חשיפה, בשברירי שנייה.
המעגל מספק תנועה של אלקטרונים. הם טעונים באנרגיה, עוברים דרך הגנרטור, ומעניקים אותה לאנודה. בזמן שהם נעים, מתרחשות שתי טרנספורמציות:
- אנרגיה חשמלית פוטנציאלית מומרת לאנרגיה קינטית;
- קינטי, בתורו, מומר לקרני רנטגן ולחום.
פוטנציאל
כאשר אלקטרונים נכנסים לנורה, יש להם אנרגיה חשמלית פוטנציאלית, שכמותה נקבעת על ידי המתח KV בין האנודה לקתודה. צינור רנטגן עובדמתחת למתח, כדי ליצור 1 KV שמתוכם כל חלקיק חייב להיות 1 keV. על ידי התאמת KV, המפעיל מעניק לכל אלקטרון כמות מסוימת של אנרגיה.
Kinetics
לחץ נמוך בצינור הרנטגן שפונה (ב-15°C זה 10-6–10-7 mmHg.) מאפשר לחלקיקים לעוף החוצה מהקתודה אל האנודה תחת פעולת פליטה תרמיונית וכוח חשמלי. כוח זה מאיץ אותם, מה שמוביל לעלייה במהירות ובאנרגיה הקינטית ולירידה בפוטנציאל. כאשר חלקיק פוגע באנודה, הפוטנציאל שלו אובד וכל האנרגיה שלו מומרת לאנרגיה קינטית. אלקטרון של 100 keV מגיע למהירויות העולה על מחצית ממהירות האור. פגיעה במשטח, החלקיקים מאטים מהר מאוד ומאבדים את האנרגיה הקינטית שלהם. זה הופך לקרני רנטגן או לחום.
אלקטרונים באים במגע עם אטומים בודדים של חומר האנודה. קרינה נוצרת כאשר הם מקיימים אינטראקציה עם אורביטלים (פוטונים בקרני רנטגן) ועם הגרעין (bremsstrahlung).
Link Energy
לכל אלקטרון בתוך אטום יש אנרגיית קישור מסוימת, שתלויה בגודלו של האחרון וברמה שבה נמצא החלקיק. אנרגיית הקישור ממלאת תפקיד חשוב ביצירת קרני רנטגן אופייניות והיא הכרחית כדי להסיר אלקטרון מאטום.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung מייצר את המספר הגדול ביותר של פוטונים. אלקטרונים החודרים לחומר האנודה ועוברים ליד הגרעין מוטים ומואטיםכוח המשיכה של האטום. האנרגיה שלהם שאבדה במהלך המפגש הזה מופיעה כפוטון רנטגן.
Spectrum
רק לפוטונים בודדים יש אנרגיה קרובה לזו של אלקטרונים. רובם נמוכים יותר. נניח שיש מרחב או שדה המקיף את הגרעין שבו האלקטרונים חווים כוח "בלימה". ניתן לחלק את השדה הזה לאזורים. זה נותן לשדה של הגרעין מראה של מטרה עם אטום במרכז. אלקטרון שפוגע בכל נקודה של המטרה חווה האטה ויוצר פוטון בקרני רנטגן. חלקיקים הפוגעים הקרובים ביותר למרכז הם המושפעים ביותר ולכן מאבדים את מירב האנרגיה, ומייצרים את הפוטונים באנרגיה הגבוהה ביותר. אלקטרונים הנכנסים לאזורים החיצוניים חווים אינטראקציות חלשות יותר ומייצרים כמויות אנרגיה נמוכות יותר. למרות שלאזורים יש רוחב זהה, יש להם שטח שונה בהתאם למרחק לליבה. מכיוון שמספר החלקיקים הנופלים על אזור נתון תלוי בשטח הכולל שלו, ברור שהאזורים החיצוניים לוכדים יותר אלקטרונים ויוצרים יותר פוטונים. ניתן להשתמש במודל זה כדי לחזות את ספקטרום האנרגיה של קרני רנטגן.
Emax פוטונים של ספקטרום ה-bremsstrahlung הראשי תואמים ל-Emax אלקטרונים. מתחת לנקודה זו, ככל שאנרגיית הפוטונים פוחתת, מספרם גדל.
מספר משמעותי של פוטונים באנרגיה נמוכה נספגים או מסוננים כשהם מנסים לעבור דרך משטח האנודה, חלון הצינור או המסנן. הסינון תלוי בדרך כלל בהרכב ובעובי החומר שדרכוהקרן עוברת דרכה, מה שקובע את הצורה הסופית של עקומת האנרגיה הנמוכה של הספקטרום.
KV Influence
החלק בעל האנרגיה הגבוהה של הספקטרום נקבע על ידי המתח בצינורות רנטגן kV (קילוולט). הסיבה לכך היא שהוא קובע את האנרגיה של האלקטרונים המגיעים לאנודה, ולפוטונים לא יכול להיות פוטנציאל גבוה מזה. עם איזה מתח פועל צינור הרנטגן? אנרגיית הפוטון המקסימלית מתאימה לפוטנציאל המיושם המרבי. מתח זה עשוי להשתנות במהלך החשיפה עקב זרם רשת AC. במקרה זה, ה-Emax של פוטון נקבע לפי מתח השיא של תקופת התנודה KVp.
מלבד הפוטנציאל הקוונטי, KVp קובע את כמות הקרינה שנוצרת ממספר נתון של אלקטרונים הפוגעים באנודה. מכיוון שהיעילות הכוללת של ברמססטרהלונג עולה עקב עלייה באנרגיה של האלקטרונים המפציצים, שנקבעת לפי KVp, יוצא ש-KVpמשפיע על יעילות המכשיר.
שינוי KVp משנה בדרך כלל את הספקטרום. השטח הכולל מתחת לעקומת האנרגיה הוא מספר הפוטונים. ללא מסנן, הספקטרום הוא משולש, וכמות הקרינה פרופורציונלית לריבוע של KV. בנוכחות מסנן, עלייה ב-KV מגבירה גם את חדירת הפוטונים, מה שמפחית את אחוז הקרינה המסוננת. זה מוביל לעלייה בתפוקת הקרינה.
קרינה אופיינית
סוג האינטראקציה שמייצר את המאפייןקרינה, כוללת התנגשות של אלקטרונים במהירות גבוהה עם אלו במסלול. אינטראקציה יכולה להתרחש רק כאשר לחלקיק הנכנס יש Ek גדול מאנרגיית הקישור באטום. כאשר תנאי זה מתקיים ומתרחשת התנגשות, האלקטרון נפלט. במקרה זה, נותר מקום פנוי, שמתמלא בחלקיק בעל רמת אנרגיה גבוהה יותר. כשהאלקטרון נע, הוא פולט אנרגיה, הנפלטת בצורה של קוונטי של קרני רנטגן. זה נקרא קרינה אופיינית, שכן ה-E של פוטון הוא מאפיין של היסוד הכימי שממנו עשויה האנודה. לדוגמה, כאשר אלקטרון מרמת ה-K של טונגסטן עם Ebond=69.5 keV נדפק, המקום הפנוי מתמלא על ידי אלקטרון מרמת L עם E bond=10, 2 keV. לפוטון הרנטגן האופייני יש אנרגיה השווה להפרש בין שתי הרמות הללו, או 59.3 keV.
למעשה, חומר האנודה הזה מביא למספר אנרגיות רנטגן אופייניות. הסיבה לכך היא כי אלקטרונים ברמות אנרגיה שונות (K, L וכו') יכולים להידפק על ידי הפצצת חלקיקים, וניתן למלא מקומות פנויים מרמות אנרגיה שונות. למרות שהמילוי של מקומות פנויים ברמת L מייצר פוטונים, האנרגיות שלהם נמוכות מכדי לשמש בהדמיה אבחנתית. לכל אנרגיה אופיינית ניתן ייעוד המציין את המסלול בו נוצר הריק, עם אינדקס המציין את מקור מילוי האלקטרונים. אינדקס אלפא (α) מציין את הכיבוש של אלקטרון מרמת L, ובטא (β) מצייןמילוי מרמה M או N.
- ספקטרום של טונגסטן. הקרינה האופיינית של מתכת זו מייצרת ספקטרום ליניארי המורכב מכמה אנרגיות בדידות, בעוד שה-bremsstrahlung יוצר התפלגות רציפה. מספר הפוטונים המופק על ידי כל אנרגיה אופיינית שונה בכך שההסתברות למילוי מקום פנוי ברמת K תלויה במסלול.
- ספקטרום של מוליבדן. אנודות של מתכת זו המשמשות לממוגרפיה מייצרות שתי אנרגיות קרני רנטגן אינטנסיביות למדי: K-alpha ב-17.9 keV, ו-K-beta ב-19.5 keV. הספקטרום האופטימלי של צינורות רנטגן, המאפשר להשיג את האיזון הטוב ביותר בין ניגודיות ומינון קרינה לשדיים בגודל בינוני, מושג ב-Eph=20 keV. עם זאת, ברמססטרהלונג מיוצר באנרגיות גבוהות. ציוד ממוגרפיה משתמש במסנן מוליבדן כדי להסיר את החלק הלא רצוי של הספקטרום. המסנן פועל על עיקרון ה-K-edge. הוא סופג קרינה העולה על אנרגיית הקישור של אלקטרונים ברמת K של אטום מוליבדן.
- ספקטרום של רודיום. לרודיום מספר אטומי של 45, ולמוליבדן מספר אטומי 42. לכן, פליטת קרני רנטגן האופיינית של אנודת רודיום תהיה בעלת אנרגיה מעט יותר גבוהה מזו של מוליבדן והיא חודרת יותר. זה משמש להדמיית שדיים צפופים.
אנודות מוליבדן-רודיום דו-משטחיות מאפשרות למפעיל לבחור חלוקה מותאמת לגדלים וצפיפות חזה שונים.
השפעה של KV על הספקטרום
הערך של KV משפיע מאוד על הקרינה האופיינית, מכיוון שהוא לא יופק אם KV קטן מהאנרגיה של האלקטרונים ברמת K. כאשר KV חורג מסף זה, כמות הקרינה היא בדרך כלל פרופורציונלית להפרש בין הצינור KV לסף KV.
ספקטרום האנרגיה של פוטוני רנטגן היוצאים מהמכשיר נקבע על ידי מספר גורמים. ככלל, הוא מורכב מ-bremsstrahlung ומקוונטות אינטראקציה אופייניות.
ההרכב היחסי של הספקטרום תלוי בחומר האנודה, KV ומסנן. בצינור עם אנודת טונגסטן, לא מופקת קרינה אופיינית ב-KV< 69.5 keV. בערכי קורות חיים גבוהים יותר המשמשים במחקרי אבחון, קרינה אופיינית מגדילה את סך הקרינה בעד 25%. במכשירי מוליבדן הוא יכול להוות חלק גדול מהדור הכולל.
יעילות
רק חלק קטן מהאנרגיה המועברת על ידי אלקטרונים מומרת לקרינה. החלק העיקרי נספג ומומר לחום. יעילות קרינה מוגדרת כשיעור האנרגיה הכוללת המוקרנת מכלל האנרגיה החשמלית המוענקת לאנודה. הגורמים הקובעים את היעילות של שפופרת רנטגן הם המתח המופעל KV והמספר האטומי Z. קשר לדוגמה הוא כדלקמן:
יעילות=KV x Z x 10-6.
לקשר בין יעילות ל-KV יש השפעה ספציפית על השימוש המעשי בציוד רנטגן. עקב שחרור החום, לצינורות יש מגבלה מסוימת על כמות החשמלהאנרגיה שהם יכולים לפזר. זה מטיל מגבלה על כוחו של המכשיר. עם זאת, ככל שה-KV גדל, כמות הקרינה המופקת ליחידת חום עולה באופן משמעותי.
תלות היעילות של יצירת קרני רנטגן בהרכב האנודה היא בעלת עניין אקדמי בלבד, מכיוון שרוב המכשירים משתמשים בטונגסטן. יוצא דופן הוא מוליבדן ורודיום המשמשים בממוגרפיה. היעילות של מכשירים אלה נמוכה בהרבה מטונגסטן בגלל המספר האטומי הנמוך שלהם.
יעילות
היעילות של שפופרת רנטגן מוגדרת ככמות החשיפה, במילירואנטגנים, הנמסרת לנקודה במרכז הקרן השימושית במרחק של 1 מ' מהנקודה המוקדית עבור כל 1 mAs של אלקטרונים העוברים דרך המכשיר. ערכו מבטא את יכולתו של המכשיר להמיר את האנרגיה של חלקיקים טעונים לקרני רנטגן. מאפשר לקבוע את החשיפה של המטופל והתמונה. בדומה ליעילות, יעילות המכשיר תלויה במספר גורמים, כולל KV, צורת גל מתח, נזק לחומר האנודה ולפני השטח, מסנן וזמן השימוש.
KV control
KV שולט ביעילות בפלט צינור הרנטגן. בדרך כלל ההנחה היא שהפלט פרופורציונלי לריבוע של KV. הכפלת KV מגדילה את החשיפה פי 4.
צורת גל
צורת גל מתארת את הדרך שבה KV משתנה לאורך זמן במהלך היצירהקרינה עקב האופי המחזורי של ספק הכוח. נעשה שימוש במספר צורות גל שונות. העיקרון הכללי הוא שככל שצורת ה-KV משתנה פחות, כך מיוצרות קרני רנטגן בצורה יעילה יותר. ציוד מודרני משתמש בגנראטורים בעלי KV קבוע יחסית.
שפופרות רנטגן: יצרנים
Oxford Instruments מייצרת מגוון מכשירים, כולל התקני זכוכית עד 250 W, פוטנציאל של 4-80 קילוואט, נקודת מוקד עד 10 מיקרון ומגוון רחב של חומרי אנודה, כולל Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian מציעה למעלה מ-400 סוגים שונים של צינורות רנטגן רפואיים ותעשייתיים. יצרנים ידועים נוספים הם Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong וכו'.
שפופרות רנטגן "Svetlana-Rentgen" מיוצרות ברוסיה. בנוסף למכשירים מסורתיים עם אנודה מסתובבת ונייחת, החברה מייצרת מכשירים עם קתודה קרה הנשלטת על ידי שטף האור. היתרונות של המכשיר הם כדלקמן:
- עבודה במצב רציף ודופק;
- אינרציה;
- וויסות עוצמת זרם LED;
- טוהר ספקטרום;
- אפשרות לקבל צילומי רנטגן בעוצמה משתנה.
