كيف تعمل أنابيب الأشعة السينية؟

2024 مؤلف: Curtis Blomfield | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-15 09:31

يتم إنشاء الأشعة السينية عن طريق تحويل طاقة الإلكترون إلى فوتونات ، والتي تحدث في أنبوب الأشعة السينية. يمكن ضبط كمية (التعرض) والجودة (الطيف) للإشعاع عن طريق تغيير التيار والجهد ووقت تشغيل الجهاز.

مبدأ العمل

أنابيب الأشعة السينية (الصورة معطاة في المقال) هي محولات طاقة. يأخذونها من الشبكة ويحولونها إلى أشكال أخرى - اختراق الإشعاع والحرارة ، وهذا الأخير منتج ثانوي غير مرغوب فيه. تصميم أنبوب الأشعة السينية يزيد من إنتاج الفوتون ويبدد الحرارة بأسرع ما يمكن.

الأنبوب هو جهاز بسيط نسبيًا ، يحتوي عادةً على عنصرين أساسيين - الكاثود والأنود. عندما يتدفق التيار من الكاثود إلى الأنود ، تفقد الإلكترونات الطاقة ، مما ينتج عنه توليد الأشعة السينية.

الأنود

الأنود هو المكون الذي ينبعثفوتونات عالية الطاقة. هذا عنصر معدني ضخم نسبيًا متصل بالقطب الموجب للدائرة الكهربائية. يؤدي وظيفتين رئيسيتين:

يحول طاقة الإلكترون إلى أشعة سينية ،
يبدد الحرارة.

يتم اختيار مادة الأنود لتعزيز هذه الوظائف.

من الناحية المثالية ، يجب أن تشكل معظم الإلكترونات فوتونات عالية الطاقة ، وليس حرارة. يعتمد جزء الطاقة الإجمالية التي يتم تحويلها إلى أشعة سينية (الكفاءة) على عاملين:

العدد الذري (Z) لمادة الأنود ،
طاقة الإلكترونات.

تستخدم معظم أنابيب الأشعة السينية التنجستن كمادة الأنود ، والتي يبلغ عددها الذري 74. بالإضافة إلى وجود حرف Z كبير ، فإن هذا المعدن له بعض الخصائص الأخرى التي تجعله مناسبًا لهذا الغرض. التنغستن فريد من نوعه في قدرته على الاحتفاظ بالقوة عند تسخينه ، وله نقطة انصهار عالية ومعدل تبخر منخفض.

لسنوات عديدة ، كان الأنود مصنوعًا من التنجستن النقي. في السنوات الأخيرة ، بدأ استخدام سبيكة من هذا المعدن مع الرينيوم ، ولكن فقط على السطح. يتكون الأنود نفسه الموجود أسفل طلاء التنجستين والرينيوم من مادة خفيفة الوزن تخزن الحرارة جيدًا. اثنين من هذه المواد هي الموليبدينوم والجرافيت.

أنابيب الأشعة السينية المستخدمة في التصوير الشعاعي للثدي مصنوعة من الأنود الموليبدينوم المطلي. تحتوي هذه المادة على عدد ذري متوسط (Z=42) والذي يولد فوتونات مميزة ذات طاقات ملائمة لهالالتقاط صور للصدر. تحتوي بعض أجهزة التصوير الشعاعي للثدي أيضًا على أنود ثانٍ مصنوع من الروديوم (Z=45). هذا يسمح لك بزيادة الطاقة وتحقيق اختراق أكبر للثدي المشدود.

يحسن استخدام سبائك التنغستن من الرينيوم ناتج الإشعاع على المدى الطويل - بمرور الوقت ، تنخفض كفاءة أجهزة الأنود التنغستن النقي بسبب التلف الحراري للسطح.

تتشكل معظم الأنودات على شكل أقراص مشطوفة ويتم توصيلها بعمود محرك كهربائي يقوم بتدويرها بسرعات عالية نسبيًا أثناء إصدار الأشعة السينية. الغرض من الدوران هو إزالة الحرارة.

بقعة بؤرية

ليس القطب الموجب بأكمله متورطًا في توليد الأشعة السينية. يحدث على مساحة صغيرة من سطحه - نقطة محورية. يتم تحديد أبعاد الأخير من خلال أبعاد حزمة الإلكترون القادمة من الكاثود. في معظم الاجهزة يكون له شكل مستطيل ويتراوح بين 0.1-2 مم

تم تصميم أنابيب الأشعة السينية بحجم بؤري محدد. كلما كانت الصورة أصغر ، كانت الصورة أقل ضبابية ووضوحًا ، وكلما كانت أكبر ، كان تشتت الحرارة أفضل.

حجم البؤرة هو أحد العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار أنابيب الأشعة السينية. ينتج المصنعون أجهزة ذات نقاط بؤرية صغيرة عندما يكون ذلك ضروريًا لتحقيق دقة عالية وإشعاع منخفض بدرجة كافية. على سبيل المثال ، هذا مطلوب عند فحص أجزاء صغيرة ورقيقة من الجسم ، كما في التصوير الشعاعي للثدي.

يتم إنتاج أنابيب الأشعة السينية بشكل أساسي بحجمين من البؤرة ، الكبيرة والصغيرة ، والتي يمكن تحديدها من قبل المشغل وفقًا لإجراء التصوير.

كاثود

الوظيفة الرئيسية للكاثود هي توليد الإلكترونات وتجميعها في شعاع موجه نحو الأنود. كقاعدة عامة ، يتكون من سلك حلزوني صغير (خيط) مغمور في اكتئاب على شكل كوب.

عادة لا تستطيع الإلكترونات التي تمر عبر الدائرة أن تترك الموصل وتذهب إلى الفضاء الحر. ومع ذلك ، يمكنهم فعل ذلك إذا حصلوا على طاقة كافية. في عملية تعرف باسم الانبعاث الحراري ، يتم استخدام الحرارة لطرد الإلكترونات من الكاثود. يصبح هذا ممكنًا عندما يصل الضغط في أنبوب الأشعة السينية المفرغ إلى 10^-6–10^{-7مم زئبق. فن. يتم تسخين الفتيل بنفس طريقة تسخين خيوط المصباح المتوهج عند مرور التيار عبره. تشغيل أنبوب الأشعة السينية مصحوب بتسخين الكاثود إلى درجة حرارة التوهج مع إزاحة جزء من الإلكترونات منه بواسطة الطاقة الحرارية.}

بالون

الأنود والكاثود موجودان في حاوية محكمة الإغلاق. غالبًا ما يُشار إلى البالون ومحتوياته على أنه ملحق به عمر محدود ويمكن استبداله. تحتوي أنابيب الأشعة السينية في الغالب على مصابيح زجاجية ، على الرغم من استخدام المصابيح المعدنية والسيراميك في بعض التطبيقات.

الوظيفة الرئيسية للبالون هي توفير الدعم والعزل للأنود والكاثود ، والحفاظ على الفراغ. الضغط في أنبوب الأشعة السينية المفرغعند 15 درجة مئوية هو 1.2 10-3Pa. سيسمح وجود الغازات في البالون للكهرباء بالتدفق بحرية عبر الجهاز ، وليس فقط في شكل شعاع إلكتروني.

حالة

تصميم أنبوب الأشعة السينية هو أنه بالإضافة إلى إحاطة ودعم المكونات الأخرى ، يعمل جسمه كدرع ويمتص الإشعاع ، باستثناء الحزمة المفيدة التي تمر عبر النافذة. يعمل سطحه الخارجي الكبير نسبيًا على تبديد قدر كبير من الحرارة المتولدة داخل الجهاز. تمتلئ الفراغ بين الجسم والداخل بالزيت للعزل والتبريد.

سلسلة

تربط الدائرة الكهربائية الأنبوب بمصدر طاقة يسمى المولد. يستقبل المصدر الطاقة من التيار الكهربائي ويحول التيار المتردد إلى تيار مباشر. يتيح لك المولد أيضًا ضبط بعض معلمات الدائرة:

KV - الجهد أو الجهد الكهربائي ؛
MA هو التيار الذي يتدفق عبر الأنبوب ؛
S - المدة أو وقت التعرض ، في أجزاء من الثانية.

توفر الدائرة حركة الإلكترونات. يتم شحنهم بالطاقة ، ويمرون عبر المولد ، ويعطونه للأنود. أثناء تحركهم ، تحدث تحولين:

يتم تحويل الطاقة الكهربائية الكامنة إلى طاقة حركية ؛
الحركية بدورها تتحول إلى أشعة سينية وحرارة.

إمكانية

عندما تدخل الإلكترونات المصباح ، يكون لديها طاقة كهربائية محتملة ، يتم تحديد مقدارها بواسطة الجهد KV بين الأنود والكاثود. عمل أنبوب الأشعة السينيةتحت الجهد ، لإنشاء 1 كيلو فولت ، يجب أن يكون لكل جسيم 1 كيلو فولت. من خلال ضبط KV ، يمنح المشغل كل إلكترون كمية معينة من الطاقة.

الخواص الحركية

ضغط منخفض في أنبوب الأشعة السينية المفرغ (عند 15 درجة مئوية يكون 10^-6–10^{-7مم زئبق.) يسمح للجسيمات بالخروج من القطب السالب إلى القطب الموجب تحت تأثير الانبعاث الحراري والقوة الكهربائية. تعمل هذه القوة على تسريعها ، مما يؤدي إلى زيادة السرعة والطاقة الحركية وتقليل الجهد. عندما يصطدم جسيم ما بالقطب الموجب ، تفقد إمكاناته وتتحول كل طاقته إلى طاقة حركية. يصل إلكترون 100 كيلو فولت إلى سرعات تزيد عن نصف سرعة الضوء. عند اصطدامها بالسطح ، تتباطأ الجزيئات بسرعة كبيرة وتفقد طاقتها الحركية. يتحول إلى أشعة سينية أو حرارة.}

تتلامس الإلكترونات مع الذرات الفردية لمادة الأنود. يتولد الإشعاع عندما تتفاعل مع المدارات (فوتونات الأشعة السينية) ومع النواة (أشعة الشمس).

رابط الطاقة

لكل إلكترون داخل الذرة طاقة ارتباط معينة ، والتي تعتمد على حجم الأخير والمستوى الذي يقع عنده الجسيم. تلعب طاقة الربط دورًا مهمًا في توليد أشعة سينية مميزة وهي ضرورية لإزالة الإلكترون من الذرة.

Bremsstrahlung

ينتج Bremsstrahlung أكبر عدد من الفوتونات. تنحرف الإلكترونات التي تخترق مادة الأنود وتمر بالقرب من النواة وتتباطأقوة جاذبية الذرة. تظهر طاقتهم المفقودة خلال هذا اللقاء على شكل فوتون للأشعة السينية.

الطيف

فقط عدد قليل من الفوتونات لديها طاقة قريبة من طاقة الإلكترونات. معظمهم أقل. لنفترض أن هناك مساحة أو مجالًا يحيط بالنواة تختبر فيه الإلكترونات قوة "فرملة". يمكن تقسيم هذا المجال إلى مناطق. هذا يعطي مجال النواة مظهر الهدف مع وجود ذرة في المركز. يصيب الإلكترون الذي يصطدم بأي نقطة من الهدف تباطؤًا ويولد فوتونًا للأشعة السينية. تكون الجسيمات التي تضرب الأقرب إلى المركز هي الأكثر تضررًا ، وبالتالي تفقد معظم الطاقة ، وتنتج فوتونات أعلى طاقة. تتعرض الإلكترونات التي تدخل المناطق الخارجية لتفاعلات أضعف وتولد كميات أقل من الطاقة. على الرغم من أن المناطق لها نفس العرض ، إلا أن لها مساحة مختلفة اعتمادًا على المسافة إلى القلب. نظرًا لأن عدد الجسيمات التي تسقط على منطقة معينة يعتمد على مساحتها الإجمالية ، فمن الواضح أن المناطق الخارجية تلتقط المزيد من الإلكترونات وتنتج المزيد من الفوتونات. يمكن استخدام هذا النموذج للتنبؤ بطيف الطاقة للأشعة السينية.

E_maxفوتونات طيف الإشعاع الرئيسي يتوافق مع E_{maxإلكترونات. تحت هذه النقطة ، مع انخفاض طاقة الفوتون ، يزداد عددهم.}

يتم امتصاص أو تصفية عدد كبير من الفوتونات منخفضة الطاقة أثناء محاولتها المرور عبر سطح الأنود أو نافذة الأنبوب أو المرشح. يعتمد الترشيح بشكل عام على تكوين وسمك المادة التي يتم من خلالهايمر الشعاع من خلاله ، والذي يحدد الشكل النهائي لمنحنى الطاقة المنخفضة للطيف.

KV التأثير

يتم تحديد الجزء عالي الطاقة من الطيف بواسطة الجهد في أنابيب الأشعة السينية kV (كيلوفولت). هذا لأنه يحدد طاقة الإلكترونات التي تصل إلى القطب الموجب ، ولا يمكن أن يكون للفوتونات إمكانات أعلى من هذا. ما الجهد الذي يعمل به أنبوب الأشعة السينية؟ تتوافق طاقة الفوتون القصوى مع الحد الأقصى للجهد المطبق. قد يتغير هذا الجهد أثناء التعرض بسبب تيار التيار المتردد. في هذه الحالة ، يتم تحديد E_maxللفوتون بجهد الذروة لفترة التذبذب KV_p.

إلى جانب الكمون الكمومي ، KV_pيحدد مقدار الإشعاع الناتج عن عدد معين من الإلكترونات التي تصطدم بالقطب الموجب. نظرًا لأن الكفاءة الإجمالية لـ bremsstrahlung تزداد بسبب الزيادة في طاقة الإلكترونات التي يتم قصفها ، والتي يتم تحديدها بواسطة KV_p، يتبع ذلك KV_{pيؤثر على كفاءة الجهاز}

تغيير KV_{pعادة ما يغير الطيف. المساحة الكلية تحت منحنى الطاقة هي عدد الفوتونات. بدون مرشح ، يكون الطيف مثلثًا ، وتتناسب كمية الإشعاع مع مربع KV. في وجود مرشح ، تؤدي الزيادة في KV أيضًا إلى زيادة تغلغل الفوتونات ، مما يقلل من نسبة الإشعاع المفلتر. هذا يؤدي إلى زيادة في ناتج الإشعاع.}

الإشعاع المميز

نوع التفاعل الذي ينتج عنه الخاصيةالإشعاع ، ويشمل اصطدام الإلكترونات عالية السرعة بالإلكترونات المدارية. يمكن أن يحدث التفاعل فقط عندما يكون للجسيم الوارد E_kأكبر من طاقة الربط في الذرة. عندما يتم استيفاء هذا الشرط ويحدث تصادم ، يتم إخراج الإلكترون. في هذه الحالة ، يبقى شاغر ، مملوء بجسيم ذي مستوى طاقة أعلى. عندما يتحرك الإلكترون ، فإنه يعطي طاقة تنبعث على شكل كمية من الأشعة السينية. وهذا ما يسمى الإشعاع المميز ، لأن E للفوتون هو سمة من سمات العنصر الكيميائي الذي يتكون منه الأنود. على سبيل المثال ، عندما يتم إخراج إلكترون من مستوى K من التنجستن مع E_bond=69.5 keV ، يتم ملء الفراغ بواسطة إلكترون من المستوى L مع E_{السندات=10 ، 2 كيلو فولت. يمتلك فوتون الأشعة السينية المميز طاقة تساوي الفرق بين هذين المستويين ، أو 59.3 كيلو فولت.}

في الواقع ، ينتج عن مادة الأنود هذه عددًا من طاقات الأشعة السينية المميزة. وذلك لأن الإلكترونات ذات مستويات الطاقة المختلفة (K ، L ، إلخ) يمكن التخلص منها عن طريق قصف الجسيمات ، ويمكن ملء الفراغات من مستويات طاقة مختلفة. على الرغم من أن ملء الوظائف الشاغرة على مستوى L يولد فوتونات ، إلا أن طاقاتها منخفضة جدًا بحيث لا يمكن استخدامها في التصوير التشخيصي. يتم إعطاء كل طاقة مميزة تسمية تشير إلى المدار الذي تشكلت فيه الشغور ، مع مؤشر يشير إلى مصدر ملء الإلكترون. يشير الفهرس ألفا (α) إلى احتلال إلكترون من المستوى L ، ويشير بيتا (β)ملء من المستوى M أو N.

طيف التنغستن. ينتج الإشعاع المميز لهذا المعدن طيفًا خطيًا يتكون من العديد من الطاقات المنفصلة ، بينما تخلق أشعة الشمس توزيعًا مستمرًا. يختلف عدد الفوتونات التي تنتجها كل طاقة مميزة من حيث أن احتمال ملء شاغر على مستوى K يعتمد على المدار.

طيف الموليبدينوم. تنتج أنودات هذا المعدن المستخدم في التصوير الشعاعي للثدي نوعين من طاقات الأشعة السينية المميزة الشديدة: K-alpha عند 17.9 كيلو فولت ، و K-beta عند 19.5 كيلو فولت. يتم تحقيق الطيف الأمثل لأنابيب الأشعة السينية ، والذي يسمح بتحقيق أفضل توازن بين التباين وجرعة الإشعاع للثدي المتوسط الحجم ، عند E_{ph=20 keV. ومع ذلك ، يتم إنتاج bremsstrahlung في طاقات عالية. تستخدم معدات التصوير الشعاعي للثدي مرشح الموليبدينوم لإزالة الجزء غير المرغوب فيه من الطيف. يعمل المرشح على مبدأ "K-edge". تمتص الإشعاع الزائد من طاقة الارتباط للإلكترونات عند المستوى K لذرة الموليبدينوم.}
طيف من الروديوم. يحتوي الروديوم على عدد ذري يبلغ 45 ، بينما يحتوي الموليبدينوم على العدد الذري 42. لذلك ، فإن انبعاث الأشعة السينية المميز لأنود الروديوم سيكون له طاقة أعلى قليلاً من تلك الموجودة في الموليبدينوم ويكون أكثر اختراقًا. يستخدم لتصوير أثداء كثيفة.

الأنودات الموليبدينوم والروديوم ذات السطح المزدوج تسمح للمشغل بتحديد التوزيع الأمثل لأحجام وكثافات الثدي المختلفة.

ما الجهد الذي تعمل به الأشعة السينية؟أنبوب

تأثير KV على الطيف

تؤثر قيمة KV بشكل كبير على الإشعاع المميز ، حيث لن يتم إنتاجها إذا كان KV أقل من طاقة إلكترونات المستوى K. عندما يتجاوز KV هذه العتبة ، فإن كمية الإشعاع تتناسب بشكل عام مع الفرق بين الأنبوب KV والعتبة KV.

يتم تحديد طيف الطاقة لفوتونات الأشعة السينية الخارجة من الجهاز بعدة عوامل. كقاعدة عامة ، يتكون من bremsstrahlung وكوانتا التفاعل المميز.

التركيب النسبي للطيف يعتمد على مادة الأنود ، KV والمرشح. في الأنبوب الذي يحتوي على أنود التنغستن ، لا ينتج إشعاع مميز عند KV< 69.5 keV. في القيم العالية للسيرة الذاتية المستخدمة في الدراسات التشخيصية ، يزيد الإشعاع المميز من إجمالي الإشعاع بنسبة تصل إلى 25٪. في أجهزة الموليبدينوم ، يمكن أن يشكل جزءًا كبيرًا من التوليد الكلي.

كفاءة

يتم تحويل جزء صغير فقط من الطاقة التي توفرها الإلكترونات إلى إشعاع. يتم امتصاص الجزء الرئيسي وتحويله إلى حرارة. تُعرَّف كفاءة الإشعاع بأنها نسبة إجمالي الطاقة المشعة من إجمالي الطاقة الكهربائية المنقولة إلى القطب الموجب. العوامل التي تحدد كفاءة أنبوب الأشعة السينية هي الجهد المطبق KV والرقم الذري Z. مثال على العلاقة هو كما يلي:

الكفاءة=KV x Z x 10-6.

العلاقة بين الكفاءة و KV لها تأثير محدد على الاستخدام العملي لمعدات الأشعة السينية. بسبب إطلاق الحرارة ، يكون للأنابيب حد معين على كمية الكهرباءالطاقة التي يمكنهم تبديدها. هذا يفرض قيودًا على قوة الجهاز. ومع زيادة KV ، تزداد كمية الإشعاع الناتجة لكل وحدة حرارة بشكل ملحوظ.

إن اعتماد كفاءة توليد الأشعة السينية على تكوين القطب الموجب له أهمية أكاديمية فقط ، لأن معظم الأجهزة تستخدم التنجستن. استثناء هو الموليبدينوم والروديوم المستخدمة في التصوير الشعاعي للثدي. كفاءة هذه الأجهزة أقل بكثير من التنجستن نظرًا لانخفاض عددها الذري.

كفاءة

يتم تعريف كفاءة أنبوب الأشعة السينية على أنها مقدار التعرض ، في ميليروجينز ، الذي يتم تسليمه إلى نقطة في مركز الحزمة المفيدة على مسافة 1 متر من النقطة البؤرية لكل 1 مللي أمبير من الإلكترونات التي تمر عبر الجهاز. تعبر قيمته عن قدرة الجهاز على تحويل طاقة الجسيمات المشحونة إلى أشعة سينية. يسمح لك بتحديد تعرض المريض والصورة. مثل الكفاءة ، تعتمد كفاءة الجهاز على عدد من العوامل ، بما في ذلك KV ، وشكل موجة الجهد ، ومواد الأنود وتلف السطح ، والفلتر ، ووقت الاستخدام.

KV السيطرة

KV يتحكم بشكل فعال في إخراج أنبوب الأشعة السينية. من المفترض عمومًا أن الناتج يتناسب مع مربع KV. مضاعفة KV يزيد من التعرض بمقدار 4x.

شكل موجة

يصف شكل الموجة الطريقة التي تتغير بها KV بمرور الوقت أثناء التوليدالإشعاع بسبب الطبيعة الدورية لمصدر الطاقة. يتم استخدام عدة أشكال موجية مختلفة. المبدأ العام هو أنه كلما قل تغير شكل KV ، زادت كفاءة إنتاج الأشعة السينية. تستخدم المعدات الحديثة مولدات ذات جهد كهربي ثابت نسبيًا.

أنابيب الأشعة السينية: الشركات المصنعة

تنتج Oxford Instruments مجموعة متنوعة من الأجهزة ، بما في ذلك الأجهزة الزجاجية حتى 250 واط ، وإمكانات 4-80 كيلو فولت ، ونقطة بؤرية تصل إلى 10 ميكرون ومجموعة واسعة من مواد الأنود ، بما في ذلك Ag ، Au ، Co ، Cr ، النحاس ، الحديد ، Mo ، Pd ، Rh ، Ti ، W.

تقدم شركة فاريان أكثر من 400 نوع مختلف من أنابيب الأشعة السينية الطبية والصناعية. الشركات المصنعة الأخرى المعروفة هي Dunlee و GE و Philips و Shimadzu و Siemens و Toshiba و IAE و Hangzhou Wandong و Kailong ، إلخ.

أنابيب الأشعة السينية "سفيتلانا رنتجن" يتم إنتاجها في روسيا. بالإضافة إلى الأجهزة التقليدية ذات الأنود الدوار والثابت ، تقوم الشركة بتصنيع أجهزة بها كاثود بارد يتحكم فيه تدفق الضوء. مميزات الجهاز كالتالي: