Tub cu raze X - X-ray tube

Un tub de raze X este un tub cu vid că puterea electrică de intrare convertește în radiografii . Disponibilitatea acestei surse controlabile de raze X a creat câmpul radiografiei , imagistica obiectelor parțial opace cu radiații penetrante . Spre deosebire de alte surse de radiații ionizante, razele X sunt produse numai atât timp cât tubul de raze X este energizat. Tuburile cu raze X sunt, de asemenea, utilizate în scanerele CT , scanerele pentru bagaje din aeroport, cristalografia cu raze X , analiza materialelor și a structurii și pentru inspecția industrială.

Cererea în creștere pentru sisteme de scanare și angiografie de tomografie computerizată (CT) de înaltă performanță a determinat dezvoltarea tuburilor cu raze X medicale de înaltă performanță.

Tub cu raze X Coolidge, din jurul anului 1917. Catodul încălzit este în stânga, iar anodul este drept. Razele X sunt emise în jos.

Istorie

Tuburile cu raze X au evoluat din tuburile experimentale Crookes cu care razele X au fost descoperite pentru prima dată pe 8 noiembrie 1895, de către fizicianul german Wilhelm Conrad Röntgen . Aceste tuburi de raze X cu catod rece sau Crookes de prima generație au fost utilizate până în anii 1920. Tubul Crookes a fost îmbunătățită prin William Coolidge in 1913. tub Coolidge , de asemenea , numit tub catod cald , este cea mai larg utilizată. Funcționează cu un vid de foarte bună calitate (aproximativ 10 −4 Pa sau 10 −6 Torr).

Până la sfârșitul anilor 1980, generatoarele de raze X erau doar surse de alimentare variabile de la AC la DC. La sfârșitul anilor 1980 a apărut o altă metodă de control, numită comutare de mare viteză. Acest lucru a urmat tehnologia electronică a surselor de alimentare cu comutare (cunoscută și sub numele de sursă de alimentare cu comutare ) și a permis un control mai precis al unității de raze X, rezultate de calitate mai înaltă și expuneri la raze X reduse.

Fizică

Spectrul razelor X emise de un tub cu raze X cu țintă de rodiu , operat la 60 kV . Curba netedă și continuă se datorează bremsstrahlung , iar vârfurile sunt linii K caracteristice pentru atomii de rodiu.

La fel ca în cazul oricărui tub de vid , există un catod , care emite electroni în vid și un anod pentru a colecta electronii, stabilind astfel un flux de curent electric, cunoscut sub numele de fascicul , prin tub. O sursă de energie de înaltă tensiune , de exemplu 30 până la 150 kilovolți (kV), numită tensiune a tubului , este conectată pe catod și anod pentru a accelera electronii. Raze X Spectrul depinde de materialul anodului și tensiunea de accelerare.

Electronii din catod se ciocnesc cu materialul anodic, de obicei tungsten , molibden sau cupru , și accelerează alți electroni, ioni și nuclei din materialul anodic. Aproximativ 1% din energia generată este emisă / radiată, de obicei perpendiculară pe calea fasciculului de electroni, sub formă de raze X. Restul energiei este eliberat sub formă de căldură. În timp, tungstenul va fi depus de la țintă pe suprafața interioară a tubului, inclusiv suprafața de sticlă. Acest lucru va întuneca încet tubul și s-a crezut că degradează calitatea fasciculului de raze X. Tungstenul vaporizat se condensează în interiorul plicului peste „fereastră” și acționează astfel ca un filtru suplimentar și scade capacitatea tuburilor de a radia căldură. În cele din urmă, depunerea de tungsten poate deveni suficient de conductivă, încât la tensiuni suficient de mari să apară arcuri. Arcul va sări de la catod la depozitul de tungsten, apoi la anod. Acest arcaj provoacă un efect numit „ nebunie ” pe geamul interior al ferestrei cu raze X. Odată cu trecerea timpului, tubul devine instabil chiar și la tensiuni mai mici și trebuie înlocuit. În acest moment, ansamblul tubului (numit și „capul tubului”) este îndepărtat din sistemul de raze X și înlocuit cu un nou ansamblu tub. Ansamblul de tuburi vechi este livrat către o companie care îl reîncarcă cu un nou tub cu raze X.

Efectul generator de fotoni cu raze X este, în general, numit efect bremsstrahlung , o contracție a bremsenului german care înseamnă a frâna, iar Strahlung înseamnă radiație .

Gama de energii fotonice emise de sistem poate fi ajustată prin schimbarea tensiunii aplicate și prin instalarea filtrelor din aluminiu cu grosimi diferite. Filtrele din aluminiu sunt instalate pe calea fasciculului de raze X pentru a elimina radiațiile „moi” (nepătrunzătoare). Numărul de fotoni cu raze X emise sau doza sunt ajustate prin controlul fluxului curent și a timpului de expunere.

Eliberarea căldurii

Căldura este produsă în punctul focal al anodului. Deoarece o fracțiune mică (mai mică sau egală cu 1%) de energie a electronilor este convertită în raze X, aceasta poate fi ignorată în calculele căldurii. Cantitatea de căldură produsă (în Joule) în punctul focal este dată de:

fiind factorul de formă de undă
= tensiunea de vârf AC (în volți)
= curentul tubului (în mili Amperi)
= timpul de expunere (în secunde)

Unitatea de căldură (HU) a fost folosită în trecut ca alternativă la Joule. Este o unitate convenabilă atunci când o sursă de alimentare monofazată este conectată la tubul de raze X. Cu o rectificare cu undă completă a unei unde sinusoidale , = , astfel unitatea de căldură:

1 HU = 0,707 J
1,4 HU = 1 J

Tipuri

Tubul Crookes (tub catodic rece)

Tub cu raze X Crookes de la începutul anilor 1900. Catodul este în dreapta, anodul este în centru cu radiator atașat la stânga. Electrodul în poziția de ora 10 este anticatodul. Dispozitivul din partea de sus este un „dedurizator” folosit pentru reglarea presiunii gazului.

Tuburile Crooke au generat electronii necesari pentru a crea raze X prin ionizarea aerului rezidual din tub, în ​​locul unui filament încălzit , astfel încât au fost parțial, dar nu complet evacuate . Acestea erau formate dintr-un bec de sticlă cu o presiune atmosferică a aerului de la aproximativ 10 −6 la 5 × 10 −8 (0,1 la 0,005 Pa ). Aveau o placă de catod de aluminiu la un capăt al tubului și o țintă cu anod de platină la celălalt capăt. Suprafața anodului a fost înclinată astfel încât razele X să radieze prin partea tubului. Catodul a fost concav, astfel încât electronii au fost focalizați pe un punct mic (~ 1 mm) pe anod, aproximând o sursă punctuală de raze X, ceea ce a dus la imagini mai clare. Tubul avea un al treilea electrod, un anticatod conectat la anod. A îmbunătățit ieșirea cu raze X, dar metoda prin care a realizat acest lucru nu este înțeleasă. Un aranjament mai obișnuit a folosit un anticatod de placă de cupru (similar în construcție cu catodul) în linie cu anodul astfel încât anodul să fie între catod și anticatod.

Pentru a funcționa, a fost aplicată o tensiune continuă de câteva kilovolți până la 100 kV între anodi și catod, de obicei generată de o bobină de inducție sau pentru tuburi mai mari, o mașină electrostatică .

Tuburile Crookes nu erau de încredere. Odată cu trecerea timpului, aerul rezidual va fi absorbit de pereții tubului, reducând presiunea. Acest lucru a crescut tensiunea pe tub, generând raze X „mai dure”, până când tubul a încetat să funcționeze. Pentru a preveni acest lucru, au fost folosite dispozitive de „dedurizare” (a se vedea imaginea). Un tub mic atașat pe partea laterală a tubului principal conținea un manșon de mică sau substanță chimică care a eliberat o cantitate mică de gaz atunci când a fost încălzit, restabilind presiunea corectă.

Învelișul de sticlă al tubului s-ar înnegri în timpul utilizării din cauza razelor X care îi afectează structura.

Tub Coolidge (tub catodic fierbinte)

Tub cu geam lateral Coolidge (schemă)
  • C: filament / catod (-)
  • A: anod (+)
  • W in and W out : intrarea și ieșirea apei dispozitivului de răcire

În tubul Coolidge, electronii sunt produși prin efect termionic dintr-un filament de tungsten încălzit de un curent electric. Filamentul este catodul tubului. Potențialul de înaltă tensiune este între catod și anod, electronii sunt astfel accelerați și apoi lovesc anodul.

Există două modele: tuburi de geamuri terminale și tuburi de geamuri laterale. Tuburile de fereastră de capăt au de obicei „țintă de transmisie”, care este suficient de subțire pentru a permite razelor X să treacă prin țintă (razele X sunt emise în aceeași direcție în care se mișcă electronii.) Într-un tip comun de tub de fereastră de capăt, filamentul se află în jurul anodului („inelar” sau în formă de inel), electronii au o cale curbată (jumătate de toroid).

Ceea ce este special la tuburile cu fereastră laterală este că o lentilă electrostatică este utilizată pentru a focaliza fasciculul pe un punct foarte mic de pe anod. Anodul este special conceput pentru a disipa căldura și uzura rezultate din această baraj intens concentrat de electroni. Anodul este unghiular cu precizie de 1-20 grade perpendicular pe curentul de electroni, astfel încât să permită scăparea unor fotoni cu raze X care sunt emiși perpendicular pe direcția curentului de electroni. Anodul este de obicei realizat din tungsten sau molibden. Tubul are o fereastră proiectată pentru evadarea fotonilor cu raze X generate.

Puterea unui tub Coolidge variază de obicei între 0,1 și 18 kW .

Tub rotativ de anod

Schema simplificată a tubului rotativ cu anod
  • A: Anod
  • C: catod
  • T: țintă anodică
  • W: fereastră cu raze X
tub tipic de raze X cu anod rotativ

O cantitate considerabilă de căldură este generată în punctul focal (zona în care lovește fasciculul de electroni care vin de la catod) unui anod staționar. Mai degrabă, un anod rotativ permite fasciculului de electroni să măture o zonă mai mare a anodului, valorificând astfel avantajul unei intensități mai mari a radiației emise, împreună cu daune reduse la anod comparativ cu starea sa staționară.

Temperatura punctului focal poate atinge 2.500 ° C (4.530 ° F) în timpul unei expuneri, iar ansamblul anodului poate atinge 1.000 ° C (1.830 ° F) în urma unei serii de expuneri mari. Anodii tipici sunt o țintă tungsten-reniu pe un miez de molibden, susținut cu grafit. Reniu face tungsten mai ductil și rezistent la uzură de impactul electronului grinzi. De molibden conduce căldura de la țintă. Grafit asigură stocarea termică pentru anod, și minimizează masa rotativă a anodului.

Tub cu raze X microfocus

Unele examinări cu raze X (cum ar fi, de exemplu, testarea nedistructivă și microtomografia 3-D ) au nevoie de imagini cu rezoluție foarte mare și, prin urmare, necesită tuburi cu raze X care pot genera dimensiuni foarte mici ale punctelor focale, de obicei sub 50 μm în diametru. Aceste tuburi se numesc tuburi cu raze X cu microfocus.

Există două tipuri de bază de tuburi cu raze X cu microfocus: tuburi cu anod solid și tuburi cu anod cu jet de metal.

Tuburile cu raze X cu microfocus cu anod solid sunt, în principiu, foarte asemănătoare cu tubul Coolidge, dar cu deosebirea importantă că s-a avut grijă să putem focaliza fasciculul de electroni într-un punct foarte mic de pe anod. Multe surse de raze X cu microfocus funcționează cu pete de focalizare în intervalul 5-20 μm, dar în cazurile extreme pot fi produse pete mai mici de 1 μm.

Dezavantajul major al tuburilor cu raze X cu microfocus cu anod solid este puterea foarte mică la care funcționează. Pentru a evita topirea anodului, densitatea puterii fasciculului de electroni trebuie să fie sub o valoare maximă. Această valoare este undeva în intervalul 0,4-0,8 W / μm, în funcție de materialul anodic. Aceasta înseamnă că o sursă de microfocus cu anod solid cu o focalizare a fasciculului de electroni de 10 μm poate funcționa la o putere cuprinsă între 4-8 W.

În tuburile cu raze X cu microfocus anodic cu jet de metal, anodul metalic solid este înlocuit cu un jet de metal lichid, care acționează ca țintă cu fascicul de electroni. Avantajul anodului cu jet de metal este că densitatea maximă a puterii fasciculului de electroni este semnificativ crescută. Au fost raportate valori în domeniul 3-6 W / μm pentru diferite materiale anodice (galiu și staniu). În cazul focalizării cu fascicul de electroni de 10 μm, o sursă de raze X cu microfocus cu anod metalic poate funcționa la 30-60 W.

Beneficiul major al nivelului crescut de densitate a puterii pentru tubul cu raze X cu jet de metal este posibilitatea de a opera cu un punct focal mai mic, să zicem 5 μm, pentru a crește rezoluția imaginii și, în același timp, pentru a obține imaginea mai repede, deoarece puterea este mai mare (15-30 W) decât pentru tuburile cu anod solid cu pete focale de 10 μm.

Pericole ale producției de raze X din tuburile vidate

Două tuburi redresoare de înaltă tensiune capabile să producă raze X.

Orice tub de vid care funcționează la câteva mii de volți sau mai mult poate produce raze X ca produs secundar nedorit, ridicând probleme de siguranță. Cu cât tensiunea este mai mare, cu atât radiația rezultată este mai penetrantă și pericolul este mai mare. Afișajele CRT , odată obișnuite în televizoarele color și afișajele computerului, funcționează la 3-40 kilovolți , devenind astfel principala preocupare a aparatelor de uz casnic. Din punct de vedere istoric, îngrijorarea s-a concentrat mai puțin asupra tubului de raze catodice , deoarece învelișul său de sticlă groasă este impregnat cu câteva kilograme de plumb pentru ecranare, decât pe redresoarele de înaltă tensiune (HV) și tuburile de reglare a tensiunii din interior. La sfârșitul anilor 1960 s-a constatat că o defecțiune în circuitul de alimentare HV a unor televizoare General Electric ar putea lăsa tensiuni excesive pe tubul regulatorului, provocând emiterea razelor X. Modelele au fost reamintite și scandalul care a urmat a determinat agenția SUA responsabilă de reglementarea acestui pericol, Centrul pentru Dispozitive și Sănătate Radiologică a Administrației pentru Alimente și Medicamente (FDA), să solicite ca toate televizoarele să includă circuite pentru a preveni tensiuni excesive în caz de eșec. Pericolul asociat cu tensiunile excesive a fost eliminat odată cu apariția tuturor televizoarelor cu stare solidă , care nu au alte tuburi decât CRT. Din 1969, FDA a limitat emisiile de raze X TV la 0,5 mR ( miliroentgen ) pe oră. Odată cu trecerea de la CRT-uri la alte tehnologii de ecran începând cu anii 1990, nu există deloc tuburi de vid capabile să emită raze X.

Vezi si

Brevete

Referințe

linkuri externe