Rrezet X krijohen duke shndërruar energjinë e elektroneve në fotone, e cila ndodh në një tub me rreze x. Sasia (ekspozimi) dhe cilësia (spektri) i rrezatimit mund të rregullohen duke ndryshuar rrymën, tensionin dhe kohën e funksionimit të pajisjes.
Parimi i punës
Tubbat me rreze X (foto është dhënë në artikull) janë konvertues të energjisë. Ata e marrin atë nga rrjeti dhe e kthejnë në forma të tjera - rrezatim depërtues dhe nxehtësi, kjo e fundit është një nënprodukt i padëshirueshëm. Dizajni i tubit me rreze X është i tillë që maksimizon prodhimin e fotonit dhe shpërndan nxehtësinë sa më shpejt që të jetë e mundur.
Një tub është një pajisje relativisht e thjeshtë, që zakonisht përmban dy elementë themelorë - një katodë dhe një anodë. Kur rryma rrjedh nga katoda në anodë, elektronet humbasin energjinë, gjë që rezulton në gjenerimin e rrezeve X.
Anodë
Anoda është komponenti që emetonfotone me energji të lartë. Ky është një element metalik relativisht masiv që lidhet me polin pozitiv të qarkut elektrik. Kryen dy funksione kryesore:
- konverton energjinë e elektroneve në rreze x,
- shpërndan nxehtësinë.
Materiali i anodës është zgjedhur për të përmirësuar këto funksione.
Idealisht, shumica e elektroneve duhet të formojnë fotone me energji të lartë, jo nxehtësi. Pjesa e energjisë së tyre totale që shndërrohet në rreze X (efikasiteti) varet nga dy faktorë:
- numri atomik (Z) i materialit të anodës,
- energjia e elektroneve.
Shumica e tubave me rreze X përdorin tungsten si material anodë, i cili ka një numër atomik 74. Përveçse ka një Z të madh, ky metal ka disa karakteristika të tjera që e bëjnë të përshtatshëm për këtë qëllim. Tungsteni është unik në aftësinë e tij për të ruajtur forcën kur nxehet, ka një pikë të lartë shkrirjeje dhe shkallë të ulët avullimi.
Për shumë vite, anoda ishte bërë nga tungsteni i pastër. Vitet e fundit ka filluar të përdoret një aliazh i këtij metali me renium, por vetëm në sipërfaqe. Vetë anoda nën veshjen tungsten-renium është bërë nga një material i lehtë që ruan mirë nxehtësinë. Dy substanca të tilla janë molibdeni dhe grafiti.
Tubat me rreze X të përdorura për mamografi janë bërë me një anodë të veshur me molibden. Ky material ka një numër atomik të ndërmjetëm (Z=42) i cili gjeneron fotone karakteristike me energji të përshtatshme përpër të bërë fotografi të gjoksit. Disa aparate mamografike kanë edhe një anodë të dytë prej rodiumi (Z=45). Kjo ju lejon të rrisni energjinë dhe të arrini penetrim më të madh për gjoksin e ngushtë.
Përdorimi i lidhjes renium-tungsten përmirëson prodhimin afatgjatë të rrezatimit - me kalimin e kohës, efikasiteti i pajisjeve të anodës së tungstenit të pastër zvogëlohet për shkak të dëmtimit termik në sipërfaqe.
Shumica e anodave kanë formë si disqe të pjerrëta dhe janë të lidhura me një bosht motori elektrik që i rrotullon ato me shpejtësi relativisht të larta ndërsa lëshojnë rreze X. Qëllimi i rrotullimit është të largojë nxehtësinë.
Pika fokale
Jo e gjithë anoda është e përfshirë në gjenerimin e rrezeve X. Ndodh në një zonë të vogël të sipërfaqes së saj - një pikë fokale. Dimensionet e kësaj të fundit përcaktohen nga dimensionet e rrezes elektronike që vjen nga katoda. Në shumicën e pajisjeve, ajo ka një formë drejtkëndore dhe varion midis 0,1-2 mm.
Tubat me rreze X janë projektuar me një madhësi specifike të pikës fokale. Sa më i vogël të jetë, aq më pak turbullt dhe më i mprehtë është imazhi, dhe sa më i madh të jetë, aq më mirë shpërndahet nxehtësia.
Madhësia e pikës fokale është një nga faktorët që duhet marrë parasysh kur zgjidhni tubat me rreze X. Prodhuesit prodhojnë pajisje me pika të vogla fokale kur është e nevojshme të arrihet rezolucion i lartë dhe rrezatim mjaft i ulët. Për shembull, kjo kërkohet kur ekzaminohen pjesë të vogla dhe të holla të trupit, si në mamografi.
Tubbat me rreze X prodhohen kryesisht me dy madhësi pikash fokale, të mëdha dhe të vogla, të cilat mund të zgjidhen nga operatori sipas procedurës së imazherisë.
Katodë
Funksioni kryesor i katodës është të gjenerojë elektrone dhe t'i mbledhë ato në një rreze të drejtuar në anodë. Si rregull, ai përbëhet nga një spirale (fije) e vogël teli e zhytur në një gropë në formë filxhani.
Elektronet që kalojnë nëpër qark zakonisht nuk mund të largohen nga përcjellësi dhe të shkojnë në hapësirën e lirë. Megjithatë, ata mund ta bëjnë këtë nëse marrin energji të mjaftueshme. Në një proces të njohur si emetim termik, nxehtësia përdoret për të dëbuar elektronet nga katoda. Kjo bëhet e mundur kur presioni në tubin e evakuuar të rrezeve X arrin 10-6–10-7 mmHg. Art. Filamenti nxehet në të njëjtën mënyrë si filamenti i një llambë inkandeshente kur rryma kalon nëpër të. Funksionimi i tubit me rreze X shoqërohet me ngrohjen e katodës deri në temperaturën e shkëlqimit me zhvendosjen e një pjese të elektroneve prej saj me energji termike.
Balloon
Anoda dhe katoda gjenden në një enë të mbyllur hermetikisht. Baloni dhe përmbajtja e tij shpesh referohen si një insert, i cili ka një jetë të kufizuar dhe mund të zëvendësohet. Tubat e rrezeve X kanë kryesisht llamba qelqi, megjithëse llamba metalike dhe qeramike përdoren për disa aplikime.
Funksioni kryesor i balonës është të sigurojë mbështetje dhe izolim për anodën dhe katodën, dhe të mbajë një vakum. Presioni në tubin e evakuuar të rrezeve Xnë 15°C është 1,2 10-3 Pa. Prania e gazrave në tullumbace do të lejonte që elektriciteti të rrjedhë lirshëm nëpër pajisje, dhe jo vetëm në formën e një rreze elektronike.
Rasti
Dizajni i tubit të rrezeve X është i tillë që, përveç mbylljes dhe mbështetjes së komponentëve të tjerë, trupi i tij shërben si mburojë dhe thith rrezatim, me përjashtim të rrezes së dobishme që kalon nëpër dritare. Sipërfaqja e saj e jashtme relativisht e madhe shpërndan pjesën më të madhe të nxehtësisë së gjeneruar brenda pajisjes. Hapësira midis trupit dhe futjes është e mbushur me vaj për izolim dhe ftohje.
Zinxhiri
Një qark elektrik lidh tubin me një burim energjie të quajtur gjenerator. Burimi merr energji nga rrjeti elektrik dhe konverton rrymën alternative në rrymë direkte. Gjeneratori ju lejon gjithashtu të rregulloni disa parametra qarku:
- KV - tension ose potencial elektrik;
- MA është rryma që rrjedh nëpër tub;
- S – kohëzgjatja ose koha e ekspozimit, në fraksione të sekondës.
Qarku siguron lëvizjen e elektroneve. Ata ngarkohen me energji, duke kaluar përmes gjeneratorit dhe ia japin atë anodës. Ndërsa lëvizin, ndodhin dy transformime:
- energjia elektrike potenciale shndërrohet në energji kinetike;
- kinetika, nga ana tjetër, shndërrohet në rreze x dhe nxehtësi.
Potencial
Kur elektronet hyjnë në llambë, ato kanë energji elektrike potenciale, sasia e së cilës përcaktohet nga tensioni KV midis anodës dhe katodës. Punon tubi me rreze Xnën tension, për të krijuar 1 KV nga të cilat çdo grimcë duhet të ketë 1 keV. Duke rregulluar KV, operatori i jep çdo elektroni një sasi të caktuar energjie.
Kinetika
Tresion i ulët në tubin e evakuuar me rreze X (në 15°C është 10-6–10-7 mmHg.) lejon grimcat të fluturojnë nga katoda në anodë nën veprimin e emetimit termionik dhe forcës elektrike. Kjo forcë i përshpejton ato, gjë që çon në një rritje të shpejtësisë dhe energjisë kinetike dhe një ulje të potencialit. Kur një grimcë godet anodën, potenciali i saj humbet dhe e gjithë energjia e saj shndërrohet në energji kinetike. Një elektron 100-keV arrin shpejtësi më të madhe se gjysmën e shpejtësisë së dritës. Duke goditur sipërfaqen, grimcat ngadalësohen shumë shpejt dhe humbasin energjinë e tyre kinetike. Ajo kthehet në rreze X ose nxehtësi.
Elektronet bien në kontakt me atomet individuale të materialit anodë. Rrezatimi gjenerohet kur ato ndërveprojnë me orbitalet (fotonet me rreze X) dhe me bërthamën (bremsstrahlung).
Energjia e lidhjes
Çdo elektron brenda një atomi ka një energji të caktuar lidhëse, e cila varet nga madhësia e këtij të fundit dhe niveli në të cilin ndodhet grimca. Energjia lidhëse luan një rol të rëndësishëm në gjenerimin e rrezeve karakteristike X dhe është e nevojshme për të hequr një elektron nga një atom.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung prodhon numrin më të madh të fotoneve. Elektronet që depërtojnë në materialin e anodës dhe kalojnë pranë bërthamës devijohen dhe ngadalësohenforca e tërheqjes së atomit. Energjia e tyre e humbur gjatë këtij takimi shfaqet si një foton me rreze X.
Spectrum
Vetëm disa fotone kanë një energji të afërt me atë të elektroneve. Shumica e tyre janë më të ulëta. Le të supozojmë se ka një hapësirë ose fushë që rrethon bërthamën në të cilën elektronet përjetojnë një forcë "frenimi". Kjo fushë mund të ndahet në zona. Kjo i jep fushës së bërthamës pamjen e një objektivi me një atom në qendër. Një elektron që godet çdo pikë të objektivit përjeton ngadalësim dhe gjeneron një foton me rreze X. Grimcat që godasin më afër qendrës janë më të prekurat dhe për këtë arsye humbasin më shumë energji, duke prodhuar fotonet e energjisë më të lartë. Elektronet që hyjnë në zonat e jashtme përjetojnë ndërveprime më të dobëta dhe gjenerojnë kuanta më të ulëta të energjisë. Megjithëse zonat kanë të njëjtën gjerësi, ato kanë një zonë të ndryshme në varësi të distancës deri në bërthamën. Meqenëse numri i grimcave që bien në një zonë të caktuar varet nga sipërfaqja totale e saj, është e qartë se zonat e jashtme kapin më shumë elektrone dhe krijojnë më shumë fotone. Ky model mund të përdoret për të parashikuar spektrin energjetik të rrezeve X.
Emax fotone të spektrit kryesor bremsstrahlung korrespondon me Emax elektrone. Nën këtë pikë, ndërsa energjia e fotonit zvogëlohet, numri i tyre rritet.
Një numër i konsiderueshëm i fotoneve me energji të ulët absorbohen ose filtrohen ndërsa përpiqen të kalojnë përmes sipërfaqes së anodës, dritares së tubit ose filtrit. Filtrimi në përgjithësi varet nga përbërja dhe trashësia e materialit përmes të cilitrrezja kalon nëpër të, e cila përcakton formën përfundimtare të lakores me energji të ulët të spektrit.
Ndikimi KV
Pjesa me energji të lartë të spektrit përcaktohet nga voltazhi në tubat me rreze X kV (kilovolt). Kjo ndodh sepse përcakton energjinë e elektroneve që arrijnë në anodë dhe fotonet nuk mund të kenë një potencial më të lartë se ky. Me çfarë tensioni funksionon tubi i rrezeve X? Energjia maksimale e fotonit korrespondon me potencialin maksimal të aplikuar. Ky tension mund të ndryshojë gjatë ekspozimit për shkak të rrymës AC. Në këtë rast, Emax i një fotoni përcaktohet nga tensioni i pikut të periudhës së lëkundjes KVp.
Përveç potencialit kuantik, KVp përcakton sasinë e rrezatimit të krijuar nga një numër i caktuar elektronesh që godasin anodën. Meqenëse efikasiteti i përgjithshëm i bremsstrahlung rritet për shkak të një rritje të energjisë së elektroneve bombarduese, e cila përcaktohet nga KVp, rrjedh se KVpndikon në efikasitetin e pajisjes.
Ndryshimi i KVp zakonisht ndryshon spektrin. Sipërfaqja totale nën kurbën e energjisë është numri i fotoneve. Pa një filtër, spektri është një trekëndësh dhe sasia e rrezatimit është proporcionale me katrorin e KV. Në prani të një filtri, një rritje në KV gjithashtu rrit depërtimin e fotoneve, gjë që zvogëlon përqindjen e rrezatimit të filtruar. Kjo çon në një rritje të prodhimit të rrezatimit.
Rrezatimi karakteristik
Lloji i ndërveprimit që prodhon karakteristikënrrezatimi, përfshin përplasjen e elektroneve me shpejtësi të madhe me ato orbitale. Ndërveprimi mund të ndodhë vetëm kur grimca hyrëse ka Ek më të madhe se energjia e lidhjes në atom. Kur plotësohet ky kusht dhe ndodh një përplasje, elektroni nxirret. Në këtë rast, mbetet një vend i lirë, i cili plotësohet nga një grimcë e një niveli më të lartë energjie. Ndërsa elektroni lëviz, ai lëshon energji, e cila emetohet në formën e një kuantike me rreze X. Ky quhet rrezatim karakteristik, pasi E i një fotoni është një karakteristikë e elementit kimik nga i cili është bërë anoda. Për shembull, kur një elektron nga niveli K i tungstenit me Elidhje=69,5 keV eliminohet, boshllëku mbushet nga një elektron nga niveli L me E lidhja=10, 2 keV. Fotoni karakteristik i rrezeve X ka një energji të barabartë me diferencën midis këtyre dy niveleve, ose 59,3 keV.
Në fakt, ky material anodë rezulton në një sërë energjish karakteristike të rrezeve X. Kjo është për shkak se elektronet në nivele të ndryshme energjetike (K, L, etj.) mund të eliminohen nga grimcat bombarduese dhe vendet e lira mund të plotësohen nga nivele të ndryshme energjetike. Megjithëse mbushja e vendeve të lira të nivelit L gjeneron fotone, energjitë e tyre janë shumë të ulëta për t'u përdorur në imazhe diagnostikuese. Çdo energjie karakteristike i jepet një emërtim që tregon orbitalin në të cilin është formuar boshllëku, me një indeks që tregon burimin e mbushjes së elektroneve. Indeksi alfa (α) tregon pushtimin e një elektroni nga niveli L, dhe beta (β) tregonmbushje nga niveli M ose N.
- Spektri i tungstenit. Rrezatimi karakteristik i këtij metali prodhon një spektër linear të përbërë nga disa energji diskrete, ndërsa bremsstrahlung krijon një shpërndarje të vazhdueshme. Numri i fotoneve të prodhuara nga çdo energji karakteristike ndryshon në atë që probabiliteti i plotësimit të një vendi bosh të nivelit K varet nga orbitalja.
- Spektri i molibdenit. Anodet e këtij metali të përdorura për mamografi prodhojnë dy energji karakteristike mjaft intensive të rrezeve X: K-alfa në 17.9 keV dhe K-beta në 19.5 keV. Spektri optimal i tubave me rreze X, i cili lejon arritjen e ekuilibrit më të mirë midis kontrastit dhe dozës së rrezatimit për gjokset me madhësi mesatare, arrihet në Eph=20 keV. Megjithatë, bremsstrahlung prodhohet me energji të larta. Pajisjet e mamografisë përdorin një filtër molibdeni për të hequr pjesën e padëshiruar të spektrit. Filtri funksionon në parimin "K-edge". Ai thith rrezatimin që tejkalon energjinë e lidhjes së elektroneve në nivelin K të atomit të molibdenit.
- Spektri i rodiumit. Rodiumi ka një numër atomik 45, ndërsa molibdeni ka numrin atomik 42. Prandaj, emetimi karakteristik i rrezeve X të një anode rodiumi do të ketë një energji pak më të lartë se ajo e molibdenit dhe është më depërtues. Kjo përdoret për imazhin e gjinjve të dendur.
Anodet molibden-rodium me sipërfaqe të dyfishtë i lejojnë operatorit të zgjedhë një shpërndarje të optimizuar për madhësi dhe dendësi të ndryshme të gjoksit.
Efekti i KV në spektrin
Vlera e KV ndikon shumë në rrezatimin karakteristik, pasi ai nuk do të prodhohet nëse KV është më i vogël se energjia e elektroneve të nivelit K. Kur KV e kalon këtë prag, sasia e rrezatimit është përgjithësisht proporcionale me diferencën midis tubit KV dhe pragut KV.
Spektri i energjisë i fotoneve me rreze X që dalin nga instrumenti përcaktohet nga disa faktorë. Si rregull, ai përbëhet nga bremsstrahlung dhe kuanta karakteristike të ndërveprimit.
Përbërja relative e spektrit varet nga materiali i anodës, KV dhe filtri. Në një tub me një anodë tungsteni, nuk prodhohet rrezatim karakteristik në KV< 69,5 keV. Në vlerat më të larta të CV të përdorura në studimet diagnostike, rrezatimi karakteristik rrit rrezatimin total deri në 25%. Në pajisjet e molibdenit, ai mund të përbëjë një pjesë të madhe të gjenerimit të përgjithshëm.
Efikasiteti
Vetëm një pjesë e vogël e energjisë së dhënë nga elektronet shndërrohet në rrezatim. Pjesa kryesore absorbohet dhe shndërrohet në nxehtësi. Efikasiteti i rrezatimit përcaktohet si përqindja e energjisë totale të rrezatuar nga energjia totale elektrike e dhënë në anodë. Faktorët që përcaktojnë efikasitetin e një tubi me rreze X janë tensioni i aplikuar KV dhe numri atomik Z. Një marrëdhënie shembullore është si më poshtë:
Efiçenca=KV x Z x 10-6.
Marrëdhënia midis efikasitetit dhe KV ka një ndikim specifik në përdorimin praktik të pajisjeve me rreze X. Për shkak të lëshimit të nxehtësisë, tubat kanë një kufi të caktuar në sasinë e energjisë elektrikeenergjinë që mund të shpërndajnë. Kjo imponon një kufizim në fuqinë e pajisjes. Megjithatë, me rritjen e KV, sasia e rrezatimit të prodhuar për njësi të nxehtësisë rritet ndjeshëm.
Varësia e efikasitetit të gjenerimit të rrezeve X nga përbërja e anodës është vetëm me interes akademik, pasi shumica e pajisjeve përdorin tungsten. Përjashtim bëjnë molibden dhe rodium që përdoren në mamografi. Efikasiteti i këtyre pajisjeve është shumë më i ulët se tungsteni për shkak të numrit të tyre atomik më të ulët.
Efikasiteti
Efiçenca e një tubi me rreze X përkufizohet si sasia e ekspozimit, në miliroentgens, e shpërndarë në një pikë në qendër të rrezes së dobishme në një distancë prej 1 m nga pika qendrore për çdo 1 mAs elektronet që kalojnë nëpër pajisje. Vlera e tij shpreh aftësinë e pajisjes për të kthyer energjinë e grimcave të ngarkuara në rreze x. Ju lejon të përcaktoni ekspozimin e pacientit dhe imazhin. Ashtu si efikasiteti, efikasiteti i pajisjes varet nga një sërë faktorësh, duke përfshirë KV, formën e valës së tensionit, dëmtimin e materialit të anodës dhe sipërfaqes, filtrin dhe kohën e përdorimit.
kontroll KV
KV kontrollon në mënyrë efektive daljen e tubit me rreze X. Në përgjithësi supozohet se prodhimi është proporcional me katrorin e KV. Dyfishimi i KV rrit ekspozimin me 4 herë.
Forma vale
Forma e valës përshkruan mënyrën se si KV ndryshon me kalimin e kohës gjatë gjenerimitrrezatimi për shkak të natyrës ciklike të furnizimit me energji elektrike. Përdoren disa forma të ndryshme valore. Parimi i përgjithshëm është se sa më pak të ndryshojë forma KV, aq më efikase prodhohen rrezet X. Pajisjet moderne përdorin gjeneratorë me një KV relativisht konstante.
Tuba me rreze X: prodhuesit
Oxford Instruments prodhon një sërë pajisjesh, duke përfshirë pajisje qelqi deri në 250 W, potencial 4-80 kV, pikë fokale deri në 10 mikron dhe një gamë të gjerë materialesh anode, duke përfshirë Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian ofron mbi 400 lloje të ndryshme të tubave me rreze x mjekësore dhe industriale. Prodhues të tjerë të njohur janë Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, etj.
Tubbat me rreze X "Svetlana-Rentgen" prodhohen në Rusi. Përveç pajisjeve tradicionale me një anodë rrotulluese dhe të palëvizshme, kompania prodhon pajisje me një katodë të ftohtë të kontrolluar nga fluksi i dritës. Përparësitë e pajisjes janë si më poshtë:
- punoni në modalitete të vazhdueshme dhe me puls;
- inercia;
- Rregullimi i intensitetit të rrymës LED;
- pastërti e spektrit;
- mundësia e marrjes së rrezeve x me intensitet të ndryshëm.
