Рентгеновская трубка — x-ray tube

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.

Просмотры:
56

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.

1.1Основные теоретические положения

Как уже упоминалось в предыдущих
лабораторных работах, электроны из
электронного пучка поникают в мишень
на некоторую глубину, зависящую от
рабочего напряжения, подаваемого на
трубку.

Если используется трубка с массивным
анодом, то, как показано на рисунке
1.1., возникающее рентгеновское излучение
ослабляется материалом мишени. При
конструировании рентгеновской трубки,
чтобы определить оптимальный угол среза
анода и расположение выпускных окон,
необходимо рассчитать диаграмму
направленности излучения.

Хе

Анод

Электронный пучок

Y

F

n

I(E)

Х

Рис.1.1. Формирование
диаграммы направленности потока РИ

На представленном выше рисунке n – это
нормаль к поверхности анода, Y- угол между электронным пучком и нормалью
(можно видеть, что он равен углу среза
анода),F- угол между нормалью к поверхности
анода и направлением, в котором
определяется интенсивность рентгеновского
излучения.

Зная формулу идеализированной спектральной
интенсивности

,
[Вт/(эВ×м2)]
(1.1)

где
К
= 2.2×10-9,
I
– ток электронного пучка , Z
– атомный номер материала мишени, Е_мах
= e×U
— максимальная энергия фотонов в спектре
(е
– заряд электрона, U
– напряжение трубки), E
= h×n
— энергия фотонов с частотой n,
и учитывая ослабление рентгеновского
излучения в мишени можно получить
формулу зависимости интенсивности от
энергии квантов и угла выхода излучения:

,
(1.2)

где
Хе(Е) –
спектральная зависимость глубины
проникновения электронов в мишень.

Чтобы получить из зависимости спектральной
интенсивности от угла выхода излучения
зависимость суммарной интенсивности
от угла, необходимо проинтегрировать
формулу 3.2. по энергии:

(1.3)

Построив по данной
формуле график в полярных координатах
можно получить диаграмму направленности.

Как известно, практически вся потребляемая
трубкой электрическая мощность
преобразуется в тепло, выделяемое на
аноде рентгеновской трубки. Поэтому
при конструировании рентгеновских
трубок необходимо рассчитывать их
тепловые режимы. С точки зрения нагрева
наиболее критическими являются центр
фокусного пятна и центр спая мишени с
массивным анодом.

Если мы имеем цилиндрический анод
радиуса R,и высотойhс массивной
мишенью толщинойd, то данную задачу
удобнее решать в цилиндрических
координатах (см. рис. 1.1.). Допустим, что
мишень бомбардируется осесимметричным
электронным пучком с радиусомr.
Распределение плотности тока в пучке
и, следовательно, распределение теплового
потока в фокусном пятне на поверхности
мишени будем считать равномерным. Как
показывает опыт, основание анода является
практически изотермическим и будем
считать, что с помощью системы охлаждения
температура основанияТс1поддерживается
постоянной. Поскольку боковая поверхность
массивного анода обычно находится в
вакууме, то теплоотводом через нее можно
пренебречь.

R

r

d

h0

h

Рис.1.2. Схема
цилиндрического медного анода с
вольфрамовой мишенью

Для того, чтобы определить тепловой
режим работы данного анода необходимо
решить дифференциальное уравнение в с
граничными условиями первого и второго
рода. Формулы, полученные для расчета
температур в результате решения этого
уравнения, будут иметь весьма громоздкий
вид. Однако для определения мощности,
которую можно подвести к аноду, достаточно
знать температуру лишь в двух характерных
точках – в центре фокусного пятна и в
центре спая мишени с массивным анодом.
Эти температуры можно рассчитать по
следующим формулам:

(1.4)

для
центра фокусного пятна и

(1.5)

для
центра спая мишени с анодом. Здесь P —подводимая к аноду мощность,R–радиус анода,fфиfм– функции,
полученные в результате суммирования
рядов и зависящие от геометрии анода,
радиуса фокусного пятна и коэффициентов
теплопроводности мишени и тела анода.Тс– температура в сеченииh0 = 2R,
определяется по формуле

(1.6)

где Тс1– температура основания
анода,l1иl2– теплопроводности анода и меди
соответственно,h– высота анода.

Таким образом, определив температуру
Тс по этой формуле дальнейший расчет
следует вести по формулам 1.4. и 1.5., с
применением графиков функцийfфиfм, приведенных в файле lab_4.mcd.

Далее, используя формулы 1.4 – 1.6. можно
определить предельную мощность трубки
в режиме длительного непрерывного
включения (см. раздел «Порядок выполнения
работы»).

26.1. Устройство рентгеновской трубки. Тормозное рентгеновское излучение

Н

Рис. 26.1

аиболее распространенным источником
рентгеновского излучения
является рентгеновская трубка, которая
представляет собой двухэлектродный
вакуумный прибор (рис. 26.1). Подогревный
катод 1 испускает
электроны 4. Анод
2, называемый
часто антикатодом, имеет
наклонную поверхность, для того чтобы
направить возникающее
рентгеновское излучение 3 под углом к
оси трубки. Анод изготовлен
из хорошо проводящего тепло материала
для отвода теплоты,
образующейся при ударе электронов.
Поверхность анода выполнена из тугоплавких
материалов, имеющих большой порядковый
номер в таблице Менделеева, например
из вольфрама. В отдельных
случаях анод специально охлаждают водой
или маслом.

Д

Рис. 26.2

ля диагностических трубок важна
точечность источника
рентгеновских лучей, чего можно
достигнуть, фокусируя электроны в одном
месте анода (антикатода).
Поэтому конструктивно
приходится учитывать две противоположные
задачи: с одной стороны,
электроны должны попадать на одно место
антикатода, с другой стороны, чтобы не
допустить перегрева, желательно
распределение электронов по разным
участкам анода. В качестве одного из
интересных технических
решений является рентгеновская трубка
с вращающимся анодом
(рис. 26.2).

В
результате торможения электрона (или
иной заряженной частицы) электростатическим
полем атомного ядра и атомных электронов
веществ антикатода возникает тормозное
рентгеновское
излучение.

Механизм его можно пояснить
следующим образом. С движущимся
электрическим зарядом связано магнитное
поле, индук­ция
которого зависит от скорости электрона.
При торможении уменьшается магнитная
индукция и в соответствии с теорией
Максвелла
появляется электромагнитная волна.

П

Рис. 26.3

ри торможении электронов лишь часть
энергии идет на создание
фотона рентгеновского излучения, другая
часть расходуется на
нагревание анода. Так как соотношение
между этими частями случайно,
то при торможении большого количества
электронов возникает рентгеновское
излучение с непрерывным (сплошным)
спектром. На рис. 26.3 представлены
зависимости потока рентге­новского
излучения от длины волны А. (спектры)
при разных на­пряжениях
на рентгеновской
трубке: U_l< U₂
< U₃.

В каждом
из спектров наиболее коротковолновое
тормозное из­лучение,
соответствующее длине волны _min,
возникает тогда, когда
энергия, приобретенная электроном в
ускоряющем поле, полностью
переходит в энергию фотона:

eU
= h_max
= hc/_min, (26.1)

откуда

_min
= hc/(eU)
(26.2)

Эту
формулу можно преобразовать в более
удобное для практи­ческих
целей выражение:

_min
=
12,3/U, (26.3)

где
_min
— минимальная длина волны, 10-10
м; U
—
напряжение, кВ.
Формула (26.3) соответствует рис. 26.3

Коротковолновое
рентгеновское излучение обычно обладает
большей проникающей способностью, чем
длинноволновое, и на­зывается
жестким,
а
длинноволновое — мягким.

Увеличивая
напряжение на рентгеновской трубке,
изменяют спектральный
состав излучения, увеличивая долю
жесткой ком­поненты, как это видно из
рис. 26.3 и формулы (26.3).

Рис. 26.4 Рис. 26.5

Если
увеличить температуру накала катода,
то возрастут эмиссия электронов и сила
тока в трубке. Это приведет к увеличению
числа
фотонов рентгеновского излучения,
испускаемых каждую секунду.
Спектральный состав его не изменится.
На рис. 26.4 показаны спектры тормозного
рентгеновского излучения при одном
напряжении,
но при разной силе тока накала катода:
I_н1
< I_н2.

Поток рентгеновского излучения
вычисляется по формуле

_(26.4)

где Uи
I
—
напряжение между электродами и сила
тока в рентге­новской
трубке, Z
—
порядковый номер атома вещества
антикатода,
k
= 10-9
В-1
— коэффициент пропорциональности.
Спектры, полученные
от разных антикатодов при одинаковых
U
и
I
_н,
изображены
на рис. 26.5.

Рентгеновский аппарат

Рентгеновская трубка устройство

Рентгеновская
трубка — электровакуумный прибор с
источником излучения электронов (катод)
и мишенью, в которой они тормозятся
(анод). Высоковольтное напряжение для
разогревакатода подается через минусовой
высоковольтный кабель с накального
трансформатора, который находится
вгенераторном устройстве. Накаленная
спираль катода, при прикладывание к
рентгеновской трубке высокого
напряжения,начинает выбрасывать
ускоряющийся потокэлектронов, а затем
они резко тормозятся на вольфрамовой
пластинке анода, что и приводит к
появлениюрентгеновских лучей.

Принцип
работы рентгеновской
трубки

Рисунок
1 — Схема рентгеновской трубки для
структурного анализа: 1 — металлический
анодный стакан (обычно заземляется); 2
– окна из бериллия для выхода рентгеновского
излучения; 3 – термоэмиссионный катод;
4 – стеклянная колба, изолирующая анодную
часть трубки от катодной; 5 – выводы
катода, к которым подводится напряжение
накала, а также высокое (относительно
анода) напряжение; 6 – электростатическая
система фокусировки электронов; 7 –
ввод (антикатод); 8 – патрубки для ввода
и вывода проточной воды, охлаждающей
вводный стакан.

Площадь
анода, на которую попадают электроны,
называют фокусом. В современных
рентгеновских трубках обычно имеется
два фокуса: большой и малый. В аноде
свыше 95% энергии электронов превращается
в тепловую энергию, нагревающую анод
до 2000° и более. По этой причине с
увеличением длительности экспозиции
допустимая мощность снижается.

Рентгенодиагностическую
трубку размещают в просвинцованном
кожухе, который заполнентрансформаторным
маслом. В кожухе имеются отверстиядля
подсоеденения высоковольтных кабелей
и выходное окно, через которое выводится
пучок излучения. Для минимизации дозы
рентгеновского излучения в современных
рентгеновских аппаратах, например ФМЦ
на выходном окне крепится устройство
колимации. Для того, чтоб исключить
появление на аноде рентгеновской трубки
повреждений, последний должен вращаться,
для этого внизу кожуха рентгеновской
трубки размещается устройство вращения
анода.

Излучение рентгеновской трубки[править | править код]

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение) либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов (характеристическое излучение). Оба эффекта используются в рентгеновских трубках.

Тормозное излучениеправить | править код

Основная статья: Тормозное излучение

Спектр тормозного излучения является непрерывным. Слева он ограничен минимальной длиной волны λ{\displaystyle \lambda _{0}}, затем он круто возрастает, достигая максимума при длине волны λm≈1,5λ{\displaystyle \lambda _{m}\approx {1,5}\lambda _{0}}, после чего полого спадает, асимптотически приближаясь к нулю.

λ=hceU{\displaystyle \lambda _{0}={\frac {hc}{eU}}},

где U{\displaystyle U} — анодное напряжение рентгеновской трубки, e{\displaystyle e} — заряд электрона, h{\displaystyle h} — постоянная Планка,c{\displaystyle c} — скорость света. Таким образом, при увеличении анодного напряжения возрастает жёсткость излучения: λ{\displaystyle \lambda _{0}} и λm{\displaystyle \lambda _{m}} смещаются в сторону более коротких волн, и λm{\displaystyle \lambda _{m}} приближается к λ{\displaystyle \lambda _{0}}. Интенсивность излучения (площадь под кривой спектра) возрастает пропорционально квадрату напряжения.

При увеличении тока через рентгеновскую трубку интенсивность излучения возрастает прямо пропорционально току, характер спектра при этом не меняется.

Материал анода не влияет на длину волн спектра тормозного излучения (на жёсткость излучения), но оказывает влияние на общую интенсивность излучения, которая растёт прямо пропорционально порядковому номеру химического элемента, из которого сделано зеркало анода.

Характеристическое излучениеправить | править код

Помимо торможения (рассеяния) электронов в электрическом поле атомных ядер, одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли: ν=A(Z−B),{\displaystyle {\sqrt {\nu }}=A(Z-B),} где Z — атомный номер элемента анода, A и B — константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки).

Энергия спектра характеристического излучения значительно меньше энергии спектра тормозного излучения. Спектр характеристического излучения более мягкий и в значительной степени задерживается стеклом рентгеновской трубки. Поэтому практически можно считать, что действие рентгеновских лучей в рентгенографии обуславливается лишь спектром торможения. Специфические свойства характеристического спектра используются при некоторых методах рентгеноструктурного анализа и в рентгеноспектральном анализе.