Hoe werken röntgenbuizen?

2024 Auteur: Curtis Blomfield | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-15 09:44

Röntgenstraling wordt gecreëerd door elektronenenergie om te zetten in fotonen, wat plaatsvindt in een röntgenbuis. De hoeveelheid (blootstelling) en kwaliteit (spectrum) van straling kan worden aangepast door de stroom, spanning en bedrijfstijd van het apparaat te wijzigen.

Werkingsprincipe

Röntgenbuizen (de foto staat in het artikel) zijn energieomzetters. Ze halen het uit het netwerk en veranderen het in andere vormen: doordringende straling en warmte, wat een ongewenst bijproduct is. Het ontwerp van de röntgenbuis is zodanig dat deze de fotonenproductie maximaliseert en de warmte zo snel mogelijk afvoert.

Een buis is een relatief eenvoudig apparaat, dat meestal twee fundamentele elementen bevat: een kathode en een anode. Wanneer stroom van de kathode naar de anode vloeit, verliezen de elektronen energie, wat resulteert in het genereren van röntgenstralen.

Anode

De anode is het onderdeel dat uitzendthoge energie fotonen. Dit is een relatief massief metalen element dat is verbonden met de positieve pool van het elektrische circuit. Voert twee hoofdfuncties uit:

zet elektronenenergie om in röntgenstralen,
verdrijft warmte.

Het anodemateriaal is gekozen om deze functies te verbeteren.

Idealiter zouden de meeste elektronen energierijke fotonen moeten vormen, geen warmte. De fractie van hun totale energie die wordt omgezet in röntgenstralen (efficiëntie) hangt af van twee factoren:

atoomnummer (Z) van het anodemateriaal,
energie van elektronen.

De meeste röntgenbuizen gebruiken wolfraam als anodemateriaal, dat een atoomnummer van 74 heeft. Naast een grote Z heeft dit metaal nog enkele andere eigenschappen die het geschikt maken voor dit doel. Wolfraam is uniek in zijn vermogen om sterkte te behouden bij verhitting, heeft een hoog smeltpunt en een lage verdampingssnelheid.

Jarenlang was de anode gemaakt van puur wolfraam. In de afgelopen jaren is een legering van dit metaal met rhenium begonnen te worden gebruikt, maar alleen aan de oppervlakte. De anode zelf onder de wolfraam-rhenium coating is gemaakt van een lichtgewicht materiaal dat warmte goed opslaat. Twee van dergelijke stoffen zijn molybdeen en grafiet.

Röntgenbuizen die voor mammografie worden gebruikt, zijn gemaakt met een met molybdeen beklede anode. Dit materiaal heeft een tussenliggend atoomnummer (Z=42) dat karakteristieke fotonen genereert met energieën die gemakkelijk tevoor het maken van foto's van de borst. Sommige mammografieapparaten hebben ook een tweede anode van rhodium (Z=45). Hierdoor kun je meer energie krijgen en een grotere penetratie bereiken voor strakke borsten.

Het gebruik van een rhenium-wolfraamlegering verbetert de stralingsoutput op lange termijn - na verloop van tijd neemt de efficiëntie van zuivere wolfraamanode-apparaten af als gevolg van thermische schade aan het oppervlak.

De meeste anodes hebben de vorm van afgeschuinde schijven en zijn bevestigd aan een as van een elektrische motor die ze met relatief hoge snelheden ronddraait terwijl ze röntgenstralen uitzenden. Het doel van rotatie is om warmte te verwijderen.

Brandpunt

Niet de hele anode is betrokken bij het genereren van röntgenstralen. Het komt voor op een klein deel van het oppervlak - een brandpunt. De afmetingen van deze laatste worden bepaald door de afmetingen van de elektronenbundel afkomstig van de kathode. Bij de meeste apparaten heeft het een rechthoekige vorm en varieert het tussen 0,1-2 mm.

Röntgenbuizen zijn ontworpen met een specifieke brandpuntgrootte. Hoe kleiner het is, hoe minder wazig en scherper het beeld, en hoe groter het is, hoe beter de warmteafvoer.

De grootte van het brandpunt is een van de factoren waarmee u rekening moet houden bij het kiezen van röntgenbuizen. Fabrikanten produceren apparaten met kleine brandpunten wanneer het nodig is om een hoge resolutie en voldoende lage straling te bereiken. Dit is bijvoorbeeld nodig bij het onderzoeken van kleine en dunne lichaamsdelen, zoals bij mammografie.

Röntgenbuizen worden hoofdzakelijk geproduceerd met twee brandpuntgroottes, groot en klein, die door de operator kunnen worden geselecteerd volgens de beeldvormingsprocedure.

Kathode

De belangrijkste functie van de kathode is om elektronen te genereren en deze te verzamelen in een straal die op de anode is gericht. In de regel bestaat het uit een kleine draadspiraal (draad) die is ondergedompeld in een komvormige verdieping.

Elektronen die door het circuit gaan, kunnen de geleider meestal niet verlaten en de vrije ruimte ingaan. Ze kunnen het echter wel als ze genoeg energie krijgen. In een proces dat bekend staat als thermische emissie, wordt warmte gebruikt om elektronen uit de kathode te verdrijven. Dit wordt mogelijk wanneer de druk in de geëvacueerde röntgenbuis 10^-6–10^{-7 mmHg bereikt. Kunst. De gloeidraad warmt op dezelfde manier op als de gloeidraad van een gloeilamp wanneer er stroom door wordt geleid. De werking van de röntgenbuis gaat gepaard met het verwarmen van de kathode tot de gloeitemperatuur met de verplaatsing van een deel van de elektronen daaruit door thermische energie.}

Ballon

De anode en kathode zitten in een hermetisch afgesloten container. De ballon en de inhoud ervan worden vaak een insert genoemd, die een beperkte levensduur heeft en kan worden vervangen. Röntgenbuizen hebben meestal glazen bollen, hoewel metalen en keramische bollen voor sommige toepassingen worden gebruikt.

De belangrijkste functie van de ballon is om de anode en kathode te ondersteunen en te isoleren en om een vacuüm te handhaven. Druk in de geëvacueerde röntgenbuisbij 15°C is 1,2 10-3 Pa. De aanwezigheid van gassen in de ballon zou ervoor zorgen dat elektriciteit vrij door het apparaat kan stromen, en niet alleen in de vorm van een elektronenstraal.

Case

Het ontwerp van de röntgenbuis is zodanig dat het lichaam niet alleen andere componenten omsluit en ondersteunt, maar ook als schild dient en straling absorbeert, behalve de nuttige bundel die door het raam gaat. Het relatief grote buitenoppervlak voert veel van de warmte af die in het apparaat wordt gegenereerd. De ruimte tussen het lichaam en het inzetstuk is gevuld met olie voor isolatie en koeling.

Ketting

Een elektrisch circuit verbindt de buis met een energiebron die een generator wordt genoemd. De bron krijgt stroom van het lichtnet en zet wisselstroom om in gelijkstroom. Met de generator kunt u ook enkele circuitparameters aanpassen:

KV - spanning of elektrisch potentieel;
MA is de stroom die door de buis stroomt;
S – duur of belichtingstijd, in fracties van een seconde.

Het circuit zorgt voor de beweging van elektronen. Ze worden geladen met energie, gaan door de generator en geven het aan de anode. Terwijl ze bewegen, vinden er twee transformaties plaats:

potentiële elektrische energie wordt omgezet in kinetische energie;
kinetiek wordt op zijn beurt omgezet in röntgenstralen en warmte.

Potentieel

Wanneer elektronen de lamp binnenkomen, hebben ze potentiële elektrische energie, waarvan de hoeveelheid wordt bepaald door de spanning KV tussen de anode en de kathode. Röntgenbuis werktonder spanning, om 1 KV te creëren waarvan elk deeltje 1 keV moet hebben. Door KV aan te passen, geeft de operator elk elektron een bepaalde hoeveelheid energie.

Kinetica

Lage druk in de geëvacueerde röntgenbuis (bij 15°C is het 10^-6–10^{-7 mmHg.) laat deeltjes uit de kathode naar de anode vliegen onder invloed van thermionische emissie en elektrische kracht. Deze kracht versnelt ze, wat leidt tot een toename van de snelheid en kinetische energie en een afname van het potentieel. Wanneer een deeltje de anode raakt, gaat zijn potentieel verloren en wordt al zijn energie omgezet in kinetische energie. Een elektron van 100 keV bereikt snelheden van meer dan de helft van de lichtsnelheid. Als de deeltjes het oppervlak raken, vertragen ze zeer snel en verliezen ze hun kinetische energie. Het verandert in röntgenstralen of warmte.}

Elektronen komen in contact met individuele atomen van het anodemateriaal. Straling wordt gegenereerd wanneer ze interageren met orbitalen (röntgenfotonen) en met de kern (bremsstrahlung).

Link Energie

Elk elektron in een atoom heeft een bepaalde bindingsenergie, die afhangt van de grootte van de laatste en het niveau waarop het deeltje zich bevindt. De bindingsenergie speelt een belangrijke rol bij het genereren van karakteristieke röntgenstraling en is nodig om een elektron uit een atoom te verwijderen.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung produceert het grootste aantal fotonen. Elektronen die het anodemateriaal binnendringen en in de buurt van de kern passeren, worden afgebogen en vertraagdde aantrekkingskracht van het atoom. Hun tijdens deze ontmoeting verloren energie verschijnt als een röntgenfoton.

Spectrum

Slechts een paar fotonen hebben een energie die dicht bij die van elektronen ligt. De meeste zijn lager. Laten we aannemen dat er een ruimte of veld is rond de kern waarin de elektronen een "remmende" kracht ervaren. Dit veld kan worden onderverdeeld in zones. Dit geeft het veld van de kern het uiterlijk van een doelwit met een atoom in het midden. Een elektron dat een willekeurig punt van het doel raakt, ondervindt vertraging en genereert een röntgenfoton. Deeltjes die het dichtst bij het centrum raken, worden het meest getroffen en verliezen daarom de meeste energie en produceren de hoogste energiefotonen. Elektronen die de buitenste zones binnenkomen, ervaren zwakkere interacties en genereren quanta met lagere energie. Hoewel de zones dezelfde breedte hebben, hebben ze een verschillend oppervlak afhankelijk van de afstand tot de kern. Aangezien het aantal deeltjes dat op een bepaalde zone v alt afhangt van de totale oppervlakte, is het duidelijk dat de buitenste zones meer elektronen opvangen en meer fotonen creëren. Dit model kan worden gebruikt om het energiespectrum van röntgenstralen te voorspellen.

E_max fotonen van het belangrijkste remstralingsspectrum komen overeen met E_{max elektronen. Beneden dit punt, als de fotonenergie afneemt, neemt hun aantal toe.}

Een aanzienlijk aantal fotonen met lage energie wordt geabsorbeerd of gefilterd terwijl ze proberen door het anode-oppervlak, het buisvenster of het filter te gaan. Filtratie is over het algemeen afhankelijk van de samenstelling en dikte van het materiaal waardoorde bundel gaat erdoorheen, wat de uiteindelijke vorm van de lage-energiecurve van het spectrum bepa alt.

KV Invloed

Het hoogenergetische deel van het spectrum wordt bepaald door de spanning in röntgenbuizen kV (kilovolt). Dit komt omdat het de energie bepa alt van de elektronen die de anode bereiken, en fotonen kunnen geen hogere potentiaal hebben. Met welke spanning werkt de röntgenbuis? De maximale fotonenergie komt overeen met de maximaal aangelegde potentiaal. Deze spanning kan tijdens blootstelling veranderen als gevolg van wisselstroom. In dit geval wordt de E_max van een foton bepaald door de piekspanning van de oscillatieperiode KV_p.

Naast de kwantumpotentiaal, bepa alt KV_p de hoeveelheid straling die wordt gecreëerd door een bepaald aantal elektronen dat de anode raakt. Aangezien de algehele efficiëntie van remstraling toeneemt als gevolg van een toename van de energie van de bombarderende elektronen, die wordt bepaald door KV_p, volgt hieruit dat KV_{pbeïnvloedt de efficiëntie van het apparaat.}

KV_{p veranderen verandert meestal het spectrum. De totale oppervlakte onder de energiecurve is het aantal fotonen. Zonder filter is het spectrum een driehoek en is de hoeveelheid straling evenredig met het kwadraat van KV. In aanwezigheid van een filter verhoogt een toename van KV ook de penetratie van fotonen, waardoor het percentage gefilterde straling afneemt. Dit leidt tot een toename van de stralingsoutput.}

Karakteristieke straling

Het type interactie dat het kenmerk produceertstraling, omvat de botsing van hogesnelheidselektronen met orbitale elektronen. Interactie kan alleen plaatsvinden als het binnenkomende deeltje een E_k groter heeft dan de bindingsenergie in het atoom. Wanneer aan deze voorwaarde is voldaan en er een botsing optreedt, wordt het elektron uitgeworpen. In dit geval blijft er een vacature over, die wordt opgevuld door een deeltje met een hoger energieniveau. Terwijl het elektron beweegt, geeft het energie af, die wordt uitgezonden in de vorm van een röntgenquantum. Dit wordt karakteristieke straling genoemd, omdat de E van een foton een eigenschap is van het chemische element waaruit de anode is gemaakt. Wanneer bijvoorbeeld een elektron van het K-niveau van wolfraam met E_bond=69,5 keV wordt uitgeschakeld, wordt de vacature opgevuld door een elektron van het L-niveau met E _{binding=10, 2 keV. Het karakteristieke röntgenfoton heeft een energie gelijk aan het verschil tussen deze twee niveaus, oftewel 59,3 keV.}

In feite resulteert dit anodemateriaal in een aantal karakteristieke röntgenenergieën. Dit komt omdat elektronen op verschillende energieniveaus (K, L, enz.) kunnen worden uitgeschakeld door deeltjes te bombarderen, en vacatures kunnen worden opgevuld vanuit verschillende energieniveaus. Hoewel het vullen van vacatures op L-niveau fotonen genereert, zijn hun energieën te laag om te worden gebruikt in diagnostische beeldvorming. Elke karakteristieke energie krijgt een aanduiding die de orbitaal aangeeft waarin de vacature is gevormd, met een index die de bron van elektronenvulling aangeeft. Index alfa (α) geeft de bezetting van een elektron vanaf het L-niveau aan, en bèta (β) geeft aanvullen vanaf niveau M of N.

Spectrum van wolfraam. De karakteristieke straling van dit metaal produceert een lineair spectrum dat bestaat uit verschillende discrete energieën, terwijl de remstraling een continue verdeling creëert. Het aantal fotonen dat door elke karakteristieke energie wordt geproduceerd, verschilt in die zin dat de kans om een vacature op K-niveau te vullen afhangt van de orbitaal.

Spectrum van molybdeen. Anodes van dit metaal dat voor mammografie wordt gebruikt, produceren twee tamelijk intense karakteristieke röntgenstralingsenergieën: K-alfa bij 17,9 keV en K-bèta bij 19,5 keV. Het optimale spectrum van röntgenbuizen, waarmee de beste balans tussen contrast en stralingsdosis voor middelgrote borsten kan worden bereikt, wordt bereikt bij E_{ph=20 keV. Bremsstrahlung wordt echter geproduceerd bij hoge energieën. Mammografieapparatuur gebruikt een molybdeenfilter om het ongewenste deel van het spectrum te verwijderen. Het filter werkt volgens het "K-edge" principe. Het absorbeert straling boven de bindingsenergie van elektronen op het K-niveau van het molybdeenatoom.}
Spectrum van rhodium. Rhodium heeft atoomnummer 45, terwijl molybdeen atoomnummer 42 heeft. Daarom zal de karakteristieke röntgenstraling van een rhodiumanode een iets hogere energie hebben dan die van molybdeen en doordringender. Dit wordt gebruikt voor het afbeelden van dichte borsten.

Molybdeen-rhodiumanodes met dubbel oppervlak stellen de operator in staat een distributie te selecteren die is geoptimaliseerd voor verschillende borstomvang en -dichtheid.

Op welke spanning werkt de röntgenfoto?een buis

Effect van KV op het spectrum

De waarde van KV heeft een grote invloed op de karakteristieke straling, aangezien deze niet wordt geproduceerd als KV kleiner is dan de energie van de elektronen op K-niveau. Wanneer KV deze drempel overschrijdt, is de hoeveelheid straling over het algemeen evenredig met het verschil tussen buis KV en drempel KV.

Het energiespectrum van röntgenfotonen die uit het instrument komen, wordt bepaald door verschillende factoren. In de regel bestaat het uit remstraling en karakteristieke interactiequanta.

De relatieve samenstelling van het spectrum hangt af van het anodemateriaal, KV en filter. In een buis met een wolfraamanode wordt geen karakteristieke straling geproduceerd bij KV< 69,5 keV. Bij hogere CV-waarden die worden gebruikt in diagnostische onderzoeken, verhoogt karakteristieke straling de totale straling met maximaal 25%. In molybdeenapparaten kan het een groot deel van de totale generatie uitmaken.

Efficiëntie

Slechts een klein deel van de energie die door elektronen wordt geleverd, wordt omgezet in straling. Het grootste deel wordt geabsorbeerd en omgezet in warmte. Stralingsefficiëntie wordt gedefinieerd als het aandeel van de totale uitgestraalde energie van de totale elektrische energie die aan de anode wordt gegeven. De factoren die het rendement van een röntgenbuis bepalen zijn de aangelegde spanning KV en het atoomnummer Z. Een voorbeeldrelatie is als volgt:

Efficiëntie=KV x Z x 10-6.

De relatie tussen efficiëntie en KV heeft een specifieke impact op het praktische gebruik van röntgenapparatuur. Door het vrijkomen van warmte hebben de buizen een bepaalde limiet op de hoeveelheid elektrischede energie die ze kunnen verdrijven. Dit legt een beperking op aan het vermogen van het apparaat. Naarmate KV toeneemt, neemt de hoeveelheid geproduceerde straling per eenheid warmte echter aanzienlijk toe.

De afhankelijkheid van de efficiëntie van röntgenopwekking van de samenstelling van de anode is alleen van academisch belang, aangezien de meeste apparaten wolfraam gebruiken. Een uitzondering vormen molybdeen en rhodium die worden gebruikt bij mammografie. De efficiëntie van deze apparaten is veel lager dan die van wolfraam vanwege hun lagere atoomnummer.

Efficiëntie

De efficiëntie van een röntgenbuis wordt gedefinieerd als de hoeveelheid belichting, in milliroentgens, afgeleverd op een punt in het midden van de bruikbare bundel op een afstand van 1 m van het brandpunt voor elke 1 mA van elektronen die door het apparaat gaan. Zijn waarde drukt het vermogen uit van het apparaat om de energie van geladen deeltjes om te zetten in röntgenstralen. Hiermee kunt u de belichting van de patiënt en het beeld bepalen. Net als efficiëntie hangt de efficiëntie van het apparaat af van een aantal factoren, waaronder KV, spanningsgolfvorm, anodemateriaal en oppervlaktebeschadiging, filter en gebruikstijd.

KV-besturing

KV regelt effectief de output van de röntgenbuis. Algemeen wordt aangenomen dat de output evenredig is met het kwadraat van KV. Verdubbeling van KV verhoogt blootstelling met 4x.

Golfvorm

Golfvorm beschrijft de manier waarop KV verandert in de loop van de tijd tijdens generatiestraling vanwege het cyclische karakter van de voeding. Er worden verschillende golfvormen gebruikt. Het algemene principe is dat hoe minder de KV-vorm verandert, hoe efficiënter röntgenstralen worden geproduceerd. Moderne apparatuur maakt gebruik van generatoren met een relatief constante KV.

Röntgenbuizen: fabrikanten

Oxford Instruments produceert een verscheidenheid aan apparaten, waaronder glazen apparaten tot 250 W, 4-80 kV potentiaal, brandpunten tot 10 micron en een breed scala aan anodematerialen, waaronder Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian biedt meer dan 400 verschillende soorten medische en industriële röntgenbuizen. Andere bekende fabrikanten zijn Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, etc.

Röntgenbuizen "Svetlana-Rentgen" worden geproduceerd in Rusland. Naast traditionele apparaten met een roterende en stationaire anode, vervaardigt het bedrijf apparaten met een koude kathode die wordt aangestuurd door de lichtstroom. De voordelen van het apparaat zijn als volgt: