Tia X được tạo ra bằng cách chuyển đổi năng lượng electron thành photon, diễn ra trong ống tia X. Có thể điều chỉnh lượng (phơi nhiễm) và chất lượng (phổ) bức xạ bằng cách thay đổi dòng điện, điện áp và thời gian hoạt động của thiết bị.
Nguyên tắc làm việc
Ống tia X (ảnh trong bài) là bộ chuyển đổi năng lượng. Họ lấy nó từ mạng và biến nó thành các dạng khác - bức xạ và nhiệt xuyên thấu, sau này là sản phẩm phụ không mong muốn. Thiết kế của ống tia X sao cho nó tối đa hóa việc tạo ra photon và tản nhiệt nhanh nhất có thể.
Ống là một thiết bị tương đối đơn giản, thường chứa hai phần tử cơ bản - cực âm và cực dương. Khi dòng điện chạy từ cực âm sang cực dương, các electron bị mất năng lượng, dẫn đến việc tạo ra tia X.
Cực dương
Cực dương là thành phần phát ranăng lượng cao photon. Đây là một phần tử kim loại có khối lượng tương đối lớn được nối với cực dương của mạch điện. Thực hiện hai chức năng chính:
- chuyển đổi năng lượng electron thành tia X,
- tản nhiệt.
Vật liệu cực dương được chọn để nâng cao các chức năng này.
Lý tưởng nhất là hầu hết các electron nên tạo thành các photon năng lượng cao, chứ không phải nhiệt. Phần tổng năng lượng của chúng được chuyển đổi thành tia X (hiệu suất) phụ thuộc vào hai yếu tố:
- số nguyên tử (Z) của vật liệu cực dương,
- năng lượng của electron.
Hầu hết các ống tia X sử dụng vonfram làm vật liệu cực dương, có số nguyên tử là 74. Ngoài việc có Z lớn, kim loại này còn có một số đặc điểm khác khiến nó phù hợp với mục đích này. Vonfram đặc biệt ở khả năng giữ được độ bền khi nung nóng, có nhiệt độ nóng chảy cao và tốc độ bay hơi thấp.
Trong nhiều năm, cực dương được làm từ vonfram nguyên chất. Trong những năm gần đây, một hợp kim của kim loại này với khí biến bắt đầu được sử dụng, nhưng chỉ trên bề mặt. Bản thân cực dương dưới lớp phủ vonfram-hecxni được làm bằng vật liệu nhẹ, lưu trữ nhiệt tốt. Hai chất như vậy là molypden và graphite.
Ống tia X dùng để chụp nhũ ảnh được làm bằng cực dương phủ molypden. Vật liệu này có số nguyên tử trung gian (Z=42) tạo ra các photon đặc trưng với năng lượng thuận tiệnđể chụp ảnh ngực. Một số thiết bị chụp nhũ ảnh cũng có cực dương thứ hai làm bằng rhodi (Z=45). Điều này cho phép bạn tăng cường năng lượng và đạt được sự thâm nhập nhiều hơn cho bộ ngực săn chắc.
Việc sử dụng hợp kim vonfram-vonfram giúp cải thiện sản lượng bức xạ dài hạn - theo thời gian, hiệu suất của các thiết bị anốt vonfram nguyên chất giảm do nhiệt làm hỏng bề mặt.
Hầu hết các cực dương có hình dạng giống như đĩa vát và được gắn vào trục động cơ điện để quay chúng với tốc độ tương đối cao đồng thời phát ra tia X. Mục đích của việc quay là để loại bỏ nhiệt.
Tiêu điểm
Không phải toàn bộ cực dương đều tham gia vào quá trình tạo ra tia X. Nó xảy ra trên một khu vực nhỏ trên bề mặt của nó - một điểm tập trung. Kích thước của sau này được xác định bởi kích thước của chùm điện tử đến từ catốt. Trong hầu hết các thiết bị, nó có hình chữ nhật và dao động trong khoảng 0,1-2 mm.
Ống tia X được thiết kế với kích thước tiêu điểm cụ thể. Kích thước càng nhỏ thì hình ảnh càng ít nhòe và sắc nét, kích thước càng lớn thì tản nhiệt càng tốt.
Kích thước tiêu điểm là một trong những yếu tố cần cân nhắc khi lựa chọn ống tia X. Các nhà sản xuất sản xuất các thiết bị có tiêu điểm nhỏ khi cần đạt độ phân giải cao và bức xạ đủ thấp. Ví dụ: điều này là bắt buộc khi kiểm tra các bộ phận nhỏ và mỏng của cơ thể, như trong chụp nhũ ảnh.
Ống tia X chủ yếu được sản xuất với hai kích thước tiêu điểm lớn và nhỏ, người vận hành có thể lựa chọn theo quy trình chụp ảnh.
Cathode
Chức năng chính của cực âm là tạo ra các electron và thu chúng thành chùm hướng vào cực dương. Theo quy luật, nó bao gồm một xoắn ốc dây nhỏ (chỉ) chìm trong một chỗ lõm hình cốc.
Các êlectron đi qua mạch điện thường không thể rời vật dẫn và đi vào không gian tự do. Tuy nhiên, họ sẽ làm được nếu nạp đủ năng lượng. Trong một quá trình được gọi là phát xạ nhiệt, nhiệt được sử dụng để đẩy các điện tử ra khỏi catốt. Điều này có thể thực hiện được khi áp suất trong ống tia X sơ tán đạt 10-6–10-7mmHg. Mỹ thuật. Dây tóc nóng lên giống như dây tóc của bóng đèn nóng sáng khi có dòng điện chạy qua. Hoạt động của ống tia X đi kèm với việc nung nóng catốt đến nhiệt độ phát sáng với sự dịch chuyển của một phần các electron khỏi nó bằng năng lượng nhiệt.
Balloon
Cực dương và cực âm được đựng trong hộp kín. Quả bóng bay và các chất bên trong nó thường được gọi là bộ phận chèn, có tuổi thọ hạn chế và có thể thay thế được. Ống tia X chủ yếu có bóng đèn thủy tinh, mặc dù bóng đèn bằng kim loại và gốm được sử dụng cho một số ứng dụng.
Chức năng chính của khí cầu là hỗ trợ và cách nhiệt cho cực dương và cực âm, đồng thời duy trì chân không. Áp suất trong ống tia X sơ tánở 15 ° C là 1,2 10-3Pa. Sự hiện diện của khí trong khí cầu sẽ cho phép dòng điện chạy tự do qua thiết bị chứ không chỉ ở dạng chùm điện tử.
Hợp
Thiết kế của ống tia X ngoài việc bao bọc và nâng đỡ các thành phần khác, phần thân của nó còn đóng vai trò như một lá chắn và hấp thụ bức xạ, ngoại trừ chùm tia hữu ích đi qua cửa sổ. Bề mặt bên ngoài tương đối lớn của nó sẽ tiêu tán phần lớn nhiệt lượng tạo ra bên trong thiết bị. Khoảng trống giữa thân và miếng đệm được đổ đầy dầu để cách nhiệt và làm mát.
Chuỗi
Một mạch điện nối ống với nguồn năng lượng gọi là máy phát điện. Nguồn nhận điện từ nguồn lưới và biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Bộ tạo cũng cho phép bạn điều chỉnh một số thông số mạch:
- KV - điện áp hoặc tiềm năng điện;
- MA là dòng điện chạy qua ống;
- S - thời lượng hoặc thời gian phơi sáng, tính bằng phần nhỏ của giây.
Mạch cung cấp chuyển động của các electron. Chúng được nạp năng lượng, đi qua máy phát điện và truyền đến cực dương. Khi chúng di chuyển, hai biến đổi xảy ra:
- thế năng được chuyển thành động năng;
- động học, đến lượt nó, được chuyển đổi thành tia X và nhiệt.
Tiềm
Khi các electron đi vào bóng đèn, chúng có thế năng điện, lượng này được xác định bởi hiệu điện thế KV giữa anốt và catốt. Ống tia X hoạt độngdưới hiệu điện thế, để tạo ra 1 KV trong đó mỗi hạt phải có 1 keV. Bằng cách điều chỉnh KV, người vận hành cung cấp cho mỗi electron một lượng năng lượng nhất định.
Kinetics
Áp suất thấp trong ống tia X sơ tán (ở 15 ° C, nó là 10-6–10-7mmHg.) cho phép các hạt bay ra từ cực âm đến cực dương dưới tác dụng của sự phát xạ nhiệt và lực điện. Lực này làm gia tốc chúng, dẫn đến tăng tốc độ và động năng và giảm thế năng. Khi một hạt chạm vào cực dương, thế năng của nó bị mất đi và toàn bộ năng lượng của nó được chuyển thành động năng. Một êlectron 100 keV đạt tốc độ lớn hơn một nửa tốc độ ánh sáng. Khi va chạm vào bề mặt, các hạt chậm lại rất nhanh và mất động năng. Nó biến thành tia X hoặc nhiệt.
Các electron tiếp xúc với từng nguyên tử của vật liệu anốt. Bức xạ được tạo ra khi chúng tương tác với các obitan (photon tia X) và với hạt nhân (bremsstrahlung).
Năng lượng liên kết
Mỗi electron bên trong nguyên tử có một năng lượng liên kết nhất định, năng lượng này phụ thuộc vào kích thước của electron và mức độ mà hạt đó nằm. Năng lượng liên kết đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra các tia X đặc trưng và cần thiết để loại bỏ một điện tử khỏi nguyên tử.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung tạo ra số lượng photon lớn nhất. Các êlectron xuyên qua vật liệu làm anôt và đi qua gần hạt nhân bị lệch hướng và chuyển động chậm lạilực hút của nguyên tử. Năng lượng của họ bị mất trong cuộc gặp gỡ này xuất hiện dưới dạng một photon tia X.
Phổ
Chỉ một số photon có năng lượng gần bằng năng lượng của electron. Hầu hết chúng đều thấp hơn. Chúng ta hãy giả sử rằng có một không gian hoặc trường bao quanh hạt nhân trong đó các electron chịu một lực "hãm". Trường này có thể được chia thành các vùng. Điều này làm cho trường hạt nhân xuất hiện một mục tiêu với một nguyên tử ở trung tâm. Một điện tử va vào bất kỳ điểm nào của mục tiêu sẽ bị giảm tốc và tạo ra một photon tia X. Các hạt va chạm gần tâm nhất bị ảnh hưởng nhiều nhất và do đó mất nhiều năng lượng nhất, tạo ra các photon năng lượng cao nhất. Các electron đi vào các vùng bên ngoài trải qua các tương tác yếu hơn và tạo ra lượng tử năng lượng thấp hơn. Mặc dù các khu có cùng chiều rộng nhưng chúng có diện tích khác nhau tùy thuộc vào khoảng cách đến lõi. Vì số lượng các hạt rơi trên một vùng nhất định phụ thuộc vào tổng diện tích của nó, hiển nhiên là các vùng bên ngoài thu được nhiều điện tử hơn và tạo ra nhiều photon hơn. Mô hình này có thể được sử dụng để dự đoán phổ năng lượng của tia X.
Các photonEmaxcủa quang phổ bremsstrahlung chính tương ứng với các electron Emax. Dưới điểm này, khi năng lượng photon giảm, số lượng của chúng tăng lên.
Một số lượng đáng kể các photon năng lượng thấp bị hấp thụ hoặc lọc khi chúng cố gắng đi qua bề mặt anốt, cửa sổ ống hoặc bộ lọc. Quá trình lọc thường phụ thuộc vào thành phần và độ dày của vật liệu mà qua đóchùm tia đi qua, xác định dạng cuối cùng của đường cong năng lượng thấp của quang phổ.
Ảnh hưởngKV
Phần năng lượng cao của quang phổ được xác định bởi hiệu điện thế trong ống tia X kV (kilovolt). Điều này là do nó quyết định năng lượng của các điện tử đến cực dương, và các photon không thể có điện thế cao hơn mức này. Ống tia X hoạt động với hiệu điện thế nào? Năng lượng photon cực đại tương ứng với thế năng cực đại. Điện áp này có thể thay đổi trong quá trình tiếp xúc do dòng điện chính AC. Trong trường hợp này, Emaxcủa một photon được xác định bởi điện áp đỉnh của chu kỳ dao động KVp.
Bên cạnh thế lượng tử, KVpxác định lượng bức xạ được tạo ra bởi một số electron nhất định đập vào anot. Vì hiệu suất tổng thể của bremsstrahlung tăng do sự gia tăng năng lượng của các electron bắn phá, được xác định bởi KVp, nó theo sau đó KVpảnh hưởng đến hiệu quả của thiết bị.
Thay đổi KVpthường làm thay đổi phổ. Tổng diện tích dưới đường cong năng lượng là số lượng photon. Nếu không có bộ lọc, quang phổ là một hình tam giác, và lượng bức xạ tỷ lệ với bình phương KV. Khi có bộ lọc, sự gia tăng KV cũng làm tăng sự xâm nhập của các photon, làm giảm phần trăm bức xạ được lọc. Điều này dẫn đến sự gia tăng sản lượng bức xạ.
Bức xạ đặc trưng
Kiểu tương tác tạo ra đặc tínhbức xạ, bao gồm sự va chạm của các electron tốc độ cao với các electron ở quỹ đạo. Tương tác chỉ có thể xảy ra khi hạt tới có Eklớn hơn năng lượng liên kết trong nguyên tử. Khi điều kiện này được đáp ứng và xảy ra va chạm, electron bị đẩy ra. Trong trường hợp này, một chỗ trống vẫn còn, được lấp đầy bởi một hạt có mức năng lượng cao hơn. Khi electron chuyển động, nó sinh ra năng lượng, được phát ra dưới dạng lượng tử tia X. Đây được gọi là bức xạ đặc trưng, vì E của photon là đặc trưng của nguyên tố hóa học mà từ đó cực dương được tạo ra. Ví dụ, khi một điện tử từ mức K của vonfram có liên kết E =69,5 keV bị loại bỏ, chỗ trống sẽ được lấp đầy bởi một điện tử từ mức L với Eliên kết=10, 2 keV. Photon tia X đặc trưng có năng lượng bằng sự chênh lệch giữa hai mức này, hay 59,3 keV.
Trên thực tế, vật liệu anốt này tạo ra một số năng lượng tia X đặc trưng. Điều này là do các electron ở các mức năng lượng khác nhau (K, L, v.v.) có thể bị đánh bật bằng cách bắn phá các hạt và chỗ trống có thể được lấp đầy từ các mức năng lượng khác nhau. Mặc dù việc lấp đầy các chỗ trống mức L tạo ra các photon, nhưng năng lượng của chúng quá thấp để được sử dụng trong chẩn đoán hình ảnh. Mỗi năng lượng đặc trưng được đặt một ký hiệu cho biết quỹ đạo mà vị trí trống hình thành, với một chỉ số cho biết nguồn lấp đầy điện tử. Chỉ số alpha (α) cho biết sự chiếm giữ của một điện tử từ mức L và beta (β) cho biếtđiền từ cấp M hoặc N.
- Quang phổ của vonfram. Bức xạ đặc trưng của kim loại này tạo ra một quang phổ tuyến tính bao gồm một số năng lượng rời rạc, trong khi bức xạ này tạo ra một phân bố liên tục. Số lượng photon được tạo ra bởi mỗi năng lượng đặc trưng khác nhau ở chỗ xác suất lấp đầy chỗ trống cấp K phụ thuộc vào quỹ đạo.
- Phổ của molypden. Cực dương của kim loại này được sử dụng để chụp nhũ ảnh tạo ra hai năng lượng tia X đặc trưng khá mạnh: K-alpha ở 17,9 keV và K-beta ở 19,5 keV. Phổ tối ưu của ống tia X, cho phép đạt được sự cân bằng tốt nhất giữa liều lượng tương phản và bức xạ đối với bộ ngực cỡ trung bình, đạt được ở Eph=20 keV. Tuy nhiên, bremsstrahlung được sản xuất ở năng lượng cao. Thiết bị chụp nhũ ảnh sử dụng bộ lọc molypden để loại bỏ phần quang phổ không mong muốn. Bộ lọc hoạt động trên nguyên tắc "K-edge". Nó hấp thụ bức xạ vượt quá năng lượng liên kết của các electron ở mức K của nguyên tử molypden.
- Quang phổ của rhodium. Rhodium có số nguyên tử là 45, trong khi molypden có số nguyên tử 42. Do đó, sự phát tia X đặc trưng của anot rhodium sẽ có năng lượng cao hơn một chút so với molypden và có tính xuyên thấu mạnh hơn. Điều này được sử dụng để chụp các bộ ngực dày đặc.
Cực dương molypden-rhodium hai bề mặt cho phép người vận hành lựa chọn sự phân bố được tối ưu hóa cho các kích cỡ và mật độ ngực khác nhau.
Ảnh hưởng của KV đến quang phổ
Giá trị của KV ảnh hưởng rất nhiều đến bức xạ đặc trưng, vì nó sẽ không được tạo ra nếu KV nhỏ hơn năng lượng của các electron mức K. Khi KV vượt quá ngưỡng này, lượng bức xạ nói chung tỷ lệ với sự khác biệt giữa KV ống và KV ngưỡng.
Phổ năng lượng của các photon tia X phát ra từ thiết bị được xác định bởi một số yếu tố. Theo quy luật, nó bao gồm bremsstrahlung và lượng tử tương tác đặc trưng.
Thành phần tương đối của quang phổ phụ thuộc vào vật liệu cực dương, KV và bộ lọc. Trong một ống có anôt bằng vonfram không tạo ra bức xạ đặc trưng là KV< 69,5 keV. Ở các giá trị CV cao hơn được sử dụng trong các nghiên cứu chẩn đoán, bức xạ đặc trưng làm tăng tổng bức xạ lên đến 25%. Trong các thiết bị molypden, nó có thể chiếm một phần lớn trong tổng số thế hệ.
Hiệu quả
Chỉ một phần nhỏ năng lượng do các electron chuyển giao thành bức xạ. Phần chính được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt. Hiệu suất bức xạ được định nghĩa là tỷ lệ của tổng năng lượng bức xạ từ tổng năng lượng điện truyền đến anôt. Các yếu tố quyết định hiệu suất của ống tia X là điện áp đặt vào KV và số hiệu nguyên tử Z. Một ví dụ minh họa mối quan hệ như sau:
Hiệu quả=KV x Z x 10-6.
Mối quan hệ giữa hiệu quả và KV có tác động cụ thể đến việc sử dụng thiết bị X-quang trong thực tế. Do sự tỏa nhiệt, các ống có một giới hạn nhất định về lượng điệnnăng lượng mà chúng có thể tiêu tán. Điều này dẫn đến hạn chế về sức mạnh của thiết bị. Tuy nhiên, khi KV tăng lên, lượng bức xạ được tạo ra trên một đơn vị nhiệt tăng lên đáng kể.
Sự phụ thuộc của hiệu suất tạo tia X vào thành phần của cực dương chỉ được quan tâm trong học thuật, vì hầu hết các thiết bị đều sử dụng vonfram. Một ngoại lệ là molypden và rhodium được sử dụng trong chụp nhũ ảnh. Hiệu suất của các thiết bị này thấp hơn nhiều so với vonfram do số nguyên tử của chúng thấp hơn.
Hiệu quả
Hiệu suất của ống tia X được định nghĩa là lượng phơi sáng, tính bằng miliroentgens, được phân phối đến một điểm ở trung tâm của chùm tia hữu ích ở khoảng cách 1 m từ tiêu điểm cho mỗi 1 mA các electron đi qua thiết bị. Giá trị của nó thể hiện khả năng chuyển đổi năng lượng của các hạt mang điện thành tia X của thiết bị. Cho phép bạn xác định độ phơi sáng của bệnh nhân và hình ảnh. Giống như hiệu suất, hiệu suất của thiết bị phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm KV, dạng sóng điện áp, vật liệu cực dương và hư hỏng bề mặt, bộ lọc và thời gian sử dụng.
Kiểm soát KV
KV kiểm soát hiệu quả đầu ra ống tia X. Người ta thường giả định rằng đầu ra tỷ lệ với bình phương của KV. Nhân đôi KV tăng khả năng hiển thị lên gấp 4 lần.
Dạng sóng
Dạng sóng mô tả cách KV thay đổi theo thời gian trong quá trình tạobức xạ do tính chất tuần hoàn của nguồn điện. Một số dạng sóng khác nhau được sử dụng. Nguyên tắc chung là hình dạng KV càng ít thay đổi thì tia X được tạo ra càng hiệu quả. Thiết bị hiện đại sử dụng máy phát điện có KV tương đối ổn định.
ống tia X: nhà sản xuất
Oxford Instruments sản xuất nhiều loại thiết bị, bao gồm thiết bị thủy tinh lên đến 250 W, điện thế 4-80 kV, tiêu điểm lên đến 10 micron và nhiều loại vật liệu cực dương, bao gồm Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian cung cấp hơn 400 loại ống tia X y tế và công nghiệp khác nhau. Các nhà sản xuất nổi tiếng khác là Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, v.v.
Ống tia X "Svetlana-Rentgen" được sản xuất tại Nga. Ngoài các thiết bị truyền thống với một cực dương quay và cố định, công ty còn sản xuất các thiết bị có cực âm lạnh được điều khiển bởi thông lượng ánh sáng. Các ưu điểm của thiết bị như sau:
- làm việc ở chế độ liên tục và xung;
- quán tính;
- LED điều chỉnh cường độ dòng điện;
- độ tinh khiết phổ;
- khả năng thu được tia X với cường độ khác nhau.
