X 선관은 어떻게 작동합니까?

엑스선은전자 에너지를 X 선관에서 발생하는 광자로 변환 방사선의 양 (노출)과 품질 (스펙트럼)은 장비의 전류, 전압 및 작동 시간을 변경하여 조절할 수 있습니다.

작동 원리

X 선관 (사진은 기사에서 제공)에너지 변환기입니다. 그들은 네트워크에서 그것을 얻고 그것을 다른 형태로 바꾸어 놓습니다 - 침투하는 방사선과 열, 후자는 바람직하지 않은 부산물입니다. X 선관 장치는 광자 생성을 극대화하고 가능한 한 빨리 열을 방출하는 것과 같습니다.

관은 비교적 간단하다.이 장치는 원칙적으로 음극과 음극이라는 두 가지 주요 요소를 포함합니다. 전류가 음극에서 음극으로 흐를 때 전자는 에너지를 잃어 X- 선을 발생시킵니다.

애노드

애노드는고 에너지 광자 방출. 이것은 전기 회로의 양극에 연결되는 상대적으로 방대한 금속 요소입니다. 그것은 두 가지 주요 기능을 수행합니다 :

전자의 에너지를 X 선으로 변환하고,
열을 발산합니다.

애노드 용 재료는 이들 기능을 향상 시키도록 선택된다.

이상적으로, 대부분의 전자는 열보다는 고 에너지 광자를 형성해야한다. X- 선 복사로 변환되는 총 에너지의 비율 (효율성)은 두 가지 요소에 달려 있습니다.

음극 재료의 원자 번호 (Z)
전자의 에너지.

대부분의 X 선관에서양극 재료는 원자 번호가 74 인 텅스텐을 사용합니다. 큰 Z 외에도이 금속은 이러한 목적에 적합한 다른 특성을 가지고 있습니다. 텅스텐은 가열 될 때 힘을 유지하는 능력이 독특하고 융점이 높으며 증발 속도가 느립니다.

수년 동안 양극은 순수텅스텐. 최근 몇 년 동안, 우리는 레늄과 함께이 금속의 합금을 사용하기 시작했으나, 표면에서만 이루어졌습니다. 텅스텐 - 레늄 코팅 아래의 양극 자체는 열을 잘 축적하는 가벼운 물질로 만들어져 있습니다. 두 가지 물질은 몰리브덴과 흑연입니다.

X 선관mammography는 몰리브덴으로 코팅 된 양극으로 제조됩니다. 이 물질은 중간 원자 번호 (Z = 42)를 가지고있어 유방 촬영에 편리한 에너지로 특징적인 광자를 생성합니다. 일부 유방 촬영 장비에는 로듐 (Z = 45)으로 만든 두 번째 양극도 있습니다. 이것은 당신이 에너지를 증가시키고 빽빽한 가슴에 더 큰 침투력을 줄 수있게합니다.

레늄 - 텅스텐 합금의 사용이 향상됩니다.장기간의 방사선 생산량 - 시간이 지남에 따라 순수 텅스텐 양극이있는 장치의 효율은 표면의 열 손상으로 인해 감소합니다.

대부분의 양극은 경 사진 디스크 모양을가집니다.전기 모터의 샤프트에 부착되며,이 샤프트는 엑스레이 방출 중에 비교적 고속으로 회전합니다. 회전의 목적은 열을 제거하는 것입니다.

초점

엑스레이의 생성에서,양극 전체. 그것은 표면의 작은 영역에서 발생합니다 - 초점 지점. 후자의 치수는 캐소드로부터 오는 전자 빔의 치수에 의해 결정된다. 대부분의 장치에서 사각형 모양을 가지며 0.1-2 mm 범위 내에서 다양합니다.

X 선관은 특정 크기의 초점을 가지고 투사됩니다. 크기가 작을수록 흐림이 적고 이미지가 선명 해지고 열이 제거 될수록 열이 더 잘 제거됩니다.

초점의 크기는 다음 중 하나입니다.X 선관을 선택할 때 반드시 고려해야하는 요인. 제조사는 고해상도와 충분히 작은 방사능을 얻을 필요가있을 때 작은 초점을 가진 장치를 생산합니다. 예를 들어 유방 조영술과 같이 신체의 작고 얇은 부분을 연구 할 때 필요합니다.

X 선관은 주로 대형 및 소형의 두 가지 크기의 초점으로 생산되며 이미지 생성 절차에 따라 운영자가 선택할 수 있습니다.

캐도

음극의 주요 기능은 전자를 생성하고 음극에서 지향 된 빔에서 전자를 수집하는 것입니다. 일반적으로 작은 와이어 나선형 (필라멘트)으로 이루어져 있으며, 컵 모양의 우울증에 잠겨 있습니다.

회로를 통과하는 전자는 보통 회로를 통과 할 수 없다.지휘자를 떠나 자유 공간으로 들어간다. 그러나 그들은 충분한 에너지를 얻으면 이것을 할 수 있습니다. 열 이온 방출로 알려진 과정에서 열은 음극으로부터 전자를 방출하는 데 사용됩니다. 이것은 진공관의 압력이 10에 도달 할 때 가능해진다.^-6-10^-7 mmHg. 예술. 필라멘트는 전류가 흐를 때 백열 램프의 필라멘트와 같은 방식으로 가열됩니다. X- 선 관의 작업은 전자의 일부가 전자의 열 에너지에 의해 변위 된 상태에서 음극을 발광 온도로 가열하는 것과 동반된다.

실린더

애노드와 캐소드는 밀폐 된 외함에 포함되어 있습니다.풍선. 풍선과 그 내용물은 종종 수명이 한정되어 교체 할 수있는 인서트라고합니다. 금속 및 세라믹 실린더가 일부 용도에 사용 되더라도 X 선관에는 주로 유리 전구가 있습니다.

실린더의 주요 기능은 양극과 음극의지지와 절연을 제공하고 진공을 유지하는 것입니다. 15 ℃에서 진공관의 압력은 1.2 × 10^-3 Pa. 실린더 내에 가스가 존재하면 전기가 장치를 통해 자유롭게 흐를뿐만 아니라 전자 빔 형태로도 흐르게됩니다.

주택

X 선관의 배열은 다음과 같습니다.울타리에 추가하고 다른 구성 요소를 지탱할 때 창문을 통과하는 유용한 빔을 제외하고는 몸체가 차폐물로 작용하여 방사선을 흡수합니다. 그것의 상대적으로 큰 외부 표면은 장치 내부에서 생성 된 많은 열을 분산시킨다. 몸체와 인서트 사이의 공간에는 절연 및 냉각을 제공하는 오일이 채워져 있습니다.

사슬

전기 회로가 튜브를 소스에 연결합니다.에너지, 발전기라고합니다. 소스는 네트워크로부터 전력을 수신하고 교류 전류를 일정한 것으로 변환합니다. 생성기를 사용하여 회로의 일부 매개 변수를 조정할 수도 있습니다.

KV - 전압 또는 전위;
MA는 튜브를 통해 흐르는 전류입니다.
S - 노출 시간 또는 지속 시간 (초 단위).

체인은 전자의 이동을 보장합니다. 그들은 에너지로 충전되어 발전기를 통과하여 양극에 공급합니다. 그들이 움직이면 두 가지 변화가 일어난다.

잠재적 인 전기 에너지는 운동 에너지로 변환된다;
운동 역학은 차례로 X 선 방사 및 열로 변형됩니다.

잠재력

전자가 플라스크에 들어갈 때,그 양은 양극과 음극 사이의 전압 (KV)에 의해 결정된다. X 선관은 각 입자가 1 keV를 가져야하는 1 KV를 생성하기 위해 전압 하에서 작동합니다. KV를 조정함으로써, 조작자는 각 전자에 에너지 양을 할당합니다.

운동학

비어있는 X 선관의 낮은 압력 (15 ° C에서 10^-6-10^-7 mmHg. 예술.)은 열 이온 방출 및 전기력의 작용하에 입자가 음극에서 양극으로 날아갈 수있게합니다. 이 힘은 그들을 가속시켜 속도와 운동 에너지의 증가와 전위 에너지의 감소로 이어진다. 입자가 양극에 닿으면 그 전위는 손실되고 모든 에너지는 운동 에너지로 이동합니다. 100keV의 전자는 빛의 속도의 절반을 초과하는 속도에 도달합니다. 표면에 부딪 치면 입자가 매우 빨리 감속되고 운동 에너지가 손실됩니다. 그것은 엑스레이 또는 열로 변합니다.

전자는 양극 물질의 개별 원자와 접촉하게된다. 방사선은 궤도 (X 선 포톤) 및 핵 (bremsstrahlung)과 상호 작용할 때 생성됩니다.

통신의 힘

원자 내부의 각 전자는결합 에너지에 의해 결정되며, 결합 에너지는 후자의 크기 및 입자가 위치하는 수준에 의존한다. 결합 에너지는 특성 X 선 복사 생성에 중요한 역할을하며 원자에서 전자를 제거하는 데 필요합니다.

쇠지레

브레이크 방사선은광자 수. 양극 물질을 관통하고 핵 근처를 통과하는 전자는 원자의 인력에 의해 편향되고 속도가 느려진다. 이 모임에서 잃어버린 그들의 에너지는 X 선 포톤의 형태로 나타납니다.

스펙트럼

단지 몇 광자 만이 에너지를가집니다.전자의 에너지. 대부분은 낮습니다. 전자가 "억제"의 힘을 경험하는 핵 주위의 공간 또는 필드가 있다고 가정합니다. 이 필드는 영역으로 나눌 수 있습니다. 이것은 핵의 필드에 원자의 중심이되는 타겟의 형태를줍니다. 목표물의 어떤 지점에 닿는 전자는 감속을 겪고 X 선 광자를 생성합니다. 중심에 가장 근접한 입자는 가장 큰 영향을받으며, 따라서 가장 많은 에너지를 잃어서 가장 높은 에너지의 광자를 생성합니다. 외부 영역으로 들어가는 전자는 약한 상호 작용을 경험하고 낮은 에너지로 양자를 생성합니다. 영역의 너비는 동일하지만 코어와의 거리에 따라 영역이 다릅니다. 주어진 영역에 떨어지는 입자의 수는 총 면적에 따라 다르므로 바깥 쪽 영역이 더 많은 전자를 포착하고 더 많은 광자를 생성한다는 것이 분명합니다. 이 모델에 따르면 X 선 방사의 에너지 스펙트럼을 예측하는 것이 가능합니다.

전자_최대 기본 제동 스펙트럼의 광자는 E_최대전자. 이 점 아래에서 퀀텀의 에너지가 감소함에 따라 그 수는 증가합니다.

낮은 에너지를 지닌 상당량의 광자은 애노드 표면, 튜브 창 또는 필터를 통과하려고 할 때 흡수되거나 여과된다. 일반적으로 여과는 빔이 통과하는 재료의 구성 및 두께에 따라 달라지며, 이는 스펙트럼의 저에너지 곡선의 최종 형태를 결정합니다.

KV 효과

스펙트럼의 고 에너지 부분은 다음을 결정합니다.X 선관의 전압 kV (kilovolt). 이것은 양극에 도달하는 전자의 에너지를 결정하고 광자는 이보다 더 큰 전위를 가질 수 없기 때문입니다. X 선관은 어떤 전압에서 작동합니까? 최대 광자 에너지는 최대인가 된 포텐셜에 상응한다. 이 전압은 AC 주전원으로 인해 노출되는 동안 달라질 수 있습니다. 이 경우 E_최대 광자는 발진주기 KV의 피크 전압에 의해 결정된다_피.

퀀텀의 잠재력 외에도 KV_피 방사선의 양을 결정한다.양극에 입사하는 전자의 수만큼 감소시킨다. 제동 슈트 링의 전체 효율은 KV에 의해 결정되는 충돌 전자의 에너지의 증가로 인해 증가하기 때문에_피, 그것은 KV를 따른다_피 장치의 효율성에 영향을 미칩니다.

KV 변경_피는 일반적으로 스펙트럼을 변경합니다. 에너지 곡선 아래의 총 면적은 광자의 수입니다. 필터가 없다면, 스펙트럼은 삼각형이고, 방사선의 양은 KV의 제곱에 비례합니다. 필터가있는 경우 KV가 증가하면 광자의 침투도 증가하여 필터링 된 방사선의 백분율이 감소합니다. 이는 방사선 수율의 증가로 이어진다.

특성 방사선

생성하는 상호 작용의 유형특징적인 복사는 고속 전자와 궤도 전자의 충돌을 수반한다. 상호 작용은 들어오는 입자에 E가있을 때만 발생할 수 있습니다._~까지 원자의 결합 에너지보다 큽니다. 이 조건이 충족되고 충돌이 발생하면 전자가 녹아웃됩니다. 이것은 높은 에너지 레벨의 입자로 채워진 공석을 남겨 둡니다. 운동이 움직이면 전자는 X 선 양자 형태로 방사되는 에너지를 방출합니다. 이는 E 광자가 양극이 만들어지는 화학 원소의 특성이기 때문에 특성 방사선이라고합니다. 예를 들어, 텅스텐의 K- 레벨의 전자가 E로 노크 될 때_통신= 69.5 keV에서, 공극은 전자로 L 레벨에서 전자로 채워진다._통신= 10.2 keV이다. 특성 X 선 광자는이 두 레벨의 차이, 즉 59.3keV와 동일한 에너지를 갖습니다.

사실,이 음극 재료는특성 X 선 에너지의 숫자의 모양. 이것은 서로 다른 에너지 준위 (K, L 등)의 전자가 입자를 충돌시킴으로써 녹아웃 (knock out) 될 수 있고, 공극이 다른 에너지 준위에서 채워질 수 있기 때문입니다. L 레벨 빈자리의 채우기가 광자를 생성하지만, 그 에너지는 진단 이미징에 사용하기에는 너무 작습니다. 각각의 특성 에너지는 공극이 형성되어있는 궤도를 표시하고 전자 충진의 원천을 나타내는 지표를 부여받습니다. 알파 지수 (α)는 L 수준에서 전자를 채우는 것을 나타내며 베타 (β)는 M 또는 N 수준에서 채우기를 나타냅니다.

텅스텐의 스펙트럼. 이 금속의 특성 방사선여러 개의 불연속 에너지로 구성된 선형 스펙트럼을 생성하고, 제동 스트레인은 연속적인 분포를 생성합니다. 각 특성 에너지에 의해 생성되는 광자의 수는 K- 레벨 공석을 채울 확률이 궤도에 달려 있다는 점에서 다릅니다.
몰리브덴 스펙트럼. 이 금속의 양극은mammography는 엑스레이의 상당히 강렬한 두 가지 에너지를 생성합니다 : 17.9 keV에서의 K-alpha 및 19.5 keV에서의 K-beta. 중형 흉부의 조영 도와 방사선 량 간의 최적의 균형을 유지할 수있는 X 선관의 최적 범위는 E_f= 20 keV. 그러나, 번짐은 큰 에너지에 의해 생성됩니다. 유방 조영 장치에서는 몰리브덴 필터를 사용하여 원하지 않는 스펙트럼 부분을 제거합니다. 이 필터는 "K-edge"원칙에 따라 작동합니다. 그것은 몰리브덴 원자의 K 수준에서 전자의 결합 에너지를 초과하는 복사를 흡수합니다.
로듐 스펙트럼 로듐은 원자 번호 45와 몰리브덴 - 42를 가지고있다. 그러므로, 로듐 양극의 특성 X- 선은 몰리브덴의 특성 X- 선보다 약간 더 많은 에너지를 가질 것이고 더 침투 할 것이다. 그것은 고밀도 유방의 이미지를 얻는 데 사용됩니다.

이중 표면적을 갖는 양극, 몰리브덴 - 로듐은 다양한 크기와 밀도의 유선에 최적화 된 분포를 선택할 수 있습니다.

KV가 스펙트럼에 미치는 영향

KV 값은 특성에 크게 영향을 미칩니다.왜냐하면 KV가 K- 레벨의 전자 에너지보다 작 으면 생산되지 않기 때문입니다. KV가이 임계 값을 초과하면 방사량은 일반적으로 관의 차이 KV와 임계 KV에 비례합니다.

장비를 떠나는 X 선 빔의 광자의 에너지 스펙트럼은 몇 가지 요인에 의해 결정됩니다. 원칙적으로, 그것은 억제 적이며 특징적인 상호 작용 퀀텀으로 구성됩니다.

스펙트럼의 상대적 구성은 물질에 따라 다릅니다양극, KV 및 필터. 텅스텐 양극이있는 튜브에서 KV <69.5keV에서 특성 방사가 생성되지 않습니다. 진단 연구에 사용 된 KV 값이 높을수록 특성 방사선은 총 방사선을 최대 25 %까지 증가시킵니다. 몰리브덴 장치에서, 그것은 전체 세대의 대부분을 구성 할 수 있습니다.

효율성

전달 된 에너지의 일부만전자에 의해 방사선으로 변환된다. 주요 몫은 흡수되어 열로 변환됩니다. 복사 효율은 양극에 전달 된 총 전기 에너지의 총 복사 에너지의 비율로 정의됩니다. X 선관의 효율을 결정하는 요인은인가 전압 KV 및 원자 번호 Z입니다. 대략적인 비율은 다음과 같습니다.

효율 = KV x Z x 10^-6.

효율성과 KV 사이의 관계는X 선 장비의 실제 사용에 대한 특수 효과. 열 발생으로 인해 튜브에는 방출 할 수있는 전기 에너지의 양에 일정한 제한이 있습니다. 이로 인해 장치의 전원이 제한됩니다. 그러나 KV가 증가함에 따라 단위 열당 생산되는 방사선의 양이 상당히 증가합니다.

효율성의 의존성대부분의 장치가 텅스텐을 사용하기 때문에 양극 구성에서 나오는 X 선 발생은 학문적 인 관심사입니다. 유방 조영법에서 사용되는 예외는 몰리브덴과 로듐입니다. 이러한 장치의 효율은 원자 번호가 낮기 때문에 텅스텐보다 훨씬 낮습니다.

효과

X 선관의 유효성은 다음과 같이 결정됩니다.장치를 통과하는 전자 1 mAc마다 초점 위치에서 1 m의 거리에있는 유용한 빔의 중심에있는 지점으로 전달되는 밀리 - 렌젠 (milli-roentens)의 조사량을 나타냅니다. 이 값은 장치가 하전 된 입자의 에너지를 X 선으로 변환하는 능력을 나타냅니다. 환자와 스냅 샷의 노출을 결정할 수 있습니다. 효율성뿐만 아니라 장치의 효율은 KV, 전압 파형, 음극 물질 및 표면 손상, 필터 및 장치 사용 시간을 포함한 여러 요소에 따라 달라집니다.

KV 관리

전압 KV는 엑스레이 관의 출력 방사를 효과적으로 제어합니다. 일반적으로 출력은 KV의 제곱에 비례한다고 가정합니다. KV를 두 배로 늘리면 노출이 4 배 증가합니다.

파형

파형은KV는 전원 공급 장치의 순환 특성으로 인해 방사선을 생성하는 과정에서 시간에 따라 변합니다. 몇 가지 다른 파형이 사용됩니다. 일반적인 원리는 다음과 같습니다. KV 형상이 작을수록 더 효율적으로 X 선이 생성됩니다. 현대의 장비에서는 상대적으로 일정한 KV를 갖는 발전기가 사용됩니다.

X-ray Tubes : 제조업체

옥스포드 인스 트루먼 트의 회사는 다양한Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti 등 다양한 양극 재료를 포함하여 최대 250W, 잠재적 인 4-80kV의 유리, W.

Varian은 400 가지가 넘는 다양한 유형을 제공합니다.의료용 및 산업용 X 선관 다른 유명한 제조업체는 Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong 등입니다.

러시아에서 X 선관 생산"Svetlana-Roentgen". 회전식 및 고정식 양극이 장착 된 기존 장치 외에도 회사는 광속에 의해 제어되는 냉 음극관을 갖춘 장치를 제조합니다. 장치의 장점은 다음과 같습니다.

연속 및 펄스 모드에서 작동합니다.
관성;
LED 강도 제어;
스펙트럼 순도;
다양한 강도의 엑스레이를 얻을 수있는 가능성.