Røntgenrør - X-ray tube

Et røntgenrør er et vakuumrør, der omdanner elektrisk indgangseffekt til røntgenstråler . Tilgængeligheden af ​​denne kontrollerbare røntgenstråle skabte radiografifeltet , billeddannelse af delvist uigennemsigtige genstande med gennemtrængende stråling . I modsætning til andre kilder til ioniserende stråling produceres røntgenstråler kun, så længe røntgenrøret er strømforsynet. Røntgenrør bruges også til CT-scannere , lufthavnsbagagescannere, røntgenkrystallografi , materiale- og strukturanalyse og til industriel inspektion.

Stigende efterspørgsel efter højtydende computertomografi (CT) scanning og angiografi systemer har drevet udviklingen af meget højtydende medicinsk røntgenrør.

Coolidge røntgenrør, fra omkring 1917. Den opvarmede katode er til venstre, og anoden er højre. Røntgenstrålerne udsendes nedad.

Historie

Røntgenrør udviklede sig fra eksperimentelle Crookes-rør, hvormed røntgenstråler først blev opdaget den 8. november 1895 af den tyske fysiker Wilhelm Conrad Röntgen . Disse første generations kolde katoder eller Crookes røntgenrør blev brugt indtil 1920'erne. Den Crookes rør blev forbedret ved William Coolidge i 1913. Coolidge rør , også kaldet varm katode rør , er den mest udbredte. Det fungerer med et vakuum af meget god kvalitet (ca. 10 −4 Pa eller 10 −6 Torr).

Indtil slutningen af ​​1980'erne var røntgengeneratorer blot højspænding, AC til DC variabel strømforsyning. I slutningen af ​​1980'erne dukkede en anden kontrolmetode op, kaldet high speed switching. Dette fulgte elektronikteknologien til at skifte strømforsyning (aka switch mode power supply ) og tillod mere nøjagtig kontrol af røntgenenheden, resultater af højere kvalitet og reducerede røntgeneksponeringer.

Fysik

Spektrum af røntgenstråler udsendt af et røntgenrør med et rhodiummål , der drives ved 60 kV . Den glatte, kontinuerlige kurve skyldes bremsstrahlung , og pigge er karakteristiske K-linjer for rhodiumatomer.

Som med ethvert vakuumrør er der en katode , der udsender elektroner i vakuumet og en anode til opsamling af elektronerne og derved etableres en strøm af elektrisk strøm, kendt som strålen , gennem røret. En højspændingskilde , for eksempel 30 til 150 kilovolt (kaldet rørspænding) , er forbundet over katoden og anoden for at fremskynde elektronerne. Den røntgen -spektret afhænger af anode materiale og den accelererende spænding.

Elektroner fra katoden kolliderer med anodematerialet, normalt wolfram , molybdæn eller kobber , og fremskynder andre elektroner, ioner og kerner i anodematerialet. Cirka 1% af den genererede energi udsendes / udstråles, sædvanligvis vinkelret på elektronstrålens sti, som røntgenstråler. Resten af ​​energien frigives som varme. Over tid vil wolfram blive deponeret fra målet på den indvendige overflade af røret, inklusive glasoverfladen. Dette vil langsomt mørke røret og blev anset for at forringe kvaliteten af ​​røntgenstrålen. Fordampet wolfram kondenserer på indersiden af ​​konvolutten over "vinduet" og fungerer således som et ekstra filter og mindsker rørets evne til at udstråle varme. Til sidst kan wolframaflejringen blive tilstrækkelig ledende til, at der opstår en lysbue ved høje nok spændinger. Buen hopper fra katoden til wolframaflejringen og derefter til anoden. Denne lysbue forårsager en virkning kaldet " krak " på det indvendige glas i røntgenvinduet. Efterhånden som tiden går, bliver røret ustabilt selv ved lavere spændinger og skal udskiftes. På dette tidspunkt fjernes rørsamlingen (også kaldet "rørhovedet") fra røntgensystemet og erstattes med en ny rørsamling. Den gamle rørkonstruktion sendes til et firma, der genindlæser det med et nyt røntgenrør.

Røntgenfotongenererende effekt kaldes generelt bremsstrahlung- effekten, en sammentrækning af den tyske bremsen, der betyder at bremse, og Strahlung betyder stråling .

Omfanget af fotoniske energier, der udsendes af systemet, kan justeres ved at ændre den påførte spænding og installere aluminiumsfiltre med forskellige tykkelser. Aluminiumfiltre er installeret i røntgenstrålens sti for at fjerne "blød" (ikke-gennemtrængende) stråling. Antallet af udsendte røntgenfotoner eller dosis justeres ved at kontrollere den aktuelle strømning og eksponeringstid.

Varme frigivet

Varme produceres i anodens brændpunkt. Da en lille brøkdel (mindre end eller lig med 1%) af elektronenergi omdannes til røntgenstråler, kan den ignoreres i varmeberegninger. Mængden af ​​produceret varme (i Joule) i brændpunktet er givet af:

er bølgeformfaktoren
= maksimal vekselstrømsspænding (i volt)
= rørstrøm (i mili ampere)
= eksponeringstid (i sekunder)

Heat Unit (HU) blev tidligere brugt som et alternativ til Joule. Det er en praktisk enhed, når en enfaset strømkilde er forbundet til røntgenrøret. Med en helbølgeensretning af en sinusbølge , = , således varmeenheden:

1 HU = 0,707 J
1,4 HU = 1 J

Typer

Crookes-rør (koldt katoderør)

Crookes røntgenrør fra begyndelsen af ​​1900-tallet. Katoden er til højre, anoden er i midten med vedhæftet kølelegeme til venstre. Elektroden ved positionen klokken 10 er antikatoden. Enheden øverst er et 'blødgøringsmiddel', der bruges til at regulere gastrykket.

Crookes-rør genererede de elektroner, der var nødvendige for at skabe røntgenstråler ved ionisering af den resterende luft i røret i stedet for en opvarmet glødetråd , så de blev delvist men ikke fuldstændigt evakueret . De bestod af et glas pære med omkring 10 -6 til 5 x 10 -8 atmosfærisk tryk af luft (0,1 til 0,005 Pa ). De havde en aluminium katode plade ved den ene ende af røret, og en platin anode mål i den anden ende. Anodeoverfladen var vinklet, så røntgenstrålene ville stråle gennem siden af ​​røret. Katoden var konkav, således at elektronerne var fokuseret på et lille (~ 1 mm) sted på anoden, hvilket omtrent var en punktkilde til røntgenstråler, hvilket resulterede i skarpere billeder. Røret havde en tredje elektrode, en antikatode forbundet til anoden. Det forbedrede røntgenoutputtet, men metoden, hvormed det opnåede dette, forstås ikke. Et mere almindeligt arrangement anvendte en kobberpladeantikatode (svarende til katoden i konstruktion) på linje med anoden, således at anoden var mellem katoden og antikatoden.

For at fungere blev en jævnstrømsspænding på nogle få kilovolt til så meget som 100 kV påført mellem anoderne og katoden, som regel genereret af en induktionsspole , eller for større rør, en elektrostatisk maskine .

Crookes-rør var upålidelige. Efterhånden som tiden gik, ville den resterende luft blive absorberet af rørets vægge og reducere trykket. Dette øgede spændingen over røret og genererede 'hårdere' røntgenstråler, indtil røret til sidst holdt op med at virke. For at forhindre dette blev der anvendt 'blødgøringsanordninger' (se billede). Et lille rør fastgjort til siden af ​​hovedrøret indeholdt en glimmerhylster eller kemikalie, der frigav en lille mængde gas, når den opvarmes, hvilket gendanner det korrekte tryk.

Rørets glaskuvert vil blive sort ved brug på grund af røntgenstråler, der påvirker dets struktur.

Coolidge-rør (varmt katoderør)

Coolidge sidevinduerør (skema)
  • C: glødetråd / katode (-)
  • A: anode (+)
  • W ind og ud : vandindløb og -udløb af køleenheden

I Coolidge rør, er elektronerne produceret af termoionisk virkning fra en wolfram glødetråd opvarmes af en elektrisk strøm. Glødetråden er rørets katode. Højspændingspotentialet er mellem katoden og anoden, elektronerne accelereres således og rammer derefter anoden.

Der er to designs: slutvinduesrør og sidevinduerør. Slutvinduesrør har normalt "transmissionsmål", som er tyndt nok til at lade røntgenstråler passere gennem målet (røntgenstråler udsendes i samme retning som elektronerne bevæger sig.) I en almindelig type slutvinduesrør, glødetråden er omkring anoden ("ringformet" eller ringformet), elektronerne har en buet sti (halvdelen af ​​en toroid).

Hvad der er specielt ved sidevinduerør er, at en elektrostatisk linse bruges til at fokusere strålen på et meget lille sted på anoden. Anoden er specielt designet til at sprede varmen og slid som følge af denne intense fokuserede spærring af elektroner. Anoden er nøjagtigt vinklet 1-20 grader vinkelret på elektronstrømmen for at tillade udslip af nogle af røntgenfotoner, som udsendes vinkelret på retningen af ​​elektronstrømmen. Anoden er normalt lavet af wolfram eller molybdæn. Røret har et vindue designet til at undslippe de genererede røntgenfotoner.

Effekten af ​​et Coolidge-rør varierer normalt fra 0,1 til 18 kW .

Roterende anoderør

Forenklet skematisk roterende anodetrør
  • A: Anode
  • C: katode
  • T: Anodemål
  • W: røntgenvindue
typisk roterende anode røntgenrør

En betydelig mængde varme genereres i brændpunktet (det område, hvor elektronstrålen, der kommer fra katoden, rammer til) i en stationær anode. Snarere lader en roterende anode elektronstrålen feje et større område af anoden og således indløse fordelen ved en højere intensitet af udsendt stråling sammen med reduceret beskadigelse af anoden sammenlignet med dens stationære tilstand.

Brændpunktets temperatur kan nå 2.500 ° C under en eksponering, og anodesamlingen kan nå 1000 ° C efter en række store eksponeringer. Typiske anoder er et wolfram-rhenium-mål på en molybdænkerne, understøttet med grafit. Den rhenium gør wolfram mere sejt og modstandsdygtigt over for slid fra virkningen af elektronstråler. De molybdæn leder varmen fra målet. Den grafit giver termisk lagerplads til anoden, og minimerer roterende masse af anoden.

Microfocus røntgenrør

Nogle røntgenundersøgelser (som f.eks. Ikke-destruktiv test og 3-D mikrotomografi ) har brug for billeder med meget høj opløsning og kræver derfor røntgenrør, der kan generere meget små fokalstørrelser, typisk under 50 um i diameter. Disse rør kaldes mikrofokus røntgenrør.

Der er to grundlæggende typer af mikrofokusrøntgenrør: rør med fast anode og metal-jet-anoderør.

Solid-anode mikrofokus røntgenrør ligner i princippet meget Coolidge-røret, men med den vigtige skelnen er der taget hensyn til at være i stand til at fokusere elektronstrålen til et meget lille sted på anoden. Mange røntgenkilder med mikrofokus fungerer med fokuspletter i området 5-20 um, men i ekstreme tilfælde kan der produceres pletter mindre end 1 um.

Den største ulempe ved røntgenrør med massiv anode mikrofokus er den meget lave effekt, de arbejder på. For at undgå smeltning af anoden skal elektronstrålens effekttæthed være under en maksimal værdi. Denne værdi er et sted i området 0,4-0,8 W / um afhængigt af anodematerialet. Dette betyder, at en solid-anodemikrofokuskilde med en 10 μm elektronstrålefokus kan fungere med en effekt i området 4-8 W.

I metal-jet-anode mikrofokus røntgenrør erstattes den faste metal-anode med en stråle af flydende metal, der fungerer som elektronstråle-målet. Fordelen ved metal-jet-anoden er, at den maksimale massefylde for elektronstråle øges betydeligt. Værdier i området 3-6 W / um er rapporteret for forskellige anodematerialer (gallium og tin). I tilfældet med en 10 μm elektronstrålefokus kan en metal-jet-anode mikrofokus røntgenkilde fungere ved 30-60 W.

Den største fordel ved det øgede effekttæthedsniveau for metalstrålerøntgenrøret er muligheden for at operere med et mindre brændpunkt, for eksempel 5 um, for at øge billedopløsningen og samtidig erhverve billedet hurtigere, da strømmen er højere (15-30 W) end for rør med fast anode med 10 μm brændpunkter.

Fare ved røntgenproduktion fra vakuumrør

To højspændings ensretterrør, der er i stand til at producere røntgenstråler

Ethvert vakuumrør, der fungerer ved flere tusinde volt eller mere, kan producere røntgenstråler som et uønsket biprodukt, hvilket rejser sikkerhedsproblemer. Jo højere spænding, jo mere gennemtrængende den resulterende stråling og jo mere fare. CRT- skærme, når de er almindelige i farve-tv og computerskærme, fungerer ved 3-40 kilovolt , hvilket gør dem til det største problem blandt husholdningsapparater. Historisk set har bekymring fokuseret mindre på katodestrålerøret , da dets tykke glashylster er imprægneret med flere pund bly til afskærmning end på højspændings- (HV) ensretter og spændingsregulatorrør indeni. I slutningen af ​​1960'erne blev det konstateret, at en fejl i HV-forsyningskredsløbet på nogle General Electric- tv'er kunne efterlade for store spændinger på regulatorrøret, hvilket fik det til at udsende røntgenstråler. Modellerne blev tilbagekaldt, og den efterfølgende skandale fik det amerikanske agentur, der var ansvarlig for regulering af denne fare, Center for Devices and Radiological Health of the Food and Drug Administration (FDA), at kræve, at alle tv-apparater inkluderer kredsløb for at forhindre overdreven spænding i tilfælde af fiasko. Faren forbundet med for høje spændinger blev elimineret med fremkomsten af solid-state- tv, som ikke har andre rør end CRT. Siden 1969 har FDA begrænset tv-røntgenemission til 0,5 mR ( milliroentgen ) i timen. Med skiftet fra CRT'er til andre skærmteknologier startende i 1990'erne er der slet ingen vakuumrør, der er i stand til at udsende røntgenstråler.

Se også

Patenter

Referencer

eksterne links