Wie funktionieren Röntgenröhren?

2024 Autor: Curtis Blomfield | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-15 09:35

Röntgenstrahlen entstehen durch die Umwandlung von Elektronenenergie in Photonen, was in einer Röntgenröhre stattfindet. Die Menge (Belichtung) und Qualität (Spektrum) der Strahlung kann angepasst werden, indem Strom, Spannung und Betriebszeit des Geräts verändert werden.

Funktionsprinzip

Röntgenröhren (das Foto ist im Artikel angegeben) sind Energiewandler. Sie nehmen es aus dem Netz und wandeln es in andere Formen um - durchdringende Strahlung und Wärme, wobei letztere ein unerwünschtes Nebenprodukt ist. Das Design der Röntgenröhre ist so, dass sie die Photonenproduktion maximiert und die Wärme so schnell wie möglich abführt.

Eine Röhre ist ein relativ einfaches Gerät, das normalerweise zwei grundlegende Elemente enthält - eine Kathode und eine Anode. Wenn Strom von der Kathode zur Anode fließt, verlieren die Elektronen Energie, was zur Erzeugung von Röntgenstrahlen führt.

Anode

Die Anode ist die emittierende Komponentehochenergetische Photonen. Dies ist ein relativ massives Metallelement, das mit dem Pluspol des Stromkreises verbunden ist. Führt zwei Hauptfunktionen aus:

wandelt Elektronenenergie in Röntgenstrahlen um,
leitet Wärme ab.

Das Anodenmaterial wurde ausgewählt, um diese Funktionen zu verbessern.

Idealerweise sollten die meisten Elektronen hochenergetische Photonen bilden, keine Wärme. Der Anteil ihrer Gesamtenergie, der in Röntgenstrahlen umgewandelt wird (Effizienz), hängt von zwei Faktoren ab:

Ordnungszahl (Z) des Anodenmaterials,
Elektronenenergie.

Die meisten Röntgenröhren verwenden Wolfram als Anodenmaterial, das eine Ordnungszahl von 74 hat. Neben einem großen Z hat dieses Metall einige andere Eigenschaften, die es für diesen Zweck geeignet machen. Wolfram ist einzigartig in seiner Fähigkeit, beim Erhitzen seine Festigkeit beizubeh alten, hat einen hohen Schmelzpunkt und eine geringe Verdampfungsrate.

Viele Jahre lang wurde die Anode aus reinem Wolfram hergestellt. In den letzten Jahren wurde begonnen, eine Legierung dieses Metalls mit Rhenium zu verwenden, jedoch nur an der Oberfläche. Die Anode selbst unter der Wolfram-Rhenium-Beschichtung besteht aus einem leichten Material, das Wärme gut speichert. Zwei dieser Substanzen sind Molybdän und Graphit.

Röntgenröhren für die Mammographie werden mit einer mit Molybdän beschichteten Anode hergestellt. Dieses Material hat eine mittlere Ordnungszahl (Z=42), die charakteristische Photonen mit geeigneten Energien erzeugtzum Fotografieren der Brust. Einige Mammographiegeräte haben zusätzlich eine zweite Anode aus Rhodium (Z=45). Dadurch können Sie die Energie steigern und eine stärkere Penetration für straffe Brüste erreichen.

Die Verwendung einer Rhenium-Wolfram-Legierung verbessert die langfristige Strahlungsleistung - im Laufe der Zeit nimmt die Effizienz von Anodengeräten aus reinem Wolfram aufgrund thermischer Schäden an der Oberfläche ab.

Die meisten Anoden sind wie abgeschrägte Scheiben geformt und an einer Elektromotorwelle befestigt, die sie mit relativ hoher Geschwindigkeit dreht, während sie Röntgenstrahlen aussendet. Der Zweck der Rotation besteht darin, Wärme abzuführen.

Brennpunkt

Nicht die gesamte Anode ist an der Erzeugung von Röntgenstrahlen beteiligt. Es tritt auf einem kleinen Bereich seiner Oberfläche auf - einem Brennfleck. Die Abmessungen des letzteren werden durch die Abmessungen des von der Kathode kommenden Elektronenstrahls bestimmt. Bei den meisten Geräten hat es eine rechteckige Form und variiert zwischen 0,1-2 mm.

Röntgenröhren sind mit einer bestimmten Brennfleckgröße konstruiert. Je kleiner es ist, desto weniger verwackelt und schärfer ist das Bild, und je größer es ist, desto besser wird die Wärme abgeführt.

Die Größe des Brennflecks ist einer der Faktoren, die bei der Auswahl von Röntgenröhren zu berücksichtigen sind. Hersteller produzieren Geräte mit kleinen Brennflecken, wenn eine hohe Auflösung und eine ausreichend geringe Strahlung erreicht werden müssen. Dies ist beispielsweise bei der Untersuchung kleiner und dünner Körperstellen wie bei der Mammographie erforderlich.

Röntgenröhren werden hauptsächlich mit zwei Brennfleckgrößen hergestellt, groß und klein, die vom Bediener je nach Bildgebungsverfahren ausgewählt werden können.

Kathode

Die Hauptfunktion der Kathode besteht darin, Elektronen zu erzeugen und sie in einem auf die Anode gerichteten Strahl zu sammeln. Er besteht in der Regel aus einer kleinen Drahtspirale (Faden), die in eine topfförmige Vertiefung eintaucht.

Elektronen, die den Stromkreis passieren, können normalerweise den Leiter nicht verlassen und in den freien Raum gelangen. Sie können es jedoch tun, wenn sie genug Energie haben. Bei einem als thermische Emission bekannten Prozess wird Wärme verwendet, um Elektronen von der Kathode auszutreiben. Dies wird möglich, wenn der Druck in der evakuierten Röntgenröhre 10-6^–10-7 ^{mmHg erreicht. Kunst. Der Glühfaden erwärmt sich wie der Glühfaden einer Glühlampe, wenn Strom durch ihn geleitet wird. Der Betrieb der Röntgenröhre geht mit dem Erhitzen der Kathode auf Glimmtemperatur einher, wobei ein Teil der Elektronen aus ihr durch thermische Energie verdrängt wird.}

Ballon

Anode und Kathode befinden sich in einem hermetisch verschlossenen Behälter. Der Ballon und sein Inh alt werden oft als Einsatz bezeichnet, der eine begrenzte Lebensdauer hat und ersetzt werden kann. Röntgenröhren haben meist Glaskolben, obwohl für einige Anwendungen Metall- und Keramikkolben verwendet werden.

Die Hauptfunktion des Ballons besteht darin, Anode und Kathode zu stützen und zu isolieren und ein Vakuum aufrechtzuerh alten. Druck in der evakuierten Röntgenröhrebei 15°C ist 1,2 10-3 Pa. Das Vorhandensein von Gasen im Ballon würde ermöglichen, dass Elektrizität frei durch das Gerät fließen kann, und nicht nur in Form eines Elektronenstrahls.

Fall

Das Design der Röntgenröhre ist so, dass ihr Körper nicht nur andere Komponenten umschließt und stützt, sondern auch als Abschirmung dient und Strahlung absorbiert, mit Ausnahme des Nutzstrahls, der durch das Fenster fällt. Seine relativ große Außenfläche leitet einen Großteil der im Inneren des Geräts entstehenden Wärme ab. Der Raum zwischen Körper und Einsatz ist zur Isolierung und Kühlung mit Öl gefüllt.

Kette

Ein elektrischer Sch altkreis verbindet die Röhre mit einer Energiequelle, die als Generator bezeichnet wird. Die Quelle erhält Strom aus dem Netz und wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um. Mit dem Generator können Sie auch einige Sch altungsparameter anpassen:

KV - Spannung oder elektrisches Potential;
MA ist der Strom, der durch die Röhre fließt;
S – Dauer oder Belichtungszeit, in Sekundenbruchteilen.

Die Sch altung sorgt für die Bewegung von Elektronen. Sie werden mit Energie aufgeladen, passieren den Generator und geben sie an die Anode ab. Während sie sich bewegen, treten zwei Transformationen auf:

potentielle elektrische Energie wird in kinetische Energie umgewandelt;
Kinetik wiederum wird in Röntgenstrahlen und Wärme umgewandelt.

Potential

Wenn Elektronen in den Kolben eintreten, haben sie potentielle elektrische Energie, deren Höhe durch die Spannung KV zwischen Anode und Kathode bestimmt wird. Röntgenröhre funktioniertunter Spannung, um 1 KV zu erzeugen, von denen jedes Teilchen 1 keV haben muss. Durch Einstellen von KV verleiht der Operator jedem Elektron eine bestimmte Menge an Energie.

Kinetik

Unterdruck in der evakuierten Röntgenröhre (bei 15°C sind es 10^-6–10^{-7 mmHg.) ermöglicht es Partikeln, unter Einwirkung von thermionischer Emission und elektrischer Kraft von der Kathode zur Anode zu fliegen. Diese Kraft beschleunigt sie, was zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit und kinetischen Energie und einer Verringerung des Potenzials führt. Wenn ein Teilchen auf die Anode trifft, geht sein Potential verloren und seine gesamte Energie wird in kinetische Energie umgewandelt. Ein 100-keV-Elektron erreicht Geschwindigkeiten von mehr als der halben Lichtgeschwindigkeit. Beim Auftreffen auf die Oberfläche werden die Partikel sehr schnell abgebremst und verlieren ihre kinetische Energie. Es verwandelt sich in Röntgenstrahlen oder Hitze.}

Elektronen treffen auf einzelne Atome des Anodenmaterials. Strahlung entsteht, wenn sie mit Orbitalen (Röntgenphotonen) und mit dem Kern (Bremsstrahlung) wechselwirken.

Energie verbinden

Jedes Elektron innerhalb eines Atoms hat eine bestimmte Bindungsenergie, die von der Größe des letzteren und der Ebene abhängt, auf der sich das Teilchen befindet. Die Bindungsenergie spielt eine wichtige Rolle bei der Erzeugung charakteristischer Röntgenstrahlen und ist notwendig, um ein Elektron aus einem Atom zu entfernen.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung produziert die meisten Photonen. Elektronen, die das Anodenmaterial durchdringen und in die Nähe des Kerns gelangen, werden abgelenkt und abgebremstdie Anziehungskraft des Atoms. Ihre während dieser Begegnung verlorene Energie erscheint als Röntgenphoton.

Spektrum

Nur wenige Photonen haben eine ähnliche Energie wie Elektronen. Die meisten von ihnen sind niedriger. Nehmen wir an, dass es einen Raum oder ein Feld um den Kern gibt, in dem die Elektronen eine "bremsende" Kraft erfahren. Dieses Feld kann in Zonen unterteilt werden. Dies verleiht dem Feld des Kerns das Aussehen eines Targets mit einem Atom in der Mitte. Ein Elektron, das auf einen beliebigen Punkt des Targets trifft, wird abgebremst und erzeugt ein Röntgenphoton. Partikel, die am nächsten zum Zentrum auftreffen, sind am stärksten betroffen und verlieren daher die meiste Energie, wodurch die Photonen mit der höchsten Energie erzeugt werden. Elektronen, die in die äußeren Zonen eintreten, erfahren schwächere Wechselwirkungen und erzeugen Quanten mit niedrigerer Energie. Obwohl die Zonen gleich breit sind, haben sie je nach Abstand zum Kern eine unterschiedliche Fläche. Da die Anzahl der Teilchen, die auf eine bestimmte Zone fallen, von ihrer Gesamtfläche abhängt, ist es offensichtlich, dass die äußeren Zonen mehr Elektronen einfangen und mehr Photonen erzeugen. Dieses Modell kann verwendet werden, um das Energiespektrum von Röntgenstrahlen vorherzusagen.

E_max Photonen des Hauptbremsstrahlungsspektrums entsprechen E_{max Elektronen. Unterhalb dieses Punktes nimmt ihre Anzahl mit abnehmender Photonenenergie zu.}

Eine beträchtliche Anzahl niederenergetischer Photonen wird absorbiert oder gefiltert, wenn sie versuchen, die Anodenoberfläche, das Röhrenfenster oder den Filter zu passieren. Die Filtration ist im Allgemeinen abhängig von der Zusammensetzung und Dicke des Materials, das durchlaufen wirdder Strahl durchläuft, was die endgültige Form der niederenergetischen Kurve des Spektrums bestimmt.

KV-Einfluss

Der hochenergetische Teil des Spektrums wird durch die Spannung in Röntgenröhren kV (Kilovolt) bestimmt. Dies liegt daran, dass es die Energie der Elektronen bestimmt, die die Anode erreichen, und Photonen können kein höheres Potential haben als dieses. Mit welcher Spannung arbeitet die Röntgenröhre? Die maximale Photonenenergie entspricht dem maximal angelegten Potential. Diese Spannung kann sich während der Belichtung aufgrund des Netzwechselstroms ändern. Dabei wird das E_max eines Photons bestimmt durch die Spitzenspannung der Schwingungsdauer KV_p.

Neben dem Quantenpotential bestimmt KV_p die Strahlungsmenge, die erzeugt wird, wenn eine bestimmte Anzahl von Elektronen auf die Anode trifft. Da der Gesamtwirkungsgrad der Bremsstrahlung durch eine Erhöhung der Energie der auftreffenden Elektronen zunimmt, die durch KV_p bestimmt wird, folgt daraus KV_{pbeeinflusst die Effizienz des Geräts.}

Verändern von KV_{p ändert normalerweise das Spektrum. Die Gesamtfläche unter der Energiekurve ist die Anzahl der Photonen. Ohne Filter ist das Spektrum ein Dreieck und die Strahlungsmenge ist proportional zum Quadrat von KV. In Gegenwart eines Filters erhöht eine Erhöhung des KV auch das Eindringen von Photonen, wodurch der Prozentsatz der gefilterten Strahlung verringert wird. Dies führt zu einer Erhöhung der Strahlungsleistung.}

Eigenstrahlung

Die Art der Interaktion, die das Merkmal erzeugtStrahlung, umfasst die Kollision von Hochgeschwindigkeitselektronen mit Orbitalelektronen. Eine Wechselwirkung kann nur stattfinden, wenn das ankommende Teilchen E_k größer als die Bindungsenergie im Atom hat. Wenn diese Bedingung erfüllt ist und es zu einer Kollision kommt, wird das Elektron ausgestoßen. In diesem Fall verbleibt eine Leerstelle, die durch ein Teilchen höheren Energieniveaus aufgefüllt wird. Wenn sich das Elektron bewegt, gibt es Energie ab, die in Form eines Röntgenquants emittiert wird. Dies wird als charakteristische Strahlung bezeichnet, da das E eines Photons eine Eigenschaft des chemischen Elements ist, aus dem die Anode besteht. Wenn beispielsweise ein Elektron aus dem K-Niveau von Wolfram mit E_bond=69,5 keV herausgeschlagen wird, wird die Leerstelle durch ein Elektron aus dem L-Niveau mit E _{aufgefüllt. Bindung=10, 2 keV. Das charakteristische Röntgenphoton hat eine Energie gleich der Differenz zwischen diesen beiden Niveaus oder 59,3 keV.}

Tatsächlich führt dieses Anodenmaterial zu einer Reihe charakteristischer Röntgenenergien. Dies liegt daran, dass Elektronen auf unterschiedlichen Energieniveaus (K, L usw.) durch den Beschuss mit Teilchen herausgeschlagen und Leerstellen aus unterschiedlichen Energieniveaus gefüllt werden können. Obwohl das Auffüllen von L-Level-Leerstellen Photonen erzeugt, sind ihre Energien zu niedrig, um in der diagnostischen Bildgebung verwendet zu werden. Jede charakteristische Energie erhält eine Bezeichnung, die das Orbital angibt, in dem sich die Leerstelle gebildet hat, mit einem Index, der die Quelle der Elektronenfüllung angibt. Index alpha (α) gibt die Besetzung eines Elektrons vom L-Niveau an, und beta (β) zeigt anBefüllung aus Ebene M oder N.

Spektrum von Wolfram. Die charakteristische Strahlung dieses Metalls erzeugt ein lineares Spektrum, das aus mehreren diskreten Energien besteht, während die Bremsstrahlung eine kontinuierliche Verteilung erzeugt. Die Anzahl der von jeder charakteristischen Energie erzeugten Photonen unterscheidet sich dadurch, dass die Wahrscheinlichkeit, eine Lücke im K-Niveau zu füllen, vom Orbital abhängt.

Spektrum von Molybdän. Anoden aus diesem Metall, die für die Mammographie verwendet werden, erzeugen zwei ziemlich intensive charakteristische Röntgenenergien: K-Alpha bei 17,9 keV und K-Beta bei 19,5 keV. Bei E_{ph=20 keV wird das optimale Spektrum von Röntgenröhren erreicht, mit dem bei mittelgroßen Brüsten die beste Balance zwischen Kontrast und Strahlendosis erreicht werden kann. Bremsstrahlung wird jedoch bei hohen Energien erzeugt. Mammographiegeräte verwenden einen Molybdänfilter, um den unerwünschten Teil des Spektrums zu entfernen. Der Filter arbeitet nach dem „K-Edge“-Prinzip. Es absorbiert Strahlung, die die Bindungsenergie von Elektronen am K-Niveau des Molybdänatoms übersteigt.}
Spektrum von Rhodium. Rhodium hat die Ordnungszahl 45, während Molybdän die Ordnungszahl 42 hat. Daher hat die charakteristische Röntgenemission einer Rhodiumanode eine etwas höhere Energie als die von Molybdän und ist durchdringender. Dies wird zur Bildgebung dichter Brüste verwendet.

Molybdän-Rhodium-Anoden mit zwei Oberflächen ermöglichen es dem Bediener, eine Verteilung auszuwählen, die für verschiedene Brustgrößen und -dichten optimiert ist.

Mit welcher Spannung arbeitet das Röntgen?eine Tube

Einfluss von KV auf das Spektrum

Der KV-Wert hat einen großen Einfluss auf die charakteristische Strahlung, da sie nicht erzeugt wird, wenn KV kleiner als die Energie der K-Niveau-Elektronen ist. Wenn KV diese Schwelle überschreitet, ist die Strahlungsmenge im Allgemeinen proportional zur Differenz zwischen Röhren-KV und Schwellen-KV.

Das Energiespektrum der aus dem Instrument austretenden Röntgenphotonen wird von mehreren Faktoren bestimmt. Sie besteht in der Regel aus Bremsstrahlung und charakteristischen Wechselwirkungsquanten.

Die relative Zusammensetzung des Spektrums ist abhängig von Anodenmaterial, KV und Filter. In einer Röhre mit Wolframanode entsteht bei KV< 69,5 keV keine charakteristische Strahlung. Bei höheren CV-Werten, die in diagnostischen Studien verwendet werden, erhöht die charakteristische Strahlung die Gesamtstrahlung um bis zu 25%. In Molybdän-Geräten kann es einen großen Teil der Gesamtgeneration ausmachen.

Effizienz

Nur ein kleiner Teil der von Elektronen abgegebenen Energie wird in Strahlung umgewandelt. Der Hauptteil wird aufgenommen und in Wärme umgewandelt. Die Strahlungseffizienz ist definiert als der Anteil der gesamten abgestrahlten Energie an der gesamten elektrischen Energie, die der Anode zugeführt wird. Die Faktoren, die den Wirkungsgrad einer Röntgenröhre bestimmen, sind die angelegte Spannung KV und die Ordnungszahl Z. Ein beispielhafter Zusammenhang lautet wie folgt:

Wirkungsgrad=KV x Z x 10-6.

Der Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad und KV hat einen besonderen Einfluss auf den praktischen Einsatz von Röntgengeräten. Aufgrund der Wärmeabgabe haben die Röhren eine gewisse Begrenzung der elektrischen Mengedie Energie, die sie abgeben können. Dadurch wird die Leistung des Geräts begrenzt. Mit zunehmendem KV nimmt jedoch die pro Wärmeeinheit erzeugte Strahlungsmenge erheblich zu.

Die Abhängigkeit der Effizienz der Röntgenstrahlenerzeugung von der Zusammensetzung der Anode ist nur von akademischem Interesse, da die meisten Geräte Wolfram verwenden. Eine Ausnahme bilden Molybdän und Rhodium, die in der Mammographie verwendet werden. Die Effizienz dieser Geräte ist aufgrund ihrer niedrigeren Ordnungszahl viel geringer als bei Wolfram.

Effizienz

Die Effizienz einer Röntgenröhre ist definiert als die Belichtungsmenge in Milliröntgen, die einem Punkt in der Mitte des nutzbaren Strahls in einem Abstand von 1 m vom Brennfleck pro 1 mAs zugeführt wird Elektronen, die durch das Gerät gehen. Sein Wert drückt die Fähigkeit des Geräts aus, die Energie geladener Teilchen in Röntgenstrahlen umzuwandeln. Ermöglicht die Bestimmung der Belichtung des Patienten und des Bildes. Wie die Effizienz hängt auch die Geräteeffizienz von einer Reihe von Faktoren ab, darunter KV, Spannungswellenform, Anodenmaterial und Oberflächenschäden, Filter und Nutzungsdauer.

KV-Steuerung

KV steuert effektiv den Ausgang der Röntgenröhre. Es wird allgemein angenommen, dass der Ausgang proportional zum Quadrat von KV ist. Die Verdoppelung von KV erhöht die Belichtung um das 4-fache.

Wellenform

Wellenform beschreibt die Art und Weise, wie sich KV im Laufe der Zeit während der Erzeugung ändertStrahlung aufgrund der zyklischen Natur der Stromversorgung. Es werden mehrere unterschiedliche Wellenformen verwendet. Generell gilt: Je weniger sich die KV-Form ändert, desto effizienter wird Röntgenstrahlung erzeugt. Moderne Geräte verwenden Generatoren mit einem relativ konstanten KV.

Röntgenröhren: Hersteller

Oxford Instruments produziert eine Vielzahl von Geräten, darunter Glasgeräte mit bis zu 250 W, 4-80 kV Potential, Brennfleck bis zu 10 Mikrometer und eine breite Palette von Anodenmaterialien, einschließlich Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian bietet über 400 verschiedene Arten von medizinischen und industriellen Röntgenröhren an. Weitere namhafte Hersteller sind Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, etc.

Röntgenröhren "Svetlana-Rentgen" werden in Russland hergestellt. Neben klassischen Geräten mit rotierender und feststehender Anode stellt das Unternehmen Geräte mit lichtstromgesteuerter K altkathode her. Die Vorteile des Geräts sind wie folgt: