Röntgenrör - X-ray tube

Ett röntgenrör är ett vakuumrör som omvandlar elektrisk ingångseffekt till röntgenstrålar . Tillgängligheten av denna kontrollerbara röntgenkälla skapade radiografifältet , avbildning av delvis ogenomskinliga föremål med penetrerande strålning . Till skillnad från andra källor för joniserande strålning produceras röntgen endast så länge röntgenröret är strömförande. Röntgenrör används också i CT-skannrar , flygplatsbagagescannrar, röntgenkristallografi , material- och strukturanalys och för industriell inspektion.

Ökande efterfrågan på högpresterande datortomografi (CT) scanning och angiografisystem har drivit utvecklingen av mycket högpresterande medicinska röntgenrör.

Coolidge röntgenrör, från omkring 1917. Den uppvärmda katoden är till vänster och anoden är rätt. Röntgenstrålarna avges nedåt.

Historia

Röntgenrör utvecklades från experimentella Crookes-rör med vilka röntgenstrålar först upptäcktes den 8 november 1895 av den tyska fysikern Wilhelm Conrad Röntgen . Dessa första generationens kalla katod- eller Crookes röntgenrör användes fram till 1920-talet. Den Crookes röret förbättrades genom William Coolidge 1913. Coolidge röret , även kallad heta katodröret , är den mest använda. Det fungerar med ett vakuum av mycket god kvalitet (ca 10 −4 Pa eller 10 −6 Torr).

Fram till slutet av 1980-talet var röntgengeneratorer bara högspänning, växelström till likström. I slutet av 1980-talet uppstod en annan kontrollmetod, kallad höghastighetsväxling. Detta följde elektroniktekniken för att byta strömförsörjning (aka switch mode power supply ), och möjliggjorde mer noggrann kontroll av röntgenenheten, resultat av högre kvalitet och minskade röntgenexponeringar.

Fysik

Spektrum av röntgenstrålar som sänds ut av ett röntgenrör med rodiummål som drivs vid 60 kV . Den släta, kontinuerliga kurvan beror på bremsstrahlung och spikarna är karakteristiska K-linjer för rodiumatomer.

Som med alla vakuumrör finns det en katod som avger elektroner i vakuumet och en anod för att samla elektronerna, vilket skapar ett flöde av elektrisk ström, känd som strålen , genom röret. En högspänningskälla , till exempel 30 till 150 kilovolt (kV), kallad rörspänning , är ansluten över katoden och anoden för att påskynda elektronerna. Den röntgenspektrumet beror på anodmaterialet och accelerationsspänningen.

Elektroner från katoden kolliderar med anodmaterialet, vanligtvis volfram , molybden eller koppar , och accelererar andra elektroner, joner och kärnor i anodmaterialet. Cirka 1% av den genererade energin emitteras / strålas, vanligtvis vinkelrätt mot elektronstrålens väg, som röntgenstrålar. Resten av energin släpps ut som värme. Med tiden kommer volfram att deponeras från målet på rörets inre yta, inklusive glasytan. Detta kommer långsamt att mörka röret och ansågs försämra röntgenstrålens kvalitet. Förångad volfram kondenseras på kuvertets insida över "fönstret" och fungerar därmed som ett extra filter och minskar rörens förmåga att utstråla värme. Så småningom kan volframavlagringen bli tillräckligt ledande att bågar uppträder vid tillräckligt höga spänningar. Bågen hoppar från katoden till volframavlagringen och sedan till anoden. Denna bågning orsakar en effekt som kallas " krackelering " på det inre glaset i röntgenfönstret. Med tiden går röret instabilt även vid lägre spänningar och måste bytas ut. Vid denna punkt avlägsnas rörenheten (även kallad "rörhuvudet") från röntgensystemet och ersätts med en ny rörenhet. Den gamla rörenheten levereras till ett företag som laddar om den med ett nytt röntgenrör.

Röntgenfotongenererande effekt kallas vanligtvis bremsstrahlung- effekten, en sammandragning av den tyska bremsen som betyder att bromsa och Strahlung betyder strålning .

Utbudet av fotoniska energier som emitteras av systemet kan justeras genom att ändra den applicerade spänningen och installera aluminiumfilter av olika tjocklek. Aluminiumfilter installeras i röntgenstrålens väg för att avlägsna "mjuk" (icke-penetrerande) strålning. Antalet utsända röntgenfotoner, eller dos, justeras genom att kontrollera strömflödet och exponeringstiden.

Värme släppt

Värme produceras i anodens brännpunkt. Eftersom en liten bråkdel (mindre än eller lika med 1%) av elektronenergin omvandlas till röntgen kan den ignoreras i värmeberäkningar. Mängden producerad värme (i Joule) i fokuspunkten ges av:

är vågformsfaktorn
= topp växelspänning (i volt)
= rörström (i mili ampere)
= exponeringstid (i sekunder)

Värmeenhet (HU) användes tidigare som ett alternativ till Joule. Det är en bekväm enhet när en enfas strömkälla är ansluten till röntgenröret. Med en helvågslikriktning av en sinusvåg , = , således värmeenheten:

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

Typer

Crookes rör (kallt katodrör)

Crookes röntgenrör från början av 1900-talet. Katoden är till höger, anoden är i mitten med fastsatt kylfläns till vänster. Elektroden vid klockan 10 är antikatoden. Enheten överst är en "mjukgörare" som används för att reglera gastrycket.

Crookes-rör genererade de elektroner som behövdes för att skapa röntgen genom jonisering av den återstående luften i röret, istället för en uppvärmd glödtråd , så de evakuerades delvis men inte helt . De bestod av en glasglödlampan med omkring 10 -6 till 5 x 10 -8 atmosfärstryck av luft (0,1 till 0,005 Pa ). De hade en aluminiumkatodplattan vid en ände av röret, och en platina anod mål vid den andra änden. Anodytan var vinklad så att röntgenstrålarna skulle stråla genom rörets sida. Katoden var konkav så att elektronerna fokuserades på en liten (~ 1 mm) fläck på anoden, vilket ungefär en punktkälla för röntgenstrålar, vilket resulterade i skarpare bilder. Röret hade en tredje elektrod, en antikatod ansluten till anoden. Det förbättrade röntgenutgången, men metoden med vilken den uppnådde detta förstås inte. Ett vanligare arrangemang använde en kopparplatta-antikatod (liknande katoden i konstruktion) i linje med anoden så att anoden var mellan katoden och antikatoden.

Att fungera, en DC- spänning på några kilovolt till så mycket som 100 kV applicerades mellan anoderna och katoden, vanligtvis genereras av en induktionsspole , eller för större rör, en elektrostatisk maskin .

Crookes rör var opålitliga. När tiden gick skulle den kvarvarande luften absorberas av rörets väggar och minska trycket. Detta ökade spänningen över röret och genererade '' hårdare '' röntgenstrålar tills röret slutligen slutade fungera. För att förhindra detta användes "mjukgörande enheter" (se bild). Ett litet rör fäst vid sidan av huvudröret innehöll en glimmerhylsa eller kemikalie som släppte ut en liten mängd gas vid uppvärmning för att återställa rätt tryck.

Rörets glaskuvert skulle svarta vid användning på grund av röntgenstrålar som påverkar dess struktur.

Coolidge-rör (varm katodrör)

Coolidge sidofönsterrör (schema)
  • C: glödtråd / katod (-)
  • A: anod (+)
  • W in och W out : vatteninlopp och utlopp från kylanordningen

I Coolidge röret, elektronerna som produceras av termojonisk effekt från en volframglödtråd värms upp av en elektrisk ström. Filamentet är rörets katod. Högspänningspotentialen är mellan katoden och anoden, elektronerna accelereras sålunda och träffar sedan anoden.

Det finns två utföranden: rör med ändfönster och sidorutor. Ändfönsterrören har vanligtvis "överföringsmål" som är tillräckligt tunna för att röntgenstrålar ska passera genom målet (röntgenstrålar avges i samma riktning som elektronerna rör sig.) I en vanlig typ av ändfönsterrör, glödtråden är runt anoden ("ringformad" eller ringformad), elektronerna har en böjd bana (hälften av en toroid).

Det som är speciellt med sidorutor är en elektrostatisk lins som används för att fokusera strålen på en mycket liten plats på anoden. Anoden är speciellt utformad för att sprida värmen och slitage som härrör från denna intensiva fokuserade spärr av elektroner. Anoden är exakt vinklad 1-20 grader från vinkelrätt mot elektronströmmen för att möjliggöra utsläpp av några av röntgenfotonerna som emitteras vinkelrätt mot elektronströmens riktning. Anoden är vanligtvis gjord av volfram eller molybden. Röret har ett fönster utformat för att fly från genererade röntgenfotoner.

Kraften hos ett Coolidge-rör varierar vanligtvis från 0,1 till 18 kW .

Roterande anodrör

Förenklad schematisk roterande anodrör
  • A: Anod
  • C: katod
  • T: Anodmål
  • W: röntgenfönster
typiskt roterande röntgenrör

En betydande mängd värme genereras i fokuspunkten (området där elektronstrålen som kommer från katoden slår till) i en stationär anod. Snarare låter en roterande anod elektronstrålen svepa över ett större område av anoden, vilket löser ut fördelen med en högre intensitet av utsänd strålning, tillsammans med minskad skada på anoden jämfört med dess stationära tillstånd.

Fokuspunktstemperaturen kan nå 2500 ° C (4530 ° F) under en exponering, och anodenheten kan nå 1000 ° C (1830 ° F) efter en serie stora exponeringar. Typiska anoder är ett volfram-reniummål på en molybdenkärna, bakad med grafit. Den renium gör volfram segare och motståndskraftig mot slitage från inverkan av elektronstrålarna. De molybden leder värme från målet. Den grafit ger termisk lagring för anoden, och minimerar den roterande massan av anoden.

Röntgenrör med mikrofokus

Vissa röntgenundersökningar (som t.ex. icke-destruktiv testning och 3D-mikrotomografi ) behöver mycket högupplösta bilder och kräver därför röntgenrör som kan generera mycket små fokalpunktsstorlekar, vanligtvis under 50 mikrometer i diameter. Dessa rör kallas mikrofokusröntgenrör.

Det finns två grundläggande typer av mikrofokusröntgenrör: massiva anodrör och metall-jet-anodrör.

Solid-anod mikrofokusröntgenrör liknar i princip mycket Coolidge-röret, men med den viktiga åtskillnaden har man tagit hänsyn till att kunna fokusera elektronstrålen till en mycket liten plats på anoden. Många röntgenkällor med mikrofokus arbetar med fokusfläckar i intervallet 5-20 μm, men i extrema fall kan fläckar som är mindre än 1 μm produceras.

Den största nackdelen med röntgenrör med massivt anodmikrofokus är den mycket låga effekten de arbetar på. För att undvika smältning av anoden måste elektronstrålens effekttäthet vara under ett maximalt värde. Detta värde ligger någonstans i intervallet 0,4-0,8 W / μm beroende på anodmaterialet. Detta innebär att en solid-anod mikrofokus källa med en 10 μm elektronstråle fokus kan fungera med en effekt i intervallet 4-8 W.

I metallstråle-anod mikrofokusröntgenrör ersätts den fasta metallanoden med en stråle av flytande metall, som fungerar som elektronstrålmålet. Fördelen med metal-jet-anoden är att den maximala densiteten för elektronstrålen ökas avsevärt. Värden i intervallet 3-6 W / μm har rapporterats för olika anodmaterial (gallium och tenn). I fallet med en 10 μm elektronstrålefokus kan en metal-jet-anod mikrofokus röntgenkälla fungera vid 30-60 W.

Den största fördelen med den ökade effekttätheten för metallstråleröntgenröret är möjligheten att arbeta med en mindre fokuspunkt, säg 5 μm, för att öka bildupplösningen och samtidigt skaffa bilden snabbare, eftersom effekten är högre (15-30 W) än för massiva anodrör med 10 μm fokalfläckar.

Risker med röntgenproduktion från vakuumrör

Två högspänningslikriktarrör som kan producera röntgen

Varje vakuumrör som arbetar vid flera tusen volt eller mer kan producera röntgen som en oönskad biprodukt, vilket väcker säkerhetsproblem. Ju högre spänning, desto mer penetrerande strålning och desto mer fara. CRT- skärmar, en gång vanliga i färg-TV-apparater och datorskärmar, fungerar vid 3-40 kilovolt , vilket gör dem till det största problemet bland hushållsmaskiner. Historiskt har oro fokuserat mindre på katodstråleröret , eftersom dess tjocka glashölje är impregnerat med flera pounds av bly för skärmning, än på högspänning (HV) likriktare och spänningsregulatorrören inuti. I slutet av 1960-talet konstaterades att ett fel i HV-försörjningskretsen hos vissa General Electric- TV-apparater kunde lämna överdrivna spänningar på regulatorröret och orsaka att det avger röntgenstrålning. Modellerna återkallades och den efterföljande skandalen orsakade den amerikanska myndigheten som ansvarar för att reglera denna fara, Center for Devices and Radiological Health of the Food and Drug Administration (FDA), att kräva att alla TV-apparater innehåller kretsar för att förhindra alltför stora spänningar i händelse av fel. Faren i samband med alltför stora spänningar eliminerades med tillkomsten av hel- solid- TV - apparater, som inte har några andra rör än CRT. Sedan 1969 har FDA begränsat tv-röntgenutsläpp till 0,5 mR ( milliroentgen ) per timme. Med övergången från CRT till andra skärmteknologier med början på 1990-talet finns det inga vakuumrör som kan avge röntgen alls.

Se även

Patent

Referenser

externa länkar