röntgen tüpü - X-ray tube

Bir X-ışını tüpü bir olan vakum tüpü içine dönüştürür elektrik giriş gücü olduğu X-ışınları . Bu kontrol edilebilir X-ışınları kaynağının mevcudiyeti, kısmen opak nesnelerin nüfuz eden radyasyonla görüntülenmesi olan radyografi alanını yarattı . Diğer iyonlaştırıcı radyasyon kaynaklarının aksine, X-ışınları yalnızca X-ışını tüpüne enerji verildiği sürece üretilir. X-ray tüpleri ayrıca CT tarayıcılarında , havaalanı bagaj tarayıcılarında, X-ray kristalografisinde , malzeme ve yapı analizinde ve endüstriyel incelemede kullanılır.

Yüksek performanslı Bilgisayarlı tomografi (CT) tarama ve anjiyografi sistemlerine yönelik artan talep , çok yüksek performanslı tıbbi X-ray tüplerinin geliştirilmesine yol açmıştır.

Coolidge X-ray tüpü, yaklaşık 1917'den. Isıtılmış katot solda ve anot sağda. X-ışınları aşağı doğru yayılır.

Tarih

X-ışını tüpleri, X-ışınlarının ilk olarak 8 Kasım 1895'te Alman fizikçi Wilhelm Conrad Röntgen tarafından keşfedildiği deneysel Crookes tüplerinden evrimleşmiştir . Bu birinci nesil soğuk katot veya Crookes X-ışını tüpleri 1920'lere kadar kullanıldı. Crookes tüpü tarafından geliştirilen , William Coolidge 1913 İn Coolidge tüpü olarak da adlandırılan, sıcak katot tüpü , en yaygın olarak kullanılmaktadır. Çok kaliteli bir vakumla çalışır (yaklaşık 10 −4 Pa veya 10 −6 Torr).

1980'lerin sonlarına kadar, X-ışını jeneratörleri yalnızca yüksek voltajlı, AC'den DC'ye değişken güç kaynaklarıydı. 1980'lerin sonlarında, yüksek hızlı anahtarlama adı verilen farklı bir kontrol yöntemi ortaya çıkıyordu. Bu, güç kaynakları arasında geçiş yapan elektronik teknolojisini ( anahtar modu güç kaynağı olarak da bilinir) izledi ve X-ray ünitesinin daha hassas kontrolüne, daha yüksek kaliteli sonuçlara ve azaltılmış X-ışını maruziyetine izin verdi.

Fizik

60 kV'da çalıştırılan, rodyum hedefli bir X-ışını tüpünün yaydığı X-ışınlarının spektrumu . Pürüzsüz, sürekli eğri, bremsstrahlung'dan kaynaklanır ve sivri uçlar, rodyum atomları için karakteristik K çizgileridir .

Herhangi bir vakum tüpünde olduğu gibi , elektronları vakuma yayan bir katot ve elektronları toplamak için bir anot vardır , böylece tüp boyunca ışın olarak bilinen bir elektrik akımı akışı oluşturur . Tüp voltajı olarak adlandırılan örneğin 30 ila 150 kilovolt (kV) gibi yüksek voltajlı bir güç kaynağı, elektronları hızlandırmak için katot ve anot boyunca bağlanır. X-ışını spektrumu, anot malzemesi ve hızlandırma gerilimi bağlıdır.

Katottan gelen elektronlar, genellikle tungsten , molibden veya bakır olmak üzere anot malzemesiyle çarpışır ve anot malzemesi içindeki diğer elektronları, iyonları ve çekirdekleri hızlandırır. Üretilen enerjinin yaklaşık %1'i, genellikle elektron demetinin yoluna dik olarak X-ışınları olarak yayılır/yayılır. Enerjinin geri kalanı ısı olarak açığa çıkar. Zamanla, tungsten hedeften cam yüzey de dahil olmak üzere tüpün iç yüzeyine birikecektir. Bunun tüpü yavaşça karartacağı ve X-ışını ışınının kalitesini düşüreceği düşünüldü. Buharlaşmış tungsten, zarfın içinde "pencere" üzerinde yoğunlaşır ve böylece ek bir filtre görevi görür ve boruların ısı yayma kabiliyetini azaltır. Sonunda, tungsten tortusu yeterince iletken hale gelebilir ve yeterince yüksek voltajlarda ark meydana gelir. Ark, katottan tungsten tortusuna ve ardından anoda atlayacaktır. Bu ark , X-ray penceresinin iç camında " çılgınlık " adı verilen bir etkiye neden olur . Zaman geçtikçe tüp daha düşük voltajlarda bile kararsız hale gelir ve değiştirilmesi gerekir. Bu noktada, tüp tertibatı ("tüp başlığı" olarak da adlandırılır) X-ray sisteminden çıkarılır ve yeni bir tüp tertibatı ile değiştirilir. Eski tüp düzeneği, yeni bir X-ray tüpü ile yeniden yükleyen bir şirkete gönderilir.

X ışını foton üreten etkisi, genel olarak adlandırılır ışınlanan etkisi, Alman bir daralma Bremsen fren anlam ve Strahlung anlamına radyasyon .

Sistem tarafından yayılan fotonik enerjilerin aralığı, uygulanan voltaj değiştirilerek ve farklı kalınlıklarda alüminyum filtreler takılarak ayarlanabilir. "Yumuşak" (nüfuz etmeyen) radyasyonu gidermek için X-ışını demetinin yoluna alüminyum filtreler yerleştirilmiştir. Yayılan X-ışını fotonlarının sayısı veya dozu, mevcut akış ve maruz kalma süresi kontrol edilerek ayarlanır.

Isı Yayımlandı

Anotun odak noktasında ısı üretilir. Elektron enerjisinin küçük bir kısmı (%1'e eşit veya daha az) X ışınlarına dönüştürüldüğünden, ısı hesaplamalarında göz ardı edilebilir. Odak noktasında üretilen ısı miktarı (Joule cinsinden) şu şekilde verilir:

varlık dalga faktörü
= tepe AC voltajı (Volt cinsinden)
= tüp akımı (mili Amper olarak)
= maruz kalma süresi (saniye cinsinden)

Isı Birimi (HU) geçmişte Joule'ye alternatif olarak kullanılıyordu. X-ray tüpüne tek fazlı bir güç kaynağı bağlandığında uygun bir ünitedir. Bir sinüs dalgası , = ' nin tam dalga düzeltmesi ile , böylece ısı birimi:

1 HU = 0.707 J
1,4 HU = 1 J

Türler

Crookes tüpü (soğuk katot tüpü)

1900'lerin başlarından Crookes X-ray tüpü. Katot sağda, anot solda bağlı ısı emici ile ortada. Saat 10 konumundaki elektrot, antikatottur. Üstteki cihaz, gaz basıncını düzenlemek için kullanılan bir 'yumuşatıcı'dır.

Crookes tüpleri , ısıtılmış bir filament yerine tüpte kalan havanın iyonlaşmasıyla X-ışınları oluşturmak için gereken elektronları üretti , bu nedenle kısmen ama tamamen tahliye edilmediler . Bir oluşuyordu cam yaklaşık 10 ile ampul -6 10 x 5 -8 atmosferik basınç arasında hava (0.1 0.005 Pa ). Tüpün bir ucunda bir alüminyum katot plakası ve diğer ucunda bir platin anot hedefi vardı. Anot yüzeyi, X-ışınlarının tüpün yanından yayılacağı şekilde açılıdır. Katot içbükeydir, böylece elektronlar anot üzerinde küçük (~1 mm) bir noktaya odaklanmış, X-ışınlarının bir nokta kaynağına yaklaşmış, bu da daha keskin görüntülerle sonuçlanmıştır. Tüpün üçüncü bir elektrotu vardı, anoda bağlı bir antikatot. X-ışını çıktısını iyileştirdi, ancak bunu nasıl başardığı anlaşılamadı. Daha yaygın bir düzenleme, anot ile aynı hizada bir bakır plaka antikatotu (yapısal olarak katoda benzer) kullandı, öyle ki anot, katot ile antikatot arasındaydı.

Çalıştırmak için , anotlar ve katot arasına, genellikle bir indüksiyon bobini tarafından veya daha büyük tüpler için bir elektrostatik makine tarafından üretilen, birkaç kilovolt ila 100 kV'a kadar bir DC voltajı uygulandı .

Crookes tüpleri güvenilmezdi. Zaman geçtikçe, kalan hava tüpün duvarları tarafından emilecek ve basıncı azaltacaktır. Bu, tüp boyunca voltajı artırdı ve sonunda tüp çalışmayı durdurana kadar 'daha sert' X-ışınları üretti. Bunu önlemek için 'yumuşatıcı' cihazlar kullanıldı (resme bakın). Ana tüpün yanına takılan küçük bir tüp, ısıtıldığında az miktarda gaz açığa çıkaran ve doğru basıncı geri getiren bir mika kovanı veya kimyasal içeriyordu.

Tüpün cam zarfı, yapısını etkileyen X-ışınları nedeniyle kullanımda kararır.

Coolidge tüpü (sıcak katot tüpü)

Coolidge yan pencere borusu (şema)
  • C: filament/katot (-)
  • A: anot (+)
  • W girişi ve W çıkışı : Soğutma cihazının su girişi ve çıkışı

Coolidge tüpünde elektronlar, bir elektrik akımıyla ısıtılan bir tungsten filamandan termiyonik etki ile üretilir . Filament, tüpün katodudur. Yüksek voltaj potansiyeli katot ile anot arasındadır, elektronlar bu şekilde hızlandırılır ve ardından anoda çarpar.

İki tasarım vardır: uç pencere tüpleri ve yan pencere tüpleri. Uç pencere tüpleri genellikle, X-ışınlarının hedeften geçmesine izin verecek kadar ince olan "iletim hedefine" sahiptir (X-ışınları, elektronların hareket ettiği yönde yayılır.) Yaygın bir uç pencere tüpü tipinde, filament anot etrafındadır ("dairesel" veya halka şeklinde), elektronların kavisli bir yolu vardır (bir toroidin yarısı).

Yan pencere tüplerinin özelliği , ışını anot üzerinde çok küçük bir noktaya odaklamak için kullanılan elektrostatik bir lenstir . Anot, bu yoğun odaklanmış elektron barajından kaynaklanan ısıyı ve aşınmayı dağıtmak için özel olarak tasarlanmıştır. Anot, elektron akımının yönüne dik olarak yayılan bazı X-ışını fotonlarının kaçmasına izin vermek için elektron akımına dik olarak 1-20 derecelik açıyla tam olarak açılıdır. Anot genellikle tungsten veya molibdenden yapılır. Tüp, üretilen X-ışını fotonlarının kaçması için tasarlanmış bir pencereye sahiptir.

Coolidge tüpünün gücü genellikle 0,1 ila 18 kW arasında değişir .

Dönen anot tüpü

Basitleştirilmiş döner anot tüp şeması
  • A: anot
  • C: katot
  • T: Anot hedefi
  • W: Röntgen penceresi
tipik dönen anotlu X-ışını tüpü

Sabit bir anodun odak noktasında (katottan gelen elektron demetinin çarptığı alan) önemli miktarda ısı üretilir. Bunun yerine, dönen bir anot, elektron ışınının anotun daha geniş bir alanını taramasını sağlar, böylece daha yüksek bir yayılan radyasyon yoğunluğunun avantajından yararlanır ve anotta durağan duruma kıyasla daha az hasar verir.

Bir pozlama sırasında odak noktası sıcaklığı 2.500 °C'ye (4,530 °F) ulaşabilir ve bir dizi büyük pozlamanın ardından anot tertibatı 1.000 °C'ye (1.830 °F) ulaşabilir. Tipik anotlar, grafit ile desteklenen bir molibden çekirdek üzerinde bir tungsten-renyum hedefidir. Renyum yapar tungsten elektron ışınları etkisinden aşınmaya daha yumuşak ve dayanıklıdır. Molibden davranışlarda hedeften ısıtın. Grafit anod termal muhafazası temin eden, ve anodun dönen kütlenin en aza indirir.

Mikrofokus X-ışını tüpü

Bazı X-ışını incelemeleri (örneğin, tahribatsız muayene ve 3-D mikrotomografi gibi ) çok yüksek çözünürlüklü görüntülere ihtiyaç duyar ve bu nedenle, tipik olarak çapı 50 µm'nin altında olan çok küçük odak noktası boyutları oluşturabilen X-ışını tüpleri gerektirir. Bu tüplere mikro odaklı X-ışını tüpleri denir.

İki temel mikrofokus X-ışını tüpü türü vardır: katı anot tüpleri ve metal jet anot tüpleri.

Katı anotlu mikro odaklı X-ışını tüpleri prensipte Coolidge tüpüne çok benzer, ancak önemli bir ayrımla, elektron ışınını anot üzerinde çok küçük bir noktaya odaklayabilmek için özen gösterilmiştir. Birçok mikro odaklı X-ışını kaynağı, 5-20 μm aralığında odak noktalarıyla çalışır, ancak aşırı durumlarda 1 μm'den daha küçük noktalar üretilebilir.

Katı anotlu mikro odaklı X-ışını tüplerinin en büyük dezavantajı, çalıştıkları çok düşük güçtür. Anotun erimesini önlemek için elektron ışını güç yoğunluğu maksimum değerin altında olmalıdır. Bu değer, anot malzemesine bağlı olarak 0,4-0,8 W/μm aralığında bir yerdedir. Bu, 10 μm elektron ışını odaklı bir katı anot mikro odak kaynağının 4-8 W aralığında bir güçte çalışabileceği anlamına gelir.

Olarak , metal püskürtme anot mikrofokus X-ışını tüpleri dayanıklı metal anot elektron ışını hedefi olarak hareket sıvı metalin bir jet ile değiştirilir. Metal jet anotunun avantajı, maksimum elektron ışını güç yoğunluğunun önemli ölçüde artmasıdır. Farklı anot malzemeleri (galyum ve kalay) için 3-6 W/μm aralığında değerler bildirilmiştir. 10 μm elektron ışını odaklama durumunda, metal jet anot mikro odak X-ışını kaynağı 30-60 W'da çalışabilir.

Metal jet X-ışını tüpü için artan güç yoğunluğu seviyesinin en büyük yararı, görüntü çözünürlüğünü artırmak ve aynı zamanda görüntüyü daha hızlı elde etmek için 5 μm gibi daha küçük bir odak noktası ile çalışma olasılığıdır. 10 μm odak noktalı katı anot tüplerinden daha yüksektir (15-30 W).

Vakum tüplerinden X-ışını üretiminin tehlikeleri

X-ışınları üretebilen iki yüksek Voltaj doğrultucu tüp

Birkaç bin volt veya üzerinde çalışan herhangi bir vakum tüpü , istenmeyen bir yan ürün olarak X-ışınları üretebilir ve bu da güvenlik sorunlarına neden olabilir. Voltaj ne kadar yüksek olursa, ortaya çıkan radyasyon o kadar fazla nüfuz eder ve tehlike o kadar fazla olur. CRT ekranlar, renk televizyonlar ve bilgisayar ekranları içinde ortak bir kez çalışmasına 3-40 kilovolt , onlara ev aletleri arasında ana endişe yapım. Tarihsel olarak, endişeler katot ışın tüpüne daha az odaklanmıştır , çünkü kalın cam zarfı, içindeki yüksek voltajlı (HV) doğrultucu ve voltaj regülatör tüplerinden ziyade, koruma için birkaç pound kurşun ile emprenye edilmiştir . 1960'ların sonlarında, bazı General Electric TV'lerin HV besleme devresindeki bir arızanın , regülatör tüpünde aşırı voltaj bırakarak X-ışınları yaymasına neden olabileceği bulundu. Modeller geri çağrıldı ve ardından gelen skandal, bu tehlikeyi düzenlemekten sorumlu ABD ajansının , Gıda ve İlaç İdaresi Cihazlar ve Radyolojik Sağlık Merkezi'nin (FDA), herhangi bir durumda aşırı voltajı önlemek için tüm TV'lerde devreler içermesini zorunlu kılmasına neden oldu. arıza. Aşırı voltajlarla ilişkili tehlike, CRT'den başka tüpü olmayan tamamen katı hal TV'lerin ortaya çıkmasıyla ortadan kaldırıldı . 1969'dan beri FDA, TV X-ışını emisyonunu saatte 0,5 mR ( miliroentgen ) ile sınırlandırmıştır . 1990'larda başlayan CRT'lerden diğer ekran teknolojilerine geçişle birlikte, X-ışınları yayan vakumlu tüpler hiç kalmadı.

Ayrıca bakınız

Patentler

Referanslar

Dış bağlantılar