Меню

Анодное напряжение рентгеновской трубки равно

Анодное напряжение рентгеновской трубки равно

Генератором рентгеновых лучей является рентгеновская трубка. Современная электронная трубка конструируется по единому принципу и имеет следующее устройство. Основой является стеклянная колба в виде шара или цилиндра, в концевые отделы которой впаяны электроды: анод и катод. В трубке создается вакуум, что способствует вылету электронов из катода и быстрейшему их перемещению.

Катод представляет собой спираль из вольфрамовой (тугоплавкой) нити, которая укрепляется на молибденовых стержнях и помещается в металлический колпак, направляющий поток электронов в виде узкого пучка в сторону анода.
Анод делается из меди (быстрее отдает тепло и сравнительно легко охлаждается), имеет массивные размеры. Конец, обращенный к катоду, косо срезается под углом 45—70°. В центральной части скошенного анода имеется вольфрамовая пластинка, на которой находится фокус анода — участок 10—15 мм2, где в основном и образуются рентгеновы лучи.

Процесс образования рентгеновых лучей. Нить накала рентгеновской трубки — вольфрамовая спираль катода при подведении к ней тока низкого напряжения (4—15 В, 3—5А) накаливается, образуя свободные электроны вокруг нити. Включение тока высокого напряжения создает на полюсах рентгеновской трубки разность потенциалов, в результате чего свободные электроны с большой скоростью устремляются к аноду в виде потока электронов — катодных лучей, которые, попав на фокус анода, резко тормозятся, вследствие чего часть кинетической энергии электронов превращается в энергию электромагнитных колебаний с очень малой длиной волны. Это и будет рентгеновское излучение (лучи торможения).

По желанию врача и техника можно регулировать как количество рентгеновых лучей (интенсивность), так и качество их (жесткость). Повышая степень накала вольфрамовой нити катода можно добиться увеличения количества электронов, что обусловливает интенсивность рентгеновых лучей. Повышение напряжения, подаваемого к полюсам трубки, ведет к увеличению скорости полета электронов, что является основой проникающего качества лучей.

Выше уже было отмечено, что фокус рентгеновской трубки — это тот участок на аноде, куда попадают электроны и где генерируются рентгеновы лучи. Величина фокуса влияет на качество рентгеновского изображения: чем меньше фокус, тем резче и структурней рисунок и наоборот, чем он больше, тем более расплывчатым становится изображение исследуемого объекта.

Практикой доказано, чем острее фокус, тем быстрее трубка приходит в негодность — происходит расплавление вольфрамовой пластинки анода. Поэтому в современных аппаратах трубки конструируются с несколькими фокусами: малым и большим, или линейным в виде узкой полосы с коррекцией угла скошенности анода в 71°, что позволяет получать оптимальную резкость изображения при наибольшей электрической нагрузке на анод.

Удачной конструкцией рентгеновской трубки является генератор с вращающимся анодом, что позволяет делать фокус незначительных размеров и удлинить тем самым срок эксплуатации аппарата.

Из потока катодных лучей только около 1% энергии превращается в рентгеновы лучи, остальная энергия переходит в тепло, что приводит к перегреванию анода. Для целей охлаждения анода используются различные способы: водяное охлаждение, калорифер-но-воздушное, масляное охлаждение под давлением и комбинированные способы.

Рентгеновская трубка помещается в специальный просвинцованный футляр или кожух с отверстием для выхода рентгеновского излучения из анода трубки. На пути выхода рентгеновского излучения из трубки устанавливаются фильтры из различных металлов, которые отсеивают мягкие лучи и делают более однородным излучение рентгеновского аппарата.

Во многих конструкциях рентгеновских аппаратов в футляр наливается трансформаторное масло, которое со всех сторон обтекает рентгеновскую трубку. Все это: металлический футляр, масло, фильтры экранируют персонал кабинета и больных от воздействия рентгеновского облучения.

Источник

Рентгеновская трубка: принцип работы

Рентгеновская трубка – это электровакуумный прибор, генерирующий рентгеновское излучение. Сфера использования рентгеновских трубок:

  • медицинская (диагностика заболеваний с помощью рентгенографии, рентгеноскопии, маммографии и компьютерной томографии, лучевая терапия при некоторых разновидностях опухолей);
  • промышленная (материаловедение, определение химического строения вещества, дефектоскопия, обеспечение безопасности в аэропортах и т.п.)

Как устроена рентгеновская трубка?

Современные трубки имеют следующее устройство: внутри стеклянной колбы с вакуумом впаяны электроды – катод и анод. Они находятся напротив друг друга.

Катод представляет собой спираль из вольфрамовой нити. При подаче на нее тока катод начинает испускать поток электронов, который ускоряется и двигается в сторону анода за счет разности потенциалов между ними. Процесс отрыва электронов с катода называется электронной эмиссией.

Анод действует как мишень для электронов. Попадая на анод, электроны резко тормозятся, и большая часть их кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию, а наименьшая часть (около 1%) – в рентгеновское излучение. Оно направлено перпендикулярно оси движению электронов – за счет скошенной поверхности анода.

Читайте также:  В системе си напряжение может измеряться в

Для материала анода подбирается тугоплавкий сплав, который, с одной стороны, быстро рассеивает тепло, с другой стороны – максимально эффективно преобразует энергию в рентгеновское излучение. Чаще всего – используется вольфрам, который имеет высокую температуру плавления и сохраняет свою прочность при нагреве.

Участок анода, куда попадают электроны, называется фокусным* пятном. От его размера зависит качество получаемых изображений – чем он меньше, тем резче получается рисунок. Обратной стороной является более быстрое повреждение анода. Чтобы избежать этого, рентгеновские трубки снабжают вращающимся анодом и конструируют с двумя фокусами – большим и малым.

Так как очень большое количество энергии преобразуется в нежелательное тепло, то рентгеновскую трубку снабжают системой охлаждения – водным, воздушным или масляным.

Рентгеновская трубка: принцип работы

Трубки для медицинских рентгеновских аппаратов поставляются с различными характеристиками. При этом трубки для разных видов диагностики и для терапии будут иметь разные показатели.

Путем изменения электрических параметров (напряжение, ток трубки) и времени воздействия можно менять количество и качество рентгеновского излучения, добиваясь тем самым необходимого воздействия на биологические ткани или требуемого качества получаемых изображений.

Например, рентген трубки, используемые для диагностических целей, работают при максимальном напряжении до 150 кВ, а для терапевтических – до 400 кВ. Фокусное пятно трубок для маммографии меньше, чем у трубок для рентгеновских аппаратов.

Большое значение имеют оптические характеристики трубки – размер фокусного пятна определяет разрешающую способность получаемых снимков. При его уменьшении возникает ограничение на максимальную мощность трубки: даже при использовании в качестве мишени анода очень тугоплавкого вольфрама при площади фокуса 1 кв. мм и односекундной экспозиции рассеяться без повреждений анода может не более 200 Вт.

Для продления срока службы анода в практической рентгенографии используют специальные таблицы и графики зависимости размера фокусного пятна, времени экспозиции и мощности, подаваемой на трубку.

*Фокусное пятно – распространенный перевод термина «focal spot» в отечественной литературе. Но более правильным является употребление термина – фокальное пятно.

Источник

Рентгеновская трубка

Рентгеновская трубка специальная электронная трубка используется для генерации рентгеновских лучей . В простейшей форме он состоит из катода и анода , на которые попадают электроны, ускоряемые катодом под высоким напряжением . Электроды самых первых рентгеновских трубок были расплавлены в частично вакуумированный стеклянный сосуд, часто в форме удлиненной трубки — отсюда и название «компонентная трубка» . Он был назван в честь первооткрывателя радиации, немецкого физика Вильгельма Конрада Рентгена . Современные высокоэффективные лампы имеют прочный металлокерамический корпус с высокой степенью вакуумирования.

оглавление

функция

В катодном эмитирует электроны , которые в электрическом поле приложенных высокого напряжения (25-600 кВ) в направлении анода ускоряет быть. Там они ударяются о материал анода и при замедлении генерируют три различных типа излучения: характеристическое рентгеновское излучение , тормозное излучение и излучение лилиевого поля (форма переходного излучения ).

В случае высокопроизводительных трубок, таких как те, которые используются в компьютерной томографии (КТ) и ангиографии , вакуумный контейнер сделан из металла, который может выдерживать гораздо более высокие температуры. Со временем в рентгеновские трубки также были внесены технические усовершенствования, но это не изменило принцип генерации рентгеновских лучей.

Дискретные или характеристические рентгеновские лучи

В то время как в источниках видимого света участвуют только электроны внешней оболочки атомов, высокоэнергетические электроны, ускоренные в рентгеновской трубке на аноде, также выбивают электроны из самых внутренних оболочек атомов материала анода. Либо электроны с более высоких энергетических уровней, либо свободные электроны «прыгают» в эти зазоры. Поскольку энергии связи самых внутренних электронных уровней очень велики, нет видимого света, но есть характерное рентгеновское излучение с типичными для материала дискретными энергиями квантов или длинами волн. Энергия, выделяемая в процессе, соответствует разнице между энергией связи, например, K-оболочки и более энергичной N-оболочки . Конечно, также возможны все другие дискретные квантовые энергии, например, энергии между оболочками K и L , между оболочками M и K, оболочками M и L или, как уже упоминалось, также от «свободных» электронов к K или L-Пилу.

Читайте также:  Что такое преобразователь частоты напряжения

Однако, за исключением маммографии и анализа кристаллов , это дискретное или характерное рентгеновское излучение с соответствующими энергиями квантов и, следовательно, длинами волн не используется или используется лишь в небольшой степени для генерации изображений во время рентгеновской рентгеноскопии.

В маммографии используется анодная пластина из молибдена с соответствующими фильтрами, так что в этом случае K-излучение молибдена используется для поглощения молочной железы . Дискретные длины волн также необходимы для анализа кристаллической структуры . За исключением этих исключений, только тормозное рентгеновское излучение используется для создания изображений в медицине и тестировании материалов .

Электроны во внутренних оболочках могут быть выбиты из атома не только внешними ударами, например, в рентгеновской трубке, но и в процессе внутреннего преобразования .

Тормозное излучение

Рентгеновские лучи производятся в обычных рентгеновских трубках, например, для медицинской диагностики, за счет ускорения и замедления электронов, когда они рассеиваются на положительно заряженных атомных ядрах анода. Поэтому на международном языке это излучение также называется тормозным излучением. Любой ускоренный электрический заряд (включая замедление) генерирует электромагнитное излучение. Длина волны излучения зависит от силы ускорения. Сплошной рентгеновский спектр зависит от ускоряющего напряжения между катодом и анодом. С точки зрения квантовой механики, самая короткая длина волны и, следовательно, самая высокая энергия рентгеновских фотонов определяется энергией электронов, ударяющихся об анод. Некоторым электронам удается отдать всю свою кинетическую энергию отдельным фотонам за счет жесткого рассеяния. Эта так называемая предельная энергия Дуэйна-Ханта зависит не от материала анода, а исключительно от кинетической энергии электронов. Напряжение трубки определяет жесткость излучения и, следовательно, его проникновение. Электронный ток и напряжение определяют интенсивность и, следовательно, абсолютную яркость рентгеновского изображения.

Излучение поля лилии

В 1919 году Юлиус Эдгар Лилиенфельд первым описал серо-белое излучение, видимое человеческим глазом на аноде рентгеновских трубок, излучение поля лилии, названное в его честь . Изменение диэлектрической проницаемости между вакуумом трубки и материалом анода было признано его причиной только в более поздние годы.

Типы катодов

Электроны могут высвобождаться в катодах различными способами, в частности, посредством нагрева или высокой напряженности поля. Для каждого из типов требуется определенный тип катода.

Тепловое излучение

Катод этого типа трубки, также названной трубкой Кулиджа в честь ее изобретателя Уильяма Дэвида Кулиджа , состоит из нити накала , которая обычно состоит из вольфрамовой проволоки . Этот термоэмиссионный катод нагревается за счет прохождения тока примерно до 2000 ° C, так что происходит термоэлектронная эмиссия электронов из металла. Электроны образуют отрицательно заряженное электронное облако, которое препятствует уходу других электронов. Электроны ускоряются к аноду только при приложении положительного напряжения. Если трубка состоит только из катода и анода, она называется диодом. Анодный ток определяется полем, а от значения насыщения — током нагрева нити.

Дополнительный так называемый цилиндр Венельта перед катодом позволяет регулировать анодный ток независимо от этого. Цилиндр Венельта действует как управляющая сетка и является отрицательным по отношению к катоду. Таким образом, он противодействует полю ускорения анода. В данном случае говорят о триоде.

Автоэлектронная эмиссия

Здесь нить нагревается только до умеренных температур, в зависимости от материала. Сам по себе нагрев не приводит к выбросам. Однако это означает, что многие электроны находятся на повышенном уровне энергии выше уровня Ферми. Если над нитью накаливания поместить так называемую вытяжную сетку, которая является положительной по отношению к ней, в пространстве между катодом и вытяжной сеткой генерируются очень высокие напряженности поля в несколько вольт на микрометр. Это заставляет электроны вытягиваться из нити. Потенциал так называемого уровня вакуума — потенциал, которого должен достичь электрон, чтобы действительно освободиться от исходного твердого тела, — понижается сильным внешним полем по мере увеличения расстояния от поверхности металла / нити. Электроны теперь могут туннелировать через этот потенциал на уровень вакуума и покидать твердое тело. За вытяжной решеткой следует отрицательно заряженная управляющая решетка — цилиндр Венельта.

Автоэмиссионные катоды имеют очень маленькую поверхность излучения, так что небольшая точка удара на анод также может быть достигнута с помощью соответствующих электронных линз. В результате источником рентгеновского излучения является почти точечный источник, что позволяет более детально исследовать даже очень маленькие объекты.

Читайте также:  Стабилизаторы напряжения лекция для спо

Типы анодов

Фиксированный или стоячий анод

При неподвижном аноде электроны попадают в область размером 1 мм × 10 мм. В области этого фокуса износ анодного материала может стать очень высоким. Например, используются вольфрамовые пластины, залитые медью. Вольфрам имеет особенно высокую скорость преобразования электрической энергии в энергию рентгеновского излучения и в то же время имеет высокую температуру плавления.

Неподвижные аноды устройств для анализа кристаллической структуры в основном имеют водяное охлаждение из-за длительного времени измерения, причем повторное охлаждение используется все чаще и чаще для экономии воды.

Вращающийся анод

Первый вращающийся анод был разработан Эрнстом Полем в Киле в 1930-х годах . Это , как правило , состоит из композитной пластины , изготовленная из вольфрама наружного слоя и нижележащий высокого термостойкого молибден — сплав , с помощью вал на ротор закреплен ( с короткозамкнутым ротором). Снаружи рентгеновской трубки находится пакет обмоток статора для приведения в действие ротора по принципу асинхронного двигателя . Электроны ударяются о край пластины. При повороте пластины тепло от точки фокусировки распределяется по краю пластины. Это приводит к более длительному сроку службы анода и обеспечивает большую интенсивность луча, чем было бы достижимо с фиксированным анодом, пока материал анода не расплавится.

Число оборотов таких анодов различно: в то время как анодные пластины диаметром примерно от 8 до 12 см вращаются со скоростью от 8000 до 9000 оборотов в минуту и ​​обычно не в непрерывном режиме (срок службы шарикоподшипников в вакууме составляет всего несколько единиц). 100 часов; поэтому пластина ускоряется и после записи снова тормозится), высокопроизводительные аноды диаметром около 20 см вращаются со скоростью от 3500 до 6000 оборотов в минуту в непрерывном режиме и предпочтительно устанавливаются на неизнашиваемых гидродинамических подшипниках скольжения . Из-за сильного выделения тепла (99% используемой энергии превращается в тепло) анодную пластину необходимо охлаждать. В случае труб с шарикоподшипниками это происходит только за счет теплового излучения, а в случае труб с жидкометаллическими подшипниками скольжения дополнительно за счет прямого рассеивания тепла внутрь подшипника, а затем в охлаждающую воду или охлаждающее масло. Еще одним преимуществом гидродинамических подшипников скольжения является отсутствие износа и почти бесшумная работа, так что по этой причине также можно отказаться от ускорения и замедления анода.

Более поздней разработкой является вращающаяся огибающая трубка. По этой технологии анод выполнен как часть стенки трубки, и вся трубка вращается. Катод находится в центре оси вращения трубки, и электронный пучок направляется магнитным полем на круговой путь анода. Такая конструкция позволяет охлаждать анод непосредственно маслом, так как он является частью кожуха трубки. В качестве корпуса используются металлические или стеклянные корпуса, при этом стеклянный корпус может одновременно выполнять функцию изолятора между анодом и катодом. В случае металлических корпусов необходимо установить дополнительные изоляторы из трубчатого стекла , стекла или керамики . Это позволяет использовать очень мощные лампы.

Аппарат

Для безопасной работы рентгеновской трубки необходимо подходящее экранирование в корпусе. Это экранирование вызывает:

  • Защита трубки от внешнего механического воздействия.
  • Гальваническая развязка на необходимое высокое напряжение.
  • Экранирование рентгеновских лучей в нежелательных направлениях с помощью свинца. Имеется выходное окно (обычно из стекла или бериллиевой фольги ) в желаемом направлении излучения .

Часто трубка охлаждается маслом, а также изолируется.

Приложения

  • Электроника ( рентгеновская литография )
  • Рентгеновские лучи в медицине , при проверке багажа и для неразрушающего контроля материалов (например, контроль качества сварных швов)
  • Анализ кристаллической структуры методом рентгеновской дифракции
  • Количественный анализ с помощью рентгенофлуоресцентного анализа.

Специальные процессы и конструкции

  • Рентгеновские трубки с высокими характеристиками;
  • Мягкие рентгеновские лучи, важные для маммографических исследований, например , когда «мягкие» рентгеновские лучи используются для достижения повышенного уровня детализации изображения;
  • Рентгеновские линзы ;
  • Фазово-контрастный рентгеновский снимок ;
  • Микрофокусные рентгеновские трубки .

различный

Электронные лампы, используемые в качестве усилительных элементов или переключателей в различных областях электроники, испускают нежелательное рентгеновское излучение при высоких напряжениях. Этот факт привел, например, к серьезным проблемам со здоровьем техников-радаров, которые работали над радиолокационными устройствами с 1950-х по 1980-е годы, чьи высоковольтные прерыватели не были должным образом экранированы.

Источник

Adblock
detector