Кпд рентгеновской трубки от напряжения

Помощь с написанием рефератов

Природа и свойства РИ. В рентгеновской трубке пучок электронов, эмитируемых катодом и разгоняемых электрическим полем до скоростей порядка 100000 км/с, ударяется об анод. Очень резкое торможение электронов, происходящее при ударе об анод, создаёт коротковолновое электромагнитное излучение, называемое тормозным РИ. При ударе электронов об анод происходит превращение части кинетической энергии электронов в энергию электромагнитного излучения, однако большая часть энергии электронов превращается в энергию молекулярно-теплового движения частиц анода, что вызывает его сильное нагревание.

Тормозное РИ имеет сплошной спектр. Это объясняется тем, что одни электроны тормозятся быстрее, другие медленнее, что и приводит к возникновению электромагнитного излучения с различными длинами волн.

По квантовой теории сплошной спектр тормозного излучения объясняется так: пусть кинетическая энергия электрона перед его соударением с анодом равна . Если часть А этой энергии превращается при соударении в тепло, то энергия фотона рентгеновского излучения будет равна:

Существование резкой коротковолновой границы в рентгеновском спектре объясняется так: при ударе электрона об анод в предельном случае он может отдать всю свою энергию на излучение. Тогда из формулы (1) следует, что

Это равенство и определяет коротковолновую границу рентгеновского спектра. Так как

где U – приложенная разность потенциалов и e – заряд электрона, то

Следовательно, минимальная длина волны тормозного излучения обратно пропорциональна напряжению трубки. Можно получить для нее выражение:

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое – мягким.

Интенсивность рентгеновского излучения определяется эмпирической формулой:

где I – сила тока в трубке, U – напряжение, Z – порядковый номер атома вещества антикатода, k = 10-9 В-1.

При больших напряжениях в рентгеновской трубке наряду с рентгеновским излучением, имеющим сплошной спектр, возникает рентгеновское излучение, имеющее линейчатый спектр; последний налагается на сплошной спектр. Это излучение называется характеристическим, так как каждое вещество имеет собственный, характерный для него линейчатый рентгеновский спектр (сплошной спектр не зависит от вещества анода и определяется только напряжением на рентгеновской трубке).

Характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Такая закономерность известна как закон Мозли:

где n — частота спектральной линии, А и В – постоянные.

Взаимодействие РИ с веществом. Когерентное (классическое) рассеяние. Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его называют когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: h n А .

Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны называют некогерентным, а само явление – эффектом Комптона.

Оно возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации h n > А. Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия фотона h n расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией h n ¢ , на отрыв электрона от атома (энергия ионизации) и сообщение электрону кинетической энергии Ек: h n > h n ¢ + А + Ек. Так как во многих случаях h n >> А и эффект Комптона происходит на свободных электронах, то приближенно можно записать:

Изменение длины волны при комптоновском рассеянии определяется выражением , где λ – длина падающей рентгеновской волны, – длина рентгеновской волны после прохождения через вещество, λк = 2,4263∙10-12 м – комптоновская длина волны, φ – угол рассеяния падающего излучения.

Поглощение рентгеновского излучения описывается законом Бугера:

где m — линейный коэффициент ослабления, x – толщина слоя вещества, F 0 – интенсивность падающего излучения, F – интенсивность прошедшего излучения.

Определить поток рентгеновского излучения для трубки рентгенодиагностической установки с вольфрамовым катодом, работающей под напряжением 60 кВ и силе тока 2 мА.

Интенсивность рентгеновского излучения определяется эмпирической формулой:

где I – сила тока в трубке, U – напряжение, Z — порядковый номер атома вещества антикатода, k = 10-9 В-1.

Подставляя численные значения, получим:

Рентгеновская трубка аппаратного диагностического комплекса, работающая под напряжением 50 кВ при силе тока 2 мА, излучает 5∙1013 фотонов в секунду. Считая среднюю длину волны излучения равной 0,1 нм, найти КПД трубки, т.е. определить, сколько процентов составляет мощность рентгеновского излучения от мощности потребляемого тока

Рентгеновская трубка аппаратного диагностического комплекса, работающая под напряжением U = 50 кВ при силе тока I = 0,2 мА, излучает 9∙1012 фотонов в секунду. Считая частоту излучения ν = 2,9∙1018, найти КПД трубки.

КПД трубки определяется как выраженная в процентах доля мощности рентгеновского излучения от мощности потребляемого тока, т.е.

Затраченная мощность определяется как произведение силы тока через трубку на анодное напряжение:

Под полезной мощностью понимается энергия квантов рентгеновского излучения, испускаемая с анода трубки за единицу времени:

С учетом (2) и (3) выражение (1) перепишется:

Оценить сдвиг длин волн рентгеновских лучей при комптоновском рассеянии под углом 90 ° . Комптоновскую длину волны принять равной λк = 2,4∙10-12 м.

Изменение длины волны при комптоновском рассеянии определяется выражением

где λ – длина падающей рентгеновской волны, — длина рентгеновской волны после прохождения через вещество, λк = 2,4263∙10-12 м – комптоновская длина волны, φ – угол рассеяния падающего излучения. Подставляя численные значения в (1), получим:

Скорость электронов, подлетающих к аноду рентгеновской трубки диагностической установки, в среднем составляет 160000 км/с. Определить длину волны коротковолновой границы сплошного рентгеновского спектра. Зависимостью массы электрона от скорости пренебречь.

Кинетическая энергия электронов при их ударе об анод превращается в энергию фотона рентгеновского излучения, следовательно, можно записать:

Отсюда легко выразить и рассчитать минимальную длину волны рентгеновского излучения:

В качестве экрана для защиты врача-рентгенолога от рентгеновского излучения в диагностической установке используют свинец толщиной 0,5 см. Его коэффициент поглощения равен 52,5 см-1. Какой толщины нужно взять алюминий, имеющий коэффициент поглощения 0,765 см-1, чтобы он экранировал в той же степени?

В соответствии с законом поглощения интенсивность прошедшего пучка рентгеновских лучей определяется выражением:

где Φ0 – интенсивность падающего пучка, μ – коэффициент поглощения вещества, l – толщина слоя.

Поскольку и свинцовая и алюминиевая пластинки экранируют одинаково, то интенсивности прошедших через них рентгеновских пучков будут одинаковы, т.е. Φс = Φа. Отсюда

При увеличении толщины слоя графита на 0,5 см интенсивность прошедшего пучка рентгеновских лучей уменьшилась в 3 раза. Определить линейный коэффициент ослабления графита для данного излучения.

Интенсивность прошедшего пучка рентгеновского излучения определяется выражением

где J0 – интенсивность рентгеновского пучка, падающего на графит, J – интенсивность прошедшего пучка, μ – линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения, d – толщина слоя графита.

По условию задачи . С учетом этого (1) перепишется:

Проведя сокращение и логарифмирование обеих частей (2), после несложных преобразований получим:

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

Определить коротковолновую границу λmin сплошного спектра рентгеновского излучения, если рентгеновская трубка работает под напряжением U = 30 кВ.

Вычислить максимальную длину волны в спектре рентгеновских лучей, которые испускает трубка рентгенодиагностической установки, находящаяся под напряжением 50 кВ.

Определить частоту излучения рентгенодиагностической установки, если известно, что при увеличении анодного напряжения в 1,5 раза она изменилась на 5∙1018 с-1.

Для регулирования лучевой нагрузки на пациента используется графитовый щиток. Определить линейный коэффициент ослабления графита, если при увеличении толщины слоя графита на 0,5 см интенсивность прошедшего пучка рентгеновских лучей уменьшилась в 3 раза.

При проведении рентгеновской диагностики для защиты пациента используется свинцовый экран. Сколько слоев половинного ослабления содержит экран, если он уменьшает интенсивность пучка рентгеновских лучей в 16 раз?

Источник

Рентгеновская трубка, работающая под напряжением 50 кВ и потребляющая ток 1 мА

Условие задачи:

Рентгеновская трубка, работающая под напряжением 50 кВ и потребляющая ток 1 мА, излучает в секунду 2·10 13 фотонов со средней длиной волны 0,10 нм. Определите КПД трубки.

Задача №11.3.4 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

\(U=50\) кВ, \(I=1\) мА, \(t=1\) с, \(N=2 \cdot 10^<13>\), \(\lambda=0,10\) нм, \(\eta-?\)

Решение задачи:

Коэффициент полезного действия (КПД) рентгеновской трубки \(\eta\) будет находить как отношение полезной работы \(A_п\) к затраченной работе \(A_з\). Поэтому:

Начнем с затраченной работы \(A_з\). Учитывая, что трубка работает под напряжением \(U\) и потребляет ток \(I\), то за время \(t\) ток совершает работу (трубка потребляет энергию), равную:

Суммарная энергия всех фотонов, испущенных за время \(t\), есть полезная работа рентгеновской трубки \(A_п\). Если принять во внимание, что за это время трубка испускает \(N\) фотонов, то по формуле Планка имеем:

В этой формуле \(h\) – постоянная Планка, равная 6,62·10 -34 Дж·с.

Частоту колебаний испускаемых фотонов \(\nu\) можно выразить через скорость света \(c\), которая равна 3·10 8 м/с, и длину волны \(\lambda\) по следующей формуле:

Подставим выражение (4) в формулу (2), тогда получим:

Осталось только подставить выражения (2) и (5) в формулу (1):

Задача решена в общем виде, подставим данные задачи в полученную формулу и посчитаем численный ответ:

Ответ: 0,08%.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Источник

Рентгеновское излучение трубка

Рентгеновское излучение трубка

Основными компонентами рентгеновского генератора являются трубка, генератор высокого напряжения, пульт управления и система охлаждения. Как обсуждалось на нашем сайте, рентгеновские лучи генерируются путем направления потока высокоскоростных электронов на материал-мишень, такой как вольфрам, который имеет высокий атомный номер. Когда электроны замедляются или останавливаются при взаимодействии с атомными частицами мишени, возникает рентгеновское излучение. Это происходит в рентгеновской трубке, такой как показанная здесь.

Рентгеновская трубка является одним из компонентов рентгеновского генератора, и трубки бывают разных форм и размеров. На изображении ниже показана часть коллекции рентгеновских трубок. Рентгеновское излучение и рентгеновские трубки являются основным методом неразрушающего контроля.

Катод трубки (нить накала) нагревается током низкого напряжения в несколько ампер. Нить нагревается, и электроны в проводе свободно удерживаются. Высоковольтный генератор создает большой электрический потенциал между катодом и анодом.

Электроны, которые освобождаются от катода, сильно притягиваются к анодной мишени. Поток электронов между катодом и анодом является током трубки. Ток трубки измеряется в миллиамперах и регулируется регулирующим током низкого напряжения, подаваемого на катод. Чем выше температура нити накала, тем больше электронов покидают катод и перемещаются к аноду. Параметр миллиампера или тока на пульте управления регулирует температуру нити накала, которая связана с интенсивностью рентгеновского излучения.

Высокое напряжение между катодом и анодом влияет на скорость, с которой электроны движутся и ударяют анод. Чем выше киловольт, тем больше скорости и, следовательно, энергии у электронов, когда они ударяются о анод. Удар электронов с большей энергией приводит к рентгеновскому излучению с большей проникающей способностью. Потенциал высокого напряжения измеряется в киловольтах, и это контролируется с помощью управления напряжением или киловольтом на консоли управления. Увеличение напряжения также приведет к увеличению интенсивности излучения.

Фокусирующая чашка используется для концентрации потока электронов в небольшой области мишени, называемой фокусным пятном. Размер фокусного пятна является важным фактором в способности системы создавать четкое изображение.

Большая часть энергии, подводимой к трубке, преобразуется в тепло в фокусном месте анода.

Как упоминалось выше, анодная мишень обычно изготавливается из вольфрама, который имеет высокую температуру плавления в дополнение к высокому атомному номеру. Однако охлаждение анода активными или пассивными средствами необходимо. Системы охлаждения воды или масла часто используются для охлаждения труб. Некоторые маломощные трубки охлаждаются просто с помощью теплопроводящих материалов и ребер, потребляющих тепло.

Следует также отметить, что для предотвращения выгорания катода и предотвращения искрения между анодом и катодом весь кислород удаляется из трубки путем вытягивания вакуума. Некоторые системы имеют внешние вакуумные насосы для удаления любого кислорода, который мог просочиться в трубу. Тем не менее, большинство промышленных рентгеновских трубок просто требуют проведения процедуры разогрева.

Эта процедура прогрева осторожно повышает ток и напряжение трубки, чтобы медленно сжечь любой доступный кислород, прежде чем трубка будет работать на большой мощности.

Другим важным компонентом системы генерации рентгеновского излучения является пульт управления.

Консоли обычно имеют блокировку на ключ для предотвращения несанкционированного использования системы. У них будет кнопка для запуска генерации рентгеновских лучей и кнопка для ручной генерации рентгеновских лучей.

Три основных регулируемых элемента управления регулируют напряжение трубки в киловольтах, силу тока трубки в миллиамперах и время воздействия в минутах и ​​секундах. Некоторые системы также имеют переключатель для изменения размера фокусного пятна трубки.

Варианты рентгеновского генератора

Киловольтаж — Рентгеновские генераторы бывают самых разных размеров и конфигураций. Существуют стационарные устройства, предназначенные для использования в лабораторных или производственных средах, а также портативные системы, которые можно легко перенести на место работы. Системы доступны в широком диапазоне уровней энергии. При проверке крупных стальных или тяжелых металлических компонентов могут потребоваться системы, способные производить миллионы электрон-вольт, чтобы проникнуть на всю толщину материала. Альтернативно, для небольших, легких компонентов может потребоваться только система, способная производить всего несколько десятков киловольт.

Размер фокусного пятна

Еще одним важным фактором является размер фокусного пятна трубки, поскольку это учитывает геометрическую нерезкость получаемого изображения.

Как правило, чем меньше размер пятна, тем лучше. Но поскольку поток электронов фокусируется на меньшую площадь, мощность трубки должна быть уменьшена, чтобы предотвратить перегрев на аноде трубки. Следовательно, размер фокусного пятна становится компромиссом между разрешающей способностью и мощностью.

Генераторы и промышленные рентгеновские аппараты можно классифицировать как обычные, минифокусные и микрофокусные системы. Обычные единицы имеют фокусные пятна больше, чем приблизительно 0,5 мм, минифокусные единицы имеют фокусные пятна в диапазоне от 50 микрон до 500 микрон (от 0,050 мм до 0,5 мм), а системы микрофокусировки имеют фокусные пятна меньше 50 микрон. Меньшие размеры пятна особенно выгодны в случаях, когда необходимо увеличение объекта или области объекта. Стоимость системы обычно увеличивается, когда размер пятна уменьшается, а некоторые микрофокусные трубки превышают 100 000 долларов США. Некоторые производители объединяют две нити разных размеров, чтобы сделать трубку с двойным фокусом. Это обычно включает в себя обычный и минифокусный размер пятна и добавляет гибкости системе.

Системы переменного и постоянного потенциала.

Рентгеновские системы переменного тока снабжают трубку синусоидальным переменным током. Они производят рентгеновские лучи только в течение одной половины 1/60 секунды цикла. Это производит вспышки излучения, а не постоянный поток.

Кроме того, напряжение изменяется в течение цикла, и энергия рентгеновского излучения изменяется по мере того, как напряжение увеличивается, а затем уменьшается. Используется только часть излучения, и излучение с низкой энергией обычно должно быть отфильтровано. Генераторы постоянного потенциала выпрямляют ток на стенке переменного тока и снабжают трубку постоянным током. Это приводит к постоянному потоку относительно последовательного излучения. Большинство новых систем теперь используют генераторы постоянного потенциала.

Флэш-рентгеновские генераторы

Генераторы вспышки рентгеновского излучения производят короткие, интенсивные вспышки излучения.

Эти системы полезны при исследовании объектов в быстром движении или при исследовании переходных процессов, таких как отключение электрического выключателя. В таких ситуациях высокоскоростное видео используется для быстрого захвата изображений с усилителя изображения или другого детектора в реальном времени. Поскольку время экспозиции для каждого изображения очень короткое, необходим высокий уровень интенсивности излучения, чтобы получить полезный выходной сигнал от детектора. Чтобы предотвратить насыщение системы формирования изображения излучением высокой интенсивности непрерывного воздействия, генератор подает микросекундные импульсы излучения. Трубки этих рентгеновских генераторов не имеют нагретой нити, а вместо этого электроны вытягиваются из катода сильным электрическим потенциалом между катодом и анодом.

Ознакомьтесь с этими интересными снимками

Источник