Меню

При увеличении анодного напряжения рентгеновской трубки

Рентгеновское излучение. Устройство рентгеновской трубки

Рис.7.2 Схема рентгеновской трубки: 1- катод; 2-фокусирующая пластина; 3 – нить накала; 4 – анод.

Рентгеновская трубка представляет собой стеклянный баллон с высоким вакуумом (

10-6 мм рт.ст.). В сосуд впаяны два электрода – анод 4 и катод 1. Катод, изготовленный из вольфрамовой нити в виде спирали, разогревается до температуры

3000°С и испускает электроны (2). Анод трубки используемый для получения тормозного излучения изготавливают в виде пластины из вольфрама или молибдена. В последнее время используют пьезокерамику. Чтобы электроны приобретали необходимую кинетическую энергию К аноду и катоду трубки прикладывают напряжение более 10 кВ.

Процесс возникновения рентгеновских лучей в трубке можно объяснить на основании энергетических представлений, сформулированных впервые Планком и Энштейном. Согласно Планка энергия излучается не непрерывно, а отдельными порциями – «квантами», каждый из которых равен произведению hυ, где h – постоянная Планка, а υ– частота следования. Из квантовой теории следует, что при атомарных процессах некоторое количество энергии движения может быть приравнено одному кванту лучистой энергии, в частности, кинетическая энергия одного электрона, движущегося со скоростью V, будет равноценна одному кванту

Зная, что уравнение можно представить в следующем виде

В рентгеновской трубке электроны попадающие на анод с некоторой скоростью V, сообщаемой им электрическим полем достаточно высокого напряжения, задерживаются поверхностью анода, тормозятся в нем и в конце концов теряют свою скорость и тем самым и кинетическую энергию. За счет этой потерянной энергии электрона возникает другая форма энергии – рентгеновское излучение (hυ). Необходимо отметить, что лишь небольшая часть энергии электронов превращается в рентгеновскую (

1 %), и большая часть превращается в теплоту.

Рентгеновское излучение характеризуется двумя спектрами: непрерывным (тормозное излучение) и линейным (характеристическое излучение).

Рис.7.3. Спектры излучения рентгеновской трубки: 1 – непрерывный спектр; 2 – К-серия и 3 – L-серия характеристического излучения.

Характеристическое излучение с линейным спектром возникает только в том случае, когда быстрые электроны е*, взаимодействующие с веществом анода, обладают большой энергией, например, достаточной для обеспечения перехода К-электронов атомов вещества анода на более высокие энергетические уровни. Тогда происходит мгновенный обратный переход электрона, например, с L-оболочки на К-оболочку. Это сопровождается характеристическим излучением с частотой υ, соответствующей ΔЕ- разности энергий между уровнями Ек и ЕL (рис.7.4.)

ΔЕ = ЕL — ЕК = hυ, (42)

где h – постоянная Планка (h = 6,625∙ 10-34 Дж/с).

Рис.7.4. Схема атомов.

Тормозное излучение с непрерывным (сплошным) спектром возникает в результате «постепенного» торможения в материале анода электронов разных энергий, испускаемых катодом. Кинетическая энергия Е электрона у поверхности анода равна

где е – заряд электрона (е = 1,602∙10-19 Кл); U – анодное напряжение трубки, В.

В связи с тем, что скорости электронов распределены по закону Максвелла, то эти электроны тормозятся постепенно по толщине анода. Поэтому в рентгеновском спектре излучения, генерируемого трубкой, присутствуют кванты со всевозможными энергиями. Полный переход кинетической энергии электронов Е в максимальную энергию рентгеновского излучения Емах происходит при минимальной длине волны, т.е.:

Приравнивая Е и Емах, получим [м]. (45)

е = 1,6·10-19к; h = 0,55·10-34 дж/сек; С = 3·1010 км/сек; λ – в(см); U- [кв].

С увеличением анодного напряжения U длина волны λ уменьшается, что приводит к изменению спектрального состава и повышению максимальной энергии непрерывного спектра.

Увеличение ускоряющего напряжения при заданном анодном токе изменяет спектр излучения со смещением максимума в сторону коротких волн λmax ≈ 1,5 λ.

С увеличением тока трубки при постоянном напряжении увеличивается интенсивность излучения (рис.7.5,а) без изменения спектрального состава непрерывного спектра.

Рис. 7.5. Зависимость интенсивности рентгеновского излучения

от тока (а) и напряжения (б):

1 – малый ток, 2 – большой ток, 3 – низкое напряжение, 4 – высокое ускоряющее напряжение

Экспозиционная доза рентгеновского излучения Х пропорциональна току трубки и времени просвечивания t:

Для рентгеновской трубки ее к.п.д. пропорционален анодному напряжению U и в зависимости от него составляет 1-2 % полной энергии всех электронов, тормозящихся на аноде.

Если рентгеновское излучение возникает в результате торможения быстро летящих электронов (е), то γ – излучение – результат ядерных превращений и возникает при переходе ядра из одного энергетического состояния в другое. Суть процессов состоит в следующем.

Большая часть химических элементов имеет несколько разновидностей атомов, отличающихся друг от друга числом нейтронов N, ядре. Такие атомы называют изотопами.

Между одноименно заряженными частицами ядра (протонами) действуют силы электростатического отталкивания. С увеличением числа протонов Z в ядре, силы отталкивания становится все сильнее. У тяжелых элементов с Z > 82 ядерные силы уже не способны обеспечивать устойчивость ядер, и они подвержены самопроизвольному распаду –называемому радиоактивным. Радиоактивный распад ядер сопровождается испусканием α- и β-частиц (α- и β-излучением) и квантов γ-излучения.

Рис.7.6. Отклонение излучений в электронном поле.

α-частицы представляют собой ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Они несут положительный заряд, равный двум единицам заряда, отклоняются в магнитном и электрическом полях (рис.7.6). Пробег α-частиц в веществе мал, в воздухе достигает 11 см, в биологической ткани – 0,1 мм, α-частицы полностью поглощаются слоем алюминия 0,01 мм.

β-частицы – это электроны, которые обладают разной энергией от нуля до максимума и излучают непрерывный спектр. Под действием магнитного и электрического полей они отклоняются от прямолинейного направления, пробег их в воздухе достигает 10 м, в биологической ткани – 10-12 мм и полностью поглощаются 6 мм листом из алюминиевого сплава или слоем свинца толщиной 1 мм.

γ- излучение представляет собой фотонное излучение с линейчатым спектром с очень короткой длиной волны (

0,1 нм) и не имеет заряда. Магнитным и электрическим полями не отклоняется. γ- излучение может проникать через стальные изделия толщиной до 500 мм.

Чтобы происходили ядерные реакции, ядра бомбардируют частицами, обладающими определенной кинетической энергией. Сообщение бомбардирующими частицами достаточной кинетической энергии осуществляется в специальных ускорителях заряженных частиц.

При бомбардировке нейтронами ядро атома захватывает нейтрон, при этом массовое число ядра возрастает, а томный номер остается без изменения, т.е. образуется изотоп элемента, подвергаемого бомбардировке. Примером может служить реакция превращения нерадиоактивного кобальта 27Со 59 в радиоактивный 27СО 60 , сопровождаемая излучением γ- квантов

27Со 59 + n→ 27Со 60 +γ, (48)

т.е. основной (стабильный) элемент Со 59 облучается нейтронами; нейтрон не имеющий заряд «пристраивается» к ядру кобальта и остается в нем.

Заряд ядра при этом не изменяется, но масса его увеличивается на единицу в результате чего образуется изотоп 27СО 60 . Теперь в ядре изотопа Со 60 увеличивается избыток нейтронов, т.е. в нем будет 33 нейтрона и 27 протонов. Одновременно количество нейтронов и количество протонов станет нечетным. Такие ядра неустойчивы, поэтому Со 60 будет неустойчивым и начнет самопроизвольный распад; один из нейтронов в его ядре превратиться в протон, при этом из ядра будет излучаться электрон и нейтрино. При таком превращении нейтрона в протон с испусканием электрона в ядре увеличивается положительный заряд и элемент перемещается в периодической таблице Менделеева на одну клетку вперед, т.е. Со 60 превращается в никель (Ni).

Процесс распада радиоактивного кобальта можно записать в следующем виде

27Со 60 →β 0 + γ 0 + (49)

Самопроизвольный распад неустойчивых ядер имеет статистический характер. Некоторая доля ядер распадаются в течение каждой секунды. Эта доля обозначается через λ и называется постоянной распада.

Читайте также:  Внешняя характеристика идеального источника напряжения

Уменьшение активности во времени происходит по закону

где – N — число атомов на данный момент;

Nо – число атомов в начальный момент;

λ — постоянная распада;

Логарифмируя это выражение и подставляя вместо ℓn2 его значение получаем окончательное выражение, связывающее период полураспада и постоянную распада λT½ = ℓn2 = 0,693 и окончательно

7.4. Взаимодействие рентгеновского и γ-излучения с веществом

Основными видами взаимодействия квантов рентгеновского и γ-излучения с атомами вещества являются фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и процесс образования пар (рис.7.7).

Рис.7.7.Схемы взаимодействия излучения с веществом: а- фотоэлектрическое поглощение; б – комптоновское рассеяние; в- эффект образования пар.

Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект) – это процесс взаимодействия кванта с электроном атома (обычно электроном с одной из ближайших к ядру оболочек), в результате которого квант полностью передает свою энергию электрону. При фотоэлектрическом поглощении квант прекращает свое существование, а электрон, называемый фотоэлектроном, вылетает из атома, обладая кинетической энергией, равной разности между энергией кванта и энергией связи электрона в атоме. Освободившаяся вследствие потери фотоэлектрона оболочка заполняется электроном с внешней оболочки атома, при этом испускается квант характеристического излучения.

Процесс фотоэлектрического поглощения является преобладающим видом взаимодействия квантов рентгеновского и γ-излучения с веществом при невысоких энергиях излучения. Вероятность фотоэлектрического поглощения увеличивается с увеличением энергии.

Фотоэффект характеризуют линейным коэффициентом поглощения τф, показывающим долю квантов данной энергии, претерпевших взаимодействие с веществом на единице пути. Поскольку линейный коэффициент поглощения прямо пропорционален плотности вещества ρ, в расчетах часто применяют массовый коэффициент поглощения τф/ρ.

При комптоновском рассеянии, в отличие от фотоэффекта, квант передает электрону не всю свою энергию, а только ее часть. Комптоновское рассеяние возникает при упругом столкновении кванта с электроном внешней оболочки атома или со свободным электроном. В результате происходит увеличение длины волны кванта и изменение его первоначального направления, а также выброс из атома электрона, который называют электроном отдачи.

Комптоновское рассеяние аналогично фотоэффекту характеризуют линейным σр и массовым σр/ρ коэффициентами рассеяния.

Вероятность рассеяния в сравнении с фотоэффектом возрастает с увеличением энергии квантов рентгеновского и γ – излучения и с уменьшением атомного номера вещества.

В результате процесса образования пар квант излучения в электрическом поле атомного ядра (или атомного электрона) превращается в пару элементарных частиц электрон-позитрон. Так как массы покоя электрона и позитрона в энергетических единицах равны 0,511 Мэв, то для образования электронно-позитронной пары требуется, по меньшей мере, энергия кванта 1,022 Мэв. Процесс образования пар характеризуют линейным коэффициентом взаимодействия или массовым коэффициентом .

Линейный коэффициент ослабления μ (см-1). Этот коэффициент представляет собой сумму линейных коэффициентов взаимодействия, определяемых фотоэффектом, комптоновским рассеянием и процессом образования пар:

В области низкоэнергетического рентгеновского и γ-излучений значение μ определяется в основном фотоэффектом и убывает с ростом энергии. В области энергии γ-излучения до 1 МэВ, где основным процессом взаимодействия является комптоновское рассеяние, μ мало зависит от энергии. В диапазоне энергии тормозного излучения ускорителей и γ-излучения свыше 1 МэВ μ увеличивается с ростом энергии.

Рис. 7.8. Зависимость линейного коэффициента ослабления от энергии излучения:

μ – общее поглощение; τ- фотоэффект; σ – комптоновское рассеяние; – процесс образования пар.

Закон ослабления узкого пучка рентгеновского и γ – излучения.

Ранее мы записали: (53)

где J0 и J1 – интенсивность узкого пучка излучения, падающего и прошедшего через вещество, соответственно, при J0 на расстоянии 1 м.

Если точечный источник излучения удаляется от детектора на расстояние F, то интенсивность узкого пучка излучения, прошедшего через вещество, уменьшается обратно пропорционально квадрату этого расстояния так, что

Закон ослабления широко пучка R и γ-излучения.

В – фактор накопления рассеянного излучения в воздухе.

В реальных условиях R-графии на детектор попадают не только те кванты, направление движения которых совпадает с первичным пучком, но и кванты, испытывающие многократное рассеяние в поглотителе (веществе). Вклад рассеянного излучения в общую интенсивность оценивают с помощью дозового фактора накопления В, который определяет соотношением

С увеличением толщины материала В увеличивается и уменьшается с увеличением мощности излучения.

Источник

Рентгеновская трубка

Рис. 1. Терапевтическая, рентгеновская трубка с массивным вольфрамовым анодом: 1 — катод; 2 — анод.

Рентгеновская трубка — электровакуумный прибор, предназначенный для получения рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении ускоренных электронов на экране антикатода (анода), изготовленного из тяжелого металла (например, вольфрама). Получение электронов, их ускорение и торможение осуществляется в самой рентгеновской трубке, представляющей вакуумированный стеклянный баллон, в который впаяны металлические электроды: катод (см.) — для получения электронов и анод (см.) — для их торможения (рис. 1). Для ускорения электронов к электродам подводится высокое напряжение.

Вильгельм Конрад Рентген
(Wilhelm Conrad Rontgen)

Первая рентгеновская трубка, с которой В. К. Рентген сделал свое открытие, была ионной. Рентгеновская трубка этого типа (хрупкие и трудноуправляемые) в настоящее время полностью вытеснены более совершенными электронными трубками. В них электроны получаются путем накаливания катода. Регулируя ток в цепи накала рентгеновской трубки, а следовательно, и температуру катода, можно изменять количество испускаемых катодом электронов. При низком напряжении не все испускаемые катодом электроны участвуют в создании анодного тока и у катода образуется так называемое электронное облако. При повышении напряжения электронное облако рассасывается и, начиная с определенного напряжения (напряжения насыщения), все электроны достигают анода. Через трубку при этом течет максимальный ток (ток насыщения). Напряжение на рентгеновской трубке обычно выше напряжения насыщения, поэтому возможно раздельно регулировать напряжение и ток Р. т.. Это означает, что жесткость излучения, определяемая напряжением, регулируется независимо от интенсивности, которая обусловлена анодным током.
Анод рентгеновской трубки обычно выполняется в виде массивного медного чехла, обращенного к катоду скошенным торцом, чтобы выходящее рентгеновское излучение было перпендикулярно оси трубки. В толщу анода впаяна вольфрамовая пластинка в 2— (зеркало анода).
Катод электронной рентгеновской трубки содержит тугоплавкую нить накала, обычно из вольфрама, которая выполнена в виде цилиндрической или плоской спирали и окружена металлическим стаканчиком для фокусирования пучка электронов на зеркале анода (фокусе рентгеновской трубки). В двухфокусных рентгеновских трубках катод содержит две нити накала.
При работе рентгеновской трубки на аноде выделяется большое количество тепла. Чтобы предохранить анод от перегрева и повысить мощность рентгеновской трубки, используются охлаждающие анод устройства: воздушное радиаторное, масляное, водяное охлаждение, охлаждение лучеиспусканием. В качестве материала оболочки рентгеновской трубки обычно применяют стекло, которое позволяет прикладывать к электродам достаточно высокое напряжение, пропускает рентгеновское излучение без заметного ослабления (для получения букки-лучей делают бериллиевые окна), достаточно прочно и непроницаемо для газов (вакуум в рентгеновской трубке 10-6— 10-7 мм рт. ст.). Диагностические рентгеновские трубки работают при максимальных напряжениях до 150 кв, терапевтические — до 400 кв.

Рис. 2. Линейчатый фокус диагностической рентгеновской трубки; 1 — зеркало анода; 2 — действительный фокус; 3 — анод; 4 — центральный луч; 5 — оптический фокус; 6 — ось трубки; 7 — катод.

Рис. 4. Фокус трубки с вращающимся дисковым анодом: 1 — действительный фокус; 2 — развертка действительного фокуса; 3 — мгновенный фокус; 4 — ось трубки; 5 — катод; 6 — оптический фокус; 7 — анод.

Резкость рентгеновского изображения обусловлена величиной фокуса. Основное требование к диагностическим рентгеновским трубкам — большая мощность при малом фокусе. Современные рентгеновские трубки имеют линейчатый фокус размером 10—40 мм2, но практическое значение имеет не действительная величина фокуса, а его видимая проекция в направлении пучка, т. е. размеры эффективного оптического фокуса (рис. 2). При угле наклона анода 19° площадь эффективного фокуса в 3 раза меньше действительного, что позволяет увеличить мощность рентгеновской трубки в два раза. Дальнейшее увеличение мощности достигнуто в трубках с вращающимся анодом (рис. 3 и 4).
В настоящее время выпускают рентгеновские трубки различного назначения, отличающиеся как конструктивно, так и мощностью, способами охлаждения, защиты от излучения и высокого напряжения. Условное обозначение рентгеновской трубки представляет собой комбинацию букв и цифр. Первая цифра — мощность трубки в киловаттах; второй знак определяет род защиты (Р — защитная от излучения, Б — защитная от излучения и высокого напряжения, отсутствие буквы указывает на отсутствие защиты); третий знак
определяет назначение рентгеновской трубки (Д — диагностика, Т — терапия); четвертый — указывает способ охлаждения (К — воздушное радиаторное, М—масляное, В — воздушное, отсутствие буквы означает охлаждение лучеиспусканием); пятая цифра указывает максимальное анодное напряжение в киловольтах. Так, например, 6-РДВ-110 — шестикиловаттная защитная диагностическая трубка с водяным охлаждением на 110 кв; трубка 1-Т-1-200—терапевтическая, без защиты, охлаждение лучеиспусканием, мощностью 1 кет на напряженно 200 кв (условный номер 1).

Читайте также:  Чему равно предельное напряжение для хрупкого материала

Рис. 3. Трубка с вращающимся дисковым анодом: 1 — катод; 2 — дисковый анод; 3 — защитный диск; 4 — ось анода; 5 — стальной цилиндр — ротор электродвигателя.

Каждую новую трубку перед пуском в работу необходимо проверить на вакуум, не включая накала. Если при этом появится розовое свечение или искра, рентгеновская трубка потеряла вакуум и к работе непригодна. Трубку, сохранившую вакуум, подвергают тренировке: устанавливают ток 1—2 ма при высоком напряжении порядка 1/3 от номинального и в течение 30— 60 мин. напряжение и ток постепенно повышают до значений длительного режима, указанного в паспорте рентгеновской трубки. При эксплуатации рентгеновской трубки необходимо строго придерживаться режимов работы, указанных в ее паспорте.

Рентгеновская трубка — это электровакуумное устройство, применяемое для генерирования рентгеновых лучей путем эмиссии электронов с катода, фокусировки
и ускорения их в электрическом поле высокого напряжения с последующим торможением электронного потока на зеркале анода. В результате торможения потока электронов на аноде рентгеновской трубки выделяется большое количество тепла и лишь незначительное количество этой энергии трансформируется в энергию рентгеновского излучения (см.).
Со времени открытия Рентгеном икс-лучей и до начала первой мировой войны для рентгенодиагностики и рентгенотерапии применялись так называемые ионные газосодержащие Р. т. (рис. 1), хрупкие и трудноуправляемые. Лилиенфельд (L. Lilienfeld) предложил более совершенную Р. т. с промежуточным электродом, накаливаемым катодом и водяным охлаждением (рис. 2). Однако высоковакуумная двухэлектродная Р. т., предложенная американцем Кулиджем (W. D. Coolidge), постепенно вытеснила все другие Р. т. и применяется в разных модификациях до настоящего времени.
Современная рентгеновская трубка представляет собой высоковольтный вакуумный диод (с двумя электродами — катодом и анодом). Катод Р. т. содержит тугоплавкую нить накала, обычно из вольфрама. В двухфокусных диагностических рентгеновских трубках, предназначенных для разных режимов работы, катод содержит две нити накала для каждого из фокусов. Нити накала, как правило, выполнены в виде цилиндрической или плоской спирали (рис. 3, 1 и 2) соответственно для линейчатого или круглого фокуса.
Анод рентгеновской трубки обычно выполнен в виде массивного медного чехла, обращенного к катоду скошенным торцом, в толщу которого впаяна вольфрамовая пластинка толщиной 2—2,5 мм (зеркало анода), являющаяся мишенью, куда фокусируется поток электронов с катода, и представляющая, таким образом, рентгенооптический фокус трубки. Имеются Р. т. для специальных целей, например для внутриполостной рентгенотерапии (рис. 4), в которых анод является дном полого цилиндра, вводимого в соответствующую полость.
С целью повышения разрешающей способности современных диагностических трубок фокусу рентгеновской трубки уделяется большое внимание, так как чем острее фокус, тем резче рентгеновское изображение.
При оценке рентгенооптических свойств Р. т. следует учитывать, что решающее значение имеет не величина действительного фокуса на зеркале анода, а видимая проекция фокусного пятна в направлении центрального луча, т. е. размеры эффективного оптического фокуса. Уменьшение размеров оптического фокуса достигается уменьшением угла скашивания анода по отношению к центральному лучу.
В отличие от терапевтических Р. т. (рис. 5), снабженных круглым или в форме эллипса оптическим фокусом, современные диагностические трубки имеют так называемый линейчатый фокус (рис. 6). В трубках с линейчатым фокусом площадь эффективного фокуса, имеющего форму квадрата, примерно в 3 раза меньше площади действительного фокуса, имеющего форму прямоугольника. При одинаковых рентгенооптических свойствах мощность рентгеновской трубки с линейчатым фокусом примерно в 2 раза больше, чем у Р. т. с круглым фокусом.
Дальнейшее повышение мощности диагностических Р. т. достигнуто в трубках с вращающимся анодом (рис. 7 и 8). В этих рентгеновских трубках массивный вольфрамовый анод с линейчатым фокусом, растянутым по всей окружности, укреплен на оси, вращающейся в подшипниках, а катод трубки смещен относительно ее оси так, чтобы фокусированный пучок электронов попадал всегда на скошенную поверхность зеркала анода. При вращении анода пучок фокусированных электронов попадает на меняющийся участок фокуса анода, эффективная величина которого, т. е. оптический фокус, имеет благодаря этому весьма малые размеры (порядка 1X1 мм, 2,5X2,5 мм). Так как скорость вращения анода достаточно велика (анод является продолжением оси двигателя, вращающегося с угловой скоростью 2500 об/мин), мощность трубки при выдержках в 0,1 сек. может достигать 40—50 кВт.
Значительное количество тепла, образующегося на аноде работающей трубки, требует ее охлаждения путем отвода тепла с анода в окружающую среду. Это достигается путем воздушного радиаторного охлаждения (рис. 9), водяного охлаждения (рис. 10 и 11) или масляного охлаждения (рис. 12); масло является одновременно и изолирующей средой; масляное охлаждение обычно применяется в так называемых блок-аппаратах (см. Рентгенотехника).
В связи с многообразными запросами рентгенодиагностики и рентгенотерапии в настоящее время выпускаются рентгеновские трубки самого различного назначения, отличающиеся как конструктивным оформлением, так и величиной, мощностью, способами охлаждения и защиты от неиспользуемого излучения. Условные обозначения различных типов трубок состоят из комбинаций цифр и букв. Первая цифра — предельно допустимая мощность трубки (в кВт); первая буква определяет защиту от излучения (Р — самозащитная; Б — в защитном кожухе; отсутствие буквы означает отсутствие защиты); вторая буква определяет назначение Р. т. (Д — диагностика; Т — терапия); третья буква указывает систему охлаждения (К — воздушное радиаторное охлаждение, М — масляное, В — водяное, отсутствие буквы означает охлаждение лучеиспусканием); последняя цифра соответствует предельно допустимому анодному напряжению в киловольтах. Так, например, 3-БДМ-2-100 — трехкиловаттная диагностическая трубка с масляным охлаждением (радиаторным) на 100 кв для работы в защитном кожухе (условный номер типа — 2); трубка — 1-Т-1-200 — терапевтическая без защиты с охлаждением лучеиспусканием, мощностью 1 кет на напряжение 200 кв (условный номер типа — 1).
Независимо от типа рентгеновской трубки общий принцип их работы состоит в следующем. Накал катода Р. т. вызывает термоэлектронную эмиссию с образованием у катода так называемого электронного облака. С включением высокого напряжения на электродах Р. т. свободные электроны под действием электрического поля устремляются к аноду, тормозятся на его зеркале, причем часть энергии торможения преобразуется в рентгеновское излучение.
При повышении напряжения на рентгеновской трубке эмиссионный ток вначале круто возрастает за счет постепенного уменьшения плотности электронного облака. Когда же число электронов, образующихся на катоде, становится равным числу электронов, достигающих анода, дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока, проходящего через Р. т., а лишь увеличивает кинетическую энергию электронов, достигающих анода. Режим работы Р. т., при котором происходит использование всех электронов, образующихся на катоде, а дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения анодного тока, называется током насыщения. Практически ток насыщения i достигается в диагностических рентгеновских трубках при разности потенциалов ? порядка 10—20 кв (рис. 13). Поэтому обычно Р. т. большей частью работают в режиме тока насыщения. При необходимости увеличить анодный ток следует соответственно увеличить ток накала катода и, подняв напряжение, снова создать режим тока насыщения.
В процессе промышленного производства из Р. т. удаляют газ до остаточного давления 10-6 —10-7 мм рт. ст. При этой степени вакуума прохождение тока через Р. т. практически обусловлено только термоэлектронной эмиссией с катода. Однако при чрезмерном нагреве деталей трубки, а также при включении ее после длительного перерыва в работе в ней может появиться газ; при этом возникает эффект ионизации; рентгеновская трубка начинает пропускать ток в обоих направлениях. Измерительные приборы на пульте управления обнаруживают резкие колебания анодного тока. Если такую «газящую» Р. т. включить под высокое напряжение без накала катода, в ней создается устойчивый газовый разряд, сопровождающийся характерным свечением трубки. Такая трубка к работе непригодна и подлежит замене.
Каждую новую Р. т. перед пуском в работу необходимо проверить на вакуум под высоким напряжением, не включая накала, затем подвергнуть «тренировке». Для этого при анодном напряжении порядка 1/3 от номинального устанавливают ток 1—2 мА. Затем в течение 30—60 мин. напряжение и ток постепенно повышают до номинальных значений длительного режима в соответствии с паспортом Р. т. При эксплуатации Р. т. необходимо строго придерживаться режимов работы, указанных в ее паспорте.
См. также Рентгеновские аппараты, Рентгеновское излучение.

Читайте также:  Симптомы фазы напряжения эмоционального выгорания

Рис. 1. Ионная рентгеновская трубка с воздушным охлаждением и газовым регенератором.
Рис. 2. Рентгеновская трубка Лилиенфельда.
Рис. 3. Катоды двухфокусных электронных рентгеновских трубок: 1 — с двумя цилиндрическими спиралями нити накала; 2 — с двумя плоскими спиралями нити накала.
Рис. 4. Безопасная рентгеновская трубка для внутриполостной рентгенотерапии: 1 — катод; 2 — анодная трубка; 3 — окно выхода рентгеновых лучей; 4 — анодный цоколь; 5 — водяная рубашка; 6 — патрубки охлаждения.
Рис. 5. Терапевтическая рентгеновская трубка с массивным вольфрамовым анодом: 1 — катод; 2 — анод.
Рис. 6. Схематическое изображение линейчатого фокуса диагностической рентгеновской трубки: 1 — зеркало анода; 2 — действительный фокус; 3 — анод; 4 — центральный луч; 5 — оптический фокус; 6 — ось трубки; 7 — катод.
Рис. 7. Трубка с вращающимся дисковым анодом: 1 — катод; 2 — дисковый анод; 3 — защитный диск; 4 — ось анода; 5 — стальной цилиндр-ротор асинхронного электродвигателя.
Рис. 8. Схематическое изображение фокуса трубки с вращающимся дисковым анодом: 1 — действительный фокус; 2 — его развертка; 3 — мгновенный фокус; 4 — ось трубки; 5 — катод; 6 — оптический фокус; 7 — анод.
Рис. 9. Трубка с радиаторным воздушным охлаждением.
Рис. 10. Анод трубки с водяным охлаждением: 1 — стержень анода; 2 — резервуар с охлаждающей водой.
Рис. 11. Анод трубки, охлаждаемой проточной водой: 1 — соединительные трубки водяного охлаждения.
Рис. 12. Миниатюрная рентгеновская трубка с масляным охлаждением для рентгенографии зубов.
Рис. 13. Анодные характеристически электронной рентгеновской трубки: S’— при токе накала 3,8 a; S—при токе накала 3,4 а.

Источник



При увеличении анодного напряжения рентгеновской трубки

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.

рентгеновская трубка

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