Рентгеновская трубка это электрический прибор, применяется для получения рентгеновского излучения, этот эффект добивается за счет тормозного излучения которое образуется при торможении электронов в поле атомов.
Это достигается облучением металлического анода ускоренной энергией от 10 кэВ.
Что такое рентгеновская трубка
Устройство рентгеновской трубки показано схематически на рис. 2, а. В связи с тем что только примерно 1—2% энергии, которую имеют электроны, превращается в энергию излучения, а остальная часть — в теплоту, анод при работе трубки сильно нагревается.
Поэтому он делается из толстого медного стержня, на скошенном торце которого приварена пластинка из тугоплавкого металла — вольфрама. На другом конце стержня, снаружи трубки, имеются ребра Р для воздушного охлаждения.
Участок вольфрамовой пластинки А, называемый зеркальцем трубки, на который падает основная часть электронов (для концентрации электронов катод имеет направляющий колпачок), называется фокусом трубки.
Чем «острее» фокусировка электронов, тем уже пучок излучения. В средней части трубка имеет две защитные свинцовые оболочки: внутреннюю Э и внешнюю С. Они поглощают побочное излучение, которое может распространяться от анода по всем направлениям.
Рабочий пучок излучения проходит через окошечко О. Общий вид трубки показан на рис. 2, б (трубка — диагностическая, имеет наибольшее рабочее напряжение порядка 100—120 кв и острый фокус).
Диагностическая рентгеновская трубка с вращающимся анодом
На рис. 2, в показана диагностическая трубка с вращающимся анодом. Торец анода А имеет форму широкой пластинки, которая с помощью электромоторчика (обмотка его расположена снаружи трубки, а ротором служит стержень, на котором укреплена пластинка) приводится в быстрое вращение.
Благодаря этому электроны падают все время на различные места рабочей поверхности анода, что снижает нагревание его и дает возможность повысить мощность трубки. особенно важно при рентгенографии.
На рис. 2, г показана трубка для терапии. Она имеет рабочее напряжение порядка 160-200 кв и более тупой фокус. При работе анод трубки нагревается меньше и может иметь приспособлений для охлаждения.
Для питания трубки требуется два источника напряжения: высокое напряжение для анодной цепи и низкое (10—12 в) для питания цепи накала.
Оба источника должны иметь независимую регулировку напряжения: в первом случае для изменения жесткости, во-втором, интенсивности (мощности) излучения.
Поглощение рентгеновского излучения
При падении рентгеновского излучения на какое-либо тело оно частично отражается от поверхности, остальное излучение проходит вглубь, причем часть его поглощается и рассеивается в массе тела, а часть проходит насквозь.
Проходя через тело, фотоны рентгеновского излучения соударяются (взаимодействуют) с электронами атомов и молекул вещества, из которого состоит тело.
При этом в зависимости от соотношения энергии фотона и работы, которую необходимо совершить при отрыве электрона от атома или молекулы вещества, могут происходить следующие процессы.
1. Взаимодействие фотонов с внутренними, крепко связанными с ядрами электронами происходит таким образом, что фотоны изменяют направление движения, но сохраняют неизменной энергию, а следовательно, и длину волны (рис. 3, а).
Явление называется когерентным рассеянием излучения.
2. Если энергия фотона по величине близка к работе по отрыву электрона, то при взаимодействии фотон поглощается, а электрон отрывается от атома (рис. 3, б).
Если энергия фотона hv больше работы А по отрыву электрона, то электрон при этом приобретает кинетическую энергию (mυ2э)/2.
Явление называется фотоэффектом и может быть описано соответствующим уравнением:
hv = A +_((mυ2э)/2) .
Фотоэффект сопровождается истинным поглощением излучения и имеет следствием ионизацию вещества.
Если энергия фотона меньше, чем работа по отрыву электрона, то при поглощении фотона происходит возбуждение атома или молекулы (переход электрона на более высокий энергетический уровень).
У некоторых веществ это приводит к последующему излучению фотонов в области видимого излучения (рентгенолюминесценция), у других веществ, и в частности в тканях организма, — к активации молекул и фотохимическим реакциям.
3. Если энергия фотона значительно превышает работу по отрыву электрона, что более характерно для жесткого, коротковолнового излучения и внешних электронов атома, то при взаимодействии фотон отдает электрону только часть энергии.
Энергия фотона уменьшается, соответственно увеличивается его длина волны, также изменяется и направление его движения (рис. 3, в).
Это явление называется некогерентным рассеянием или комптон-эффектом. Излучение с большей длиной волны называется вторичным излучением.
Электроны, оторвавшиеся от атомов вещества и получившие при этом определенный запас кинетической энергии, называются электронами отдачи. При этом также имеет место ионизация вещества.
Комптон-эффект
Комптон-эффект можно описать формулой
hv = hv’ + A + ((mυ2э)/2).
В формуле v — частота первичного фотона, v’ — фотона рассеяния, (mυ2э)/2 кинетическая энергия электрона отдачи. Так как работой А по отрыву электрона в этом случае можно пренебречь, тем более, что комптон-эффект происходит и на свободных электронах, то формула принимает вид:
hv = hv’ + ((mυ2э)/2)
Эти первичные процессы вызывают ряд вторичных процессов.
Например, если при фотоэффекте происходит отрыв внутренних электронов, то на их место переходят электроны из внешних слоев, что сопровождается вторичным характеристическим излучением данного вещества (рис. 3, г).
Фотоэлектроны и электроны отдачи, если они имеют достаточно высокую кинетическую энергию, соударяясь с соседними атомами, будут их ионизировать, при этом может происходить образование вторичных, третичных и т. д. электронов отдачи.
Фотоны вторичного излучения
Фотоны вторичного излучения, сталкиваясь с электронами соседних атомов, могут в свою очередь вызывать вторичные явления фотоэффекта или комптон-эффекта и т. п.
При этом, так как в процессе взаимодействия излучения с веществом участвует огромное число фотонов, то в разных атомах могут происходить одновременно различные процессы.
В результате всех этих процессов, во-первых, происходит ионизация вещества и, во-вторых, возникает вторичное рентгеновское излучение с большей длиной волны, рассеиваемое по всевозможным направлениям.
Таким образом, ослабление рентгеновского излучения при прохождении через вещество происходит вследствие как собственно поглощения, так и рассеяния первичного излучения.
В целом процесс подчиняется закону Бугера, согласно которому каждый последующий слой однородного вещества одинаковой толщины ослабляет параллельный пучок монохроматического излучения на одинаковую часть падающего на этот слой потока.
В соответствии с законом Бугера поток Фd рентгеновского излучения, достигающий слоя, на глубине d от поверхности вещества может быть выражен через поток Ф0, падающий на его поверхность.
Фd = Ф0e-μa .
где μ — коэффициент, характеризующий интенсивность ослабления потока излучения в данных условиях, и называется линейным коэффициентом ослабления. Он зависит как от природы вещества, так и от энергии фотонов, т. е. длины волны излучения.
При некоторой постоянной длине волны коэффициент μ ослабления излучения вследствие фотоэффекта прямо пропорционален четвертой степени атомного номера Z4 вещества, а вследствие когерентного рассеяния и комптон-эффекта его первой степени.
Какое рентгеновское излучение применяют в медицине
В медицине используется рентгеновское излучение с энергией фотонов в среднем от 60 до 100—120 кэв при диагностике и 150—200 кэв при глубокой терапии.
Оно взаимодействует с веществом, состоящим из элементов с порядковым номером до 6—8 (мягкие ткани: Н, С, N, О) и 15—20 (минеральное вещество кости: Р и Са).
В этих условиях при энергии фотонов ниже 100 кэв основное значение в ослаблении излучении имеет фотоэффект, а при энергии свыше 100 кэв — комптон-эффект.
Учитывая это, в среднем принимают, что линейный коэффициент ослабления прямо пропорционален плотности р, третей степени длины волны λ3 и третьей степени порядкового номера Z3 элементов вещества:
μ = kρλ3Z3
где k — некоторый коэффициент пропорциональности.
Если на пути рентгеновского излучения поместить какое-нибудь тело, а перед ним поставить флуоресцирующий экран, то тело, поглощая или ослабляя излучение, образует на экране тень.
Наблюдая полученное теневое изображение, можно судить о форме, а по густоте тени в какой-то мере и о природе этого тела.
Тело человека состоит из тканей и органов с различной поглощающей способностью по отношению к рентгеновскому излучению.
Поэтому теневое изображение тела при просвечивании его рентгеновским излучением дает картину формы и расположения тканей и внутренних органов.
Во многих случаях по этим признакам можно судить о нормальном или патологическом их состоянии.
Распознавание заболеваний при помощи просвечивания тела рентгеновским излучением называется рентгенодиагностикой.
Рентгенодиагностика
Рентгенодиагностика использует два основных метода: рентгеноскопию (просвечивание) и рентгенографию (снимок).
При просвечивании больной становится в специальный штатив Ш (рис, 4), позади которого расположена рентгеновская трубка Т и перед ней — раздвижная свинцовая диафрагма Д, ограничивающая ширину пучка излучения.
Перед больным помещается флуоресцирующий экран Э, на котором наблюдается теневая картина (исследование ведется в затемненном помещении).
Трубка вместе с экраном может перемещаться вдоль штатива, что позволяет врачу обследовать любые области организма.
В зависимости от области наблюдения подбираются необходимая жесткость излучения (слишком жесткие лучи не оставят контрастной тени, слишком мягкие, наоборот, могут не проникнуть сквозь объект).
Так как изображение на экране теневое, то наиболее плотные, поглощающие излучение ткани (сердце, крупные сосуды и ребра) видны темными, мало поглощающие ткани (например, легочные поля) — светлыми.
При рентгенографии объект снимка (в данном случае коленный сустав) помещается на кассете К, в которую вложена пленка со специальной чувствительной к рентгеновскому излучению фотоэмульсией.
Часто поверх пленки накладывается флуоресцирующий экран, свечение которого усиливает действие излучения на фотоэмульсию. Трубка Т располагается над объектом.
Снимок дает негативное изображение, т. е. обратное по контрасту с картиной, наблюдаемой на экране при просвечивании того же объекта. Преимуществом рентгенографии является значительно более высокая четкость изображения, позволяющая рассматривать детали, ускользающие от взгляда при просвечивании.
Применение в медицине
Рентгено-диагностическое исследование может производиться и для органов, которые не дают теневого изображения (например, желудок, кишечник и др.). Для получения изображения в таких случаях орган наполняют контрастной массой, хорошо поглощающей рентгеновское излучение.
Рентгеновское излучение используется также для лечебных целей. Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности клеток, особенно малодифференцированных и быстро размножающихся. В связи с этим рентгенотерапия применяется для борьбы со злокачественными опухолями.
Устройство рентгеновской трубки
На рис. 5 приведена принципиальная электрическая схема простейшего рентгеновского аппарата.
В схеме имеется два трансформатора: Т1, предназначенный для питания цепи высокого напряжения трубки, и Т2 — для цепи накала.
Высокое напряжение на трубке регулируется при помощи автотрансформатора AT, подключенного к первичной обмотке трансформатора Т1.
Переключателем П изменяется число витков обмотки автотрансформатора, напряжение от которых подается на первичную обмотку трансформатора Т1.
В связи с этим изменяется и напряжение вторичной обмотки трансформатора, подаваемое на трубку.
Ток накала трубки регулируется реостатом R, включенным в цепь первичной обмотки трансформатора Т2. Ток анодной цепи измеряется миллиамперметром тА. О величине напряжения на зажимах трубки судят по положению переключателя П.
В этих аппаратах рентгеновская трубка питается переменным током и следовательно, служит одновременно не только генератором рентгеновского излучения, но и выпрямителем.
Однако выпрямительные свойства двухэлектродной электронной лампы нарушаются при значительном нагревании анода, что неизбежно происходит при работе рентгеновской трубки, поэтому мощность трубки при питании переменным током допускается значительно меньшая, чем при питании выпрямленным током.
Для лучшего использования трубки ее питают выпрямленным током. Для этого последовательно с трубкой включают электронный выпрямитель — кенотрон (старое название). Он устроен сходно с рентгеновской трубкой, но имеет более простой анод в виде пластинки.
При одном кенотроне обеспечивается однополупериодное выпрямлю тока. Следовательно, трубка Р при этом генерирует излучение прерывистого. Поскольку глаз этого не замечает, во многих случаях этим ограничиваются.
Для полного использования мощности трубки необходимо питать ее током, выпрямленным по двухполупериодной схеме. Такая схема применяется в мощных стационарных аппаратах.
Кенотроны К включены по схеме моста, к одной диагонали которого включена рентгеновская трубка Р, к другой — трансформатор Тt высокого напряжения, питающий схему (автотрансформатор для регулировки высокого напряжения на трубке, так же как и реостат для регулировки тока накала, на схеме не показаны).
Большое усовершенствование в технику рентгеноскопии вносит применение электронно-оптического преобразователя. При этом значительно повышается яркость изображения.
Вместе с тем в практику внедряется метод передачи рентгеновского изображения на экран телевизора. При этом оно может наблюдаться в значительном отдалении от места просвечивания, а также без необходимости полного затемнения помещения.
Подобная установка состоит из рентгеновского аппарата с трубкой Т, которая дает изображение объекта О на приемном экране электронно-оптического преобразователя У. Вторичное изображение от усилителя воспринимается телевизионной камерой К и передается на экран телевизора В.
Статья на тему Рентгеновская трубка