X ışını tüpü - X-ray tube

Bir X ışını tüpü bir vakum tüpü elektrik giriş gücünü X ışınları.[1] Bu kontrol edilebilir X-ışınları kaynağının mevcudiyeti, radyografi kısmen opak nesnelerin penetran olarak görüntülenmesi radyasyon. Diğer iyonlaştırıcı radyasyon kaynaklarının aksine, X ışınları yalnızca X ışını tüpüne enerji verildiği sürece üretilir. X-ışını tüpleri de kullanılır CT tarayıcıları havaalanı bagaj tarayıcıları, X-ışını kristalografisi malzeme ve yapı analizi ve endüstriyel inceleme için.

Yüksek performans için artan talep Bilgisayarlı tomografi (CT) taraması ve anjiyografi sistemleri, çok yüksek performanslı tıbbi X-ray tüplerinin geliştirilmesini sağlamıştır.

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

Tarih

X-ışını tüpleri deneysel olarak gelişti Crookes tüpleri Alman fizikçi tarafından ilk kez 8 Kasım 1895'te keşfedilen X-ışınları Wilhelm Conrad Röntgen. Bu birinci nesil soğuk katot veya Hırsızlar X-ışını tüpleri 1920'lere kadar kullanıldı. Crookes tüpü tarafından geliştirildi William Coolidge 1913'te.[2] Coolidge tüpü, olarak da adlandırılır sıcak katot tüpü, en yaygın kullanılanıdır. Çok kaliteli bir vakumla çalışır (yaklaşık 10−4 Pa veya 10−6 Torr).[kaynak belirtilmeli ]

1980'lerin sonlarına kadar, X-ışını jeneratörleri yalnızca yüksek voltajlı, AC'den DC'ye değişken güç kaynaklarıydı. 1980'lerin sonunda, yüksek hızlı anahtarlama adı verilen farklı bir kontrol yöntemi ortaya çıktı. Bu, güç kaynaklarının (aka anahtar modu güç kaynağı ) ve X-ışını ünitesinin daha doğru kontrolüne, daha yüksek kaliteli sonuçlara ve azaltılmış X-ışını maruziyetlerine izin verdi.[kaynak belirtilmeli ]

Fizik

Bir X-ışını tüpünden yayılan X-ışınlarının spektrumu rodyum 60'da ameliyat edilen hedef kV. Düzgün, sürekli eğrinin sebebi Bremsstrahlung ve sivri uçlar karakteristik K çizgileri rodyum atomları için.

Herhangi biriyle olduğu gibi vakum tüpü, var katot, elektronları boşluğa yayan ve bir anot elektronları toplamak, böylece bir elektrik akımı akışı oluşturmak için ışın, tüp aracılığıyla. Yüksek Voltaj güç kaynağı, örneğin 30 ila 150 kilovoltlar (kV) olarak adlandırılan tüp voltajı, elektronları hızlandırmak için katot ve anot boyunca bağlanır. Röntgen spektrum, anot malzemesine ve hızlanan gerilime bağlıdır.[3]

Katottan gelen elektronlar, genellikle anot malzemesi ile çarpışır. tungsten, molibden veya bakır ve anot malzemesi içindeki diğer elektronları, iyonları ve çekirdekleri hızlandırır. Üretilen enerjinin yaklaşık% 1'i X ışınları olarak genellikle elektron ışınının yoluna dik olarak yayılır / yayılır. Enerjinin geri kalanı ısı olarak salınır. Zamanla, tungsten, cam yüzey dahil olmak üzere hedeften tüpün iç yüzeyine bırakılacaktır. Bu, tüpü yavaşça karartacaktır ve X ışını ışınının kalitesini düşürdüğü düşünülmüştür. Buharlaşan tungsten, "pencere" üzerinde zarfın içinde yoğunlaşır ve bu nedenle ek bir filtre görevi görür ve tüplerin ısı yayma kabiliyetini azaltır.[4] Sonunda, tungsten yatağı yeterince yüksek voltajlarda ark oluşacak kadar iletken hale gelebilir. Ark, katottan tungsten yatağına ve ardından anoda atlayacaktır. Bu kıvılcım, "çılgın "X ışını penceresinin iç camında." Zaman geçtikçe, tüp daha düşük voltajlarda bile kararsız hale gelir ve değiştirilmesi gerekir. Bu noktada, tüp tertibatı ("tüp kafası" da denir) Röntgen sistemi ve yeni bir tüp tertibatı ile değiştirilir Eski tüp tertibatı, onu yeni bir X-ışını tüpüyle yeniden yükleyen bir şirkete gönderilir.

X-ışını foton üreten etkisine genel olarak Bremsstrahlung etkisi, Almancanın bir daralması Bremsen fren anlamı ve Strahlung anlam 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 ışını yoluna alüminyum filtreler yerleştirilir. Yayılan X-ışını fotonlarının sayısı veya dozu, mevcut akış ve maruz kalma süresi kontrol edilerek ayarlanır.

Isı Salınan

Anodun odak noktasında ısı üretilir. Elektron enerjisinin küçük bir kısmı (% 1'den az veya eşit) X ışınlarına dönüştürüldüğünden, ısı hesaplamalarında göz ardı edilebilir.[5]Odak noktasında üretilen ısı miktarı (Joule cinsinden) şu şekilde verilir:

olmak dalga biçimi faktörü
= en yüksek AC voltajı (Volt cinsinden)
= tüp akımı (mili Amper cinsinden)
= maruz kalma süresi (saniye cinsinden)

Isı Birimi (HU) geçmişte Joule'ye alternatif olarak kullanılmıştır. X-ışını tüpüne tek fazlı bir güç kaynağı bağlandığında kullanışlı bir birimdir.[6] Bir tam dalga düzeltmesi ile sinüs dalgası, =, dolayısıyla ısı birimi:

1 HU = 0,707 J
1,4 HU = 1 J [7]

Türler

Crookes tüpü (soğuk katot tüpü)

1900'lerin başından kalma X-ışını tüpünü dolandırıyor. Katot sağda, anot ortada ve solda ısı emici takılı. Saat 10 konumundaki elektrot antikatottur. Üstteki cihaz, gaz basıncını düzenlemek için kullanılan bir 'yumuşatıcı'dır.

Crookes tüpleri, X ışınlarını oluşturmak için gereken elektronları üretti. iyonlaşma ısıtılmış bir tüpün içinde kalan havanın filament bu yüzden kısmen ama tamamen değil tahliye. Bir bardak yaklaşık 10 ile ampul−6 5 × 10'a kadar−8 atmosferik basınç nın-nin hava (0,1 ila 0,005 Baba ). Bir alüminyum katot tüpün bir ucundaki plaka ve bir platin anot diğer ucunda hedef. Anot yüzeyi, X-ışınlarının tüpün yan tarafına yayılması için açılıydı. Katot içbükeydi, böylece elektronlar anot üzerindeki küçük (~ 1 mm) bir noktaya odaklandı. nokta kaynağı daha net görüntülerle sonuçlanan X-ışınları. Tüpte anoda bağlı bir antikatot olan üçüncü bir elektrot vardı. X ışını çıktısını iyileştirdi, ancak bunu başardığı yöntem anlaşılmadı. Daha yaygın bir düzenlemede, anot ile aynı hizada bir bakır plaka antikatod (yapım açısından katoda benzer) kullanılmıştır, öyle ki anot, katot ve antikatot arasında olmuştur.

Çalıştırmak için bir DC birkaç voltaj kilovoltlar 100 kV'a kadar, anotlar ve katot arasına uygulandı, genellikle bir indüksiyon bobini veya daha büyük tüpler için elektrostatik makine.

Crookes tüpleri güvenilmezdi. Zaman geçtikçe, kalan hava borunun duvarları tarafından emilecek ve basıncı azaltacaktır. Bu, tüp boyunca voltajı artırarak, sonunda tüp çalışmayı durdurana kadar 'daha sert' X-ışınları oluşturdu. Bunu önlemek için 'yumuşatıcı' cihazlar kullanıldı (resme bakın). Ana borunun yan tarafına takılan küçük bir boru, ısıtıldığında az miktarda gaz salan ve doğru basıncı geri kazandıran bir mika manşon veya kimyasal içeriyordu.

Yapısını etkileyen X ışınları nedeniyle tüpün cam zarfı kullanım sırasında kararır.

Coolidge tüpü (sıcak katot tüpü)

Coolidge yan cam borusu (şema)
  • C: filament / katot (-)
  • A: anot (+)
  • Wiçinde ve Wdışarı: soğutma cihazının su girişi ve çıkışı

Coolidge tüpünde elektronlar şu şekilde üretilir: termiyonik etki bir tungsten filament elektrik akımı ile ısıtılır. Filaman, tüpün katotudur. Yüksek voltaj potansiyeli katot ve anot arasındadır, elektronlar bu nedenle hızlandırılmış ve sonra anoda vurun.

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 türünde, filaman anodun etrafındadır ("dairesel" veya halka şeklinde), elektronlar kavisli bir yola sahiptir (bir toroidin yarısı).

Yan cam tüpleri hakkında özel olan şey, elektrostatik mercek ışını anot üzerindeki çok küçük bir noktaya odaklamak için kullanılır. 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 verecek şekilde elektron akımına dik olarak 1-20 derece açıyla açılıdır. Anot genellikle tungsten veya molibden'den yapılır. Tüp, üretilen X-ışını fotonlarından kaçmak için tasarlanmış bir pencereye sahiptir.

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

Dönen anot tüpü

Basitleştirilmiş dönen anot tüp şematiği
  • 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. Daha ziyade, dönen bir anot, elektron ışınının anodun daha geniş bir alanını taramasına izin verir, böylece sabit durumuna kıyasla anoda daha az hasarla birlikte daha yüksek yoğunlukta yayılan radyasyon avantajından yararlanır.[8]

Odak nokta sıcaklığı, bir pozlama sırasında 2.500 ° C'ye (4.530 ° F) ulaşabilir ve anot tertibatı bir dizi büyük pozlamanın ardından 1.000 ° C'ye (1.830 ° F) ulaşabilir. Tipik anotlar, grafit ile desteklenen bir molibden çekirdeği üzerindeki tungsten-renyum hedefidir. renyum Yapar tungsten elektron ışınlarının etkisiyle aşınmaya karşı daha sünek ve dirençlidir. molibden hedeften ısı iletir. grafit anot için termal depolama sağlar ve anodun dönen kütlesini en aza indirir.

Mikrofokus X-ışını tüpü

Bazı röntgen muayeneleri (ör. tahribatsız test ve 3 boyutlu mikrotomografi ) çok yüksek çözünürlüklü görüntülere ihtiyaç duyar ve bu nedenle çok küçük odak noktası boyutları oluşturabilen, tipik olarak 50 μm'nin altında çapa sahip X-ray tüpleri gerektirir. Bu tüplere mikrofokus X-ışını tüpleri denir.

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

Katı anotlu mikrofokus X-ışını tüpleri prensip olarak Coolidge tüpüne çok benzer, ancak elektron ışınını anot üzerindeki çok küçük bir noktaya odaklayabilmek için özen gösterilmiş önemli bir ayrımla. Çoğu mikrofokus X-ışını kaynağı 5-20 μm aralığında odak noktalarıyla çalışır, ancak ekstrem durumlarda 1 μm'den küçük noktalar üretilebilir.

Katı anotlu mikro odaklı X-ışını tüplerinin en büyük dezavantajı, çalıştıkları çok düşük güçtür. Anodun 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.[9] Bu, 10 μm elektron ışını odaklı bir katı anotlu mikrofokus kaynağının 4-8 W aralığında bir güçte çalışabileceği anlamına gelir.

İçinde metal jet anotlu mikrofokus X-ışını tüpleri katı metal anot, elektron ışını hedefi olarak hareket eden bir sıvı metal jeti ile değiştirilir. Metal jet anodunun avantajı, maksimum elektron ışını güç yoğunluğunun önemli ölçüde artmasıdır. Farklı anot malzemeleri (galyum ve kalay) için 3-6 W / μm aralığındaki değerler bildirilmiştir.[10][11] 10 μm elektron ışını odaklaması durumunda, bir metal jet anot mikrofokus X ışını kaynağı 30-60 W'da çalışabilir.

Metal jet X-ışını tüpü için artırılmış güç yoğunluğu seviyesinin en büyük yararı, görüntü çözünürlüğünü artırmak ve aynı zamanda görüntüyü daha hızlı elde etmek için daha küçük bir odak noktası, örneğin 5 μm ile çalışma imkanıdır. 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

Hiç vakum tüpü Birkaç bin volt veya daha fazla voltajda çalışmak, istenmeyen bir yan ürün olarak X ışınları üretebilir ve bu da güvenlik sorunlarını ortaya çıkarır.[12][13] Voltaj ne kadar yüksekse, ortaya çıkan radyasyona o kadar nüfuz eder ve tehlike o kadar fazla olur. CRT renkli televizyonlarda ve bilgisayar ekranlarında yaygın olarak kullanılan ekranlar, 3-40 kilovoltlar,[14] onları ev aletleri arasında ana endişe haline getiriyor. Tarihsel olarak endişe, katot ışınlı tüp, kalın cam zarfı, yüksek voltaj (HV) yerine ekranlama için birkaç pound kurşunla emprenye edildiğinden doğrultucu ve Voltaj regülatörü içinde tüpler. 1960'ların sonlarında, bazılarının HV besleme devresinde bir arıza olduğu bulundu. Genel elektrik TV'ler, regülatör tüpünde aşırı voltaj bırakarak X ışınları yaymasına neden olabilir.[kaynak belirtilmeli ] Modeller geri çağrıldı ve ardından gelen skandal, bu tehlikeyi düzenlemekten sorumlu ABD ajansına neden oldu. Cihazlar ve Radyolojik Sağlık Merkezi of Gıda ve İlaç İdaresi (FDA), arıza durumunda aşırı gerilimi önlemek için tüm TV'lerin devreler içermesini şart koşmak.[kaynak belirtilmeli ] Aşırı voltajlarla ilişkili tehlike, herkesin gelişiyle ortadan kaldırıldı. katı hal CRT'nin yanında tüpü olmayan TV'ler. 1969'dan beri FDA, TV X-ışını emisyonunu 0,5 mR (milenoentgen ) saat başı. düz ekranlar Günümüzde kullanılan X-ışını yayabilen vakum tüpleri bulunmamaktadır.

Ayrıca bakınız

Patentler

Referanslar

  1. ^ Behling, Rolf (2015). Modern Tanısal X-Ray Kaynakları, Teknoloji, Üretim, Güvenilirlik. Boca Raton, FL, ABD: Taylor ve Francis, CRC Press. ISBN  9781482241327.
  2. ^ Coolidge, ABD Patenti 1,203,495 . Öncelik tarihi 9 Mayıs 1913.
  3. ^ Süreklilik ve karakteristik çizgilerin diyagramı Arşivlendi 23 Şubat 2008, Wayback Makinesi
  4. ^ John G. Stears; Joel P. Felmlee; Joel E. Gray (Eylül 1986), "cf., X-ray Tüpünde Tungsten Oluşumuna Bağlı Yarı Değer Katmanında Artış: Gerçek veya Kurgu", Radyoloji, 160 (3): 837–838, doi:10.1148 / radyoloji.160.3.3737925, PMID  3737925
  5. ^ http://sprawls.org/ppmi2/XRAYHEAT/
  6. ^ http://sprawls.org/ppmi2/XRAYHEAT/
  7. ^ Perry Sprawls, Ph.D. X-Ray Tüpü Isıtma ve Soğutma, şuradan Tıbbi Görüntülemenin Fiziksel İlkeleri'nin web tabanlı baskısı, 2. Baskı.
  8. ^ https://patents.google.com/patent/US2900543A/en
  9. ^ D. E. Grider, A Wright ve P. K. Ausburn (1986), "Mikrofokus x-ışını tüplerinde elektron ışını eritmesi", J. Phys. D: Appl. Phys. 19: 2281-2292
  10. ^ M. Otendal, T. Tuohimaa, U. Vogt ve H. M. Hertz (2008), "A 9 keV elektron darbeli sıvı-galyum-jet x-ışını kaynağı", Rev. Sci. Enstrümanlar. 79: 016102
  11. ^ T. Tuohimaa, M. Otendal ve H. M. Hertz (2007), "Sıvı-metal-jet-anot mikrofokus kaynağı ile faz-kontrastlı x-ışını görüntüleme", Appl. Phys. Lett. 91: 074104
  12. ^ "Televizyon radyasyonu hakkında bilgi sahibi olmanızı istiyoruz". Cihazlar ve Radyolojik Sağlık Merkezi, ABD FDA. 2006. Arşivlenen orijinal 18 Aralık 2007. Alındı 2007-12-24.
  13. ^ Pickering, Martin. "Resmi olmayan bir X-ışını koruması geçmişi". sci.electronics.repair SSS. Alındı 2007-12-24.
  14. ^ Hong, Michelle. "Televizyon Görüntü Tüpünün Voltajı". Alındı 11 Ağustos 2016.

Dış bağlantılar