2.3. Рентгенівські трубки

Рентгенівський випромінювач для медичної діагностики є маслонаповнений металевий кожух з рентгенівською трубкою. Рентгенівська трубка – це колба з термостійкого скла, всередині якої розміщені в глибокому вакуумі термокатод та анод (рис.

Електрони здійснюють іонізацію атомів матеріалу анода, гальмуються та зупиняються. Більшість енергії, що передається електронами аноду, конвертується в теплову, і лише мала її частина (менше 1%) перетворюється на гальмівне та характеристичне рентгенівське випромінювання. Деяка частина цих рентгенівських променів проходить через вихідні вікна колби і кожуха, фільтр, пристрій, що колімує, і далі через пацієнта - на приймач.

Рентгенівські промені, що розповсюджуються в інших напрямках, поглинаються кожухом трубки. Вся конструкція трубки встановлюється на штативі, який забезпечує легкість її позиціонування. Коліматор необхідний управління розмірами і напрямом рентгенівського пучка.

Мал. 2.3. Конструкція рентгенівської трубки з анодом, що обертається:

1 - термовимикач; 2 - високовольтний кабель; 3 - катод прямого розжарення; 4 - рентгенопрозоре вікно; 5 - вакуум; 6 - блок катода; 7 - високовольтний кабель; 8 - відпайковий відросток; 9 - свинцевий корпус; 10 - скляна колба; 11 - мета; 12 - анод; 13 - тепловий екран; 14 - утримувач з молібдену; 15 - маслорозширювальна діафрагма

На рис. 2.4. наочно представлений зовнішній вигляд типової рентгенівської трубки з анодом, що обертається, для рентгенівського апарату загального призначення [2].

Конструкція вузла термокатода та електронно-оптичної системи відіграє дуже важливу роль, оскільки нерізкість зображення значною мірою залежить від розмірів фокальної плями на поверхні анода, а вихідна потужність випромінюваннятрубки визначається електронним струмом, що приходить на анод.

Катод (найчастіше прямого розжарення) являє собою вольфрамову спіраль, яка встановлюється в нікелевій капсулі. Ця капсула підтримує нитку розжарення і має таку форму, що електричне поле, що створюється, фокусує електрони у вузький пучок. Анод, що обертається, має конічну поверхню з тупим кутом при вершині (рис. 2.4, 2.5).

У вихідне вікно надходять ті рентгенівські промені, які йдуть приблизно під прямим кутом до напрямку електронного пучка, так що на поверхні приймача рентгенівське випромінювання має квадратний переріз, навіть якщо потік електронів, що бомбардує мішень, добре сколімований.

Мал. 2.4. Рентгенівська трубка з анодом, що обертається:

1 - колба, 2 - катодний вузол, 3 - скошений (конічний) анод, 4 - ротор та підшипниковий вузол

Кут нахилу поверхні анода q вибирається виходячи з призначення трубки та змінюється в залежності від вимог до розмірів поля та фокальної плями, а також до вихідної потужності трубки (рис. 2.6). Для рентгенівських трубок загального призначення величина кута становить близько 17°.

У багатьох випадках анод має скіс під двома різними кутами, а також дві нитки розжарення для вибору або вузького або широкого фокального плями, а також для забезпечення підвищеної надійності трубки.

Оскільки більша частина енергії, що віддається потоком електронів аноду, перетворюється на тепло, то однією з найважливіших проблем є проблема його зменшення та швидкого його відведення та розсіювання. Справді, потужність електронного пучка в рентгенодіагностичних апаратах може досягати приблизно 100 кВ 300 мА = 30 кВт. Цю проблему можна вирішити таким чином, щоб потік електронів падав на поверхню анода, що обертається, асмужка фокусу рухалася периферією анодного диска. Для трубок загального призначення швидкість обертання анода становить приблизно 3000 об/хв, а діаметр анодного диска близько 10 см.

Мал. 2.5. Схема рентгенодіагностичної системи

Анод виготовляють, як правило, з вольфраму, хоча для спеціальних застосувань, які потребують рентгенівське випромінювання з малою енергією фотонів, використовується молібден. Атомний номер вольфраму Z = 74, вольфрам має необхідні теплопровідність та теплоємність, а також високу температуру плавлення. Важливо, щоб атомний номер матеріалу анода був великим, оскільки вихід гальмівного випромінювання з анода збільшується з атомним номером, а спектр рентгенівського випромінювання, створюваний елементом з великим атомним номером, добре підходить для отримання більш масивних частин тіла. Для збільшення терміну служби рентгенівської трубки часто використовують сплав вольфраму з ренієм (пропорції 90:10). Це зменшує руйнування поверхні анода (у вигляді появи мікротріщин), що викликається тривалими циклічними процесами нагрівання та охолодження.

Мал. 2.6. Використання скошеного анода зменшення ефективного розміру фокального плями. Ширина пучка електронів дорівнює lcosq, тоді як розмір фокальної плями, виміряний щодо центральної осі поля випромінювання, дорівнює lsin q.

Важливо, щоб анодний диск мав повну високу теплоємність. Велика теплоємність, пов'язана зі збільшенням розміру та маси анода, дозволяє досягати коротших часових інтервалів між експозиціями. Для трубок, що працюють у напруженому режимі, теплоємність анода можна збільшити запровадженням молібденової підкладки, оскільки молібден має більш високу питому теплоємність, ніж вольфрам (табл. 2.1).

Таблиця 2.1Властивості молібдену та вольфраму

Властивість	42Мо96	74W184
Атомний номер	42	74
Енергія рентгенівського випромінювання, кеВ	17,4-19,8	58,0-67,7
Відносна густина	10,2	19,3
Температура плавлення, °С	2617	3410
Питома теплоємність, Дж? кг-1?°С-1	250	125

Анодний диск кріпиться на тонкому стрижні молібденового, що зменшує зворотний потік тепла і оберігає від перегріву підшипники ротора. Від анода, що обертається, тепло відводиться головним чином випромінюванням скляній колбі і далі - за рахунок теплопровідності - трансформаторному маслу, що заповнює кожух.

Електропривод обертання анода влаштований за принципом асинхронного двигуна, причому ротор, жорстко з'єднаний з анодом, обертається всередині колби в глибокому вакуумі, а статор розташовується зовні та охолоджується олією.

---