Рентгенівські генератори та трубки - Студопедія
Рентгенівський генератор складається з випромінювача і рентгенівського пристрою живлення (РПУ).
Рентгенівським випромінювачем називають систему, що складається з джерела випромінювання – рентгенівської трубки та захисного кожуха, в якому розміщується трубка.
Рентгенівська трубка є високовольтним електровакуумним приладом. Трубка складається з катода, що розжарюється, що є джерелом електронів, і анода, в речовині якого гальмують електрони, прискорення електричним полем, прикладеним до електродів трубки. Електроди трубки поміщаються у скляний балон, що поєднує елементи трубки у єдину конструкцію. У сучасних трубках залишковий тиск газів у балоні досягає 10 -4 Па (10 -6 мм рт. ст.).
В результаті бомбардування анода потоком прискорених електронів та гальмування їх на ділянці поверхні анода (у фокусі) виникає рентгенівське випромінювання, яке випромінюється практично рівномірно в тілесному куті 2π, якщо не вважати деякого послаблення випромінювання біля площини анода. У рентгенодіагностиці використовують вузький пучок випромінювання. Для того, щоб виділити цей пучок з напівсфери випромінювання, активну поверхню анода, на якій знаходиться фокус, розташовують під кутом 90° - до осі трубки (рис. 1.1). Використовувану частину пучка випромінювання можна як чотирьох сторін шторками діафрагми. Висоту піраміди, перпендикулярну до осі трубки, називають центральним променем, або віссю пучка. Найбільший кут між гранями піраміди дорівнює 2β. Решта не використовується, і необхідно вживати заходів для захисту від її впливу.
Справжній фокус трубки має вигляд прямокутника і називається лінійним. Проекція фокусу на площину, перпендикулярну центральному променю, є квадратом.сторонами від 0,1 до 2 мм і називається ефективною фокусною плямою рентгенівської трубки. Важливо, що тільки на перпендикулярі до осі трубки ефективний фокус має квадратну форму та номінальні розміри та форма фокусу змінюються. Це іноді вимагає певної орієнтації трубки щодо об'єкта, що досліджується.
Електронний потік, що бомбардує анод трубки, виникає завдяки термоелектронній емісії з вольфрамової спіралі, що розжарюється електричним струмом. Для обмеження розмірів фокусу застосовується електростатичне фокусування потоку електронів. З цією метою катодну спіраль витягнутої форми розташовують у спеціальному гнізді. Форма гнізда та глибина розташованої у ньому спіралі створює необхідну конфігурацію електричного поля.
Рентгенодіагностичні трубки поділяють на трубки з нерухомим анодом і на трубки з анодом, що обертається. Застосування трубок з нерухомим анодом обмежено через малу потужність, яку здатний розсіяти анод трубки за малі проміжки часу. При обертанні анода під електронний промінь потрапляють елементи фокусної доріжки, що послідовно набігають, площа якої в багато разів більше дійсної фокусної плями. Температура елементів фокусної доріжки під час проходження під променем підвищується на 1500-2000° З, а під час одного обороту анода зменшується в 15-20 разів рахунок перерозподілу теплового поля у глибині шари тіла анода. При повторних проходженнях елемента під електронним променем картина повторюється і максимальна температура фокусу (елемента фокусної доріжки під час проходження під променем) підвищується порівняно повільно. Це дозволяє при великій потужності, що виділяється на аноді, зменшити величину ефективної фокусної плями, забезпечивши тим самим малу геометричну нерізкість.
Внаслідок перевагитрубок з анодом, що обертається, ними комплектують не тільки всі стаціонарні, але і багато пересувних і палатних апаратів. Застосування трубок з нерухомим анодом обмежено нині дентальними та переносними апаратами.
Розглянемо особливість роботи трубки з анодом, що обертається. Конструкція такої трубки зображена на рис. 1.2. Анодний диск з вольфраму з'єднаний з порожнім мідним ротором тонким молібденовим стрижнем і обертається під впливом електромагнітного поля статора, що обертається. Катодний вузол розташований ексцентрично щодо осі трубки та разом з фокусуючим пристроєм закріплений у балоні трубки.
Більше 99% енергії, що підводиться до фокусу, витрачається на нагрівання анода і тільки мала частина (
0,5%) перетворюється на рентгенівське випромінювання. Допустима потужність фокусу трубки (Рдоп) та тривалість її впливу (t0) визначаються ступенем нагрівання фокусу, фокусної доріжки та анода в цілому. Співвідношення
характеризують так звану здатність навантаження рентгенівської трубки; тут Wдоп - допустима енергія, що виділяється на аноді.
На рис. 1.3. представлені залежності допустимих потужностей та енергії від часу для великого та малого фокусів трубки 20-50БД22-15 для постійної та пульсуючої анодної напруги. Криві є експериментально знайденими залежностями, отриманими в процесі розробки трубки з умови певного терміну служби. Під впливом нагрівання поверхні анода до високих температур у фокусній доріжці виникають великі механічні напруги, що призводять до її ерозії [1, 2, 3]. Внаслідок цього інтенсивність рентгенівського випромінювання падає. За термін служби трубки приймається така кількість включень на гранично допустимих режимах, за які доза випромінювання зменшується не більше ніж на 30%. Це складаєвід 1000 до 40 000 включень. Для підвищення терміну служби в сучасних трубках передбачають поділ фокусних доріжок, зменшення кута активної поверхні анода, збільшення діаметра фокусної доріжки, легування матеріалу анода рением.
Дійсна площа фокусу Sф пов'язана із шириною b і кутом активної поверхні анода β наступним співвідношенням:
Sф = l * b = b 2 /sinβ см 2 (1.3)
Де l - Довжина дійсного фокусу, див.
Потужність, що виділяється на аноді трубки, віднесену до площі фокусу, називають питомим навантаженням фокусної плями. Здається питоме навантаження ν0 є відношення потужності Pа до площі ефективної фокусної плями
Відповідно, дійсне питоме навантаження - це відношення потужності до площі дійсної фокусної плями.
У процесі бомбардування фокусу утворюються вторинні електрони, які, розлітаючись за межі фокусу, забирають із собою частину енергії, що приноситься у фокус електронним потоком. При цьому виникає афокальне випромінювання, що помітно погіршує якість зображення. Іншою причиною виникнення афокального випромінювання слід вважати неточність фокусування електронного променя. Внаслідок викладеного питоме навантаження на дійсну фокусну пляму дорівнюватиме
де ? = 0.3 - коефіцієнт, що враховує вплив вторинної електронної емісії.
З (1.5) випливає, що при незмінному питомому навантаженні величина потужності Pa може бути істотно збільшена за рахунок зменшення кута активної поверхні анода. Однак зменшення кута обмежується необхідністю забезпечити досить великі поля опромінення, які різні при різних дослідженнях при певних фокусних відстанях. Значення кута становить 15-17.5° при загальній діагностиці.
Підвищення потужності трубкидосягається також збільшенням швидкості обертання анода. На рис. 1.3 наведено графіки допустимої потужності для вітчизняної трубки на 9000 об/хв типу 14-30БД9-150. З порівняння наведених кривих з кривими допустимої потужності для фокусів 20-50БД22-150 на 3000 об/хв видно, що таке збільшення швидкості обертання дозволило зменшити розміри великого фокусу з 2 х 2 до 1.2 х 1.2 мм, а розміри малого фокусу до 0,6 х 0,6 мм без зменшення допустимої потужності трубки.
При низці досліджень дуже важливо мати можливість виконати велику кількість знімків, що швидко йдуть один за одним. Для цього необхідно підвищити теплоємність анода, що досягається збільшенням маси анода з
900-1100 р. Таке збільшення маси пред'являє дуже важкі вимоги до підшипників анодного вузла. Застосовують також сплавні аноди, у яких вольфрамовий диск завтовшки
1 мм сплавлений з молібденовим диском завтовшки 5-7 мм, або графітові аноди з напиленою вольфрамовою доріжкою. Це дозволяє майже вдвічі підвищити теплоємність анода без істотного збільшення його маси.
Для полегшення роботи підшипників у трубках з дуже великою теплоємністю анода застосовується закріплення анода у двох підшипниках, на відміну від консольного закріплення у звичайних трубках. З цією метою балон трубки виготовляється із кераміки. Така конструкція дозволяє застосовувати аноди діаметром до 120-150 мм та швидкістю обертання до 16000 об/хв, що призводить до збільшення теплоємності анода до величини порядку 106 кДж при одночасному збільшенні допустимої потужності.
Охолодження поверхні фокусного кільця відбувається шляхом теплопередачі тепло анода. Охолодження анодного диска здійснюється частково випромінюванням теплової енергії з поверхні анода в олію захисного кожуха через балон трубки,частково - теплопередачею через ніжку анодного диска в анодний вузол обертання трубки і далі масло захисного кожуха. Для збільшення тепловіддачі з поверхні анода шляхом випромінювання застосовуються анодні диски складної композиції, один із шарів у якій виконаний з графіту (С+Мо+W+Re).
Захисний кожух з олією охолоджується лише за рахунок конвекції навколишнього повітря. Для збільшення конвекції при великому навантаженні випромінювача застосовують обдування випромінювача за допомогою спеціального вентилятора або примусове масляне охолодження.
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком: