Источники рентгеновского излучения.

В настоящее время в практике рентгеновской интроскопии используются следующие источники рентгеновского излучения:

1) рентгеновские трубки;

2) рентгеновские излучатели;

3) рентгеновские моноблоки.

Рентгеновские трубки с неподвижным анодом:

Рентгеновская трубка с неподвижным анодом работает следующим образом:

при нагревании нити накала 1 (700÷800ºС) нагревается катод 2, из которого происходит эмиссия электронов (явление термоэлектронной эмиссии). Все элементы рентгеновской трубки располагаются в колбе 9 в глубоком вакууме.

За счет фокусирующих электродов 3 и 4 , между которыми прикладывается высоковольтное напряжение (100 – 400 кВ), фокусируется тонкий электронный пучок, и за счет поля ему сообщается высокая энергия. Для того чтобы предотвратить воздействие на электронный пучок внешних магнитных полей, используется магнитная катушка 8, которая способствует фокусировке электронного пучка. При ударе электронного пучка о мишень 6, изготовленную из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден), происходит излучение рентген-лучей, которые покидают трубку через окно 7, прозрачное для рентгеновского излучения. Так как при ударе электронов по мишени выделяется значительное количество тепловой энергии, то используется охлаждение анода 5 жидкостью, которая непрерывно протекает через его внутреннюю полость.

Понятие действительного и эффективного фокусного пятна.

Область решений, о которую ударяется электронный пучок, носит название фокуса.

При ударе электрического пучка о мишень он покрывает собой некоторую площадь, которую называют действительным фокусным пятном (ДФП). Как видно из рисунка, рентгеновские лучи направляются перпендикулярно оси электронного луча, а площадь проекции называется эффективным фокусным пятном (ЭФП). Чем меньше эта площадь, тем более резким получается рентгеновское изображение. Значение ЭФП можно уменьшить за счет уменьшения угла α . В современных трубках угол α = 15 – 17 градусов.

Форма пятна обычно принимается круглой или прямоугольной. Для этого нить накала изготавливается в виде спирали Архимеда или винтовой пружины .

В настоящее время ЭФП в рентгеновских трубках доводится до 2 мм, а в специальных – до 1,2 мм.

Рентгеновская трубка с неподвижной мишенью.

В этих трубках источник электронов, а также система фокусировки располагаются в удалении от мишеней и формируют электронный пучок (рис. 2), который ударяется о мишень той или иной формы.

На рисунке а) показана трубка с остронаправленным рентгеновским излучением.

На рисунке б) показана панорамная (кольцевая) трубка. Она позволяет создать рентгеновское излучение, имеющее форму кольца.

На рисунке в) – прострельная (торцевая) трубка. Здесь рентгеновское излучение возникает в мишени и просвечивает ее.

Рентгеновская трубка с вращающимся анодом.

В данной трубке, в отличие от предыдущих, охлаждение анода осуществляется за счет его вращения.

В стеклянной колбе 1 раскаленная нить 2 создает поток электронов, которые фокусируются с помощью электродов 3 в электронный пучок и под действием электрического поля направляются к поверхности анода. Возникающие рентгеновские лучи покидают колбу через окно 7.

Для вращения анода применяется специальный двигатель, ротор 6 которого во внутренней вакуумированной полости рентгеновской трубки, а остаток 5 – во внешней.

Так как электронный луч при вращении анода лишь малую долю периода первого оборота анода ударяется о его поверхность 4, то большую часть времени все точки поверхности охлаждаются. Это и позволяет исключить необходимость жидкостного охлаждения анода.

Некоторые характеристики рентгеновской трубки.

Вольтамперная характеристика трубки (ВАХ).

- анодный ток;

U – анодное напряжение.

Рисунок а) – ВАХ, из которого видно, что при различных токах накала катода i , анодный ток изменяется, причем обе кривые имеют насыщение, что является важным для стабилизации работы рентгеновской лампы. С увеличением тока накала i > i анодный ток увеличивается

Наличие характеристики, имеющей насыщение, позволяет так выбрать рабочее напряжение анода, чтобы при его возможных колебаниях ток анода не менялся.

Рисунок б) – зависимость интенсивности излучения от длины волны и напряжения. Как видно из рисунка, увеличение анодного напряжения сдвигается спектр рентгеновского излучения в сторону меньших длин волн, что используется при проведении рентгеновских исследований.

Мощность рентгеновской лампы:

К – определяется электрической схемой, используемой для питания лампы.

Неоднородности рентгеновского излучения, создаваемого рентгеновскими трубками.

Неоднородность излучения в пучке вызвана различными углами видения ∆φ фокусного пятна (ФП) на аноде со стороны приемника излучения (ПИ).

Как видно из рисунка а) положения 1, 2, 3 – угол видимости соответственно увеличивается. В результате, как в плоскости оси вращения анода (рис. б), так и в плоскости анода (рис.в) наблюдается неоднородность излучения. Она возникает также из-за того, что ПИ, как правило, является плоским, а рентгеновские лучи, исходящие из источника, распространяются по радиусу сферы. Таким образом, расстояние от фокуса до различных точек ПИ будет различным: по центру – минимальным, по периферии – максимальным. По истечении времени эксплуатации трубки интенсивность излучения уменьшается. После 5000 – 10000 срабатываний трубки интенсивность уменьшается, как показано на рисунке б). Это вызывает необходимость увеличения анодного тока в трубке по мере эксплуатации.

Рентгеновские излучатели и моноблоки.

На рисунке а) показан рентгеновский излучатель. Здесь рентгеновская трубка располагается в металлическом контейнере 1, заполненном трансформаторным маслом. Высоковольтное напряжение в трубке 2 подводится через высоковольтный изолятор 4. Масло в контейнере выполняет 2 функции:

1) создает надежную изоляцию между анодом и катодом;

2) охлаждает трубку, так как при ее работе выделяется теплота.

Так как масло при этом нагревается, то в конструкции предусмотрен расширитель 5, изготовленный бензостойкой резины, что исключает возникновение напряжений в корпусе контейнера.

Излучение выводится через окно 3 .

Недостатком такого устройства является необходимость подвода высоковольтного напряжения с помощью специальных высоковольтных кабелей к рентгеновскому излучению, что затрудняет его возможное перемещение.

В моноблоке (рис.б) обеспечивается более простой способ подвода электроэнергии к трубке. Здесь во внутренней полости контейнера располагается, кроме трубки, еще и повышающий трансформатор 7 и трансформатор накала 8, а подвод электроэнергии из сети можно осуществлять обычными проводами.

Устройство электрического питания рентгеновских источников излучения.

В простейшем случае рентгеновский аппарат работает следующим образом:

помощью регулятора напряжения (РН) выбирается напряжение питания. С помощью РВ создается выдержка, т.е. длительность рентгеновского излучения. Значение этой выдержки выбирают в зависимости от просвечиваемого объекта. Кнопка (Кн) включает ТК и замыкает цепь питания между РН и главным трансформатором (ГТр), который является повышающим и позволяет получать напряжение 400кВ и выше. Это напряжение подается на выпрямитель (ВП) и далее к рентгеновской трубке (РТ), которая фокусирует пучок излучения.

Накал нити трубки осуществляется от отдельного источника питания (ИПН) через трансформатор накала (ТН).

Упрощенная электрическая схема рентгеновского аппарата:

Схемы устройств электропитания.

Схема а) – однополупериодный выпрямитель. Здесь функцию выпрямителя выполняет сама рентгеновская трубка, а именно: если на выходе ГТр имеем за 1 период изменение напряжения в форме рис. б), то, так как трубка проводит электрический ток только в одном направлении от катода к аноду, то напряжение на трубке будет меняться, как показано на рис. в). Причем импульс излучения будет длиться 0,01с.

На рисунке г) показана схема двухполупериодного выпрямителя. Здесь после ГТр в схему включен двухполупериодный диодный мост. Он позволяет получать при напряжении питания (рис. б) ток через рентгеновскую трубку в оба полупериода напряжение питания. Такие схемы применяются на небольших рентгеновских аппаратах. В основном, применяют трехфазную схему питания и выпрямитель напряжения – рис.ж). Здесь ГТр содержит 3 обмотки, и напряжение в них сдвинуто на 120 градусов относительно друг друга. Получаемый при этом ток и напряжение на трубке имеют форму, показанную на рисунке з). В данном случае за полный период электрических колебаний в сети ток через трубку никогда не равен 0. Это позволяет выбирать в пределах одного периода или более значений экспозиции (выдержки).

Еще более совершенными являются схемы с высокочастотным преобразователем напряжения (рис.и). Здесь после выпрямления сетевого напряжения выпрямителем ВП1 оно преобразуется с помощью преобразователя ПР в высокочастотный сигнал, который затем выпрямляется в выпрямителе ВП2. В результате ток и напряжение через трубку имеют форму, показанную на рис.к). Такая схема позволяет увеличить точность выполнения экспозиций.

Устройства формирования пучка рентгеновского излучения.

К этим устройствам относятся фильтры, диафрагмы, тубусы и растры.

Фильтры.

Известно, что рентгеновское излучение, которое создает трубка, примерно только на 70% состоит из фокального излучения (излучения, исходящего из фокуса), а остальная часть излучения исходит из зоны окружения фокуса – афокальное излучение. Оно имеет большую длину волны, что является нежелательным.

Для уменьшения влияния афокального излучения на результаты просвечивания применяют специальные фильтры, которые изготавливают из алюминия или меди.

Алюминиевые фильтры на длину рентгеновского излучения:

1 – без фильтра (100%)

2 – с алюминиевым фильтром толщиной 2мм

3 – с алюминиевым фильтром толщиной 5мм.

Как видно, алюминиевый фильтр убирает из пучка рентгеновских лучей лучи, имеющие большую длину волны. Обычно, фильтры выполняются в виде пластин размером 80х100мм или 100х100мм и устанавливаются в поток излучения сразу после рентгеновской лампы.

Диафрагмы.

Служат для придания пучку квадратной или прямоугольной в сечении формы.

Выпускаются нерегулируемые диафрагмы (рис.а) и регулируемые диафрагмы (рис.б). проходное сечение можно изменять за счет передвижения подвижных пластин. Диафрагмы изготавливаются из металлов, не пропускающих рентгеновское излучение.

Тубусы.

Эти устройства служат для создания требуемого по форме рентгеновского луча на заданном расстоянии. Эта форма может быть прямоугольной и круглой в сечении.

На рисунке в) длина тубуса L определяет расстояние от рентгеновской трубки до объекта.

Тубусы также применяют в дентальных аппаратах, где с их помощью создается расстояние до просвечиваемого зуба (рис.г).

Схема блока источника рентгеновского излучения.

Блок рентгеновскую трубку (излучатель или моноблок), фильтрация излучения которой осуществляется с помощью фильтра Ф, а площадь поля облучения задается диафрагмой Д. Для того чтобы направить рентгеновский луч точно на просвечиваемую часть объекта, блок содержит устройство, называемой центратором Ц. Простейший центратор содержит лампу накаливания 3 и зеркало 2. Луч света от лампы распространяется так же (пунктирная линия), как распространяется рентгеновский луч. Это позволяет перед просвечиванием точно навести рентгеновский луч на объект исследования. Существуют также лазерные центраторы.

Рентгеновские растры.

Известно, что при столкновении рентгеновского излучения с атомом объекта исследования оно частично рассеивается. Это уменьшает резкость изображения, т.е. изображение получается размытым. Для уменьшения этого эффекта используются растры.

Когда рентгеновское излучение проходит через объект, то, как видно из рисунка, в потоке лучей появляются такие траектории, которые отклоняются от траектории основного излучения. Растры размещают между объектом и приемником излучения ПИ. Растра обычно представляет собой прямоугольную конструкцию, в которой размещены тонкие пластины, которые называются ламелями и изготавливаются из свинца. Пространство между ламелями заполняют лавсаном, воздухом или углеродом. Угол наклона увеличивается к горизонту, что необходимо, чтобы лучи рентгеновского источника по всей плоскости растра имели возможность распространяться между ламелями. Причем для каждого источника подбирается свой растр, который располагается на соответствующем расстоянии от него. Как видно из рисунка, рассеянное излучение попадает на ламели и поглощается ими, не создавая отображение на ПИ.

Наиболее важные характеристики растр:

1) отношение толщины растра δ к расстоянию между ламелями φ (6÷8);

2) число ламелей на 1см (35 или 70). При этом растры с числом ламелей 35/см при экспонировании совершают возвратно-поступательное движение, что исключает появление изображения растра на ПИ. При 70/см – ламели могут оставаться неподвижными, что не сказывается на качестве изображения.