Каковы особенности выбора рентгеновского аппарата
Качественная и своевременная диагностика - залог успешного и эффективного лечения. Вот почему в современном мире без рентгеновского аппарата не обходится ни одно лечебно-диагностическое учреждение.
Руководители медицинских центров часто сталкиваются с вопросом выбора данного оборудования, но как определить, какой рентген аппарат из великого множество вариантов, представленных на рынке, подойдет для клиники? По каким параметрам выбрать и купить рентген аппарат? Как не переплатить за ненужные функции и не упустить главное?
Сегодня все чаще устаревшие «пленочные» аппараты заменяются цифровыми рентгеновскими аппаратами, увеличивающими пропускную способность кабинета и сводящими к минимум дозу облучения. Стоит ли сделать выбор в их пользу или работать «по старинке»?
В данной статье мы расскажем, какими бывают рентгеновские системы и чем они друг от друга отличаются, о их преимуществах и особенностях, которые важно знать тем, кто решил купить рентгеновский аппарат.
Виды рентгенографических аппаратов
В соответствии с условиями эксплуатации, рентген аппарат может быть палатным, передвижным и стационарным.
Представлены и специализированные типы рентген аппаратов:
применяющиеся в операционных при хирургических вмешательствах - «ГУСЬ», «С-дуга»
аппараты для ангиографии - «С-дуга»
маммограф ические - «маммграфы»
стационарные на два и три рабочих места
ангиографические «С-дуга» «ангио комплексы»
компьютерные томографы с разным количеством срезов
дентальные рентгены для стоматологических отделений
Также существуют переносные малогабаритные аппараты, использующиеся для простых рентген-исследований в машине скорой помощи или на дому у пациента. Область применения переносных аппаратов крайне ограничена, ввиду их очень низкой мощности, поэтому они не могут заменить собой ни передвижной, ни тем более стационарный рентгеновский аппарат.
Передвижные рентгеновские установки применяются в основном в палатах, в связи с этим их часто называют «палатным рентген аппаратом». Мощность передвижных рентгенаппаратов составляет в среднем от 2,5 кВт до 32 кВт. Мощность классических стационарных аппаратов начинается от 40 кВт.
Некоторые медицинские центры, имеющие существенные ограничения на установку стационарного рентген аппарата, используют передвижной (палатный) рентген мощностью 32 кВт для рентгенографических исследований в отделении рентгенологии.
Рентгеновский аппарат типа U-arm представляет из себя рентгенографический аппарат с расположенными на едином вращающемся штативе излучателем и детектором. Для снимков в положении «лёжа» используется рентген-прозрачная каталка. Данный тип стационарных рентген аппаратов чаще всего используется в помещениях с небольшой площадью.
Рентгеновские системы на базе телеуправляемого стола-штатива - это наиболее дорогой тип стационарных рентгенографических аппаратов. Это установки 3 в 1 для рентгенодиагностического отделения любого современного медицинского учреждения. Они позволяют проводить все возможные рентгенографические и рентгеноскопические исследования. Наиболее распространенный тип стационарных рентгеновских систем в медицинских центрах - это классические рентгенографические аппараты на два рабочих места. Основными компонентами таких систем являются рентгеновская трубка (с потолочным или напольным креплением), стол снимков - для положения «лёжа», стойка снимков - для положения «стоя» и генератор.
При покупке рентген аппарата важно определиться с профилем исследований и местом расположения оборудования. Выбрав вид рентгеновского аппарата, можно перейти к оценке его технических параметров.
Важные технические характеристики рентгенаппаратов
Мощность генератора
При выборе аппарата следует учесть и основные технические характеристики. Чем выше мощность питающего устройства, тем меньше время экспозиции, тем ниже лучевая нагрузка, и при некоторых исследованиях выше качество изображения. В особенности это важно при обследовании тучных пациентов.
Для стационарных рентгеновских аппаратов диапазон мощности генератора в среднем составляет от 40кВт до 80кВт. Наибольшее распространение получили конфигурации с мощностью питающего устройства 50кВт - этого достаточно для проведения подавляющего большинства исследований. Но важно учитывать, что мощность генератора должна быть согласована с рабочей мощностью фокусов рентгеновской трубки, которые определяют рабочую мощность системы «генератор - рентгеновская трубка».
Тип генератора
При выборе рентгенаппарата важно также учитывать тип генератора: высокочастотные питающие устройства отличаются небольшой пульсацией анодного напряжения, что увеличивает ресурс рентгеновской трубки и снижает дозу облучения для пациента.
Технические решения, реализованные в конструкции лучших современных генераторов, обеспечивают получение рентгенограмм с высоким контрастным и пространственным разрешениями, а также максимальную безопасность исследования за счет минимизации «мягкого» рентгеновского излучения, не участвующего в формировании изображения.
Параметры рентгеновской трубки
Основными характеристиками самой рентгеновской трубки, которые важны для рентгенодиагностики, являются эффективные размеры фокусов .
Значение теоретически достижимого пространственного разрешения уменьшается при увеличении размера фокуса. При размере фокуса 2 мм по разным оценкам можно распознать до 3 пар линий/мм, даже если детектор имеет лучшие характеристики (рентгеновская пленка, например, позволяет различать 10-15 пар линий/мм). Все трубки имеют два рабочих фокуса. Чем ниже значение размера фокуса рентгеновской трубки, тем более четкими будут получаемые снимки, но уменьшение размера фокуса уменьшает и рабочую мощность.
При этом важно, чтобы мощность генератора рентген аппарата соответствовала рабочей мощности фокусов поставляемой трубки.
Еще одной характеристикой рентгеновских трубок является значение теплоемкости анода , влияющее на ресурсоемкость системы. Чем выше этот показатель, тем больше количество исследований до перегрева трубки и тем дольше она прослужит.
При выборе стационарного рентгенографического аппарата стоит обратить внимание на характеристики стола снимков.
В производстве столов снимков с высокой максимальной разрешенной нагрузкой применяются наиболее дорогие и надежные комплектующие. Хорошим показателем считается разрешенная максимальная нагрузка на стол в 200кг, но некоторые производители выпускают опциональные модели столов с разрешенной нагрузкой до 290 кг или даже выше.
Рентгенаппарат может быть также оснащен столом снимков, имеющим опцию «лифта», позволяющей перемещать поверхность стола в вертикальной плоскости - в среднем в диапазоне 500-850 мм от уровня напольного покрытия.
Варианты крепления трубки
У стационарных рентгеновских аппаратов на 2 рабочих места существует два варианта крепления трубки - на напольном штативе и потолочное.
Наибольшее распространение в частных медицинских центрах получил вариант крепления трубки на напольном штативе. Он проще в монтаже, не имеет серьезных ограничений по минимальной высоте потолков и площади рентген-кабинета.
Потолочное крепление трубки - это более дорогой, в том числе и в монтаже, вариант, но и более надежный и удобный в работе. Если позволяют габариты помещения, потолочное перекрытие и бюджет, выделенный на рентгенографический аппарат, то при большом планируемом потоке пациентов лучше остановиться на варианте потолочного крепления трубки.
Если же при большом потоке пациентов предполагается покупка рентгенаппарата с напольным крепление трубки, следует обратить внимание на варианты с усиленным напольных штативом.
Преимущества цифровых рентген-аппаратов
В последние годы диагностика всё чаще проводится с использованием цифровой рентгенографической аппаратуры нового поколения. Она обеспечивает мгновенное получение снимков, исключает процесс проявки, позволяет хранить изображения и проводить диагностику с помощью компьютерной техники.
Цифровой рентгеновский аппарат отличается тем, что полученные при помощи рентгеновского облучения изображения анатомических структур обрабатываются цифровым способом.
Главными достоинствами этого современного метода диагностики можно назвать:
высочайшее качество получаемых изображений: возможность их цифровой обработки позволяет выявить важные детали;
скорость и удобство работы: сразу после проведения процедуры изображение доступно для анализа;
удобство хранения и экономия пространства за счет создания мобильных и легкодоступных рентгеновских архивов,
более низкая стоимость исследований за счет отсутствия пленки и реактивов, и экологическая безопасность, благодаря устранению этапа проявки.
Для пациентов также важно, что современный цифровой рентген аппарат сводит к минимуму облучение в ходе процедуры исследования.
Рентгеновские аппараты, оснащенные цифровой системой, стоят дороже аналоговых, зато не требуют проявочной машины с расходными материалами и специального затемненного помещения для нее.
Переход на цифровую технологию позволяет существенно увеличить пропускную способность рентген кабинета, уменьшить дозовую нагрузку на пациента, а также снизить время ожидания результата для пациента. Появляется возможность редактирования и обработки полученных снимков, чтобы специалистам было легче определиться с диагнозом и спецификой заболевания.
Система на основе полупроводниковых плоских детекторов - это самая современная технология, имеющая более высокое разрешение.
В CR системах применяется принцип люминофорной чувствительности. Внешне это обычный рентген аппарат, в котором вместо пленочной кассеты используется CR-кассета на основе запоминающих люминофоров. После снимка кассету необходимо достать из аппарата и поместить в специальное считывающее устройство - дигитайзер. По окончании процесса считывания дигитайзер передаёт полученное цифровое изображение на рабочую станцию лаборанта, при этом кассета будет очищена и готова к следующему исследованию.
В DR системах применяются полупроводниковые плоскопанельные детекторы. Цифровой рентгеновский аппарат на два рабочих места может быть оснащен как одним беспроводным плоскопанельным детектором, который необходимо перемещать от стола к стойке снимков, так и двумя - и для стола и для стойки снимков.
При этом необходимо учитывать, что плоскопанельный детектор ни в коем случае нельзя ронять, а его стоимость составляет большую часть всей DR-системы, в отличии от CR, где стоимость отдельно взятой кассеты незначительна.
После снимка, практически моментально, плоскопанельный детектор передает цифровое изображение на рабочую станцию лаборанта. В цепочке отсутствует звено в виде оцифровщика (дигитайзера), что существенно сокращает время получения цифрового изображения, а также надежность всей системы.
Системы с плоскопанельным детектором (DR) стоят дороже систем на кассетах с дигитайзером (CR), но они оправданы при большом потоке пациентов, так как существенно повышают пропускную способность рентген кабинета, являются более надежными, а также позволяют получать изображения наилучшего качества.
Помимо рабочей станции лаборанта, как правило, входящей в комплект поставки CR или DR систем, для оснащения отделения рентгенологии с цифровым рентгеновским аппаратом понадобятся рабочая станция врача, комплектуемая медицинским монитором высокого разрешения, и специальный принтер для распечатки рентгеновских снимков.
При выборе и покупке рентгеновского аппарата желательно учитывать наличие сети авторизованных производителем сервисных центров на территории России со складом основных запчастей, которые осуществляют как гарантийное, так и постгарантийное обслуживание.
Грамотный подбор оборудования имеет огромное значение для полноценного функционирования рентгенологического отделения в частной клинике.
При расчете теплового режима анодов рентгеновских трубок, как правило, вполне допустимо считать, что теплофизические характеристики материалов, из которых изготовлен анод, не зависят от температуры.
Как известно, практически вся потребляемая трубкой электрическая мощность преобразуется в тепло, выделяемое на аноде рентгеновской трубки. Поэтому при конструировании рентгеновских трубок необходимо рассчитывать их тепловые режимы. С точки зрения нагрева наиболее критическими являются центр фокусного пятна и центр спая мишени с массивным анодом.
При расчете теплового режима анодов рентгеновских трубок, как правило, вполне допустимо считать, что теплофизические характеристики материалов, из которых изготовлен анод, не зависят от температуры.
Если имеем цилиндрический анод радиуса R, и высотой h с массивной мишенью толщиной d , то данную задачу удобнее решать в цилиндрических координатах. Допустим, что мишень бомбардируется осесимметричным электронным пучком с радиусом r . Распределение плотности тока в пучке и, следовательно, распределение теплового потока в фокусном пятне на поверхности мишени будем считать равномерным. Как показывает опыт, основание анода является практически изотермическим и будем считать, что с помощью системы охлаждения температура основания Тс1 поддерживается постоянной. Поскольку боковая поверхность массивного анода обычно находится в вакууме, то теплоотводом через нее можно пренебречь. Для охлаждения трубки можно применить простую систему воздушного охлаждение в виде радиатора в основании анода. Предположив, что основание анода не будет нагреваться выше 100ºС в постоянном режиме работы на мощности 400 ватт, можно рассчитать требуемую площадь радиатора по формуле:
где S – площадь радиатора в метрах, T осн - температура основания анода, Т в - температура окружающего воздуха, W - рассеиваемая мощность, а - коэффициент теплоотдачи. Для систем с естественным конвекционным охлаждением а =(2...10) Вт/м²К,для систем с принудительным воздушным охлаждением а =(10…150) Вт/м²К и более. Для принудительного охлаждения(а=100 Вт/м²К) рентгеновской трубки в постоянном режиме требуется площадь радиатора около 0,06 м 2 .
При работе в постоянном режиме более предпочтительны системы с жидкостным охлаждением. Для данной рентгеновской трубки можно использовать систему охлаждения в виде радиатора в защитном кожухе с трансформаторным маслом. Расчёт такой системы охлаждения можно произвести по формуле:
где t – температура радиатора, С; t 0 – температура масла, С; S - поверхность теплообмена, м 2 ; ς = 1 – при вертикальном положении радиатора; ς = 0.8 – при горизонтальном положении радиатора. Предположив, что система охлаждения будет подводить к горизонтально расположенному радиатору масло с температурой 30С и отводить с температурой не выше 100С можно рассчитать требуемую площадь радиатора.
Если принять теплоёмкость масла равной С = 1.8 кДж/(кг*К) (С = 1.5 кДж/(л*К)) то для отвода тепла потребуется поток масла болееU=0.229 л/мин.
Рис. 3. Схема цилиндрического медного анода с вольфрамовой мишенью
Расчёт теплового режима производился в математическом пакете Mathcad.
Р а д и у с а н о д а, с м
Т о л щ и н а а н о д а, с м
Р а д и у с ф о к у с н о г о п я т н а, с м
Т о л щ и н а ф о л ь ф р а м о в о й м и ш е н и, с м
Т е м п е р а т у р а о х л а ж д а е м о г о о с н о в а н и я а н о д а, 0С
М о щ н о с т ь т р у б к и, В т
К о э ф ф и ц и е н т т е п л о п р о в о д н о с т и м а т е р и а л а м и ш е н и (в о л ь ф р а м а), В т /(с м *г р а д)
К о э ф ф и ц и е н т т е п л о п р о в о д н о с т и м а т е р и а л а а н о д а (м е д и), В т /(с м *г р а д)
Т е м п е р а т у р а в ц е н т р е ф о к у с н о г о п я т н а о п р е д е л я е т с я к а к
Т е м п е р а т у р а в ц е н т р е с п а я м и ш е н и с а н о д о м о п р е д е л я е т с я к а к
Функции
ff1
и
fm2,
используемые
при расчёте температур, зависят от
геометрии анода, радиуса фокусного
пятна и коэффициентов и теплопроводности
мишени и тела анода.
Температуры в таком режиме не превышают допустимых 2000°С для вольфрамовой мишени и 800°С для медного анода. Максимально возможная мощность, рассеиваемая разрабатываемой трубки по этой модели - 670 ватт. Превышение этой мощности приведёт к разрушению медного анода в месте соприкосновения с вольфрамовой мишенью. Но, следует отметить, данная модель не учитывает излучение с поверхности анода и мишени, не учитывает и тот факт, что радиатор анода может нагреваться свыше 100°С.
Рентгеновское излучение создается путем преобразования энергии электронов в фотоны, которое происходит в рентгеновской трубке. Количество (экспозицию) и качество (спектр) излучения можно регулировать путем изменения тока, напряжения и времени работы прибора.
Рентгеновские трубки (фото приведено в статье) являются преобразователями энергии. Они получают ее из сети и превращают в другие формы - проникающее излучение и тепло, при этом последнее является нежелательным побочным продуктом. трубки таково, что она максимизирует производство фотонов и рассеивает тепло так быстро, насколько это возможно.
Трубка представляет собой относительно простой прибор, как правило, содержащий два принципиальных элемента - катод и анод. Когда ток течет от катода к аноду, электроны теряют энергию, что приводит к генерации рентгеновского излучения.
Анод является компонентом, в котором производится испускание высокоэнергетических фотонов. Это сравнительно массивный элемент из металла, который соединяется с положительным полюсом электрической цепи. Выполняет две основные функции:
Материал для анода выбирается так, чтобы усилить эти функции.
В идеале большинство электронов должно образовывать высокоэнергетические фотоны, а не тепло. Доля их полной энергии, которая превращается в рентгеновское излучение, (КПД) зависит от двух факторов:
В большинстве рентгеновских трубок в качестве материала анода используется вольфрам, атомный номер которого равен 74. В дополнение к большому Z, этот металл обладает некоторыми другими характеристиками, которые делают его подходящими для этой цели. Вольфрам уникален по своей способности сохранять прочность при нагревании, имеет высокую температуру плавления и низкую скорость испарения.
В течение многих лет анод делали из чистого вольфрама. В последние годы начали использовать сплав этого металла с рением, но лишь на поверхности. Сам анод под вольфрам-рениевым покрытием изготовляется из легкого материала, хорошо аккумулирующего тепло. Двумя такими веществами являются молибден и графит.
Рентгеновские трубки, используемые для маммографии, изготавливают с анодом, покрытым молибденом. Этот материал имеет промежуточный атомный номер (Z=42), который генерирует характеристические фотоны с энергиями, удобными для съемки груди. Некоторые приборы для маммографии также имеют второй анод, выполненный из родия (Z=45). Это позволяет повысить энергию и добиться большего проникновения для плотной груди.
Сплава улучшает долгосрочный выход излучения - со временем эффективность устройств с анодом из чистого вольфрама уменьшается вследствие термического повреждения поверхности.
Большинство анодов имеет форму скошенных дисков и крепится к валу электродвигателя, который вращает их на относительно высоких скоростях во время испускания рентгеновских лучей. Цель вращения - отвод тепла.
В генерации рентгеновского излучения участвует не весь анод. Оно возникает на небольшом участке его поверхности - фокальном пятне. Размеры последнего определяются размерами электронного пучка, поступающего из катода. В большинстве устройств оно имеет прямоугольную форму и варьируется в пределах 0,1-2 мм.
Рентгеновские трубки проектируют с определенным размером фокального пятна. Чем оно меньше, тем меньше размытость и выше четкость изображения, и чем оно больше, тем лучше отводится тепло.
Размер фокусного пятна является одним из факторов, который необходимо учитывать, когда выбирают рентгеновские трубки. Производители выпускают приборы с малыми фокальными пятнами, когда необходимо достичь высокой разрешающей способности и достаточно небольшой радиации. Например, это требуется при исследовании малых и тонких частей тела, как в маммографии.
Рентгеновские трубки в основном производят с фокусными пятнами двух размеров - большим и малым, которые могут быть выбраны оператором в соответствии с процедурой формирования изображения.
Основная функция катода - генерировать электроны и собирать их в луч, направленный на анод. Как правило, он состоит из небольшой проволочной спирали (нити), погруженной в чашеобразное углубление.
Электроны, проходящие по цепи, обычно не могут покинуть проводник и уйти в свободное пространство. Однако они могут это сделать, если получат достаточное количество энергии. В процессе, известном как термоэмиссия, для изгнания электронов из катода используется тепло. Это становится возможным, когда давление в откачанной рентгеновской трубке достигает 10 -6 -10 -7 мм рт. ст. Нить нагревается таким же образом, как спираль лампы накаливания при пропускании через нее тока. Работа рентгеновской трубки сопровождается нагревом катода до температуры свечения с вытеснением тепловой энергией из него части электронов.
Анод и катод содержатся в герметичном корпусе - баллоне. Баллон и его содержимое часто называют вставкой, которая имеет ограниченный срок службы и может заменяться. Рентгеновские трубки в основном имеют стеклянные колбы, хотя для некоторых применений используются металлические и керамические баллоны.
Основной функцией баллона является обеспечение поддержки и изоляция и поддержание вакуума. Давление в откачанной рентгеновской трубке при 15°C составляет 1,2·10 -3 Па. Наличие газов в баллоне позволило бы электричеству течь через прибор свободно, а не только в виде электронного пучка.
Устройство рентгеновской трубки таково, что, в дополнение к ограждению и поддержке других компонентов, ее корпус служит щитом и поглощает излучение, за исключением проходящего через окно полезного пучка. Его относительно большая внешняя поверхность рассеивает большую часть тепла, образуемого внутри устройства. Пространство между корпусом и вставкой заполнено маслом, обеспечивающим изоляцию и ее охлаждение.
Электрическая цепь соединяет трубку с источником энергии, который называется генератором. Источник получает питание от сети и преобразует переменный ток в постоянный. Генератор также позволяет регулировать некоторые параметры цепи:
Цепь обеспечивает движение электронов. Они заряжаются энергией, проходя через генератор, и отдают ее аноду. По мере их движения происходит два преобразования:
Когда электроны поступают в колбу, они обладают потенциальной электрической энергией, количество которой определяется напряжением KV между анодом и катодом. Рентгеновская трубка работает под напряжением, для создания 1 KV которого каждая частица должна обладать 1 кэВ. Регулируя KV, оператор наделяет каждый электрон определенным количеством энергии.
Низкое давление в откачанной рентгеновской трубке (при 15°C оно составляет 10 -6 -10 -7 мм рт. ст.) позволяет частицам под действием термоэлектронной эмиссии и электрической силы вылетать из катода к аноду. Эта сила ускоряет их, что приводит к увеличению скорости и кинетической энергии и убыванию потенциальной. Когда частица попадает на анод, ее потенциал теряется, и вся ее энергия переходит в кинетическую. 100-кэВ электрон достигает скорости, превышающей половины Ударяясь о поверхность, частицы очень быстро замедляются и теряют свою кинетическую энергию. Она превращается в рентгеновское излучение или тепло.
Электроны вступают в контакт с отдельными атомами материала анода. Излучение генерируется при их взаимодействии с орбиталями (рентгеновские фотоны) и с ядром (тормозное излучение).
Каждый электрон внутри атома обладает определенной энергией связи, которая зависит от размера последнего и уровня, на котором находится частица. Энергия связи играет важную роль в генерации характеристического рентгеновского излучения и необходима для удаления электрона из атома.
Тормозное излучение производит наибольшее количество фотонов. Электроны, проникающие в материал анода и проходящие вблизи ядра, отклоняются и замедляются силой притяжения атома. Их энергия, теряемая во время этой встречи, появляется в виде рентгеновского фотона.
Лишь немногие фотоны обладают энергией, близкой к энергии электронов. У большинства из них она ниже. Предположим, что существует пространство, или поле, окружающее ядро, в котором электроны испытывают силу «торможения». Это поле может быть разделено на зоны. Это дает полю ядра вид мишени с атомом в центре. Электрон, попадающий в любую точку мишени, испытывает торможение и генерирует рентгеновский фотон. Частицы, попадающие ближе всего к центру, подвергаются наибольшему воздействию и, следовательно, теряют больше всего энергии, производя самые высокоэнергичные фотоны. Электроны, попадающие во внешние зоны, испытывают более и генерируют кванты с более низкой энергией. Хотя зоны имеют одинаковую ширину, что они имеют разную площадь, зависящую от расстояния до ядра. Так как число частиц, попадающих на данную зону, зависит от ее общей площади, то очевидно, что внешние зоны захватывают больше электронов и создают больше фотонов. По этой модели можно предсказать энергетический спектр рентгеновского излучения.
E max фотонов основного спектра тормозного излучения соответствует E max электронов. Ниже этой точки, с уменьшением энергии квантов их число растет.
Значительное число фотонов с малыми энергиями поглощается или фильтруется, поскольку они пытаются пройти через поверхность анода, окно трубки или фильтр. Фильтрация, как правило, зависит от состава и толщины материала, через который проходит луч, что и определяет конечный вид низкоэнергетической кривой спектра.
Высокоэнергетическую часть спектра определяет напряжение в рентгеновских трубках kV (киловольт). Это происходит потому, что оно обусловливает энергию электронов, достигающих анода, а фотоны не могут обладать потенциалом, большим чем этот. Под каким напряжением работает рентгеновская трубка? Максимальная энергия фотона соответствует максимальному приложенному потенциалу. Это напряжение может изменяться во время экспозиции из-за переменного тока сети. В этом случае E max фотона определяется пиковым напряжением периода колебаний KV p .
Кроме потенциала квантов, KV p определяет количество радиации, создаваемой данным числом электронов, попадающих на анод. Так как общая эффективность тормозного излучения увеличивается за счет роста энергии бомбардирующих электронов, которая определяется KV p , то отсюда следует, что KV p влияет на КПД прибора.
Изменение KV p , как правило, изменяет спектр. Общая площадь под кривой энергий представляет собой число фотонов. Без фильтра спектр представляет собой треугольник, а количество радиации пропорционально квадрату KV. При наличии фильтра увеличение KV также увеличивает проникновение фотонов, что снижает процент фильтруемого излучения. Это ведет к увеличению радиационного выхода.
Тип взаимодействия, который производит характеристическое излучение, включает столкновение высокоскоростных электронов с орбитальными. Взаимодействие может происходить только тогда, когда входящая частица обладает Е к большей, чем энергия связи в атоме. Когда это условие соблюдено, и происходит столкновение, электрон выбивается. При этом остается вакансия, заполняемая частицей более высокого энергетического уровня. По мере движения электрон отдает энергию, излучаемую в виде рентгеновского кванта. Это называется характеристическим излучением, так как E фотона является характеристикой химического элемента, из которого сделан анод. Например, когда выбивается электрон К-уровня вольфрама с Е связи =69,5 кэВ, вакансия заполняется электроном из L-уровня с E связи =10,2 кэВ. Характеристический рентгеновский фотон обладает энергией, равной разности между этими двумя уровнями, или 59,3 кэВ.
На самом деле, данный материал анода приводит к появлению ряда характеристических энергий рентгеновского излучения. Это происходит потому, что электроны на различных энергетических уровнях (K, L и т.д.) могут быть выбиты бомбардирующими частицами, а вакансии могут быть заполнены из различных энергетических уровней. Несмотря на то что заполнение вакансий L-уровня генерирует фотоны, их энергии слишком малы для использования в диагностической визуализации. Каждой характеристической энергии дается обозначение, которое указывает на орбиталь, в которой образовалась вакансия, с индексом, который показывает источник заполнения электрона. Индекс альфа (α) обозначает заполнение электрона из L-уровня, а бета (β) указывает на заполнение из уровня М или N.
Аноды с двойными участками поверхности, молибден-родиевыми, дают возможность оператору выбрать распределение, оптимизированное под молочные железы разного размера и плотности.
Значение KV сильно влияет на характеристическое излучение, т. к. оно не будет производиться, если KV меньше энергии электронов K-уровня. Когда KV превышает это пороговое значение, количество излучения, как правило, пропорционально разности KV трубки и порогового KV.
Спектр энергий фотонов рентгеновского луча, выходящего из прибора, определяется несколькими факторами. Как правило, он состоит из квантов тормозного и характеристического взаимодействия.
Относительный состав спектра зависит от материала анода, KV и фильтра. В трубке с вольфрамовым анодом характеристическое излучение не образуется при KV< 69,5 кэВ. При более высоких значениях КВ, используемых в диагностических исследованиях, характеристическое излучение увеличивает суммарную радиацию до 25%. В молибденовых устройствах оно может составить большую часть общего объема генерации.
Лишь небольшая часть энергии, доставляемая электронами, преобразуется в радиацию. Основная доля поглощается и превращается в тепло. КПД излучения определяется как доля полной излучаемой энергии от общей электрической, сообщаемой аноду. Факторами, которые определяют КПД рентгеновской трубки, являются приложенное напряжение KV и атомный номер Z. Примерное отношение следующее:
Взаимосвязь между эффективностью и KV оказывает специфическое влияние на практическое использование рентгеновского оборудования. Из-за выделения тепла трубки имеют определенный предел по количеству электрической энергии, которую они могут рассеивать. Это накладывает ограничение на мощность прибора. С увеличением KV, однако, количество радиации, произведенное на единицу тепла, значительно увеличивается.
Зависимость генерации рентгеновского излучения от состава анода представляет лишь академический интерес, поскольку в большинстве устройств используется вольфрам. Исключением является молибден и родий, используемые в маммографии. КПД этих приборов значительно ниже вольфрамовых из-за их более низкого атомного номера.
Эффективность рентгеновской трубки определяется как количество облучения в миллирентгенах, доставленного в точку в центре полезного пучка на расстоянии 1 м от фокусного пятна на каждый 1 мАс электронов, проходящих через прибор. Ее значение выражает способность прибора преобразовывать энергию заряженных частиц в рентгеновское излучение. Позволяет определить экспозицию пациента и снимка. Как и КПД, эффективность устройства зависит от ряда факторов, в том числе KV, формы волны напряжения, материала анода и степени повреждения его поверхности, фильтра и времени использования прибора.
Напряжение KV эффективно управляет выходным излучением рентгеновской трубки. Как правило, предполагается, что выход пропорционален квадрату KV. Удвоение KV увеличивает экспозицию в 4 раза.
Форма волны описывает способ, с помощью которого KV изменяется со временем в процессе генерации радиации из-за циклической природы электропитания. Используется несколько различных форм волн. Общий принцип таков: чем меньше изменяется форма KV, тем эффективнее производится рентгеновское излучение. В современном оборудовании используют генераторы с относительно постоянным KV.
Компания Oxford Instruments выпускает различные устройства, включая стеклянные мощностью до 250 Вт, потенциалом 4-80 кВ, фокальным пятном до 10 микрон и широким диапазоном материалов анода, в т. ч. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian предлагает более 400 различных типов медицинских и промышленных рентгеновских трубок. Другими известными производителями являются Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong и др.
В России выпускаются рентгеновские трубки «Светлана-Рентген». Помимо традиционных приборов с вращающимся и стационарным анодом, предприятие изготавливает устройства с холодным катодом, управляемым световым потоком. Преимущества прибора следующие:
Рентгеновский излучатель для медицинской диагностики представляет собой маслонаполненный металлический кожух с рентгеновской трубкой. Рентгеновская трубка - это колба из термостойкого стекла, внутри которой размещены в глубоком вакууме термокатод и анод (рис.
2.3). Термокатод накаливается за счет прохождения через вольфрамовую спираль электрического тока. В процессе термоэлектронной эмиссии катода и благодаря наличию разности потенциалов между катодом и анодом в 25–150 кВ создается поток электронов, бомбардирующих поверхность анода. Пучок электронов фокусируется электростатической системой в малое фокальное пятно на поверхности анода.
Электроны осуществляют ионизацию атомов материала анода, тормозятся и останавливаются. Большая часть энергии, передаваемой электронами аноду, конвертируется в тепловую, и только малая ее часть (меньше 1 %) преобразуется в тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Некоторая часть этих рентгеновских лучей проходит через выходные окна колбы и кожуха, фильтр, коллимирующее устройство и далее через пациента - на приемник.
Рентгеновские лучи, распространяющиеся в других направлениях, поглощаются кожухом трубки. Вся конструкция трубки устанавливается на штативе, обеспечивающем легкость ее позиционирования. Коллиматор необходим для управления размерами и направлением рентгеновского пучка.
Рис. 2.3. Конструкция рентгеновской трубки с вращающимся анодом:
1 - термовыключатель; 2 - высоковольтный кабель; 3 - катод прямого накала; 4 - рентгенопрозрачное окно; 5 - вакуум; 6 - блок катода; 7 - высоковольтный кабель; 8 - отпаечный отросток; 9 - свинцовый корпус; 10 - стеклянная колба; 11 - мишень; 12 - анод; 13 - тепловой экран; 14 - держатель из молибдена; 15 - маслорасширительная диафрагма
На рис. 2.4. наглядно представлен внешний вид типичной рентгеновской трубки с вращающимся анодом для рентгеновского аппарата общего назначения .
Конструкция узла термокатода и электронно-оптической системы играет очень важную роль, поскольку нерезкость изображения в значительной степени зависит от размеров фокального пятна на поверхности анода, а выходная мощность излучения трубки определяется электронным током, приходящим на анод.
Катод (чаще всего прямого накала) представляет собой вольфрамовую спираль, которая устанавливается в никелевой капсуле. Эта капсула поддерживает нить накала и имеет такую форму, что создаваемое электрическое поле фокусирует электроны в узкий пучок. Вращающийся анод имеет коническую поверхность с тупым углом при вершине (рис. 2.4, 2.5).
В выходное окно поступают те рентгеновские лучи, которые идут приблизительно под прямым углом к направлению электронного пучка, так что на поверхности приемника рентгеновское излучение имеет квадратное сечение, даже если поток электронов, бомбардирующий мишень, хорошо сколлимирован.
Рис. 2.4. Рентгеновская трубка с вращающимся анодом:
1 - колба, 2 - катодный узел, 3 - скошенный (конический) анод, 4 - ротор и подшипниковый узел
Угол наклона поверхности анода q выбирается исходя из назначения трубки и изменяется в зависимости от требований к размерам поля и фокального пятна, а также к выходной мощности трубки (рис. 2.6). Для рентгеновских трубок общего назначения величина угла q составляет около 17°.
Во многих случаях анод имеет скос под двумя различными углами, а также две нити накала для выбора либо узкого, либо широкого фокального пятна, а также для обеспечения повышенной надежности трубки.
Поскольку большая часть энергии, отдаваемая потоком электронов аноду, преобразуется в тепло, то одной из важнейших проблем является проблема его уменьшения и быстрого его отвода и рассеяния. В самом деле, мощность электронного пучка в рентгенодиагностических аппаратах может достигать примерно 100 кВ ´ 300 мА = 30 кВт. Эту проблему можно решить таким образом, чтобы поток электронов падал на поверхность вращающегося анода, а полоска фокуса двигалась по периферии анодного диска. Для трубок общего назначения скорость вращения анода составляет примерно 3000 об/мин, а диаметр анодного диска - порядка 10 см.
Рис. 2.5. Схема рентгенодиагностической системы
Анод изготавливают, как правило, из вольфрама, хотя для специальных применений, в которых требуется рентгеновское излучение с малой энергией фотонов, используется молибден. Атомный номер вольфрама Z = 74, вольфрам имеет необходимые теплопроводность и теплоемкость, а также высокую температуру плавления. Важно, чтобы атомный номер материала анода был большим, так как выход тормозного излучения с анода увеличивается с атомным номером, а спектр рентгеновского излучения, создаваемый элементом с большим атомным номером, хорошо подходит для получения изображения более массивных частей тела. Для увеличения срока службы рентгеновской трубки часто используют сплав вольфрама с рением (в пропорции 90:10). Это уменьшает разрушение поверхности анода (в виде появления микротрещин), вызываемое продолжительными циклическими процессами нагрева и охлаждения.
Рис. 2.6. Использование скошенного анода для уменьшения эффективного размера фокального пятна. Ширина пучка электронов равна lcosq, в то время как размер фокального пятна, измеренный относительно центральной оси поля излучения, равен lsin q.
Важно, чтобы анодный диск имел высокую полную теплоемкость. Большая теплоемкость, связанная с увеличением размера и массы анода, позволяет достигать более коротких временных интервалов между экспозициями. Для трубок, работающих в напряженном режиме, теплоемкость анода можно увеличить введением молибденовой подложки, поскольку молибден имеет более высокую удельную теплоемкость, чем вольфрам (табл. 2.1).
Таблица 2.1 Свойства молибдена и вольфрама
Анодный диск крепится на тонком молибденовом стержне, что уменьшает обратный поток тепла и предохраняет от перегрева подшипники ротора. От вращающегося анода тепло отводится главным образом излучением стеклянной колбе и далее – за счет теплопроводности – трансформаторному маслу, заполняющему кожух.
Электропривод вращения анода устроен по принципу асинхронного двигателя, причем ротор, жестко соединенный с анодом, вращается внутри колбы в глубоком вакууме, а статор располагается снаружи и охлаждается маслом.
Применение ускорителей
И рентгеновских приборов
к курсовому проектированию
Санкт-Петербург
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
УДК ___________
ББК____________
И00 Грязнов А.Ю., Потрахов Н.Н. Применение ускорителей и рентгеновских приборов: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006, 46 с.
Предназначены для студентов специальности 200300 и направленя 654100, а также могут быть полезны инженерно-техническим работникам этой области знаний.
УДК ___________
ББК____________
Рецензенты: лаборатория технических средств неразрушающего контроля Московского института радиоэлектронной аппаратуры; гл. инженер ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед» В.М. Мухин
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний
ISBN 0-0000-0000-0 © СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006
ВВЕДЕНИЕ
Рентгеновская аппаратура занимает одно из ведущих мест в ряду средств, применяемых для изучения строения вещества, неразрушающего контроля качества изделий, радиационной технологии, исследования быстропротекающих процессов и решения других научных и технических задач. Функциональные возможности и технический уровень рентгеновской аппаратуры в значительной мере определяются параметрами используемых в ней источников излучения - рентгеновских трубок.
Исторически первыми областями практического использования рентгеновского излучения явились медицинская диагностика и просвечивание материалов. Для получения теневых картин исследуемых объектов на начальном этапе развития рентгенотехники применялись ионные рентгеновские трубки. Работы Лилиенфельда и особенно Кулиджа (1912 - 1913 гг.) привели к созданию электронных трубок с термокатодом, получивших в дальнейшем исключительно большое развитие.
На данный момент благодаря успехам вакуумной техники и технологии рентгеновские трубки значительно усовершенствованы. Развитая номенклатура существующих рентгеновских трубок позволяет решить широчайший спектр практических задач различного рода: рентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализы, рентгенография быстропротекающих процессов, исследование фазового и элементного состава в промышленных и научных целях, контроль качества изделий микроэлектроники и полупроводниковой техники, рентгеновская локация, рентгенолюминесцентная сепарация горных пород, рентгенолитография и многое другое.
Условное обозначение рентгеновских приборов (маркировка) определено в ОСТ 11.073.807-82 «Приборы электровакуумные. Система условных обозначений» и отражает назначение, а иногда и основные параметры приборов. В соответствии с ОСТ условное обозначение включает в себя комбинацию цифр и букв: цифра \ буквы \ цифра \ - цифра .
Для рентгеновских трубок промышленного просвечивания и структурного и спектрального анализов первая цифра означает предельную допустимую мощность при длительном включении в киловаттах. Далее следует буква, обозначающая способ защиты от излучения: «Р» - обеспечивается полная защита; «Б» - требуется дополнительная защита элементами кожуха или моноблока аппарата. Следующая буква обозначает область применения: «П» - для промышленного просвечивания; «X» - для спектрального анализа; «С» - для структурного анализа; «М» - для медицинского просвечивания; «Т» - для терапии; «Д» - для дефектоскопии.
Третья буква обозначает характер (способ) принудительного охлаждения: «В» - водяное; «К» - воздушное; «М» - масляное. Отсутствие третьей буквы означает охлаждение естественной конвекцией или лучеиспусканием. Следующая за буквами цифра обозначает порядковый номер прибора в данной группе.
Для трубок промышленного просвечивания следующая цифра (пишется через дефис) указывает предельное допустимое анодное напряжение в киловольтах. Для трубок структурного и спектрального анализов последним элементом условного обозначения (пишется через дефис) является символ материала мишени анода. Иногда после стандартного обозначения трубки добавляется римская цифра в скобках, указывающая на внешнее конструктивное оформление прибора (если этого требуют различные конструкции защитных кожухов аппаратуры старых и новых модификаций). Информация о различии в конструктивном исполнении приводится в паспорте на прибор и в рекламных сообщениях.
Конструкция и технология
современной рентгеновской трубки
Основными узлами современной рентгеновской трубки являются катодный узел, вакуумная оболочка и анодный узел.
Катодный узел предназначен для формирования электронного потока заданной формы. Конструкция катодного узла включает в себя токоведущие провода, держатель катода, токоведущие стойки, нить накала, катодный экран и изолятор.
В качестве источников электронов в основном используется или прямонакальный термокатод или автоэлектронный эмиттер. Катод крепится (методом сварки, либо механически) к молибденовым стойкам, одна из которых крепится к держателю катода и имеет с ним электрический контакт, а другая механически фиксируется к держателю катода, но отделена от него изолятором. Токоведущие провода подводятся к изолированной стойке и к держателю катода и выводятся за пределы вакуумной оболочки.
Для того чтобы эмитируемый поток электронов имел определенную форму на всем пути от катода до мишени анода, конструкция катодного узла представляет собой электронно-оптическую систему. Эффект фокусировки электронного пучка обеспечивает определенная форма отверстия в катодном экране. К катодам трубок, наряду с общими требованиями к катодам электровакуумных приборов (обеспечивать необходимый и устойчивый ток эмиссии в процессе всего срока службы, хорошо обезгаживаться и не ухудшать вакуум в приборе в рабочих режимах, иметь достаточный срок службы и т. д.), предъявляется ряд специальных требований: стабильности работы при большой напряженности поля на поверхности катода и возможности регулировки тока эмиссии в широких пределах.
Острийный Протяженный Плоская спираль
Рис. 1. Конструкции катодов
Вакуумная оболочка рентгеновской трубки предназначена для отделения вакуумного объема прибора от внешней среды, закрепления электродов в определенном положении и изоляции их друг от друга. Баллон изготавливается методом выдувания в специальные формы, позволяющие формировать необходимую конфигурацию баллона с достаточной точностью. Соединение электродов с баллоном осуществляется пайкой. При этом собранные на стеклянных ножках катодный и анодный узлы герметично соединяются с баллоном на специальных заварочных станках.
Рис. 2. Типы вакуумных оболочек
Средняя часть баллона расширена для увеличения электрической прочности. При этом расширение средней части способствует уменьшению удельной тепловой нагрузки на поверхность стекла за счет теплового излучения с катода и анода. Длина баллона выбирается с учетом рабочего напряжения трубки и среды, в которой она будет эксплуатироваться. В месте, где предполагается выпуск излучения, производится уменьшение толщины стенки методом шлифовки - создается специфическое выпускное окно. Другим вариантом является использование выпускного окна из вауумплотного бериллия.
Анодные узлы рентгеновских трубок предназначены непосредственно для генерации рентгеновского излучения. Анодом рентгеновской трубки называется электрод, выполняющий функции мишени или несущий мишень трубки. Часть рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронов на мишени, предназначенная для полезного использования и заключенная в телесном угле, вершина которого лежит в центре действительного фокусного пятна, называется рабочим пучком излучения трубки. Геометрические характеристики рабочего пучка излучения (его направление и телесный угол) зависят от конструкции рентгеновской трубки и ее анода.
Конструктивно аноды могут быть выполнены массивными или прострельными. Массивный анод состоит из тела анода и мишени (составной анод). Материал тела анода должен обладать высокой теплопроводностью, так как через тело анода отводится теплота к охлаждающему устройству. Чаще всего тело анода изготавливают из меди, обладающей достаточно высокой температурой плавления (1360 К), хорошими вакуумными свойствами, высокими теплоемкостью и теплопроводностью. К мишени, наносимой на поверхность анода, предъявляются требования высокой температуры плавления и низкой упругости паров при высокой температуре. В трубках, предназначенных для получения тормозного излучения, мишени изготавливают из вольфрама. Для получения характеристического излучения определенной жесткости (трубки для рентгеноструктурного анализа и рентгеноспектрального анализа) мишени изготовляют из различных материалов (хром, железо, медь, молибден, серебро и др.).
Рис. 3. Конструкция анодного узла массивного типа
1 – мишень, 2 – тело анода, 3 – центральная охлаждающая трубка,
4 - соединительное коваровое кольцо, 5 – край стеклянного баллона
В ряде случаев мишень как конструктивный элемент в трубке отсутствует, а ее функции выполняет поверхность тела анода (однородный анод).Основное требование при изготовлении массивного анода с мишенью - хороший тепловой контакт между мишенью и телом анода. Это требование обеспечивается различными технологическими приемами: вакуумной плавкой, диффузионной сваркой электрохимическим или плазменным нанесением. Вакуумная плавка применяется для изготовления анодов с массивными тугоплавкими мишенями из вольфрама, молибдена или родия. Для плавки используется разборный графитовый тигель в виде стакана, на дно которого устанавливают под необходимым углом мишень. Затем в тигель вкладывают медную, предварительно очищенную от загрязнений цилиндрическую заготовку. Плавку меди в тигле производят в вакуумной печи с электрическим нагревом или посредством токов высокой частоты под кварцевым колпаком. В зависимости от массы анодов подбирают режимы плавки таким образом, чтобы медное тело анода имело крупнокристаллическую структуру. После плавки заготовку анода обрабатывают механически, придавая ей необходимую конфигурацию. Конструкция охлаждающего анод устройства зависит от режима работы, мощности трубки и некоторых других факторов. В рентгеновских трубках, работающих в режиме повторно-кратковременного включения средней мощности (несколько сотен ватт),применяют радиаторное охлаждение.
К медному телу анода с мишенью крепится сваркой фланец, посредством которого производится подсоединение анодного узла к баллону трубки. Радиатор закрепляется на хвостовике анода по горячей посадке после откачки трубки. С целью надежного теплового контакта сопрягаемые поверхности тела анода и радиатора тщательно обрабатываются. Для увеличения поверхности теплообмена радиатор выполняется многореберным. В качестве охлаждающей среды могут применяться масло, вода или воздух. В зависимости от конструкции излучателей и режимов работы охлаждение бывает принудительным (посредством насосов) или естественным. В трубках большой (до 4 кВт) мощности, работающих в длительном непрерывном режиме, применяются системы проточного жидкостного охлаждения. В качестве хладагента используется вода или трансформаторное масло. В обеих системах охлаждения жидкость поступает в полость анода по трубке, расположенной на его оси, омывает внутреннюю стенку полости непосредственно, растекаясь по каналам специальной бифилярной спирали, припаянной к торцевой части охлаждаемой поверхности. Спираль, называемая улиткой, способствует лучшему омыванию жидкостью наиболее горячей торцевой части охлаждаемой поверхности, а также увеличивает поверхность теплообмена. Поэтому система охлаждения с улиткой способна отводить более высокую мощность. В системах охлаждения с улиткой в качества хладагента обычно используется трансформаторное масло, которое одновременно служит изоляцией рентгеновской трубки от заземленного кожуха или бака с трансформаторным маслом, в котором размещается трубка. В системе для охлаждения обычно используется вода непосредственно от водопровода, анодный узел заземляется.
В стационарной и передвижной аппаратуре для дефектоскопии чаще всего используют рентгеновские трубки торцевой конструкции с чехлом на аноде. Они, как правило, работают в диапазоне напряжений 160 - 320 кВ и характеризуются высокой мощностью, достигающей 4 кВт. Конструктивной особенностью этих приборов является массивный медный чехол на аноде.
Рис. 4. Анод с чехлом.
1 – чехол, 2 – пучок электронов, 3 – выпускное окно, 4 – излучение, 5 - анод
Чехол служит для уменьшения интенсивности неиспользуемого рентгеновского излучения и препятствует попаданию вторичных электронов, выбитых из мишени, на стеклянную оболочку прибора, способствуя увеличению электрической прочности и надежности трубки. Иногда для усиления защитных свойств чехла его изготавливают из материала с присадками тяжелых элементов, например, вольфрама, либо снабжают внутренними экранами в виде цилиндров из молибдена или тантала. Направленный рабочий пучок рентгеновского излучения выпускается через специальное отверстие в чехле, которое закрывается бериллиевым или титановым диском, и далее проходит сквозь баллон трубки. Аноды мощных рентгеновских трубок данного типа для стационарной аппаратуры, как правило, имеют принудительное масляное охлаждение
Задание на курсовой проект
Целью курсового проектирования является расчет тепловых, электрических и радиационных характеристик рентгеновской трубки, а также разработка основных элементов ее конструкции.
1. Получить вариант задания, в котором будут указаны основные данные для расчета и проектирования рентгеновской трубки (например, вариант из таблицы 1):
Тип и назначение трубки.
Рабочее напряжение трубки.
Номинальная мощность трубки.
Материал мишени трубки.
2. Ознакомится и привести краткое описание основных требований, предъявляемых к катодным и анодным узлам, вакуумной оболочке трубки и выпускным окнам современных рентгеновских трубок.
3. Выполнить расчет электрической прочности для заданной рентгеновской трубки.
Определить межэлектродное расстояние.
Определить площадь поверхности, на которой вероятны пробои.
Определить взаимное положение, конфигурацию электродов и расстояние их от оболочки.
Определить максимальную температуру анода при номинальной мощности трубки.
5. Определить характеристики излучения рентгеновской трубки.
6. Выполнить сборочный чертеж заданной рентгеновской трубки с указанием основных составляющих компонентов. Привести спецификацию.
Таблица 1
Примерные варианты задания
