I raggi X vengono creati convertendo l'energia degli elettroni in fotoni, cosa che avviene in un tubo a raggi X. La quantità (esposizione) e la qualità (spettro) delle radiazioni possono essere regolate modificando la corrente, la tensione e il tempo di funzionamento del dispositivo.
Principio di funzionamento
I tubi a raggi X (la foto è data nell'articolo) sono convertitori di energia. Lo prendono dalla rete e lo trasformano in altre forme: radiazione penetrante e calore, quest'ultimo un sottoprodotto indesiderabile. Il design del tubo a raggi X è tale da massimizzare la produzione di fotoni e dissipare il calore il più rapidamente possibile.
Un tubo è un dispositivo relativamente semplice, solitamente contenente due elementi fondamentali: un catodo e un anodo. Quando la corrente scorre dal catodo all'anodo, gli elettroni perdono energia, il che si traduce nella generazione di raggi X.
Anodo
L'anodo è il componente che emettefotoni ad alta energia. Questo è un elemento metallico relativamente massiccio che è collegato al polo positivo del circuito elettrico. Svolge due funzioni principali:
- converte l'energia degli elettroni in raggi X,
- dissipa il calore.
Il materiale dell'anodo viene scelto per potenziare queste funzioni.
Idealmente, la maggior parte degli elettroni dovrebbe formare fotoni ad alta energia, non calore. La frazione della loro energia totale che viene convertita in raggi X (efficienza) dipende da due fattori:
- numero atomico (Z) del materiale dell'anodo,
- energia degli elettroni.
La maggior parte dei tubi a raggi X utilizza il tungsteno come materiale anodico, che ha un numero atomico di 74. Oltre ad avere una Z grande, questo metallo ha alcune altre caratteristiche che lo rendono adatto a questo scopo. Il tungsteno è unico nella sua capacità di mantenere la forza quando riscaldato, ha un alto punto di fusione e un basso tasso di evaporazione.
Per molti anni, l'anodo è stato realizzato in puro tungsteno. Negli ultimi anni si è cominciato ad usare una lega di questo metallo con renio, ma solo in superficie. L'anodo stesso sotto il rivestimento in tungsteno-renio è costituito da un materiale leggero che immagazzina bene il calore. Due di queste sostanze sono il molibdeno e la grafite.
I tubi a raggi X utilizzati per la mammografia sono realizzati con un anodo rivestito di molibdeno. Questo materiale ha un numero atomico intermedio (Z=42) che genera fotoni caratteristici con energie convenientiper fotografare il torace. Alcuni dispositivi per mammografia hanno anche un secondo anodo in rodio (Z=45). Ciò ti consente di aumentare l'energia e ottenere una maggiore penetrazione per il seno stretto.
L'uso della lega renio-tungsteno migliora l'emissione di radiazioni a lungo termine: nel tempo, l'efficienza dei dispositivi con anodo di tungsteno puro diminuisce a causa del danno termico alla superficie.
La maggior parte degli anodi hanno la forma di dischi smussati e sono fissati a un albero motore elettrico che li ruota a velocità relativamente elevate mentre emette raggi X. Lo scopo della rotazione è rimuovere il calore.
Punto focale
Non l'intero anodo è coinvolto nella generazione dei raggi X. Si verifica su una piccola area della sua superficie: un punto focale. Le dimensioni di quest'ultimo sono determinate dalle dimensioni del fascio di elettroni proveniente dal catodo. Nella maggior parte dei dispositivi, ha una forma rettangolare e varia tra 0,1-2 mm.
I tubi a raggi X sono progettati con una specifica dimensione del punto focale. Più piccolo è, meno sfocatura e nitidezza è l'immagine, e più grande è, migliore dissipazione del calore.
La dimensione del punto focale è uno dei fattori da considerare quando si scelgono i tubi a raggi X. I produttori producono dispositivi con piccole macchie focali quando è necessario ottenere un' alta risoluzione e una radiazione sufficientemente bassa. Ad esempio, questo è necessario quando si esaminano parti piccole e sottili del corpo, come nella mammografia.
I tubi a raggi X sono principalmente prodotti con due dimensioni della macchia focale, grande e piccola, che possono essere selezionate dall'operatore in base alla procedura di imaging.
Catodo
La funzione principale del catodo è generare elettroni e raccoglierli in un raggio diretto verso l'anodo. Di norma, è costituito da una piccola spirale di filo (filo) immersa in una depressione a forma di coppa.
Gli elettroni che passano attraverso il circuito di solito non possono lasciare il conduttore e andare nello spazio libero. Tuttavia, possono farlo se ottengono abbastanza energia. In un processo noto come emissione termica, il calore viene utilizzato per espellere gli elettroni dal catodo. Ciò diventa possibile quando la pressione nel tubo a raggi X evacuato raggiunge 10-6–10-7 mmHg. Arte. Il filamento si riscalda allo stesso modo del filamento di una lampada a incandescenza quando la corrente lo attraversa. Il funzionamento del tubo a raggi X è accompagnato dal riscaldamento del catodo alla temperatura di incandescenza con lo spostamento di parte degli elettroni da esso mediante energia termica.
Palloncino
L'anodo e il catodo sono contenuti in un contenitore sigillato ermeticamente. Il palloncino e il suo contenuto sono spesso indicati come un inserto, che ha una durata limitata e può essere sostituito. I tubi a raggi X hanno per lo più lampadine in vetro, sebbene per alcune applicazioni vengano utilizzate lampadine in metallo e ceramica.
La funzione principale del palloncino è fornire supporto e isolamento per l'anodo e il catodo e mantenere il vuoto. Pressione nel tubo a raggi X evacuatoa 15°C è 1,2 10-3 Pa. La presenza di gas nel pallone consentirebbe all'elettricità di fluire liberamente attraverso il dispositivo, e non solo sotto forma di fascio di elettroni.
Caso
Il design del tubo radiogeno è tale che, oltre a racchiudere e supportare altri componenti, il suo corpo funge da schermo e assorbe le radiazioni, ad eccezione del raggio utile che passa attraverso la finestra. La sua superficie esterna relativamente ampia dissipa gran parte del calore generato all'interno del dispositivo. Lo spazio tra il corpo e l'inserto è riempito di olio per l'isolamento e il raffreddamento.
Catena
Un circuito elettrico collega il tubo a una fonte di energia chiamata generatore. La sorgente riceve energia dalla rete e converte la corrente alternata in corrente continua. Il generatore permette anche di regolare alcuni parametri del circuito:
- KV - tensione o potenziale elettrico;
- MA è la corrente che scorre attraverso il tubo;
- S – durata o tempo di esposizione, in frazioni di secondo.
Il circuito fornisce il movimento degli elettroni. Si caricano di energia, passano attraverso il generatore e la danno all'anodo. Mentre si muovono, si verificano due trasformazioni:
- energia elettrica potenziale viene convertita in energia cinetica;
- cinetica, a sua volta, viene convertita in raggi X e calore.
Potenziale
Quando gli elettroni entrano nel bulbo, hanno energia elettrica potenziale, la cui quantità è determinata dalla tensione KV tra anodo e catodo. Tubo radiogeno funzionantesotto tensione, per creare 1 KV di cui ogni particella deve avere 1 keV. Regolando il KV, l'operatore fornisce a ciascun elettrone una certa quantità di energia.
Cinetica
Bassa pressione nel tubo a raggi X evacuato (a 15°C è 10-6–10-7 mmHg.) consente alle particelle di volare fuori dal catodo all'anodo sotto l'azione dell'emissione termoionica e della forza elettrica. Questa forza li accelera, il che porta ad un aumento della velocità e dell'energia cinetica e una diminuzione del potenziale. Quando una particella colpisce l'anodo, il suo potenziale viene perso e tutta la sua energia viene convertita in energia cinetica. Un elettrone di 100 keV raggiunge velocità superiori alla metà della velocità della luce. Colpendo la superficie, le particelle rallentano molto rapidamente e perdono la loro energia cinetica. Si trasforma in raggi X o calore.
Gli elettroni entrano in contatto con i singoli atomi del materiale dell'anodo. La radiazione viene generata quando interagiscono con gli orbitali (fotoni a raggi X) e con il nucleo (bremsstrahlung).
Collega energia
Ogni elettrone all'interno di un atomo ha una certa energia di legame, che dipende dalle dimensioni di quest'ultimo e dal livello in cui si trova la particella. L'energia di legame gioca un ruolo importante nella generazione dei raggi X caratteristici ed è necessaria per rimuovere un elettrone da un atomo.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung produce il maggior numero di fotoni. Gli elettroni che penetrano nel materiale dell'anodo e passano vicino al nucleo vengono deviati e rallentatila forza di attrazione dell'atomo. La loro energia persa durante questo incontro appare come un fotone a raggi X.
Spettro
Solo pochi fotoni hanno un'energia vicina a quella degli elettroni. La maggior parte di loro sono inferiori. Assumiamo che ci sia uno spazio o un campo che circonda il nucleo in cui gli elettroni sperimentano una forza "frenante". Questo campo può essere suddiviso in zone. Ciò conferisce al campo del nucleo l'aspetto di un bersaglio con un atomo al centro. Un elettrone che colpisce un punto qualsiasi del bersaglio subisce una decelerazione e genera un fotone a raggi X. Le particelle che colpiscono più vicino al centro sono le più colpite e quindi perdono più energia, producendo i fotoni di più alta energia. Gli elettroni che entrano nelle zone esterne sperimentano interazioni più deboli e generano quanti di energia inferiori. Sebbene le zone abbiano la stessa larghezza, hanno un'area diversa a seconda della distanza dal nucleo. Poiché il numero di particelle che cadono su una data zona dipende dalla sua area totale, è ovvio che le zone esterne catturano più elettroni e creano più fotoni. Questo modello può essere utilizzato per prevedere lo spettro energetico dei raggi X.
Emax fotoni dello spettro principale di bremsstrahlung corrispondono a Emax elettroni. Al di sotto di questo punto, al diminuire dell'energia del fotone, il loro numero aumenta.
Un numero significativo di fotoni a bassa energia viene assorbito o filtrato mentre tentano di passare attraverso la superficie dell'anodo, la finestra del tubo o il filtro. La filtrazione dipende generalmente dalla composizione e dallo spessore del materiale attraverso il qualeil raggio passa attraverso, che determina la forma finale della curva a bassa energia dello spettro.
Influenza KV
La parte ad alta energia dello spettro è determinata dalla tensione nei tubi a raggi X kV (kilovolt). Questo perché determina l'energia degli elettroni che raggiungono l'anodo e i fotoni non possono avere un potenziale superiore a questo. Con quale voltaggio funziona il tubo radiogeno? L'energia massima del fotone corrisponde al potenziale massimo applicato. Questa tensione può cambiare durante l'esposizione a causa della corrente di rete CA. In questo caso, il MImax di un fotone è determinato dalla tensione di picco del periodo di oscillazione KVp.
Oltre al potenziale quantistico, KVp determina la quantità di radiazione creata da un dato numero di elettroni che colpiscono l'anodo. Poiché l'efficienza complessiva di bremsstrahlung aumenta a causa di un aumento dell'energia degli elettroni bombardanti, che è determinata da KVp, ne consegue che KVpinfluisce sull'efficienza del dispositivo.
Cambiare KVp di solito cambia lo spettro. L'area totale sotto la curva di energia è il numero di fotoni. Senza un filtro, lo spettro è un triangolo e la quantità di radiazione è proporzionale al quadrato di KV. In presenza di un filtro, un aumento del KV aumenta anche la penetrazione dei fotoni, che riduce la percentuale di radiazione filtrata. Ciò porta ad un aumento dell'emissione di radiazioni.
Radiazione caratteristica
Il tipo di interazione che produce la caratteristicaradiazione, include la collisione di elettroni ad alta velocità con quelli orbitali. L'interazione può avvenire solo quando la particella in arrivo ha Ek maggiore dell'energia di legame nell'atomo. Quando questa condizione è soddisfatta e si verifica una collisione, l'elettrone viene espulso. In questo caso, rimane un posto vacante, che viene riempito da una particella di livello energetico superiore. Quando l'elettrone si muove, emette energia, che viene emessa sotto forma di un quanto di raggi X. Questa è chiamata radiazione caratteristica, poiché la E di un fotone è una caratteristica dell'elemento chimico da cui è composto l'anodo. Ad esempio, quando un elettrone del livello K del tungsteno con Ebond=69,5 keV viene eliminato, il posto vacante viene riempito da un elettrone del livello L con E legame=10, 2 keV. Il caratteristico fotone a raggi X ha un'energia pari alla differenza tra questi due livelli, ovvero 59,3 keV.
In effetti, questo materiale anodico produce una serie di energie tipiche dei raggi X. Questo perché gli elettroni a diversi livelli di energia (K, L, ecc.) possono essere eliminati dal bombardamento di particelle e i posti vacanti possono essere occupati da diversi livelli di energia. Sebbene il riempimento di posti vacanti di livello L generi fotoni, le loro energie sono troppo basse per essere utilizzate nell'imaging diagnostico. Ad ogni energia caratteristica viene assegnata una designazione che indica l'orbitale in cui si è formata la vacanza, con un indice che indica la fonte di riempimento degli elettroni. L'indice alfa (α) indica l'occupazione di un elettrone dal livello L e beta (β) indicariempimento dal livello M o N.
- Spettro del tungsteno. La radiazione caratteristica di questo metallo produce uno spettro lineare costituito da diverse energie discrete, mentre il bremsstrahlung crea una distribuzione continua. Il numero di fotoni prodotti da ciascuna energia caratteristica differisce in quanto la probabilità di riempire un posto vacante di livello K dipende dall'orbitale.
- Spettro del molibdeno. Gli anodi di questo metallo utilizzato per la mammografia producono due energie di raggi X caratteristiche piuttosto intense: K-alfa a 17,9 keV e K-beta a 19,5 keV. Lo spettro ottimale dei tubi a raggi X, che consente di ottenere il miglior equilibrio tra contrasto e dose di radiazioni per i seni di medie dimensioni, si ottiene a Eph=20 keV. Tuttavia, il bremsstrahlung è prodotto ad alte energie. L'attrezzatura per mammografia utilizza un filtro al molibdeno per rimuovere la parte indesiderata dello spettro. Il filtro funziona secondo il principio "K-edge". Assorbe la radiazione in eccesso rispetto all'energia di legame degli elettroni al livello K dell'atomo di molibdeno.
- Spettro del rodio. Il rodio ha numero atomico 45, mentre il molibdeno ha numero atomico 42. Pertanto, la caratteristica emissione di raggi X di un anodo di rodio avrà un'energia leggermente superiore a quella del molibdeno ed è più penetrante. Viene utilizzato per l'imaging di seni densi.
Gli anodi di molibdeno-rodio a doppia superficie consentono all'operatore di selezionare una distribuzione ottimizzata per diverse dimensioni e densità del seno.
Effetto del KV sullo spettro
Il valore di KV influisce notevolmente sulla radiazione caratteristica, poiché non verrà prodotta se KV è inferiore all'energia degli elettroni di livello K. Quando il KV supera questa soglia, la quantità di radiazione è generalmente proporzionale alla differenza tra il KV del tubo e il KV di soglia.
Lo spettro energetico dei fotoni dei raggi X che escono dallo strumento è determinato da diversi fattori. Di norma, consiste in bremsstrahlung e caratteristici quanti di interazione.
La composizione relativa dello spettro dipende dal materiale dell'anodo, dal KV e dal filtro. In un tubo con un anodo di tungsteno, non viene prodotta alcuna radiazione caratteristica a KV< 69,5 keV. A valori CV più elevati utilizzati negli studi diagnostici, la radiazione caratteristica aumenta la radiazione totale fino al 25%. Nei dispositivi al molibdeno, può costituire gran parte della generazione totale.
Efficienza
Solo una piccola parte dell'energia fornita dagli elettroni viene convertita in radiazione. La parte principale viene assorbita e convertita in calore. L'efficienza di radiazione è definita come la proporzione dell'energia irradiata totale dall'energia elettrica totale impartita all'anodo. I fattori che determinano l'efficienza di un tubo a raggi X sono la tensione applicata KV e il numero atomico Z. Un esempio di relazione è la seguente:
Efficienza=KV x Z x 10-6.
Il rapporto tra efficienza e KV ha un impatto specifico sull'uso pratico delle apparecchiature a raggi X. A causa del rilascio di calore, i tubi hanno un certo limite alla quantità di energia elettrical'energia che possono dissipare. Ciò impone una limitazione alla potenza del dispositivo. All'aumentare del KV, tuttavia, la quantità di radiazione prodotta per unità di calore aumenta in modo significativo.
La dipendenza dell'efficienza della generazione di raggi X dalla composizione dell'anodo è solo di interesse accademico, poiché la maggior parte dei dispositivi utilizza il tungsteno. Un'eccezione è il molibdeno e il rodio utilizzati in mammografia. L'efficienza di questi dispositivi è molto inferiore a quella del tungsteno a causa del loro numero atomico inferiore.
Efficienza
L'efficienza di un tubo a raggi X è definita come la quantità di esposizione, in milliroentgen, erogata in un punto al centro del raggio utile a una distanza di 1 m dalla macchia focale per ogni 1 mA di elettroni che passano attraverso il dispositivo. Il suo valore esprime la capacità del dispositivo di convertire l'energia delle particelle cariche in raggi X. Consente di determinare l'esposizione del paziente e dell'immagine. Come l'efficienza, l'efficienza del dispositivo dipende da una serie di fattori, tra cui KV, forma d'onda della tensione, materiale dell'anodo e danni alla superficie, filtro e tempo di utilizzo.
Controllo KV
KV controlla efficacemente l'uscita del tubo a raggi X. Si presume generalmente che l'uscita sia proporzionale al quadrato di KV. Il raddoppio del KV aumenta l'esposizione di 4 volte.
Forma d'onda
Waveform descrive il modo in cui il KV cambia nel tempo durante la generazioneradiazione dovuta alla natura ciclica dell'alimentazione. Vengono utilizzate diverse forme d'onda. Il principio generale è che meno cambia la forma del KV, più efficientemente vengono prodotti i raggi X. Le moderne apparecchiature utilizzano generatori con un KV relativamente costante.
Tubi a raggi X: produttori
Oxford Instruments produce una varietà di dispositivi, inclusi dispositivi in vetro fino a 250 W, potenziale 4-80 kV, spot focale fino a 10 micron e un'ampia gamma di materiali anodici, tra cui Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian offre oltre 400 diversi tipi di tubi a raggi X medici e industriali. Altri noti produttori sono Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, ecc.
I tubi a raggi X "Svetlana-Rentgen" sono prodotti in Russia. Oltre ai tradizionali dispositivi ad anodo rotante e stazionario, l'azienda produce dispositivi a catodo freddo controllato dal flusso luminoso. I vantaggi del dispositivo sono i seguenti:
- funziona in modalità continua e pulsata;
- inerzia;
- Regolazione dell'intensità di corrente del LED;
- purezza dello spettro;
- possibilità di ottenere radiografie di varia intensità.
