Mirija ya x-ray hufanya kazi vipi?

2024 Mwandishi: Curtis Blomfield | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-15 09:47

Mionzi ya eksirei huundwa kwa kubadilisha nishati ya elektroni kuwa fotoni, ambayo hufanyika katika mirija ya eksirei. Kiasi (ya kukaribia) na ubora (wigo) wa mionzi inaweza kubadilishwa kwa kubadilisha sasa, voltage na wakati wa uendeshaji wa kifaa.

Kanuni ya kufanya kazi

mirija ya X-ray (picha imetolewa kwenye makala) ni vibadilishaji nishati. Wanaichukua kutoka kwenye mtandao na kuigeuza kuwa aina nyingine - mionzi ya kupenya na joto, mwisho kuwa bidhaa zisizohitajika. Muundo wa bomba la X-ray ni kwamba huongeza uzalishaji wa fotoni na kuondosha joto haraka iwezekanavyo.

Mrija ni kifaa rahisi kiasi, kwa kawaida huwa na vipengele viwili vya msingi - cathode na anode. Wakati mkondo wa maji unatiririka kutoka kwa cathode hadi anode, elektroni hupoteza nishati, ambayo husababisha kutolewa kwa mionzi ya X.

Anode

Anodi ni kijenzi kinachotoafotoni za nishati nyingi. Hiki ni kipengele kikubwa cha chuma ambacho kimeunganishwa na nguzo nzuri ya mzunguko wa umeme. Hufanya kazi kuu mbili:

hubadilisha nishati ya elektroni kuwa eksirei,
huondoa joto.

Nyenzo ya anode imechaguliwa ili kuboresha utendaji kazi huu.

Kwa kweli, elektroni nyingi zinapaswa kuunda fotoni zenye nishati nyingi, si joto. Sehemu ya jumla ya nishati inayobadilishwa kuwa eksirei (ufanisi) inategemea mambo mawili:

nambari ya atomiki (Z) ya nyenzo ya anode,
nishati ya elektroni.

Mirija mingi ya X-ray hutumia tungsten kama nyenzo ya anode, ambayo ina nambari ya atomiki ya 74. Pamoja na kuwa na Z kubwa, chuma hiki kina sifa zingine zinazoifanya kufaa kwa madhumuni haya. Tungsten ni ya kipekee katika uwezo wake wa kuhifadhi nguvu inapopashwa, ina kiwango cha juu cha kuyeyuka na kiwango cha chini cha uvukizi.

Kwa miaka mingi, anodi ilitengenezwa kutoka kwa tungsten safi. Katika miaka ya hivi karibuni, alloy ya chuma hiki na rhenium imeanza kutumika, lakini tu juu ya uso. Anode yenyewe chini ya mipako ya tungsten-rhenium inafanywa kwa nyenzo nyepesi ambazo huhifadhi joto vizuri. Dutu mbili kama hizo ni molybdenum na grafiti.

mirija ya eksirei inayotumika kwa mammografia imetengenezwa kwa anodi iliyopakwa molybdenum. Nyenzo hii ina nambari ya kati ya atomiki (Z=42) ambayo hutengeneza fotoni zenye nguvu zinazofaakwa kuchukua picha za kifua. Vifaa vingine vya mammografia pia vina anode ya pili iliyotengenezwa na rhodium (Z=45). Hii hukuruhusu kuongeza nishati na kufikia kupenya zaidi kwa matiti yaliyobana.

Matumizi ya aloi ya rhenium-tungsten huboresha utoaji wa mionzi ya muda mrefu - baada ya muda, ufanisi wa vifaa vya anodi ya tungsten hupungua kutokana na uharibifu wa joto kwenye uso.

Anodi nyingi zina umbo la diski zilizopinda na zimeambatishwa kwenye shimoni ya moshi ya umeme ambayo huzizungusha kwa kasi ya juu huku zikitoa eksirei. Madhumuni ya kuzunguka ni kuondoa joto.

Mahali pa kuzingatia

Si anodi nzima inayohusika katika utengenezaji wa X-rays. Inatokea kwenye eneo ndogo la uso wake - mahali pa kuzingatia. Vipimo vya mwisho vinatambuliwa na vipimo vya boriti ya elektroni inayotoka kwenye cathode. Katika vifaa vingi, ina umbo la mstatili na inatofautiana kati ya 0.1-2 mm.

mirija ya X-ray imeundwa kwa ukubwa mahususi wa eneo la kuzingatia. Kadiri kilivyo ndogo ndivyo picha inavyozidi kutia ukungu na kuwa kali zaidi, na kadri inavyokuwa kubwa ndivyo uondoaji joto bora zaidi.

Ukubwa wa eneo lililolengwa ni mojawapo ya mambo ya kuzingatia unapochagua mirija ya X-ray. Wazalishaji huzalisha vifaa vilivyo na matangazo madogo ya kuzingatia wakati ni muhimu kufikia azimio la juu na mionzi ya chini ya kutosha. Kwa mfano, hii inahitajika wakati wa kuchunguza sehemu ndogo na nyembamba za mwili, kama katika mammografia.

mirija ya eksirei huzalishwa hasa ikiwa na saizi mbili za msingi, kubwa na ndogo, ambazo zinaweza kuchaguliwa na opereta kulingana na utaratibu wa kupiga picha.

Cathode

Kazi kuu ya cathode ni kutengeneza elektroni na kuzikusanya kwenye boriti inayoelekezwa kwenye anodi. Kama kanuni, huwa na mdundo mdogo wa waya (uzi) uliotumbukizwa kwenye mfadhaiko wa umbo la kikombe.

Elektroni zinazopita kwenye saketi kwa kawaida haziwezi kuondoka kwenye kondakta na kwenda kwenye nafasi huru. Hata hivyo, wanaweza kufanya hivyo ikiwa wanapata nishati ya kutosha. Katika mchakato unaojulikana kama utoaji wa joto, joto hutumiwa kutoa elektroni kutoka kwa cathode. Hili huwezekana wakati shinikizo katika bomba la X-ray lililohamishwa linapofikia 10^-6–10^{-7 mmHg. Sanaa. Filamenti ina joto kwa njia sawa na filament ya taa ya incandescent wakati sasa inapita ndani yake. Uendeshaji wa mirija ya X-ray huambatana na kupasha joto kathodi hadi joto la mwanga na kuhamishwa kwa sehemu ya elektroni kutoka kwayo kwa nishati ya joto.}

Puto

Anodi na cathode ziko kwenye chombo kilichofungwa kwa hermetically. Puto na yaliyomo mara nyingi huitwa kuingiza, ambayo ina maisha mdogo na inaweza kubadilishwa. Mirija ya X-ray mara nyingi huwa na balbu za glasi, ingawa balbu za chuma na kauri hutumiwa kwa baadhi ya programu.

Kazi kuu ya puto ni kutoa usaidizi na insulation ya anode na cathode, na kudumisha utupu. Shinikizo katika bomba la X-ray lililohamishwakwa 15°C ni 1.2 10-3 Pa. Kuwepo kwa gesi kwenye puto kungeruhusu umeme kutiririka kwa uhuru kupitia kifaa, na si tu katika umbo la boriti ya elektroni.

Kesi

Muundo wa mirija ya eksirei ni kwamba, pamoja na kuziba na kuunga vijenzi vingine, mwili wake hutumika kama ngao na kunyonya mionzi, isipokuwa boriti muhimu inayopita kwenye dirisha. Sehemu yake kubwa ya nje ya nje hutawanya kiasi kikubwa cha joto kinachozalishwa ndani ya kifaa. Nafasi kati ya mwili na pakiti hujazwa mafuta kwa ajili ya kuhami na kupoeza.

Chain

Saketi ya umeme huunganisha mrija na chanzo cha nishati kiitwacho jenereta. Chanzo hupokea nguvu kutoka kwa mtandao na kubadilisha mkondo wa kubadilisha hadi mkondo wa moja kwa moja. Jenereta pia hukuruhusu kurekebisha baadhi ya vigezo vya mzunguko:

KV - voltage au uwezo wa umeme;
MA ni mkondo wa mkondo unaopita kwenye mrija;
S - muda au muda wa kukaribia aliyeambukizwa, katika sehemu za sekunde.

Saketi hutoa mwendo wa elektroni. Wanashtakiwa kwa nishati, kupitia jenereta, na kuwapa anode. Wanaposonga, mabadiliko mawili hutokea:

nishati inayowezekana ya umeme inabadilishwa kuwa nishati ya kinetic;
kinetic, kwa upande wake, inabadilishwa kuwa eksirei na joto.

Uwezo

Elektroni zinapoingia kwenye balbu, huwa na uwezo wa nishati ya umeme, kiasi ambacho hubainishwa na volti ya KV kati ya anodi na cathode. X-ray tube inafanya kazichini ya voltage, ili kuunda 1 KV ambayo kila chembe lazima iwe na 1 keV. Kwa kurekebisha KV, opereta huipa kila elektroni kiasi fulani cha nishati.

Kinetics

Shinikizo la chini katika bomba la X-ray lililohamishwa (kwa 15°C ni 10^-6–10^{-7 mmHg.) huruhusu chembe kuruka kutoka kwenye cathode hadi anode chini ya hatua ya utoaji wa thermionic na nguvu ya umeme. Nguvu hii inawaharakisha, ambayo inasababisha kuongezeka kwa kasi na nishati ya kinetic na kupungua kwa uwezo. Wakati chembe inapiga anode, uwezo wake hupotea na nishati yake yote inabadilishwa kuwa nishati ya kinetic. Elektroni 100-keV hufikia kasi zaidi ya nusu ya kasi ya mwanga. Kupiga uso, chembe hupunguza haraka sana na kupoteza nishati yao ya kinetic. Inabadilika kuwa eksirei au joto.}

Elektroni hugusana na atomi mahususi za nyenzo ya anode. Mionzi hutolewa wakati zinaingiliana na obiti (photoni za X-ray) na kwa kiini (bremsstrahlung).

Unganisha Nishati

Kila elektroni ndani ya atomi ina nishati fulani ya kuunganisha, ambayo inategemea saizi ya atomi na kiwango ambacho chembe hiyo iko. Nishati inayofunga ina jukumu muhimu katika utengenezaji wa miale ya X-ray na ni muhimu ili kuondoa elektroni kutoka kwa atomi.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung hutoa idadi kubwa zaidi ya fotoni. Elektroni zinazopenya nyenzo ya anode na kupita karibu na kiini hugeuzwa na kupunguzwa kasinguvu ya mvuto wa atomi. Nishati yao iliyopotea wakati wa tukio hili inaonekana kama fotoni ya X-ray.

Spectrum

Ni fotoni chache pekee zilizo na nishati inayokaribiana na ile ya elektroni. Wengi wao ni wa chini. Hebu tuchukulie kuwa kuna nafasi au uwanja unaozunguka kiini ambamo elektroni hupata nguvu ya "breki". Sehemu hii inaweza kugawanywa katika kanda. Hii inatoa uwanja wa kiini mwonekano wa shabaha na chembe katikati. Elektroni ikigonga sehemu yoyote ya lengwa hupungua kasi na hutengeneza fotoni ya X-ray. Chembe zinazogonga karibu na kituo ndizo huathirika zaidi na kwa hivyo hupoteza nishati nyingi, na hivyo kutoa fotoni za juu zaidi za nishati. Elektroni zinazoingia katika maeneo ya nje hupata mwingiliano hafifu na hutoa kiwango cha chini cha nishati. Ingawa kanda zina upana sawa, zina eneo tofauti kulingana na umbali wa msingi. Kwa kuwa idadi ya chembe zinazoanguka kwenye eneo fulani inategemea eneo lake la jumla, ni dhahiri kwamba kanda za nje huchukua elektroni zaidi na kuunda fotoni zaidi. Muundo huu unaweza kutumika kutabiri wigo wa nishati ya X-rays.

E_max picha za wigo mkuu wa bremsstrahlung zinalingana na E_{max elektroni. Chini ya hatua hii, nishati ya fotoni inapopungua, idadi yao huongezeka.}

Idadi kubwa ya fotoni zenye nishati kidogo hufyonzwa au kuchujwa zinapojaribu kupita kwenye uso wa anode, dirisha la bomba au kichujio. Filtration kwa ujumla inategemea muundo na unene wa nyenzo ambayo kupitiaboriti hupitia, ambayo hubainisha umbo la mwisho la mkunjo wa nishati ya chini wa wigo.

bomba la x-ray hufanya kazi chini ya voltage

Ushawishi wa KV

Sehemu ya nishati ya juu ya wigo hubainishwa na volteji katika mirija ya X-ray kV (kilovolti). Hii ni kwa sababu huamua nishati ya elektroni kufikia anode, na fotoni haziwezi kuwa na uwezo wa juu kuliko huu. Je, bomba la x-ray hufanya kazi na voltage gani? Nishati ya juu ya photon inalingana na uwezo wa juu unaotumiwa. Voltage hii inaweza kubadilika wakati wa kukaribia aliyeambukizwa kutokana na mkondo wa mtandao wa AC. Katika hali hii, E_max ya fotoni hubainishwa na kiwango cha juu cha voltage ya kipindi cha oscillation KV_p..

Kando na uwezo wa quantum, KV_p hubainisha kiasi cha mionzi inayoundwa na idadi fulani ya elektroni zinazogonga anodi. Kwa kuwa ufanisi wa jumla wa bremsstrahlung huongezeka kutokana na ongezeko la nishati ya elektroni za bombarding, ambayo imedhamiriwa na KV_p, inafuata kwamba KV_{phuathiri utendakazi wa kifaa.}

Kubadilisha KV_{p kwa kawaida hubadilisha wigo. Jumla ya eneo chini ya curve ya nishati ni idadi ya fotoni. Bila chujio, wigo ni pembetatu, na kiasi cha mionzi ni sawia na mraba wa KV. Katika uwepo wa chujio, ongezeko la KV pia huongeza kupenya kwa photons, ambayo inapunguza asilimia ya mionzi iliyochujwa. Hii husababisha kuongezeka kwa utoaji wa mionzi.}

Mionzi tabia

Aina ya mwingiliano unaozalisha sifamionzi, inajumuisha mgongano wa elektroni za kasi kubwa na zile za orbital. Mwingiliano unaweza tu kutokea wakati chembe inayoingia ina E_k kubwa kuliko nishati ya kuunganisha katika atomi. Wakati hali hii inakabiliwa na mgongano hutokea, elektroni hutolewa. Katika kesi hii, nafasi inabaki, ambayo inajazwa na chembe ya kiwango cha juu cha nishati. Elektroni inaposonga, hutoa nishati, ambayo hutolewa kwa namna ya quantum ya X-ray. Hii inaitwa mionzi ya tabia, kwani E ya photon ni tabia ya kipengele cha kemikali ambacho anode hufanywa. Kwa mfano, wakati elektroni kutoka kwa kiwango cha K cha tungsten yenye E_bondi=69.5 keV inapotolewa, nafasi hiyo inajazwa na elektroni kutoka kiwango cha L yenye E _{dhamana=10, 2 keV. Fotoni ya X-ray ina nishati sawa na tofauti kati ya viwango hivi viwili, au 59.3 keV.}

Kwa hakika, nyenzo hii ya anode husababisha idadi fulani ya nguvu za X-ray. Hii ni kwa sababu elektroni katika viwango tofauti vya nishati (K, L, n.k.) zinaweza kutolewa kwa chembe za bombarding, na nafasi zinaweza kujazwa kutoka viwango tofauti vya nishati. Ingawa kujazwa kwa nafasi za kiwango cha L huzalisha fotoni, nguvu zake ni ndogo sana kutumiwa katika taswira ya uchunguzi. Kila nishati ya tabia hupewa jina ambalo linaonyesha obiti ambayo nafasi iliunda, na faharisi inayoonyesha chanzo cha kujazwa kwa elektroni. Kielezo cha alfa (α) kinaonyesha ukaliaji wa elektroni kutoka kiwango cha L, na beta (β) inaonyesha.kujaza kutoka kiwango M au N.

Wigo wa tungsten. Mionzi ya tabia ya chuma hiki hutoa wigo wa mstari unaojumuisha nishati kadhaa tofauti, wakati bremsstrahlung inajenga usambazaji unaoendelea. Idadi ya fotoni zinazozalishwa na kila sifa ya nishati hutofautiana kwa kuwa uwezekano wa kujaza nafasi ya kiwango cha K unategemea obitali.

Wigo wa molybdenum. Anodi za metali hii inayotumiwa kwa mammografia huzalisha nguvu mbili za tabia ya X-ray: K-alpha katika 17.9 keV, na K-beta kwa 19.5 keV. Wigo bora zaidi wa mirija ya X-ray, ambayo inaruhusu kufikia uwiano bora kati ya utofautishaji na kipimo cha mionzi kwa matiti ya ukubwa wa wastani, hupatikana kwa E_{ph=20 keV. Walakini, bremsstrahlung hutolewa kwa nguvu nyingi. Vifaa vya mammografia hutumia chujio cha molybdenum ili kuondoa sehemu isiyohitajika ya wigo. Kichujio hufanya kazi kwa kanuni ya "K-edge". Hufyonza mionzi inayozidi nishati ya kuunganisha ya elektroni katika kiwango cha K cha atomi ya molybdenum.}
Wigo wa rodi. Rhodium ina nambari ya atomiki ya 45, wakati molybdenum ina nambari ya atomiki 42. Kwa hiyo, utoaji wa tabia ya X-ray ya anode ya rhodium itakuwa na nishati kidogo zaidi kuliko ile ya molybdenum na inapenya zaidi. Hii hutumika kupiga picha ya matiti mazito.

anodi zenye uso-mbili wa molybdenum-rhodium huruhusu opereta kuchagua usambazaji ulioboreshwa kwa ukubwa tofauti wa matiti na msongamano.

Je, x-ray inafanya kazi kwa voltage gani?bomba

Athari ya KV kwenye wigo

Thamani ya KV huathiri pakubwa miale bainifu, kwani haitatolewa ikiwa KV ni chini ya nishati ya elektroni za kiwango cha K. KV inapovuka kizingiti hiki, kiasi cha mionzi kwa ujumla hulingana na tofauti kati ya tube KV na KV ya kizingiti.

Wigo wa nishati ya fotoni za X-ray zinazotoka kwenye kifaa hubainishwa na mambo kadhaa. Kama kanuni, inajumuisha bremsstrahlung na kiasi cha mwingiliano wa tabia.

Muundo wa jamaa wa wigo hutegemea nyenzo ya anode, KV na kichujio. Katika bomba yenye anode ya tungsten, hakuna mionzi ya tabia inayozalishwa kwa KV< 69.5 keV. Kwa viwango vya juu vya CV vinavyotumiwa katika masomo ya uchunguzi, mionzi ya tabia huongeza mionzi jumla hadi 25%. Katika vifaa vya molybdenum, inaweza kutengeneza sehemu kubwa ya jumla ya kizazi.

Ufanisi

Sehemu ndogo tu ya nishati inayotolewa na elektroni inabadilishwa kuwa mionzi. Sehemu kuu inafyonzwa na kubadilishwa kuwa joto. Ufanisi wa mionzi hufafanuliwa kama sehemu ya jumla ya nishati inayoangaziwa kutoka kwa jumla ya nishati ya umeme inayotolewa hadi anode. Sababu zinazoamua ufanisi wa bomba la X-ray ni voltage inayotumika ya KV na nambari ya atomiki Z. Uhusiano wa mfano ni kama ifuatavyo:

Ufanisi=KV x Z x 10-6.

Uhusiano kati ya ufanisi na KV una athari maalum kwa matumizi ya vitendo ya vifaa vya X-ray. Kutokana na kutolewa kwa joto, zilizopo zina kikomo fulani kwa kiasi cha umemenishati wanayoweza kuimaliza. Hii inaweka kizuizi kwa nguvu ya kifaa. Kadiri KV inavyoongezeka, hata hivyo, kiasi cha mionzi inayotolewa kwa kila kitengo cha joto huongezeka sana.

Utegemezi wa ufanisi wa utengenezaji wa X-ray kwenye utungaji wa anodi ni wa manufaa tu ya kitaaluma, kwa kuwa vifaa vingi hutumia tungsten. Isipokuwa ni molybdenum na rhodium inayotumika katika mammografia. Ufanisi wa vifaa hivi ni wa chini zaidi kuliko tungsten kutokana na idadi yao ya chini ya atomiki.

shinikizo katika bomba la x-ray iliyohamishwa

Ufanisi

Ufanisi wa mirija ya X-ray inafafanuliwa kama kiasi cha mfiduo, katika milliroentgens, inayoletwa hadi sehemu katikati ya boriti muhimu kwa umbali wa mita 1 kutoka eneo la msingi kwa kila mA 1 ya elektroni zinazopita kwenye kifaa. Thamani yake inaonyesha uwezo wa kifaa kubadilisha nishati ya chembe za kushtakiwa kuwa eksirei. Inakuruhusu kuamua mfiduo wa mgonjwa na picha. Kama vile utendakazi, ufanisi wa kifaa hutegemea mambo kadhaa, ikiwa ni pamoja na KV, muundo wa mawimbi ya voltage, nyenzo ya anode na uharibifu wa uso, kichujio na wakati wa matumizi.

Kidhibiti cha KV

KV hudhibiti kwa ufanisi utoaji wa bomba la X-ray. Kwa ujumla inachukuliwa kuwa pato ni sawia na mraba wa KV. Kuongeza KV maradufu huongeza mwangaza kwa mara 4.

Mawimbi

Mawimbi hufafanua jinsi KV hubadilika kadri wakati wa uzalishajimionzi kutokana na asili ya mzunguko wa usambazaji wa umeme. Aina kadhaa za mawimbi tofauti hutumiwa. Kanuni ya jumla ni kwamba kadiri umbo la KV linavyobadilika, ndivyo X-rays inatolewa kwa ufanisi zaidi. Vifaa vya kisasa hutumia jenereta zenye KV isiyobadilika.

mirija ya X-ray: watengenezaji

Oxford Instruments huzalisha vifaa mbalimbali, ikiwa ni pamoja na vifaa vya glasi hadi 250 W, 4-80 kV, eneo la kuzingatia hadi mikroni 10 na aina mbalimbali za nyenzo za anode, ikiwa ni pamoja na Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian inatoa zaidi ya aina 400 tofauti za mirija ya eksirei ya matibabu na viwandani. Watengenezaji wengine wanaojulikana ni Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, n.k.

mirija ya X-ray "Svetlana-Rentgen" huzalishwa nchini Urusi. Mbali na vifaa vya kitamaduni vilivyo na anode inayozunguka na ya kusimama, kampuni hiyo inatengeneza vifaa na cathode baridi inayodhibitiwa na flux nyepesi. Faida za kifaa ni kama ifuatavyo: