Els raigs X es creen convertint l'energia dels electrons en fotons, que té lloc en un tub de raigs X. La quantitat (exposició) i la qualitat (espectre) de la radiació es poden ajustar canviant el corrent, la tensió i el temps de funcionament del dispositiu.
Principi de funcionament
Els tubs de raigs X (la foto es mostra a l'article) són convertidors d'energia. El prenen de la xarxa i el converteixen en altres formes: radiació penetrant i calor, aquest últim és un subproducte indesitjable. El disseny del tub de raigs X és tal que maximitza la producció de fotons i dissipa la calor el més ràpidament possible.
Un tub és un dispositiu relativament senzill, que normalment conté dos elements fonamentals: un càtode i un ànode. Quan el corrent flueix del càtode a l'ànode, els electrons perden energia, la qual cosa provoca la generació de raigs X.
Ànode
L'ànode és el component que emetfotons d' alta energia. Aquest és un element metàl·lic relativament massiu que està connectat al pol positiu del circuit elèctric. Realitza dues funcions principals:
- converteix l'energia electrònica en raigs X,
- dissipa la calor.
El material de l'ànode s'escull per millorar aquestes funcions.
Idealment, la majoria dels electrons haurien de formar fotons d' alta energia, no calor. La fracció de la seva energia total que es converteix en raigs X (eficiència) depèn de dos factors:
- número atòmic (Z) del material de l'ànode,
- energia dels electrons.
La majoria dels tubs de raigs X utilitzen tungstè com a material d'ànode, que té un nombre atòmic de 74. A més de tenir una gran Z, aquest metall té algunes altres característiques que el fan adequat per a aquesta finalitat. El tungstè és únic per la seva capacitat de conservar la força quan s'escalfa, té un alt punt de fusió i una baixa taxa d'evaporació.
Durant molts anys, l'ànode es va fer de tungstè pur. En els darrers anys s'ha començat a utilitzar un aliatge d'aquest metall amb reni, però només a la superfície. El propi ànode sota el recobriment de tungstè i reni està fet d'un material lleuger que emmagatzema bé la calor. Dues d'aquestes substàncies són el molibdè i el grafit.
Els tubs de raigs X utilitzats per a la mamografia estan fets amb un ànode recobert de molibdè. Aquest material té un nombre atòmic intermedi (Z=42) que genera fotons característics amb energies convenients perper fer fotos del pit. Alguns aparells de mamografia també tenen un segon ànode fet de rodi (Z=45). Això et permet augmentar l'energia i aconseguir una major penetració per als pits atapeïts.
L'ús d'aliatge de reni-tungstè millora la producció de radiació a llarg termini; amb el temps, l'eficiència dels dispositius d'ànode de tungstè pur disminueix a causa del dany tèrmic a la superfície.
La majoria dels ànodes tenen forma de discos bisellats i estan connectats a un eix de motor elèctric que els fa girar a velocitats relativament altes mentre emeten raigs X. El propòsit de la rotació és eliminar la calor.
Punt focal
No tot l'ànode està implicat en la generació de raigs X. Es produeix en una petita àrea de la seva superfície: un punt focal. Les dimensions d'aquest últim estan determinades per les dimensions del feix d'electrons procedents del càtode. A la majoria de dispositius, té una forma rectangular i varia entre 0,1 i 2 mm.
Els tubs de raigs X estan dissenyats amb una mida de punt focal específica. Com més petit sigui, menys borrosa i nítida serà la imatge, i com més gran sigui, millor dissiparà la calor.
La mida del punt focal és un dels factors a tenir en compte a l'hora d'escollir tubs de raigs X. Els fabricants produeixen dispositius amb petits punts focals quan cal aconseguir una alta resolució i una radiació prou baixa. Per exemple, això és necessari quan s'examinen parts petites i primes del cos, com en la mamografia.
Els tubs de raigs X es produeixen principalment amb dues mides de punts focals, gran i petit, que l'operador pot seleccionar segons el procediment d'imatge.
Càtode
La funció principal del càtode és generar electrons i recollir-los en un feix dirigit a l'ànode. Com a regla general, consisteix en una petita espiral de filferro (fil) immersa en una depressió en forma de copa.
Els electrons que passen pel circuit normalment no poden sortir del conductor i anar a l'espai lliure. Tanmateix, poden fer-ho si obtenen prou energia. En un procés conegut com a emissió tèrmica, la calor s'utilitza per expulsar electrons del càtode. Això es fa possible quan la pressió al tub de raigs X evacuat arriba a 10-6–10-7 mmHg. Art. El filament s'escalfa de la mateixa manera que el filament d'una làmpada incandescent quan hi passa corrent. El funcionament del tub de raigs X va acompanyat de l'escalfament del càtode a la temperatura de resplendor amb el desplaçament d'una part dels electrons d'aquest per energia tèrmica.
globus
L'ànode i el càtode estan continguts en un recipient tancat hermèticament. El globus i el seu contingut sovint s'anomena insert, que té una vida limitada i es pot substituir. Els tubs de raigs X tenen majoritàriament bombetes de vidre, tot i que per a algunes aplicacions s'utilitzen bombetes de metall i ceràmica.
La funció principal del globus és proporcionar suport i aïllament per a l'ànode i el càtode, i mantenir el buit. Pressió al tub de raigs X evacuata 15 °C és 1,2 10-3 Pa. La presència de gasos al globus permetria que l'electricitat flueixi lliurement a través del dispositiu, i no només en forma de feix d'electrons.
Cas
El disseny del tub de raigs X és tal que, a més de tancar i suportar altres components, el seu cos serveix d'escut i absorbeix la radiació, excepte el feix útil que passa per la finestra. La seva superfície exterior relativament gran dissipa gran part de la calor generada a l'interior del dispositiu. L'espai entre el cos i la inserció s'omple d'oli per aïllar i refredar.
Cadena
Un circuit elèctric connecta el tub a una font d'energia anomenada generador. La font rep energia de la xarxa elèctrica i converteix el corrent altern en corrent continu. El generador també us permet ajustar alguns paràmetres del circuit:
- KV - voltatge o potencial elèctric;
- MA és el corrent que circula pel tub;
- S: durada o temps d'exposició, en fraccions de segon.
El circuit proporciona el moviment dels electrons. Es carreguen d'energia, passant pel generador, i la donen a l'ànode. A mesura que es mouen, es produeixen dues transformacions:
- l'energia elèctrica potencial es converteix en energia cinètica;
- cinètica, al seu torn, es converteix en raigs X i calor.
Potencial
Quan els electrons entren a la bombeta, tenen energia elèctrica potencial, la quantitat de la qual ve determinada per la tensió KV entre l'ànode i el càtode. Funcionament del tub de raigs Xsota tensió, per crear 1 KV dels quals cada partícula ha de tenir 1 keV. En ajustar KV, l'operador dota a cada electró d'una determinada quantitat d'energia.
Cinètica
Baixa pressió al tub de raigs X evacuat (a 15 °C és de 10-6–10-7 mmHg.) permet que les partícules surtin del càtode a l'ànode sota l'acció de l'emissió termoiònica i la força elèctrica. Aquesta força els accelera, la qual cosa comporta un augment de la velocitat i de l'energia cinètica i una disminució del potencial. Quan una partícula colpeja l'ànode, el seu potencial es perd i tota la seva energia es converteix en energia cinètica. Un electró de 100 keV arriba a velocitats superiors a la meitat de la velocitat de la llum. En colpejar la superfície, les partícules s'alenteixen molt ràpidament i perden la seva energia cinètica. Es converteix en raigs X o calor.
Els electrons entren en contacte amb àtoms individuals del material de l'ànode. La radiació es genera quan interaccionen amb els orbitals (fotons de raigs X) i amb el nucli (bremsstrahlung).
Link Energy
Cada electró dins d'un àtom té una determinada energia d'unió, que depèn de la mida d'aquest i del nivell en què es troba la partícula. L'energia d'unió té un paper important en la generació de raigs X característics i és necessària per eliminar un electró d'un àtom.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung produeix el major nombre de fotons. Els electrons que penetren al material de l'ànode i que passen a prop del nucli es desvien i s'allunyenla força d'atracció de l'àtom. La seva energia perduda durant aquesta trobada apareix com un fotó de raigs X.
Spectrum
Només uns quants fotons tenen una energia propera a la dels electrons. La majoria són inferiors. Suposem que hi ha un espai o camp que envolta el nucli en el qual els electrons experimenten una força de "frenada". Aquest camp es pot dividir en zones. Això dóna al camp del nucli l'aspecte d'un objectiu amb un àtom al centre. Un electró que colpeja qualsevol punt de l'objectiu experimenta una desacceleració i genera un fotó de raigs X. Les partícules que xoquen més a prop del centre són les més afectades i, per tant, perden més energia, produint els fotons d'energia més alta. Els electrons que entren a les zones exteriors experimenten interaccions més febles i generen quants d'energia més baixos. Tot i que les zones tenen la mateixa amplada, tenen una àrea diferent en funció de la distància al nucli. Com que el nombre de partícules que cauen en una zona determinada depèn de la seva àrea total, és obvi que les zones exteriors capturen més electrons i creen més fotons. Aquest model es pot utilitzar per predir l'espectre energètic dels raigs X.
Emax fotons de l'espectre bremsstrahlung principal correspon a Emax electrons. Per sota d'aquest punt, a mesura que l'energia fotònica disminueix, el seu nombre augmenta.
Un nombre important de fotons de baixa energia s'absorbeixen o es filtren mentre intenten passar per la superfície de l'ànode, la finestra del tub o el filtre. La filtració depèn generalment de la composició i el gruix del material a través del qualel feix travessa, que determina la forma final de la corba de baixa energia de l'espectre.
KV Influència
La part d' alta energia de l'espectre està determinada per la tensió en els tubs de raigs X kV (kilovolt). Això es deu al fet que determina l'energia dels electrons que arriben a l'ànode, i els fotons no poden tenir un potencial superior a aquest. Amb quina tensió funciona el tub de raigs X? La màxima energia fotònica correspon al màxim potencial aplicat. Aquesta tensió pot canviar durant l'exposició a causa del corrent de la xarxa CA. En aquest cas, l'Emax d'un fotó està determinat per la tensió màxima del període d'oscil·lació KVp.
A més del potencial quàntic, KVp determina la quantitat de radiació creada per un nombre determinat d'electrons que incideixen en l'ànode. Com que l'eficiència global de bremsstrahlung augmenta a causa d'un augment de l'energia dels electrons de bombardeig, que està determinada per KVp, es dedueix que KVpafecta l'eficiència del dispositiu.
Canviar KVp sol canviar l'espectre. L'àrea total sota la corba d'energia és el nombre de fotons. Sense filtre, l'espectre és un triangle i la quantitat de radiació és proporcional al quadrat de KV. En presència d'un filtre, un augment de KV també augmenta la penetració de fotons, la qual cosa redueix el percentatge de radiació filtrada. Això comporta un augment de la sortida de radiació.
Radiació característica
El tipus d'interacció que produeix la característicaradiació, inclou la col·lisió d'electrons d' alta velocitat amb els orbitals. La interacció només es pot produir quan la partícula entrant té Ek més gran que l'energia d'unió de l'àtom. Quan es compleix aquesta condició i es produeix una col·lisió, l'electró és expulsat. En aquest cas, queda una vacant, que s'omple amb una partícula de nivell energètic superior. A mesura que l'electró es mou, emet energia, que s'emet en forma de quàntica de raigs X. Això s'anomena radiació característica, ja que la E d'un fotó és una característica de l'element químic del qual està fet l'ànode. Per exemple, quan s'elimina un electró del nivell K del tungstè amb Ebond=69,5 keV, la vacant s'omple per un electró del nivell L amb E enllaç=10, 2 keV. El fotó de raigs X característic té una energia igual a la diferència entre aquests dos nivells, o 59,3 keV.
De fet, aquest material d'ànode dóna lloc a una sèrie d'energies de raigs X característiques. Això es deu al fet que els electrons a diferents nivells d'energia (K, L, etc.) es poden eliminar mitjançant el bombardeig de partícules, i les vacants es poden omplir des de diferents nivells d'energia. Tot i que l'ompliment de les vacants de nivell L genera fotons, les seves energies són massa baixes per ser utilitzades en imatges de diagnòstic. Cada energia característica rep una designació que indica l'orbital en què es va formar la vacant, amb un índex que indica la font d'ompliment d'electrons. L'índex alfa (α) indica l'ocupació d'un electró del nivell L i beta (β) indicaomplint des del nivell M o N.
- Espectre del tungstè. La radiació característica d'aquest metall produeix un espectre lineal format per diverses energies discretes, mentre que la bremsstrahlung crea una distribució contínua. El nombre de fotons produïts per cada energia característica difereix perquè la probabilitat d'omplir una vacant de nivell K depèn de l'orbital.
- Espectre del molibdè. Els ànodes d'aquest metall utilitzats per a la mamografia produeixen dues energies de raigs X característiques força intenses: K-alfa a 17,9 keV i K-beta a 19,5 keV. L'espectre òptim de tubs de raigs X, que permet aconseguir el millor equilibri entre contrast i dosi de radiació per a pits de mida mitjana, s'aconsegueix a Eph=20 keV. Tanmateix, la bremsstrahlung es produeix a altes energies. L'equip de mamografia utilitza un filtre de molibdè per eliminar la part no desitjada de l'espectre. El filtre funciona segons el principi "K-edge". Absorbeix la radiació per sobre de l'energia d'unió dels electrons al nivell K de l'àtom de molibdè.
- Espectre del rodi. El rodi té un nombre atòmic de 45, mentre que el molibdè té un nombre atòmic 42. Per tant, l'emissió de raigs X característica d'un ànode de rodi tindrà una energia lleugerament superior a la del molibdè i és més penetrant. S'utilitza per obtenir imatges de pits densos.
Els ànodes de molibdè-rodi de doble superfície permeten a l'operador seleccionar una distribució optimitzada per a diferents mides i densitats de pit.
Efecte del KV a l'espectre
El valor de KV afecta molt la radiació característica, ja que no es produirà si KV és menor que l'energia dels electrons de nivell K. Quan el KV supera aquest llindar, la quantitat de radiació és generalment proporcional a la diferència entre el KV del tub i el KV del llindar.
L'espectre d'energia dels fotons de raigs X que surten de l'instrument està determinat per diversos factors. Com a regla general, consta de bremsstrahlung i quants d'interacció característics.
La composició relativa de l'espectre depèn del material de l'ànode, KV i filtre. En un tub amb un ànode de tungstè, no es produeix cap radiació característica a KV< 69,5 keV. A valors de CV més alts utilitzats en estudis de diagnòstic, la radiació característica augmenta la radiació total fins a un 25%. En els dispositius de molibdè, pot representar una gran part de la generació total.
Eficiència
Només una petita part de l'energia lliurada pels electrons es converteix en radiació. La part principal s'absorbeix i es converteix en calor. L'eficiència de radiació es defineix com la proporció de l'energia radiada total de l'energia elèctrica total impartida a l'ànode. Els factors que determinen l'eficiència d'un tub de raigs X són la tensió aplicada KV i el nombre atòmic Z. Un exemple de relació és el següent:
Eficiència=KV x Z x 10-6.
La relació entre eficiència i KV té un impacte específic en l'ús pràctic dels equips de raigs X. A causa de l'alliberament de calor, els tubs tenen un cert límit en la quantitat d'electricitatl'energia que poden dissipar. Això imposa una limitació a la potència del dispositiu. Tanmateix, a mesura que augmenta el KV, la quantitat de radiació produïda per unitat de calor augmenta significativament.
La dependència de l'eficiència de la generació de raigs X de la composició de l'ànode és només d'interès acadèmic, ja que la majoria dels dispositius utilitzen tungstè. Una excepció és el molibdè i el rodi utilitzats en mamografia. L'eficiència d'aquests dispositius és molt inferior a la del tungstè a causa del seu nombre atòmic més baix.
Eficiència
L'eficiència d'un tub de raigs X es defineix com la quantitat d'exposició, en milliroentgens, lliurada a un punt del centre del feix útil a una distància d'1 m del punt focal per cada 1 mAs de electrons que passen pel dispositiu. El seu valor expressa la capacitat del dispositiu per convertir l'energia de les partícules carregades en raigs X. Permet determinar l'exposició del pacient i la imatge. Igual que l'eficiència, l'eficiència del dispositiu depèn d'una sèrie de factors, com ara KV, forma d'ona de tensió, material de l'ànode i danys a la superfície, filtre i temps d'ús.
Control KV
KV controla eficaçment la sortida del tub de raigs X. En general s'assumeix que la sortida és proporcional al quadrat de KV. Doblar el KV augmenta l'exposició per 4.
Forma d'ona
La forma d'ona descriu com canvia el KV al llarg del temps durant la generacióradiació a causa de la naturalesa cíclica de la font d'alimentació. S'utilitzen diverses formes d'ona diferents. El principi general és que com menys canvia la forma KV, més eficient es produeixen els raigs X. Els equips moderns utilitzen generadors amb un KV relativament constant.
Tubs de raigs X: fabricants
Oxford Instruments produeix una varietat de dispositius, inclosos dispositius de vidre de fins a 250 W, potencial de 4-80 kV, punt focal de fins a 10 micres i una àmplia gamma de materials d'ànode, com Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian ofereix més de 400 tipus diferents de tubs de raigs X mèdics i industrials. Altres fabricants coneguts són Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, etc.
Els tubs de raigs X "Svetlana-Rentgen" es produeixen a Rússia. A més dels dispositius tradicionals amb ànode giratori i estacionari, l'empresa fabrica dispositius amb un càtode fred controlat pel flux de llum. Els avantatges del dispositiu són els següents:
- funciona en modes continu i pols;
- inercia;
- Regulació d'intensitat de corrent LED;
- puresa de l'espectre;
- possibilitat d'obtenir radiografies d'intensitat variable.
