Tubo de rayos-x

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Un tubo de rayos X es un dispositivo de electrovacío diseñado para generar rayos X , en el que la generación se produce debido al bremsstrahlung de electrones acelerados a una energía de más de 10 keV e irradiando un ánodo metálico .

Principio de funcionamiento y dispositivo

El elemento radiante es un recipiente de vacío con tres electrodos : cátodo , filamento de cátodo y ánodo .

Los principales elementos estructurales de un tubo de rayos X son un cátodo de metal y un ánodo (anteriormente también llamado anticátodo ). Cuando se calienta, el cátodo emite electrones ( se produce emisión termoiónica ). Además, debido a la gran diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo (de decenas a cientos de kilovoltios), el flujo de electrones se acelera y adquiere más energía. El haz de electrones acelerado resultante golpea un ánodo cargado positivamente. Al llegar al ánodo, los electrones experimentan una fuerte desaceleración, perdiendo instantáneamente la mayor parte de la energía adquirida. Esto produce bremsstrahlung de rayos X. En el proceso de desaceleración, solo alrededor del 1 % de la energía cinética del electrón se convierte en rayos X, el 99 % de la energía se convierte en calor. Para evitar el sobrecalentamiento del ánodo, los potentes tubos de rayos X utilizan refrigeración por agua o aceite y un ánodo giratorio [1] .

Los tubos de rayos X funcionan en el modo de un diodo casi plano, por lo tanto, la corriente a través del tubo está determinada por la ley de la potencia de tres segundos (a una temperatura constante del cátodo): I a \u003d K⋅U a 3/2 , donde I a es la corriente del ánodo, U a es el voltaje del ánodo, K - coeficiente de proporcionalidad, individual para cada lámpara (tubo). Para regular la corriente a través del tubo, el número de electrones emitidos se controla cambiando el voltaje del filamento.

Los valores típicos del voltaje del ánodo en los tubos médicos para radiografía son de 60…80 kV, la corriente es de decenas de miliamperios, por lo que la potencia del pulso es de varios kilovatios. La fluoroscopia utiliza un modo de funcionamiento continuo a una corriente de varios miliamperios. Para la terapia de rayos X, se utilizan tubos con un voltaje de ánodo de más de 100 kV para obtener una radiación más fuerte.

Radiación del tubo de rayos X

Los rayos X son producidos por una fuerte aceleración de partículas cargadas ( bremsstrahlung ) o por transiciones de alta energía en las capas de electrones de los átomos ( radiación característica ). Ambos efectos se utilizan en tubos de rayos X.

Bremsstrahlung

El espectro de bremsstrahlung es continuo. A la izquierda, está limitado por la longitud de onda mínima , luego sube abruptamente, alcanzando un máximo en la longitud de onda , después de lo cual cae suavemente, acercándose asintóticamente a cero. $\lambda _{0}$ ${\ estilo de visualización \ lambda _ {m} \ aproximadamente {1,5} \ lambda _ {0}}$

$\lambda _{0}={\frac {hc}{eU}}$ [2] ,

donde es el voltaje del ánodo del tubo de rayos X, es la carga del electrón, es la constante de Planck, es la velocidad de la luz. Así, con un aumento en el voltaje del ánodo, la dureza de la radiación aumenta: ambos se desplazan hacia longitudes de onda y enfoques más cortos . La intensidad de la radiación (el área bajo la curva del espectro) aumenta en proporción al cuadrado del voltaje. $tu$ $mi$ $h$ $C$ $\lambda _{0}$ $\lambda _{m}$ $\lambda _{m}$ $\lambda _{0}$

A medida que aumenta la corriente a través del tubo de rayos X, la intensidad de la radiación aumenta en proporción directa a la corriente, la naturaleza del espectro no cambia.

El material del ánodo no afecta la longitud de onda del espectro de bremsstrahlung (dureza de la radiación), pero sí afecta la intensidad total de la radiación, que crece en proporción directa al número atómico del elemento químico del que está hecho el espejo del ánodo.

Radiación característica

Además de la desaceleración (dispersión) de electrones en el campo eléctrico de los núcleos atómicos, los electrones son eliminados simultáneamente de las capas internas de electrones de los átomos del ánodo. Los espacios vacíos en las capas están ocupados por otros electrones del átomo. En este caso, la radiación de rayos X se emite con un espectro de energía característico del material del ánodo ( radiación característica , las frecuencias están determinadas por la ley de Moseley : donde Z es el número atómico del elemento del ánodo, A y B son constantes para un cierto valor del número cuántico principal n de la capa de electrones). $\sqrt \nu = A(Z - B),$

La energía del espectro de radiación característico es mucho menor que la energía del espectro de bremsstrahlung. El espectro de radiación característico es más suave y es retenido en gran medida por el vidrio del tubo de rayos X. Por lo tanto, en la práctica, podemos suponer que la acción de los rayos X en la radiografía está determinada únicamente por el espectro de desaceleración. Las propiedades específicas del espectro característico se utilizan en algunos métodos de análisis de difracción de rayos X y en el análisis espectral de rayos X.

Propiedades ópticas de un tubo de rayos X

Los tubos utilizados para la formación de imágenes de rayos X deben tener, además de las características espectrales y de potencia necesarias, también ciertas propiedades ópticas. Están determinados por el tamaño de esa parte de la superficie del ánodo (punto focal) sobre la que cae directamente el haz de electrones y donde se generan los rayos X. Cuanto más pequeño es el punto focal, más se parece a una fuente puntual la fuente del haz y mejores se vuelven las propiedades ópticas del tubo (la resolución máxima de las imágenes resultantes). Sin embargo, la pequeña área del punto focal limita la potencia máxima del tubo, porque todo el calor liberado se disipa en la superficie del punto focal. Incluso cuando el espejo del ánodo está hecho de tungsteno (el metal más refractario), un punto focal de 1 mm² no puede disipar más de 200 W con un segundo tubo encendido. Los tubos de rayos X de ánodo rotatorio se utilizan para superar esta limitación. El ánodo giratorio tiene la forma de un cono truncado, el flujo de electrones cae en su superficie lateral. El calor disipado no se libera en un punto, sino en un círculo que rodea al cono.

Literatura

Bystrov Yu. A., Ivanov S. A. Tecnología de aceleradores y dispositivos de rayos X. - M. : Escuela superior, 1983. - 288 p.

Ivanov S. A., Shchukin G. A. Tubos de rayos X para fines técnicos. - L. : Energoatomizdat, 1989. - 200 p. — ISBN 5-283-04435-1 .
Katsman A. Ya. Tecnología médica de rayos X. - MEDGIZ, 1957. - 647 p.

Véase también

Notas

↑ AN Kishkovsky, LA Tyutin. radiología médica. - L .: Medicina, Leningrado. departamento, 1983.
↑ Radiología médica. ed. Katsman A. Ya. M., Metgiz, 1957

Dispositivos electrónicos de vacío (excepto haz de cátodo )
Lámparas generadoras y amplificadoras	triodo tetrodo tetrodo de haz Pentodo hexágono heptodo pentagrid octubre Nonod magnetrón amlitron Platinotrón Virkator Klystron Lámpara de ondas viajeras Lámpara de onda trasera girotrón
Otro	Diodo de electrovacío Kenotron Tubo de rayos-x Indicador fluorescente de vacío ojo magico Fotocélula de vacío tubo intensificador de imagen fotomultiplicador multiplicador de electrones secundarios Selectrón mecatrón
Tipos de rendimiento	octales Dedo Varilla Nuvistor bellota Mayachkovaya Metal-cerámica Conjunto
Elementos estructurales	Ánodo Cátodo resplandor directo brillo indirecto emisión de campo Fotocátodo dinosaurio Calentador Cuadrícula gerente antidinatrón Blindaje catódico Adquiridor pedestal