Начало >> Статьи >> Архивы >> Рентгеновские аппараты

Генерирование рентгеновских лучей - Рентгеновские аппараты

Оглавление
Рентгеновские аппараты
Введение
Генерирование рентгеновских лучей
Ослабление рентгеновских лучей веществом
Световозбуждающее и фотографическое действия рентгеновских лучей
Количественная и качественная оценка рентгеновского излучения
Защита от рентгеновских лучей
Применение - рентгенодиагностика
Применение - рентгенотерапия
Применение - рентгенодефектоскопия
Применение - рентгеноструктурный анализ
Применение - рентгеноспектральный анализ
Применение - облучение в технологических целях
Рентгеновские трубки
Электрические характеристики рентгеновских трубок
Рентгеновские излучатели
Высоковольтный рентгеновский кабель
Рентгеновские питающие устройства
Главные трансформаторы
Параметры R, L и С главного трансформатора
Представление о расчете главного трансформатора
Главные трансформаторы с переменным коэффициентом трансформации
Высоковольтные вентили
Высоковольтные генераторы
Регулировка напряжения на трубке и тока трубки
Включение и отключение питающего устройства
Автоматика в рентгеновских питающих устройствах
Стабилизация работы питающего устройства
Контроль напряжения на трубке и ее анодного тока
Выпрямительные схемы рентгеновских питающих устройств
Однополупериодная безвентильная схема
Однополупериодная вентильная схема
Двухполупериодная схема
Схема удваивания с пульсирующим напряжением
Схема удваивания со сглаженным напряжением
Падение напряжения в главной цепи питающего устройства
Перенапряжения в питающих устройствах
Импульсное питание рентгеновской трубки
Рентгенодиагностические аппараты
Рентгенодиагностические исследования
Рентгенодиагностические трубки
Системы регулировок рентгенодиагностического аппарата
Регулировка выдержки
Защита трубки от перегрузки
Реле экспозиции
Падающая нагрузка
Передвижные аппараты
Стационарные аппараты
Усилитель яркости рентгеновского изображения
Рентгенокиносъемка
Рентгенотелевидение
Флюорографические аппараты
Хирургические аппараты
Аппараты для ангиокардиографии
Аппараты для близкофокусной и внутриполостной терапии
Аппараты для глубокой терапии
Рентгенодефектоскопические аппараты
Рентгеновские микроскопы
Рентгеновские аппараты для структурного анализа
Рентгеновские аппараты для спектрального анализа
Рентгеновские аппараты для облучения в технологических целях

ГЛАВА ПЕРВАЯ
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧАХ
1. ГЕНЕРИРОВАНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ
Как уже указывалось, рентгеновские лучи возникают на аноде рентгеновской трубки при торможении электронов, движущихся от катода к аноду под действием ускоряющего поля. При торможении имеют место следующие процессы:
а)  упругие столкновения с атомами и ионизация во внешних электронных слоях; при этих процессах имеет место постепенное преобразование кинетической энергии электрона в тепловую энергию;
б)  ионизация в электронных слоях, близких к атомному ядру, которая приводит к появлению рентгеновского характеристического спектра, состоящего из отдельных спектральных линий;
в)  резкое торможение электрона в поле ядра, в результате чего возникает непрерывный рентгеновский спектр торможения с резкой границей со стороны малых длин воли.

Почти вся кинетическая энергия тормозящихся электронов превращается в тепловую энергию. Лишь незначительная доля — десятые доли процента или несколько процентов (в зависимости от напряжения) — превращается в энергию рентгеновского излучения. Поэтому в трубках должно предусматриваться охлаждение анода. Нагрев анода ограничивает допустимую мощность трубки.
Участок поверхности анода, на котором тормозятся электроны, называется фокусом трубки.

Рентгеновские лучи распространяются от фокуса прямолинейно в виде расходящегося пучка. Мощность излучения, представляющая собой общий поток лучистой энергии, испускаемый фокусом в единицу времени, равна:
(1-1)

Рис. 1-1. Пространственное распределение интенсивности излучения тонкой мишени.
где dS — элемент поверхности; S — полная поверхность, пронизываемая всем потоком рентгеновских лучей и J — мощность излучения, приходящаяся на единицу поверхности, перпендикулярной направлению лучей, и называемая интенсивностью излучения. Единицей интенсивности излучения является Вт/см2.
Пространственное распределение интенсивности рентгеновского излучения при бомбардировке электронами тонкой мишени представлено на рис. 1-1. На практике при напряжениях до 500 кВ обычно используют массивный анод, излучающая поверхность которого располагается под углом 45—90° по отношению к потоку электронов. Пространственное распределение интенсивности излучения для такого случая представлено на рис. 1-2. Обычно используется сравнительно узкий пучок лучей в направлении, перпендикулярном потоку электронов (или близком перпендикулярному); этот пучок лучей часто называют центральным пучком. В пределах этого пучка интенсивность излучения на равных расстояниях от фокуса практически постоянна.
Если считать источник лучей точечным и не принимать во внимание их ослабления средой, то интенсивность излучения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника:
(1-2)
где h — интенсивность лучей на расстоянии r1 от источника излучения, а J1— интенсивность лучей на расстоянии r2.
Этот закон справедлив в подавляющем большинстве случаев практического использования рентгеновских лучей, поскольку расстояние от фокуса трубки до объекта исследования или приемника рентгеновских лучей (экран, пленка и т. п.) обычно велико по сравнению с линейными размерами фокуса, а ослаблением лучей воздухом при напряжениях свыше 30—40 кВ можно пренебречь.

Рис. 1-2. Пространственное распределение интенсивности излучения массивного анода.
1 — новая трубка; 2 — трубка, бывшая в эксплуатации.

В общем спектре рентгеновского излучения, генерируемого рентгеновской трубкой, спектр торможения обладает значительно большей энергией, чем характеристический спектр. Поэтому при использовании всего спектра в целом можно в первом приближении считать, что действие рентгеновских лучей обусловливается лишь спектром торможения. Специфические свойства характеристического спектра используются лишь при некоторых методах рентгеноструктурного анализа и при рентгеноспектральном анализе.
Рассмотрим закономерности, свойственные спектру торможения. Все электроны у поверхности анода обладают одинаковыми кинетическими энергиями. Эту кинетическую энергию электрон приобретает, двигаясь в ускоряющем поле между катодом и анодом. Поэтому она равна:
(1-3)

где е — заряд электрона, равный 1,602· 10-19 Кл, a Ua — анодное напряжение, т. е. напряжение между электродами трубки (начальной кинетической энергией, которой электрон обладает при выходе из катода, ввиду ее малости можно пренебречь).
Однако фотоны рентгеновского спектра торможения будут обладать различными энергиями. Это можно объяснить гем, что: 1) электрон может испытать резкое торможение после того как он потерял часть энергии на упругие столкновения; 2) при резком торможении электрон может частично сохранить свою кинетическую энергию. В итоге в излучении, генерируемом трубкой, будут фотоны со всевозможными энергиями вплоть до некоторой максимальной, характеризующей полный переход всей кинетической энергии, запасенной электроном в ускоряющем поле, в энергию рентгеновского излучения.
Связь между энергией фотона А и длиной волны λ дается формулой
(1-4)

Рис. 1-3. Зависимость интенсивности непрерывного спектра от длины волны и анодного напряжения.
где h — постоянная Планка, равная 6,62·10-34 Дж-см и с — скорость света, равная 3·1010 см/с. Таким образом, фотону с максимальной энергией соответствует минимальная длина волны. Приравняв друг другу формулы (1-3) и (1-4), видим, что минимальная длина волны, как и максимальная энергия фотона, определяется анодным напряжением.
Подставляя численные значения, получаем формулу(1-5).
Здесь напряжение выражается в вольтах, а длина волны — в сантиметрах.
Распределение энергии в спектре торможения показано на рис. 1-3. Здесь абсциссой является длина волны излучения, а ординатой — интенсивность излучения данной длины волны (так называемая плотность интенсивности в спектре) Кривые рис. 1-3 сняты при одном и том же анодном токе и различных анодных напряжениях. Из рис. 1-3 видно, что при повышении напряжения происходит сдвиг в сторону более коротких длин волн не только минимальной длины волны, но и максимума интенсивности, т. е. всего спектра в целом. При этом увеличивается проникающая способность лучей торможения или, как говорят, возрастает их жесткость.
Площадь, ограниченная кривой Jλ=f(λ) и осью абсцисс, представляет собой общую интенсивность излучения
Так как эта площадь с увеличением анодного напряжения увеличивается, то, следовательно, интенсивность излучения с повышением напряжения также возрастает. Увеличение интенсивности излучения при повышении напряжения и неизменном анодном токе (т. е. при неизменном количестве электронов, тормозящихся на аноде трубки в единицу времени) происходит за счет увеличения кинетической энергии каждого отдельного электрона. Наоборот, увеличение анодного тока при неизменном анодном напряжении увеличивает число электронов, тормозящихся на аноде, оставляя кинетическую энергию отдельного электрона неизменной. Естественно, что жесткость излучения при этом не меняется, интенсивность же возрастает пропорционально числу электронов, т. е. пропорционально анодному току.
Таким образом, жесткость лучей торможения, генерируемых рентгеновской трубкой, зависит только от анодного напряжения, интенсивность же — от анодного напряжения и анодного тока. Кроме того, интенсивность зависит также от атомного номера вещества, в котором происходит торможение электронов. Зависимость интенсивности от всех указанных факторов дается формулой
(1-6)
справедливой при напряжениях до 400—500 кВ (с — коэффициент пропорциональности).
Электрическая мощность, затрачиваемая на ускорение электронов и воспринимаемая анодом при их торможении, равна:

(1-7)
Отношение доли мощности, переходящей в излучение и выражаемой формулой (1-1), ко всей мощности, воспринимаемой анодом, можно назвать радиационным к. п. д.:

Его численные значения малы и составляют для вольфрамового анода примерно 1% при напряжении 100—150 кВ. Однако действительный радиационный к. п. д. во много раз меньше, поскольку па практике, как уже указывалось, используется сравнительно узкий пучок лучей, т. е. незначительная доля всего потока излучения. К этому следует добавить ослабление потока при прохождении через промежуточные среды, в частности через баллон трубки.
Если говорить о полном к. п. д. рентгеновского аппарата, то следует учесть еще его электрический к. п. д. (о нем шла речь во введении), представляющий собой отношение электрической энергии, получаемой от источника тока, к энергии, воспринимаемой анодом трубки. Наконец, в полном цикле преобразования энергии следует учитывать долю энергии, поглощенной объектом облучения, по отношению к энергии, падающей на объект, и попытаться оценить ту долю этой доли, которая производит ожидаемый эффект.
Возвращаясь к формулам (1-6) и (1-7), укажем, что на практике часто оказывается целесообразным использовать понятие рентгеновской отдачи трубки; эта отдача представляет собой отношение
(1-8)
где под J понимается интенсивность используемого пучка излучения. В дальнейшем интерес будет представлять лишь зависимость интенсивности от анодного напряжения и анодного тока. Поэтому удобно в формуле (1-6) положить cZ= α, т. е. заменить ее формулой
(1-9)
При постоянном анодном напряжении и постоянном анодном токе интенсивность излучения также постоянна. При пульсирующем или переменном напряжении она непрерывно меняется во времени в соответствии с изменениями анодного напряжения и анодного тока. При переменном напряжении анодный ток проходит лишь в ту часть периода, когда анод положителен по отношению к катоду; естественно, что рентгеновская трубка генерирует рентгеновские лучи также лишь в эту часть периода.

Рис. 1-4. Изменение интенсивности излучения J и нарастание излученной энергии Аr при синусоидальном напряжении uа.
Формула (1-9) теперь справедлива только для соотношений между мгновенными значениями. На рис. 1-4 представлено в качестве примера изменение интенсивности излучения при синусоидально изменяющемся анодном напряжении и типичной кривой анодного тока; здесь же дано нарастание величины излученной энергии

в течение четверти периода от uа=Ua.max до uа = 0. Из этой кривой видно, что примерно 65% энергии излучается в пределах от Uа.max ДО 0,91Uа.max и 90% — от Ua.max до 0,7Ua.max. Каждому моменту времени на рис. 1-4 соответствует своя минимальная длина волны и свое распределение энергии в спектре. Минимальная длина волны при максимальном (за период) напряжении является минимальной длиной волны всего излучения в целом и может быть по-прежнему определена по формуле (1-5).
Из сказанного ясно, что средняя за период интенсивность излучения зависит от форм кривых анодного напряжения и анодного тока. Рис. 1-5 показывает, что при постоянном напряжении интенсивность излучения выше, чем при таком же (по максимуму) пульсирующем. Вместе с тем излучение при пульсирующем напряжении является и менее жестким: хотя λмин и одинаковы, но максимум интенсивности сдвинут в сторону более длинных волн.

В рентгеновских аппаратах в зависимости от выпрямительной схемы напряжение имеет различную форму кривой, причем эта последняя может сильно изменяться с нагрузкой.
Естественно, надо пользоваться максимальным (за период) значением напряжения, так как:

  1. рентгеновский эффект, как мы видим, в основном зависит от максимума напряжения на трубке,

2)   именно с ним связана в первую очередь электрическая прочность изоляции. В отношении тока трубки целесообразно пользоваться средним (за период) значением:
поскольку это значение тока (наряду с максимумом напряжения) наиболее удобно для оценки рентгеновского эффекта.

Рис. 1-5. Сравнение интенсивностей излучения при постоянном и пульсирующем напряжениях.


Среднюю за период интенсивность излучения можно представить как
(1-10)
где γ — коэффициент пропорциональности, зависящий от форм кривых анодного напряжения и анодного тока и представляющий собой правильную дробь.
Электрическая мощность, воспринимаемая анодом трубки при пульсирующем или переменном напряжении, также периодически меняется.
Средняя за период мощность может быть определена по формуле
(1-11)
где f — коэффициент пропорциональности, также зависящий от форм кривых анодного напряжения и анодного тока и представляющий собой правильную дробь.

Отдача рентгеновской трубки при пульсирующем или переменном напряжении зависит от максимального (за период) напряжения и форм кривых напряжения и тока:
(1-12)
При практических формах кривых коэффициент γ для обычной рентгеновской трубки меньше коэффициента f (так как интенсивность излучения пропорциональна квадрату анодного напряжения, а электрическая мощность — только первой степени). Поэтому отдача трубки при переменном или пульсирующем напряжении меньше, чем при постоянном [Л. 59].
Для повышения отдачи трубки при переменном и пульсирующем напряжениях было предложено применять рентгеновские трубки с управляющей сеткой [Л. 60]. Если подавать на сетку отрицательный по отношению к катоду потенциал и запирать анодный ток при недостаточно высоких значениях анодного напряжения, то трубка будет генерировать лучи лишь в ту часть периода, когда анодное напряжение близко к максимуму. В итоге излучение будет количественно и качественно приближаться к излучению при постоянном напряжении*.

* Такой способ повышения отдачи рентгеновских лучей широкого распространения нс получил. Рентгеновские трубки с управляющей сеткой применяются в настоящее время в первую очередь для безынерционного замыкания и размыкания анодной цепи (например, при скоростной киносъемке).

Переходим к краткому рассмотрению закономерностей характеристического спектра. Пользуясь планетарной моделью атома, возбуждение характеристического спектра можно представить следующим образом. Фотон характеристического излучения возникает, когда электрон, движущийся от катода к аноду, при торможении у поверхности анода попадает вглубь какого-либо атома и выбивает при этом из атома электрон, движущийся по одной из внутренних орбит. Равновесное состояние атома нарушается, и электрон с какой-либо более отдаленной от ядра атома орбиты переходит на освободившуюся орбиту. На каждой орбите электрон обладает определенной энергией, причем эта энергия тем больше, чем дальше орбита удалена от ядра. При переходе электрона с более удаленной орбиты на более близкую в атоме освобождается энергия, которая и излучается в виде фотона характеристического излучения.
Определенной паре орбит соответствует фотон с определенной энергией и, следовательно, определенная длина волны излучения и определенная спектральная линия в характеристическом спектре. Так как строение электронной оболочки атома меняется от одного химического элемента к другому, то каждый химический элемент имеет свой характеристический спектр.
Из сказанного следует, что для возбуждения серии линий в характеристическом спектре определенного химического элемента необходимо движущимся от катода к аноду электронам сообщить кинетическую энергию, достаточную для удаления электрона с этой орбиты за пределы атома. Другими словами, необходимо, чтобы анодное напряжение рентгеновской трубки было не меньше определенной величины, называемой критическим напряжением этой серии. Если в формуле (1-5) под Uа понимать критическое напряжение, то длины волн соответствующей серии спектральных линий будут несколько большими, чем длина волны, вычисленная по этой формуле. Это объясняется тем, что формула (1-5) в этом случае соответствует энергии, необходимой для удаления электрона за пределы атома, разность же энергий электрона на разных орбитах внутри атома меньше этой энергии. В табл. 1-1 указаны для некоторых химических элементов критические напряжения для серий, соответствующих переходам электронов в группы К и L, наиболее близкие к ядру.

Таблица 1-1
Критические напряжения для серий К и L некоторых химических элементов


Элемент

Атомный
номер

Критическое напряжение, кВ

Серия К

Серия L

Свинец Рb ........................

82

87,6

15,8

Золото Аu.........................

79

80,5

14,4

Платина Pt ........................

78

78,1

13,9

Вольфрам W....................

74

69,3

12,1

Серебро Ag.......................

47

25,5

3,8

Молибден Мо...................

42

20,0

2,9

Медь Сu............................

29

8,2

Никель Ni ........................

28

8,3

Железо Fe.........................

26

7,1

Хром Сr............................

24

6,0

 

Зависимость интенсивности характеристического излучения от анодного напряжения и анодного тока определяется формулой
(1-13)
где n=1,5:2. Эта формула верна для напряжений, превышающих критическое не более чем в 3—4 раза; при дальнейшем повышении напряжения рост интенсивности замедляется.
При пульсирующем или переменном анодном напряжении рентгеновская трубка генерирует характеристическое излучение какой-либо определенной серии спектральных линий лишь в те части периода, когда анодное напряжение равно или выше критического. Формула (1-13) определяет в этом случае мгновенное значение интенсивности в эти моменты времени. Средняя за период интенсивность возрастает с увеличением максимума напряжения и среднего значения тока.



 
« Религия и психические болезни   Рентгенодиагностика заболеваний костей и суставов »