рентгенівська трубка

Рентгенівська трубка - електровакуумний прилад, призначений для отримання рентгенівського випромінювання. Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні прискорених електронів на екрані антикатода (анода), виготовленого з важкого металу (наприклад, вольфраму). Отримання електронів, їх прискорення і гальмування здійснюється в самій рентгенівської трубки, що представляє вакуумований скляний балон, в яку упаяно металеві електроди: катод (див.) - для отримання електронів і анод (див.) - для їх гальмування (рис. 1). Для прискорення електронів до електродів підводиться висока напруга.

Мал. 1. Терапевтична, рентгенівська трубка з масивним вольфрамовим анодом: 1 - катод; 2 - анод.

Вільгельм Конрад Рентген
(Wilhelm Conrad Röntgen)

Перша рентгенівська трубка, з якої В. К. Рентген зробив своє відкриття, була іонної. Рентгенівська трубка цього типу (тендітні і важкокерована) в даний час повністю витіснені більш досконалими електронними трубками. У них електрони виходять шляхом розжарювання катода. Регулюючи струм в ланцюгу напруження рентгенівської трубки, а отже, і температуру катода, можна змінювати кількість що випускаються катодом електронів. При низькій напрузі не всі випускаються катодом електрони беруть участь в створенні анодного струму і у катода утворюється так зване електронне хмара. При підвищенні напруги електронне хмара розсмоктується і, починаючи з певної напруги (напруги насичення), всі електрони досягають анода. Через трубку при цьому тече максимальний струм (струм насичення). Напруга на рентгенівській трубці зазвичай вище напруги насичення, тому можливо окремо регулювати напругу і струм Р. т. Це означає, що жорсткість випромінювання, яка визначається напругою, регулюється незалежно від інтенсивності, яка обумовлена ​​анодним струмом.

Анод рентгенівської трубки зазвичай виконується у вигляді масивного мідного чохла, зверненого до катода скошеним торцем, щоб виходить рентгенівське випромінювання було перпендикулярно осі трубки. В товщу анода впаяна вольфрамовая пластинка в 2- (дзеркало анода).

Катод електронної рентгенівської трубки містить тугоплавку нитка розжарення, зазвичай з вольфраму, яка виконана у вигляді циліндричної або плоскою спіралі і оточена металевим стаканчиком для фокусування пучка електронів на дзеркалі анода (фокусі рентгенівської трубки). У двофокусних рентгенівських трубках катод містить дві нитки напруження.

При роботі рентгенівської трубки на аноді виділяється велика кількість тепла. Щоб уберегти анод від перегріву і підвищити потужність рентгенівської трубки, використовуються охолоджуючі анод пристрої: повітряне радіаторне, масляне, водяне охолодження, охолодження випромінюванням. Як матеріал оболонки рентгенівської трубки зазвичай застосовують скло, яке дозволяє прикладати до електродів досить висока напруга, пропускає рентгенівське випромінювання без помітного ослаблення (для отримання Букки-променів роблять берилієві вікна), досить міцно і непроникно для газів (вакуум в рентгенівській трубці 10 -6 - 10 -7 мм рт. ст.). Діагностичні рентгенівські трубки працюють при максимальних напругах до 150 кв, терапевтичні - до 400 кв.

Мал. 2. Лінійчатий фокус діагностичної рентгенівської трубки; 1 - дзеркало анода; 2 - дійсний фокус; 3 - анод; 4 - центральний промінь; 5 - оптичний фокус; 6 - вісь трубки; 7 - катод.

Мал. 4. Фокус трубки з обертовим дисковим анодом: 1 - дійсний фокус; 2 - розгортка дійсного фокуса; 3 - миттєвий фокус; 4 - вісь трубки; 5 - катод; 6 - оптичний фокус; 7 - анод.

Різкість рентгенівського зображення обумовлена ​​величиною фокуса. Основна вимога до діагностичних рентгенівським трубках - велика потужність при малому фокусі. Сучасні рентгенівські трубки мають лінійчатий фокус розміром 10-40 мм 2. але практичне значення має не дійсна величина фокуса, а його видима проекція в напрямку пучка, т. Е. Розміри ефективного оптичного фокуса (рис. 2). При куті нахилу анода 19 ° площа ефективного фокуса в 3 рази менше дійсного, що дозволяє збільшити потужність рентгенівської трубки в два рази. Подальше збільшення потужності досягнуто в трубках з обертовим анодом (рис. 3 і 4).

В даний час випускають рентгенівські трубки різного призначення, що відрізняються як конструктивно, так і потужністю, способами охолодження, захисту від випромінювання і високої напруги. Умовне позначення рентгенівської трубки являє собою комбінацію букв і цифр. Перша цифра - потужність трубки в кіловатах; другий знак визначає рід захисту (Р - захисна від випромінювання, Б - захисна від випромінювання і високої напруги, відсутність літери вказує на відсутність захисту); третій знак визначає призначення рентгенівської трубки (Д - діагностика, Т - терапія); четвертий - вказує спосіб охолодження (К - повітряне радіаторне, М-масляне, В - повітряний, відсутність букви означає охолодження випромінюванням); п'ята цифра вказує максимальне анодна напруга в кіловольт. Так, наприклад, 6-РДВ-110 - шестікіловаттная захисна діагностична трубка з водяним охолодженням на 110 кв; трубка 1-Т-1-200-терапевтична, без захисту, охолодження випромінюванням, потужністю 1 кет на напружено 200 кв (умовний номер 1).

Мал. 3. Трубка з обертовим дисковим анодом: 1 - катод; 2 - дисковий анод; 3 - захисний диск; 4 - вісь анода; 5 - сталевий циліндр - ротор електродвигуна.

Кожну нову трубку перед пуском в роботу необхідно перевірити на вакуум, не включаючи напруження. Якщо при цьому з'явиться рожеве світіння або іскра, рентгенівська трубка втратила вакуум і до роботи непридатна. Трубку, що зберегла вакуум, піддають тренуванні: встановлюють струм 1-2 ма при високій напрузі порядку 1/3 від номінального і протягом 30- 60 хв. напруга і струм поступово підвищують до значень тривалого режиму, зазначеного в паспорті рентгенівської трубки. При експлуатації рентгенівської трубки необхідно строго дотримуватися режимів роботи, зазначених в її паспорті.

Рентгенівська трубка - це електровакуумне пристрій, що застосовується для генерування рентгенівського проміння шляхом емісії електронів з катода, фокусування
і прискорення їх в електричному полі високої напруги з подальшим гальмуванням електронного потоку на дзеркалі анода. В результаті гальмування потоку електронів на аноді рентгенівської трубки виділяється велика кількість тепла і лише незначна кількість цієї енергії трансформується в енергію рентгенівського випромінювання (див.).

З часу відкриття Рентгеном ікс-променів і до початку першої світової війни для рентгенодіагностики і рентгенотерапії застосовувалися так звані іонні газосодержащей Р. т. (Рис. 1), тендітні і важкокерована. Лилиенфельд (L. Lilienfeld) запропонував більш досконалу Р. т. З проміжним електродом, розжарюються катодом і водяним охолодженням (рис. 2). Однак високовакуумних двохелектродна Р. т. Запропонована американцем Кулідж (W. D. Coolidge), поступово витіснила всі інші Р. т. І застосовується в різних модифікаціях до теперішнього часу.

Сучасна рентгенівська трубка являє собою високовольтний вакуумний діод (з двома електродами - катодом і анодом). Катод Р. т. Містить тугоплавку нитка розжарення, зазвичай з вольфраму. У двофокусних діагностичних рентгенівських трубках, призначених для різних режимів роботи, катод містить дві нитки напруження для кожного з фокусів. Нитки напруження, як правило, виконані у вигляді циліндричної або плоскою спіралі (рис. 3, 1 і 2) відповідно для лінійного або круглого фокуса.

Анод рентгенівської трубки зазвичай виконаний у вигляді масивного мідного чохла, зверненого до катода скошеним торцем, в товщу якого впаяна вольфрамовая пластинка товщиною 2-2,5 мм (дзеркало анода), що є мішенню, куди фокусується потік електронів з катода, і представляє, таким чином , рентгенооптіческій фокус трубки. Є Р. т. Для спеціальних цілей, наприклад для внутрішньопорожнинної рентгенотерапії (рис. 4), в яких анод є дном полого циліндра, що вводиться в відповідну порожнину.

З метою підвищення роздільної здатності сучасних діагностичних трубок фокусу рентгенівської трубки приділяється велика увага, тому що чим гостріше фокус, то все більше рентгенівське зображення.

При оцінці рентгенооптіческіх властивостей Р. т. Слід враховувати, що вирішальне значення має не величина дійсного фокуса на дзеркалі анода, а видима проекція фокусної плями в напрямку центрального променя, т. Е. Розміри ефективного оптичного фокуса. Зменшення розмірів оптичного фокуса досягається зменшенням кута скошування анода по відношенню до центрального променю.

На відміну від терапевтичних Р. т. (Рис. 5), забезпечених круглим або у формі еліпса оптичним фокусом, сучасні діагностичні трубки мають так званий лінійчатий фокус (рис. 6). В трубках з лінійчатим фокусом площа ефективного фокуса, що має форму квадрата, приблизно в 3 рази менше площі дійсного фокуса, що має форму прямокутника. При однакових рентгенооптіческіх властивості потужність рентгенівської трубки з лінійчатим фокусом приблизно в 2 рази більше, ніж у Р. т. З круглим фокусом.

Подальше підвищення потужності діагностичних Р. т. Досягнуто в трубках з обертовим анодом (рис. 7 і 8). У цих рентгенівських трубках масивний вольфрамовий анод з лінійчатим фокусом, розтягнутим по всьому колу, укріплений на осі, що обертається в підшипниках, а катод трубки зміщений щодо її осі так, щоб фокусований пучок електронів потрапляв завжди на скошену поверхню дзеркала анода. При обертанні анода пучок сфокусованих електронів потрапляє на мінливий ділянку фокуса анода, ефективна величина якого, т. Е. Оптичний фокус, має завдяки цьому вельми малі розміри (близько 1X1 мм, 2,5X2,5 мм). Так як швидкість обертання анода досить велика (анод є продовженням осі двигуна, що обертається з кутовою швидкістю 2500 об / хв), потужність трубки при витягах в 0,1 сек. може досягати 40-50 кВт.

Значна кількість тепла, що утворюється на аноді працює трубки, вимагає її охолодження шляхом відведення тепла з анода в навколишнє середовище. Це досягається шляхом повітряного радіаторного охолодження (рис. 9), водяного охолодження (рис. 10 і 11) або масляного охолодження (рис. 12); масло є одночасно і ізолюючої середовищем; масляне охолодження зазвичай застосовується в так званих блок-апаратах (див. рентгенотехніки).

У зв'язку з різноманітними запитами рентгенодіагностики та рентгенотерапії в даний час випускаються рентгенівські трубки самого різного призначення, що відрізняються як конструктивним оформленням, так і величиною, потужністю, способами охолодження і захисту від невикористаного випромінювання. Умовні позначення різних типів трубок складаються з комбінацій цифр і букв. Перша цифра - гранично допустима потужність трубки (в кВт); перша буква визначає захист від випромінювання (Р - самозахисна; Б - в захисному кожусі; відсутність букви означає відсутність захисту); друга буква визначає призначення Р. т. (Д - діагностика; Т - терапія); третя буква вказує систему охолодження (К - повітряне радіаторне охолодження, М - масляне, В - водяне, відсутність букви означає охолодження випромінюванням); остання цифра відповідає гранично допустимому анодному напрузі в кіловольт. Так, наприклад, 3-БДМ-2-100 - трехкіловаттная діагностична трубка з масляним охолодженням (радіаторним) на 100 кв для роботи в захисному кожусі (умовний номер типу - 2); трубка - 1-Т-1-200 - терапевтична без захисту з охолодженням випромінюванням, потужністю 1 кет на напругу 200 кв (умовний номер типу - 1).

Незалежно від типу рентгенівської трубки загальний принцип їх роботи полягає в наступному. Напруження катода Р. т. Викликає термоелектронну емісію з утворенням у катода так званого електронного хмари. З включенням високої напруги на електродах Р. т. Вільні електрони під дією електричного поля спрямовуються до анода, гальмуються на його дзеркалі, причому частина енергії гальмування перетворюється в рентгенівське випромінювання.

При підвищенні напруги на рентгенівській трубці емісійний струм спочатку круто зростає за рахунок поступового зменшення щільності електронного хмари. Коли ж число електронів, що утворюються на катоді, стає рівним числу електронів, що досягають анода, подальше підвищення напруги не викликає збільшення струму, що проходить через Р. т. А лише збільшує кінетичну енергію електронів, що досягають анода. Режим роботи Р. т. При якому відбувається використання всіх електронів, що утворюються на катоді, а подальше підвищення напруги не викликає збільшення анодного струму, називається струмом насичення. Практично струм насичення i досягається в діагностичних рентгенівських трубках при різниці потенціалів σ порядку 10-20 кв (рис. 13). Тому зазвичай Р. т. Здебільшого працюють в режимі струму насичення. При необхідності збільшити анодний струм слід відповідно збільшити струм напруження катода і, піднявши напругу, знову створити режим струму насичення.

У процесі промислового виробництва з Р. т. Видаляють газ до залишкового тиску 10 -6 -10 -7 мм рт. ст. При цьому ступені вакууму проходження струму через Р. т. Практично обумовлено тільки термоелектронної емісією з катода. Однак при надмірному нагріванні деталей трубки, а також при включенні її після тривалої перерви в роботі в ній може з'явитися газ; при цьому виникає ефект іонізації; рентгенівська трубка починає пропускати струм в обох напрямках. Вимірювальні прилади на пульті управління виявляють різкі коливання анодного струму. Якщо таку «газуючої» Р. т. Включити під високу напругу без напруження катода, в ній створюється стійкий газовий розряд, що супроводжується характерним світінням трубки. Така трубка до роботи непридатна і підлягає заміні.

Кожну нову Р. т. Перед пуском в роботу необхідно перевірити на вакуум під високою напругою, не включаючи напруження, потім піддати «тренуванні». Для цього при анодній напрузі порядку 1/3 від номінального встановлюють струм 1-2 мА. Потім протягом 30-60 хв. напруга і струм поступово підвищують до номінальних значень тривалого режиму відповідно до паспорта Р. т. При експлуатації Р. т. необхідно строго дотримуватися режимів роботи, зазначених в її паспорті.

Див. Також Рентгенівські апарати, Рентгенівське випромінювання.

Мал. 1. Іонна рентгенівська трубка з повітряним охолодженням і газовим регенератором.
Мал. 2. Рентгенівська трубка Лілієнфельда.
Мал. 3. Катоди двофокусних електронних рентгенівських трубок: 1 - з двома циліндричними спіралями нитки напруження; 2 - з двома плоскими спіралями нитки напруження.
Мал. 4. Безпечна рентгенівська трубка для внутрішньопорожнинної рентгенотерапії: 1 - катод; 2 - анодна трубка; 3 - вікно виходу рентгенівського проміння; 4 - анодний цоколь; 5 - водяна сорочка; 6 - патрубки охолодження.
Мал. 5. Терапевтична рентгенівська трубка з масивним вольфрамовим анодом: 1 - катод; 2 - анод.
Мал. 6. Схематичне зображення лінійного фокусу діагностичної рентгенівської трубки: 1 - дзеркало анода; 2 - дійсний фокус; 3 - анод; 4 - центральний промінь; 5 - оптичний фокус; 6 - вісь трубки; 7 - катод.
Мал. 7. Трубка з обертовим дисковим анодом: 1 - катод; 2 - дисковий анод; 3 - захисний диск; 4 - вісь анода; 5 - сталевий циліндр-ротор асинхронного електродвигуна.
Мал. 8. Схематичне зображення фокусу трубки з обертовим дисковим анодом: 1 - дійсний фокус; 2 - його розгортка; 3 - миттєвий фокус; 4 - вісь трубки; 5 - катод; 6 - оптичний фокус; 7 - анод.
Мал. 9. Трубка з радіаторні повітряним охолодженням.
Мал. 10. Анод трубки з водяним охолодженням: 1 - стрижень анода; 2 - резервуар з охолоджувальною водою.
Мал. 11. Анод трубки, охолоджувальної проточною водою: 1 - з'єднувальні трубки водяного охолодження.
Мал. 12. Мініатюрна рентгенівська трубка з масляним охолодженням для рентгенографії зубів.
Мал. 13. Анодні характеристично електронної рентгенівської трубки: S'- при струмі розжарення 3,8 a; S-прі струмі розжарення 3,4 а.