Bagaimana cara kerja tabung sinar-x?

2024 Pengarang: Curtis Blomfield | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-15 09:40

Sinar-X dibuat dengan mengubah energi elektron menjadi foton, yang terjadi dalam tabung sinar-x. Jumlah (paparan) dan kualitas (spektrum) radiasi dapat disesuaikan dengan mengubah arus, tegangan, dan waktu pengoperasian perangkat.

Prinsip kerja

Tabung sinar-X (foto diberikan dalam artikel) adalah konverter energi. Mereka mengambilnya dari jaringan dan mengubahnya menjadi bentuk lain - penetrasi radiasi dan panas, yang terakhir menjadi produk sampingan yang tidak diinginkan. Desain tabung sinar-X sedemikian rupa sehingga memaksimalkan produksi foton dan menghilangkan panas secepat mungkin.

Tabung adalah perangkat yang relatif sederhana, biasanya mengandung dua elemen dasar - katoda dan anoda. Ketika arus mengalir dari katoda ke anoda, elektron kehilangan energi, yang menghasilkan generasi sinar-X.

Anoda

Anoda adalah komponen yang memancarkanfoton energi tinggi. Ini adalah elemen logam yang relatif masif yang terhubung ke kutub positif rangkaian listrik. Melakukan dua fungsi utama:

• mengubah energi elektron menjadi sinar-x,
• menghilangkan panas.

Bahan anoda dipilih untuk meningkatkan fungsi ini.

Idealnya, sebagian besar elektron harus membentuk foton berenergi tinggi, bukan panas. Fraksi dari total energi mereka yang diubah menjadi sinar-X (efisiensi) tergantung pada dua faktor:

• nomor atom (Z) bahan anoda,
• energi elektron.

Sebagian besar tabung sinar-X menggunakan tungsten sebagai bahan anoda, yang memiliki nomor atom 74. Selain memiliki Z besar, logam ini memiliki beberapa karakteristik lain yang membuatnya cocok untuk tujuan ini. Tungsten unik dalam kemampuannya untuk mempertahankan kekuatan saat dipanaskan, memiliki titik leleh yang tinggi dan tingkat penguapan yang rendah.

Selama bertahun-tahun, anoda terbuat dari tungsten murni. Dalam beberapa tahun terakhir, paduan logam ini dengan renium mulai digunakan, tetapi hanya di permukaan. Anoda itu sendiri di bawah lapisan tungsten-renium terbuat dari bahan ringan yang menyimpan panas dengan baik. Dua zat tersebut adalah molibdenum dan grafit.

Tabung sinar-X yang digunakan untuk mamografi dibuat dengan anoda berlapis molibdenum. Bahan ini memiliki nomor atom menengah (Z=42) yang menghasilkan foton karakteristik dengan energi yang sesuai untukuntuk memotret bagian dada. Beberapa perangkat mamografi juga memiliki anoda kedua yang terbuat dari rhodium (Z=45). Ini memungkinkan Anda untuk meningkatkan energi dan mencapai penetrasi yang lebih besar untuk payudara yang kencang.

Penggunaan paduan renium-tungsten meningkatkan keluaran radiasi jangka panjang - seiring waktu, efisiensi perangkat anoda tungsten murni menurun karena kerusakan termal pada permukaan.

Kebanyakan anoda berbentuk seperti cakram miring dan dipasang pada poros motor listrik yang memutarnya pada kecepatan yang relatif tinggi sambil memancarkan sinar-X. Tujuan rotasi adalah untuk menghilangkan panas.

Tempat fokus

Tidak seluruh anoda terlibat dalam pembangkitan sinar-X. Itu terjadi pada area kecil di permukaannya - titik fokus. Dimensi yang terakhir ditentukan oleh dimensi berkas elektron yang berasal dari katoda. Di sebagian besar perangkat, ia memiliki bentuk persegi panjang dan bervariasi antara 0,1-2 mm.

Tabung sinar-X dirancang dengan ukuran titik fokus tertentu. Semakin kecil, semakin sedikit buram dan semakin tajam gambar, dan semakin besar, semakin baik pembuangan panas.

Ukuran titik fokus adalah salah satu faktor yang perlu dipertimbangkan saat memilih tabung sinar-X. Pabrikan memproduksi perangkat dengan titik fokus kecil ketika diperlukan untuk mencapai resolusi tinggi dan radiasi yang cukup rendah. Misalnya, ini diperlukan saat memeriksa bagian tubuh yang kecil dan tipis, seperti pada mamografi.

Tabung sinar-X terutama diproduksi dengan dua ukuran titik fokus, besar dan kecil, yang dapat dipilih oleh operator sesuai dengan prosedur pencitraan.

Katoda

Fungsi utama katoda adalah menghasilkan elektron dan mengumpulkannya menjadi sinar yang diarahkan ke anoda. Biasanya, ini terdiri dari spiral kawat kecil (benang) yang dibenamkan dalam depresi berbentuk cangkir.

Elektron yang melewati rangkaian biasanya tidak dapat meninggalkan konduktor dan masuk ke ruang bebas. Namun, mereka bisa melakukannya jika mereka mendapatkan energi yang cukup. Dalam proses yang dikenal sebagai emisi termal, panas digunakan untuk mengeluarkan elektron dari katoda. Ini menjadi mungkin ketika tekanan dalam tabung sinar-X yang dievakuasi mencapai 10^-6–10^{-7 mmHg. Seni. Filamen memanas dengan cara yang sama seperti filamen lampu pijar ketika arus melewatinya. Pengoperasian tabung sinar-X disertai dengan pemanasan katoda ke suhu pijar dengan perpindahan sebagian elektron darinya oleh energi panas.}

Balon

Anoda dan katoda ditampung dalam wadah yang tertutup rapat. Balon dan isinya sering disebut sebagai sisipan, yang memiliki masa pakai terbatas dan dapat diganti. Tabung sinar-X sebagian besar memiliki bohlam kaca, meskipun bohlam logam dan keramik digunakan untuk beberapa aplikasi.

Fungsi utama balon adalah untuk memberikan dukungan dan isolasi untuk anoda dan katoda, dan untuk menjaga vakum. Tekanan dalam tabung sinar-X yang dievakuasipada 15°C adalah 1,2 10-3 Pa. Kehadiran gas dalam balon akan memungkinkan listrik mengalir bebas melalui perangkat, dan tidak hanya dalam bentuk berkas elektron.

Kasus

Desain tabung sinar-x sedemikian rupa sehingga, selain menutupi dan menopang komponen lain, tubuhnya berfungsi sebagai perisai dan menyerap radiasi, kecuali sinar berguna yang melewati jendela. Permukaan luarnya yang relatif besar menghilangkan banyak panas yang dihasilkan di dalam perangkat. Ruang antara bodi dan sisipan diisi dengan oli untuk insulasi dan pendinginan.

Rantai

Sebuah rangkaian listrik menghubungkan tabung ke sumber energi yang disebut generator. Sumber menerima daya dari listrik dan mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah. Generator juga memungkinkan Anda untuk menyesuaikan beberapa parameter rangkaian:

• KV - tegangan atau potensial listrik;
• MA adalah arus yang mengalir melalui tabung;
• S – durasi atau waktu pemaparan, dalam sepersekian detik.

Rangkaian menyediakan pergerakan elektron. Mereka diisi dengan energi, melewati generator, dan memberikannya ke anoda. Saat mereka bergerak, dua transformasi terjadi:

• energi potensial listrik diubah menjadi energi kinetik;
• kinetik, pada gilirannya, diubah menjadi sinar-x dan panas.

Potensi

Saat elektron memasuki bola lampu, mereka memiliki energi listrik potensial, yang besarnya ditentukan oleh tegangan KV antara anoda dan katoda. Tabung sinar-X bekerjadi bawah tegangan, untuk membuat 1 KV yang setiap partikel harus memiliki 1 keV. Dengan mengatur KV, operator memberi setiap elektron sejumlah energi.

Kinetika

Tekanan rendah dalam tabung sinar-X yang dievakuasi (pada 15°C adalah 10^-6–10^{-7 mmHg.) memungkinkan partikel terbang keluar dari katoda ke anoda di bawah aksi emisi termionik dan gaya listrik. Gaya ini mempercepat mereka, yang mengarah pada peningkatan kecepatan dan energi kinetik dan penurunan potensial. Ketika sebuah partikel mengenai anoda, potensinya hilang dan semua energinya diubah menjadi energi kinetik. Sebuah elektron 100-keV mencapai kecepatan lebih dari setengah kecepatan cahaya. Menabrak permukaan, partikel melambat dengan sangat cepat dan kehilangan energi kinetiknya. Itu berubah menjadi sinar-X atau panas.}

Elektron bersentuhan dengan atom individu dari bahan anoda. Radiasi dihasilkan ketika mereka berinteraksi dengan orbital (foton sinar-X) dan dengan nukleus (bremsstrahlung).

Energi Tautan

Setiap elektron di dalam atom memiliki energi ikat tertentu, yang bergantung pada ukuran elektron dan tingkat di mana partikel berada. Energi ikat memainkan peran penting dalam menghasilkan sinar-X karakteristik dan diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung menghasilkan jumlah foton terbesar. Elektron yang menembus bahan anoda dan lewat di dekat nukleus dibelokkan dan diperlambatkekuatan tarik-menarik atom. Energi mereka yang hilang selama pertemuan ini muncul sebagai foton sinar-X.

Spektrum

Hanya beberapa foton yang memiliki energi yang mendekati energi elektron. Kebanyakan dari mereka lebih rendah. Mari kita asumsikan bahwa ada ruang atau medan di sekitar nukleus di mana elektron mengalami gaya "pengereman". Bidang ini dapat dibagi menjadi beberapa zona. Ini memberikan bidang nukleus tampilan target dengan atom di tengahnya. Sebuah elektron yang mengenai setiap titik target mengalami perlambatan dan menghasilkan foton sinar-X. Partikel yang paling dekat dengan pusat adalah yang paling terpengaruh dan karena itu kehilangan energi paling banyak, menghasilkan foton energi tertinggi. Elektron yang memasuki zona terluar mengalami interaksi yang lebih lemah dan menghasilkan kuanta energi yang lebih rendah. Meskipun zona memiliki lebar yang sama, mereka memiliki area yang berbeda tergantung pada jarak ke inti. Karena jumlah partikel yang jatuh pada zona tertentu bergantung pada luas totalnya, jelaslah bahwa zona terluar menangkap lebih banyak elektron dan menghasilkan lebih banyak foton. Model ini dapat digunakan untuk memprediksi spektrum energi sinar-X.

E_max foton dari spektrum bremsstrahlung utama sesuai dengan E_{max elektron. Di bawah titik ini, saat energi foton berkurang, jumlahnya bertambah.}

Sejumlah besar foton energi rendah diserap atau disaring saat mereka mencoba melewati permukaan anoda, jendela tabung atau filter. Filtrasi umumnya tergantung pada komposisi dan ketebalan bahan yang dilaluinyasinar melewati, yang menentukan bentuk akhir dari kurva energi rendah spektrum.

KV Pengaruh

Bagian spektrum berenergi tinggi ditentukan oleh tegangan dalam tabung sinar-X kV (kilovolt). Ini karena ia menentukan energi elektron yang mencapai anoda, dan foton tidak dapat memiliki potensial yang lebih tinggi dari ini. Tegangan apa yang digunakan tabung sinar-x? Energi foton maksimum sesuai dengan potensial maksimum yang diterapkan. Tegangan ini dapat berubah selama pemaparan karena arus listrik AC. Dalam hal ini, E_max foton ditentukan oleh tegangan puncak periode osilasi KV_p.

Selain potensial kuantum, KV_p menentukan jumlah radiasi yang diciptakan oleh sejumlah elektron yang mengenai anoda. Karena efisiensi keseluruhan bremsstrahlung meningkat karena peningkatan energi elektron yang membombardir, yang ditentukan oleh KV_p, maka KV_{pmempengaruhi efisiensi perangkat.}

Mengubah KV_{p biasanya mengubah spektrum. Luas total di bawah kurva energi adalah jumlah foton. Tanpa filter, spektrumnya adalah segitiga, dan jumlah radiasi sebanding dengan kuadrat KV. Dengan adanya filter, peningkatan KV juga meningkatkan penetrasi foton, yang mengurangi persentase radiasi yang disaring. Hal ini menyebabkan peningkatan keluaran radiasi.}

Radiasi karakteristik

Jenis interaksi yang menghasilkan karakteristikradiasi, termasuk tumbukan elektron berkecepatan tinggi dengan elektron orbital. Interaksi hanya dapat terjadi jika partikel yang datang memiliki E_k lebih besar dari energi ikat dalam atom. Ketika kondisi ini terpenuhi dan terjadi tumbukan, elektron dikeluarkan. Dalam hal ini, kekosongan tetap ada, yang diisi oleh partikel dengan tingkat energi yang lebih tinggi. Saat elektron bergerak, ia mengeluarkan energi, yang dipancarkan dalam bentuk kuantum sinar-X. Ini disebut radiasi karakteristik, karena E foton adalah karakteristik unsur kimia dari mana anoda dibuat. Misalnya, ketika elektron dari tingkat K tungsten dengan E_ikatan=69,5 keV, kekosongan diisi oleh elektron dari tingkat-L dengan E _{ikatan=10, 2 keV. Foton sinar-X karakteristik memiliki energi yang sama dengan perbedaan antara dua tingkat ini, atau 59,3 keV.}

Bahkan, bahan anoda ini menghasilkan sejumlah karakteristik energi sinar-X. Ini karena elektron pada tingkat energi yang berbeda (K, L, dll.) dapat dihilangkan dengan membombardir partikel, dan kekosongan dapat diisi dari tingkat energi yang berbeda. Meskipun pengisian kekosongan tingkat-L menghasilkan foton, energinya terlalu rendah untuk digunakan dalam pencitraan diagnostik. Setiap energi karakteristik diberi sebutan yang menunjukkan orbital tempat kekosongan terbentuk, dengan indeks yang menunjukkan sumber pengisian elektron. Indeks alfa (α) menunjukkan pendudukan elektron dari tingkat-L, dan beta (β) menunjukkanmengisi dari level M atau N.

• Spektrum tungsten. Radiasi karakteristik logam ini menghasilkan spektrum linier yang terdiri dari beberapa energi diskrit, sedangkan bremsstrahlung menciptakan distribusi kontinu. Jumlah foton yang dihasilkan oleh setiap energi karakteristik berbeda dalam hal kemungkinan mengisi kekosongan tingkat-K bergantung pada orbital.
• Spektrum molibdenum. Anoda logam ini yang digunakan untuk mamografi menghasilkan dua energi sinar-X karakteristik yang agak intens: K-alpha pada 17,9 keV, dan K-beta pada 19,5 keV. Spektrum optimal tabung sinar-X, yang memungkinkan untuk mencapai keseimbangan terbaik antara kontras dan dosis radiasi untuk payudara berukuran sedang, dicapai pada E_{ph=20 keV. Namun, bremsstrahlung diproduksi dengan energi tinggi. Peralatan mamografi menggunakan filter molibdenum untuk menghilangkan bagian spektrum yang tidak diinginkan. Filter bekerja dengan prinsip "K-edge". Ia menyerap radiasi melebihi energi ikat elektron pada tingkat K atom molibdenum.}
• Spektrum rhodium. Rhodium memiliki nomor atom 45, sedangkan molibdenum memiliki nomor atom 42. Oleh karena itu, pancaran sinar-X karakteristik anoda rhodium akan memiliki energi yang sedikit lebih tinggi daripada molibdenum dan lebih tembus. Ini digunakan untuk pencitraan payudara padat.

Anoda molibdenum-rhodium permukaan ganda memungkinkan operator memilih distribusi yang dioptimalkan untuk ukuran dan kepadatan payudara yang berbeda.

Pengaruh KV pada spektrum

Nilai KV sangat mempengaruhi radiasi karakteristik, karena tidak akan dihasilkan jika KV lebih kecil dari energi elektron tingkat K. Ketika KV melebihi ambang batas ini, jumlah radiasi umumnya sebanding dengan perbedaan antara KV tabung dan ambang batas KV.

Spektrum energi foton sinar-X yang keluar dari instrumen ditentukan oleh beberapa faktor. Biasanya terdiri dari bremsstrahlung dan kuanta interaksi karakteristik.

Komposisi relatif dari spektrum tergantung pada bahan anoda, KV dan filter. Dalam tabung dengan anoda tungsten, tidak ada radiasi karakteristik yang dihasilkan pada KV< 69,5 keV. Pada nilai CV yang lebih tinggi yang digunakan dalam studi diagnostik, radiasi karakteristik meningkatkan radiasi total hingga 25%. Dalam perangkat molibdenum, itu dapat membuat sebagian besar dari total generasi.

Efisiensi

Hanya sebagian kecil dari energi yang dikirim oleh elektron yang diubah menjadi radiasi. Bagian utama diserap dan diubah menjadi panas. Efisiensi radiasi didefinisikan sebagai proporsi total energi radiasi dari total energi listrik yang diberikan ke anoda. Faktor-faktor yang menentukan efisiensi tabung sinar-X adalah tegangan yang diberikan KV dan nomor atom Z. Contoh hubungannya adalah sebagai berikut:

Efisiensi=KV x Z x 10-6.

Hubungan antara efisiensi dan KV memiliki dampak khusus pada penggunaan praktis peralatan sinar-X. Karena pelepasan panas, tabung memiliki batas tertentu pada jumlah listrikenergi yang dapat mereka keluarkan. Ini memberlakukan batasan pada kekuatan perangkat. Ketika KV meningkat, bagaimanapun, jumlah radiasi yang dihasilkan per unit panas meningkat secara signifikan.

Ketergantungan efisiensi pembangkitan sinar-X pada komposisi anoda hanya untuk kepentingan akademis, karena sebagian besar perangkat menggunakan tungsten. Pengecualian adalah molibdenum dan rhodium yang digunakan dalam mamografi. Efisiensi perangkat ini jauh lebih rendah daripada tungsten karena nomor atomnya lebih rendah.

Efisiensi

Efisiensi tabung sinar-X didefinisikan sebagai jumlah paparan, dalam milientgen, yang dikirim ke titik di tengah berkas sinar yang berguna pada jarak 1 m dari titik fokus untuk setiap 1 mAs elektron yang melewati perangkat. Nilainya menyatakan kemampuan perangkat untuk mengubah energi partikel bermuatan menjadi sinar-x. Memungkinkan Anda menentukan eksposur pasien dan gambar. Seperti efisiensi, efisiensi perangkat tergantung pada sejumlah faktor, termasuk KV, bentuk gelombang tegangan, bahan anoda dan kerusakan permukaan, filter, dan waktu penggunaan.

Kontrol KV

KV secara efektif mengontrol keluaran tabung sinar-X. Secara umum diasumsikan bahwa output sebanding dengan kuadrat KV. Menggandakan KV meningkatkan eksposur sebesar 4x.

Bentuk gelombang

Waveform menjelaskan cara KV berubah dari waktu ke waktu selama generasiradiasi karena sifat siklik dari catu daya. Beberapa bentuk gelombang yang berbeda digunakan. Prinsip umumnya adalah semakin sedikit perubahan bentuk KV, semakin efisien sinar-X yang dihasilkan. Peralatan modern menggunakan generator dengan KV yang relatif konstan.

Tabung sinar-X: produsen

Oxford Instruments memproduksi berbagai perangkat, termasuk perangkat kaca hingga 250 W, potensi 4-80 kV, titik fokus hingga 10 mikron dan berbagai bahan anoda, termasuk Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian menawarkan lebih dari 400 jenis tabung sinar-x medis dan industri. Produsen terkenal lainnya adalah Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, dll.

Tabung sinar-X "Svetlana-Rentgen" diproduksi di Rusia. Selain perangkat tradisional dengan anoda yang berputar dan diam, perusahaan juga memproduksi perangkat dengan katoda dingin yang dikendalikan oleh fluks cahaya. Keuntungan dari perangkat ini adalah sebagai berikut:

• bekerja dalam mode terus menerus dan pulsa;
• ketidakberdayaan;
• Pengaturan intensitas arus LED;
• kemurnian spektrum;
• kemungkinan mendapatkan sinar-x dengan intensitas yang bervariasi.