Генерація рентгенівського випромінювання

Інтенсивність гальмівного випромінювання I=C*i*Z*U

2

Базові елементи джерела рентгенівського випромінювання

• Генератор : схема живлення, яка забезпечує високу напругу на рентгенівську трубку Рентгенівська трубка: пристрій, який продукує рентгенівське випромінювання

Рентгенівські трубки

Компоненти рентгенівської трубки

• • • • Катод : нитка розжарення, яка є джерелом пучка електронів, напрямлених на анод

вольфрамова нитка розжарювання

Анод ( Стаціонарний або з обертанням ): приймає падаючі електрони і генерує рентгенівське випромінювання Металічний кожух трубки, який захищає скляну або металічну рентгенівську трубку (електрони рухаються у вакуумі) Захисний матеріал (захист від розсіяного випромінювання)

Компоненти рентгенівської трубки

Захисний кожух Катод 1: відмітка фокальної плями 1: Довга нитка розжарення з вольфраму 2 : Довга нитка розжарення з вольфраму 3 : Реальні розміри катода

Структура катоду

• •

Катод складається з нитки (ниток) розжарювання та допоміжних схем

•

Матеріал вольфрам : переважно використовується із-за

•

високої точки плавлення (3370°C)

• • • •

Стійкість до іонного бомбардування низького рівня випаровування відсутності ефекту утворення дуги мінімальне розпилення вольфраму на поверхню скляної колби

Для зменшення випаровування температура емісії катоду досягається тільки перед самим випромінюванням (прикладенням напруги) •

в режимі stand-by, температура підтримується приблизно при at 1500°C так, що робоча температура емісії 2700°C може бути досягнута за секунду

Приклад катоду

Структура катоду

• • Сучасні катоди мають дві нитки розжарювання • довгу : більший струм / менша роздільна здатність • коротку : менший струм / більша роздільна здатність Кулонівська взаємодія призводить до розходження електронного пучка по дорозі до аноду, що призводить до • втрат електронів, які утворюють рентгенівське випромінювання • • Збільшення необхідних розмірів мішені Збільшення фокальної плями  менша роздільна здатність зображення Обмеження розширення пучка електронів

необхідне

!

Структура аноду: характеристики рентгенівської трубки

• • Механічні обмеження по аноду • • Матеріал : вольфрам, реній, молібден, графіт Фокальна пляма : поверхня анода, на яку падають електрони • • Кут між напрямком до поверхні зображення і анодом Диск і діаметр кільцевого треку (частота обертання від 3,000 до 10,000 обертів на хвилину) •

Товщина



маса і об’єм матеріалу нагрівання аноду



властивості

Теплові обмеження для аноду • • • Безперевне розсіяння потужності (теплового навантаження) Крива теплового навантаження Крива охолодження

Кут аноду

• Принцип лінійного фокуса • Анодна пляма має форму більш еліпсоїдальну або прямокутну ніж округлу • Форма залежить від : •

Форми і розміру нитки розжарювання

• •

Фокусуючих електродів і напруги Відстані між анодом і катодом

• Забезпечення високої роздільної здатності зображення вимагає малої фокусної плями • Ефективне розсіяння тепла вимагає великої плями •

Це протиріччя вирішується за рахунок нахилу поверхні аноду

Анодні характеристики

1 : анодний трек 2 : анодний трек

Кут аноду



Кут



‘ Кут Ширина падаючого пучка електронів Розмір (дійсний) Фокальної плями Ширина падаючого пучка електронів Розмір (дійсний) Фокальної плями Розмір зображення фокальної плями (ефективний фокус) Плівка Збільшений розмір зображення фокальної плями (ефективний фокус) Film Менший кут – краща роздільна здатність

Ефект нахилу аноду

• • • • Кут нахилу аноду (від 7° до 20°) призводить до варіації виходу рентгенівського випромінювання в площині, в якій лежить вісь анод-катод Поглинання анодом рентгенівських квантів при малих кутах емісії Величина впливу ефекту нахилу на зображення залежить від таких факторів як : •

Кут нахилу аноду

•

Розмір плівки

•

Відстань між фокусною плямою (фокусом) та плівкою

Старіння аноду (“випалювання” електронним пучком з часом) збільшує ефект нахилу аноду

Розмір фокальної плями і геометрія зображення

• • • • • • Не нульові розміри фокуса  нечіткість зображення Для покращення різкості плями  зменшувати розмір фокальної Для маммографії розмір фокусної плями  0.4 мм Зменшений розмір фокусної плями трубки (більший час експозиції)  зменшений вихід Збільшений розмір фокусної плями  збільшений вихід трубки (менший час експозиції) Оптимальний вибір залежатиме від рухливості діагностованих органів (діагностування органів, які швидко рухаються вимагає більшого розміру фокусу)

Властивості по тепловому навантаженню

• • • Виділення тепла залежить від: •

Використованої високої напруги, струму трубки (мA), часу генерації випромінювання

• •

форми змінної напруги для генерації високої напруги Кількість експозицій в серії експозицій

Одиниці нагріву Heat Unit (HU) [ Дж ] :

Одиниця напруги одиниця часу x одиниця струму трубки x

Одиниці теплової потужності для різних типів живлення: • 1 фаза : HU = kV x mA x s • • 3 фазне, 6 імпульсів : 3 фазне, 12 імпульсів: HU = 1.35 kV x mA x s HU = 1.41 kV x mA x s

Характеристики по навантаженню

• Виробники комбінують характеристики по тепловому навантаженню з максимальними межами напрузі з використанням (в графічному вигляді) по струму Tube Rating Charts і • Приклад : •

Трубка A

: a 300 половина хвилі мA, 0.5 с, 90 кВ режим 1 фазний може призвести до виходу з ладу трубки і аварійній ситуації ( неприйнятний режим) •

Трубка B

: a 200 мA, 0.1 с, 120 кВ режим 3-фазного повного живлення допустимий

700 600 500 400 300 200 100 0.01

X Ray tube A

1 f

half-wave rectified 3000 rpm 90 kV 1.0 mm effective focal spot Unacceptable 0.05

0.1

0.5

1.0

Exposure time (s) 5.0

10.0

700 600 500 400 300 200 100 0.01

3

f

X Ray tube B full-wave rectified 10.000 rpm 125 kV 1.0 mm effective focal spot Unacceptable Acceptable 0.05

0.1

0.5

1.0

Exposure time (s) 5.0

10.0

Графіки охолодження аноду

• • • Генероване в аноді тепло відводиться системою охолодження Типовий графік охолодження має: • • Вхідні криві (теплові одиниці heat units як функція часу) Крива охолодження аноду Наступний графік показує, що : • Режим, при якому виділяється 500 HU/s може бути необмежено довго • При 1000 HU/s такий режим повинен бути зипинений через 10 хвилин • Якщо анод накопичив 120.000 HU, за 5 хв. він повністю буде охолоджений

240 Maximum Heat Storage Capacity of Anode 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Elapsed time (min)

Джерело живлення рентгенівської трубки

Забезпечує рентгенівську трубку :

 струмом накалу нитки розжарювання катоду  Високою напругою для прискорення електронів  Автоматичною експозицією випромінювання  Необхідна енергія живлення  1000  енергію рентгенівського випромінювання (99.9% виділяється у вигляді тепла)

• Доза в площині зображення може бути виражена за допомогою формули : • • • •

D = k

0

* U

n

* I * T

U

: Максимальна напруга (кВ)

I

: середній струм (мА)

T

: час експозиції (мс)

n

: змінюється в діапазоні від 1.5 до 3

• Величина напруги впливає на жорсткість рентгенівського випромінювання • Для грудної клітки : 140 - 150 кВ прийнятна напруга для візуалізації структури легень • Тільки 65 кВ достатньо, щоб побачити кістяк (структуру кісток) • Пульсації “r” генератора менші повинні бути якомога r = [(U - U min )/U] x 100%

Форма змінної напруги для живлення високовольтного генератора

• • • Стандартні генератори • Однофазний 1-імпульсний (стоматологічні та деякі мобільні апарати) • Однофазний 1-імпульсний (подвійне випрямлення) • • Трифазний 6-імпульсний Трифазний 12-імпульсний Генератори з постійною напругою Високочастотні генератори (50Hz  діапазон)  “Інверторні технології” кГц

kV ripple (%) 100% 13% 4% Single phase single pulse Single phase 2-pulse Three phase 6-pulse Three phase 12-pulse Line voltage 0.01 s 0.02 s

Автоматичний контроль і управління експозицією

• • Радіаційний детектор перед чи після касети з плівкою Експозиція зупиняється, коли набирається попередньо визначена доза

Automatic exposure control

X Ray tube Collimator Beam

Air Soft tissue Bone

Patient Table Grid

AEC detectors

Cassette