Рентгеновские генераторы и трубки

Рентгеновский генератор состоит из излучателя и рентгеновского питающего устройства (РПУ).

Рентгеновским излучателем называют систему, состоящую из источника излучения – рентгеновской трубки и защитного кожуха, в котором размещается трубка.

Рентгеновская трубка представляет собой высоковольтный электровакуумный прибор. Трубка состоит из накаливаемого катода, являющегося источником электронов, и анода, в веществе которого тормозят электроны, ускорение электрическим полем, приложенным к электродам трубки. Электроды трубки помещаются в стеклянный баллон, объединяющий элементы трубки в единую конструкцию. В современных трубках остаточное давление газов в баллоне достигает 10^-4 Па (10^{-6 мм рт. ст.).}

В результате бомбардировки анода потоком ускоренных электронов и торможения их на участке поверхности анода (в фокусе) возникает рентгеновское излучение, которое испускается практически равномерно в телесном угле 2π, если не считать некоторого ослабления излучения около плоскости анода. В рентгенодиагностике используется узкий пучок излучения. Для того чтобы выделить этот пучок из полусферы излучения, активную поверхность анода, на которой находится фокус, располагают под углом 90° - β к оси трубки (рис. 1.1). Используемую часть пучка излучения можно представить в виде четырёх сторон шторками диафрагмы. Высоту пирамиды, перпендикулярную к оси трубки, называют центральным лучом, или осью пучка. Наибольший угол между гранями пирамиды равен 2β. Остальная часть не используется, и необходимо принимать меры для защиты от ее воздействия.

Действительный фокус трубки имеет вид прямоугольника и называется линейным. Проекция фокуса на плоскость, перпендикулярную центральному лучу, представляет собой квадрат со сторонами от 0,1 до 2 мм и называется эффективным фокусным пятном рентгеновской трубки. Важно отметить, что только на перпендикуляре к оси трубки эффективный фокус имеет квадратную форму и номинальные размеры и форма фокуса изменяются. Это иногда требует определенной ориентации трубки относительно исследуемого объекта.

Электронный поток, бомбардирующий анод трубки, возникает благодаря термоэлектронной эмиссии с накаливаемой электрическим током вольфрамовой спирали. Для ограничения размеров фокуса применяется электростатическая фокусировка потока электронов. С этой целью катодную спираль вытянутой формы располагают в специальном гнезде. Форма гнезда и глубина расположенной в нем спирали создает необходимую конфигурацию электрического поля.

Рентгенодиагностические трубки разделяют на трубки с неподвижным анодом и на трубки с вращающимся анодом. Применение трубок с неподвижным анодом ограничено из-за малой мощности, которую способен рассеять анод трубки за малые промежутки времени. При вращении анода под электронный луч попадают последовательно набегающие элементы фокусной дорожки, площадь которой во много раз больше действительного фокусного пятна. Температура элементов фокусной дорожки за время прохождения под лучом повышается на 1500-2000° С, а за время одного оборота анода уменьшается в 15-20 раз за счёт перераспределения теплового поля в глубине слои тела анода. При повторных прохождениях элемента под электронным лучом картина повторяется и максимальная температура фокуса (элемента фокусной дорожки при прохождении его под лучом) повышается сравнительно медленно. Это позволяет при большой выделяемой на аноде мощности уменьшить величину эффективного фокусного пятна, обеспечив тем самым малую геометрическую нерезкость.

Вследствие преимущества трубок с вращающимся анодом ими комплектуют не только все стационарные, но и многие передвижные и палатные аппараты. Применение трубок с неподвижным анодом ограничено в настоящее время дентальными и переносными аппаратами.

Рассмотрим особенность работы трубки с вращающимся анодом. Конструкция такой трубки изображена на рис. 1.2. Анодный диск из вольфрама соединен с полым медным ротором тонким молибденовым стержнем и вращается под воздействием вращающегося электромагнитного поля статора. Катодный узел расположен эксцентрично относительно оси трубки и вместе с фокусирующим устройством закреплен в баллоне трубки.

Более 99% подводимой к фокусу энергии расходуется на нагрев анода и только малая часть (~0,5%) переходит в рентгеновское излучение. Допустимая мощность фокуса трубки (Р_доп) и длительность ее воздействия (t₀) определяются степенью нагрева фокуса, фокусной дорожки и анода в целом. Соотношения

P_доп = f(t₀) (1.1)

W_доп = P_доп t₀ (1.2)

характеризуют так называемую нагрузочную способность рентгеновской трубки; здесь W_доп – допустимая энергия, выделяемая на аноде.

На рис. 1.3. представлены зависимости допустимых мощностей и энергии от времени для большого и малого фокусов трубки 20-50БД22-15 для постоянного и пульсирующего анодных напряжений. Кривые представляют собой экспериментально найденные зависимости, полученные в процессе разработки трубки из условия определенного срока службы. Под воздействием нагрева поверхности анода до высоких температур в фокусной дорожке возникают большие механические напряжения, приводящие к ее эрозии [1, 2, 3]. Вследствие этого интенсивность рентгеновского излучения падает. За срок службы трубки принимается такое количество включений на предельно допустимых режимах, за которое доза излучения уменьшается не более чем на 30%. Это составляет от 1000 до 40000 включений. Для повышения срока службы в современных трубках предусматривают разделение фокусных дорожек, уменьшение угла активной поверхности анода, увеличение диаметра фокусной дорожки, легирование материала анода рением.

Действительная площадь фокуса S_ф связана с шириной b и углом активной поверхности анода β следующим соотношением:

S_ф = l * b = b²/sinβ см², (1.3)

Где l – длина действительного фокуса, см.

Мощность, выделяемую на аноде трубки, отнесенную к площади фокуса, называют удельной нагрузкой фокусного пятна. Кажущаяся удельная нагрузка ν₀ есть отношение мощности P_а к площади эффективного фокусного пятна

ν₀ = P_a/b² кВт/см² (1.4)

Соответственно, действительная удельная нагрузка – это отношение мощности к площади действительного фокусного пятна.

В процессе бомбардировки фокуса образуются вторичные электроны, которые, разлетаясь за пределы фокуса, уносят с собой часть энергии, приносимой в фокус электронным потоком. При этом возникает афокальное излучение, заметно ухудшающее качество изображения. Другой причиной возникновения афокального излучения следует считать неточность фокусировки электронного луча. Вследствие изложенного удельная нагрузка на действительное фокусное пятно будет равна

ν = P_a(1 – ψ)/S_ф = P_a(1 – ψ) sin β/b² (1.5)

где ψ = 0.3 – коэффициент, учитывающий влияние вторичной электронной эмиссии.

Из (1.5) следует, что при неизменной удельной нагрузке ν величина мощности P_a может быть существенно увеличена за счет уменьшения угла активной поверхности анода. Однако уменьшение угла β ограничивается необходимостью обеспечить достаточно большие поля облучения, которые различны при различных исследованиях при определенных фокусных расстояниях. Значение угла β составляет 15-17.5° при общей диагностике.

Повышение мощности трубки достигается также увеличением скорости вращения анода. На рис. 1.3 приведены графики допустимой мощности для отечественной трубки на 9000 об/мин типа 14-30БД9-150. Из сравнения приведенных кривых с кривыми допустимой мощности для фокусов 20-50БД22-150 на 3000 об/мин видно, что такое увеличение скорости вращения позволило уменьшить размеры большого фокуса с 2 х 2 до 1.2 х 1.2 мм, а размеры малого фокуса с 1 х 1 до 0.6 х 0.6 мм без уменьшения допустимой мощности трубки.

При ряде исследований очень важно иметь возможность выполнить большое число снимков, быстро следующих друг за другом. Для этого необходимо повысить теплоемкость анода, что достигается увеличением массы анода с ~400-600 до ~900-1100 г. Такое увеличение массы предъявляет очень тяжелые требования к подшипникам анодного узла. Применяют также сплавные аноды, в которых вольфрамовый диск толщиной ~1 мм сплавлен с молибденовым диском толщиной 5-7 мм, или графитовые аноды с напыленной вольфрамовой дорожкой. Это позволяет почти в 2 раза повысить теплоемкость анода без существенного увеличения его массы.

Для облегчения работы подшипников в трубках с очень большой теплоемкость анода применяется закрепление анода в двух подшипниках, в отличие от консольного закрепления в обычных трубках. С этой целью баллон трубки изготавливается из керамики. Такая конструкция позволяет применять аноды диаметром до 120-150 мм и скоростью вращения до 16000 об/мин, что приводит к увеличению теплоемкости анода до величины порядка 10⁶ кДж при одновременном увеличении допустимой мощности.

Охлаждение поверхности фокусного кольца происходит путем теплопередачи в тепло анода. Охлаждение анодного диска осуществляется частично излучением тепловой энергии с поверхности анода в масло защитного кожуха через баллон трубки, частично – теплопередачей через ножку анодного диска в анодный узел вращения трубки и далее в масло защитного кожуха. Для увеличения теплоотдачи с поверхности анода путем излучения применяются анодные диски сложной композиции, один из слоев в которой выполнен из графита (С + Мо + W + Re).

Защитный кожух с маслом охлаждается только за счет конвекции окружающего воздуха. Для увеличения конвекции при большой нагрузке излучателя применяют обдув излучателя с помощью специального вентилятора или принудительное масляное охлаждение.