Рентгенівська трубка

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

Рентгенівська трубка - електровакуумний прилад, призначений для одержання 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 трубці, що представляє вакуумированный скляний балон, який упаяні металеві електроди: катод (див.) - для отримання електронів і анод (див.) - для їх гальмування (рис. 1). Для прискорення електронів до електродів підводиться висока напруга.

Рентген
Вільгельм Конрад Рентген
(Wilhelm Conrad Рентген)

Перша рентгенівська трубка, з якої В. К. Рентген зробив своє відкриття, була іонної. Рентгенівська трубка цього типу (крихкі і трудноуправляемые) в даний час повністю витіснені більш досконалими електронними трубками. У них електрони виходять шляхом розжарювання катода. Регулюючи струм в ланцюзі 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 у створенні анодного струму і у катода утворюється так зване електронне хмара. При підвищенні напруги електронне хмара розсмоктується і, починаючи з певного 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 роздільно 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 що виходить рентгенівське випромінювання було перпендикулярно осі трубки. В товщу анода впаяна вольфрамова платівка 2- (дзеркало анода).
Катод електронної рентгенівської трубки містить тугоплавку нитка розжарення, звичайно вольфраму, яка виконана у вигляді циліндричної або плоскої спіралі і оточена металевим стаканчиком для фокусування пучка електронів на дзеркалі анода (фокус рентгенівської трубки). У двухфокусных рентгенівських трубках катод містить дві нитки розжарення.
При роботі рентгенівської трубки на аноді виділяється велика кількість тепла. Щоб оберегти анод від перегріву і підвищити потужність рентгенівської трубки, використовуються охолоджуючі анод пристрою: повітряне радіаторне, масляне, водяне охолодження, охолодження випромінюванням. В якості матеріалу оболонки рентгенівської трубки зазвичай застосовують скло, яке дозволяє прикладати до електродів досить висока напруга, пропускає рентгенівське випромінювання без помітного ослаблення (для отримання буккі-променів роблять берилієві вікна), досить міцно і непроникним для газів (вакуум в рентгенівській трубці 10-6 - 10-7 мм рт. ст.). Діагностичні рентгенівські трубки працюють при максимальних напруженнях до 150 кв, терапевтичні - до 400 кв.


Рис. 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.

Рис. 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 діагностичним рентгенівським трубках - велика потужність при малому фокусі. Сучасні рентгенівські трубки мають лінійчатий фокус розміром 10-40 мм2, але практичне значення має не дійсна величина фокуса, а його видима проекція в напрямку пучка, тобто 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 та 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 (До - повітряне радіаторне, М-масляний, повітряний, відсутність букви означає охолодження випромінюванням); п'ята цифра вказує максимальна анодна напруга в киловольтах. Так, наприклад, 6-РДВ-110 - шестикиловаттная 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).

Рис. 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 близько 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 суворо дотримуватися режимів роботи, зазначених в її паспорті.

Рентгенівська трубка - це електровакуумне пристрій, що використовується для генерування рентгенівських променів шляхом емісії електронів з катода, фокусування
і прискорення 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 х-променів і до початку першої світової війни для рентгенодіагностики та рентгенотерапії застосовувалися так звані іонні газомісткі Р. т. (рис. 1), крихкі і трудноуправляемые. Лилиенфельд (L. Lilienfeld) запропонував більш досконалу Р. т. з проміжним електродом, накаливаемым катодом і водяним охолодженням (рис. 2). Однак высоковакуумная двухэлектродная Р. т., запропонована американцем Кулиджем (W. D. Coolidge), поступово витиснула всі інші Р. т. і застосовується у 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 двухфокусных діагностичних рентгенівських трубках, призначених для різних режимів роботи, катод містить дві нитки розжарення для кожного з фокусів. Нитки розжарення, як правило, виконані у вигляді циліндричної або плоскої спіралі (рис. 3, 1 і 2) відповідно для лінійчатих або круглого фокуса.
Анод рентгенівської трубки зазвичай виконаний у вигляді масивного мідного чохла, зверненого до катода скошеним торцем, в товщу якого впаяна вольфрамова пластинка товщиною 2-2,5 мм (дзеркало анода), що є мішенню, куди фокусується потік електронів з катода, і представляє, таким чином, рентгенооптический фокус трубки. Маються Р. т. для спеціальних цілей, наприклад для внутрішньопорожнинної рентгенотерапії (рис. 4), в яких анод є дном порожнистого циліндра, що вводиться у відповідну порожнину.
З метою підвищення роздільної здатності сучасних діагностичних трубок фокусу рентгенівської трубки приділяється велика увага, так як чим гостріше фокус, тим різкіше рентгенівське зображення.
При оцінці рентгенооптических властивостей Р. т. слід враховувати, що вирішальне значення має не величина дійсного фокусу на дзеркалі анода, а видима проекція фокусної плями в напрямку центрального променя, тобто 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 рентгенооптических 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 та 8). У цих рентгенівських трубках масивний вольфрамовий анод з лінійчатим фокусом, розтягнутим по всій окружності, укріплений на осі, що обертається в підшипниках, а катод трубки зміщений відносно її осі так, щоб сфокусований пучок електронів завжди потрапляв на скошену поверхню дзеркала анода. При обертанні анода пучок фокусованих електронів потрапляє на мінливий ділянку фокуса анода, ефективна величина якого, тобто оптичний фокус, має завдяки цьому дуже малі розміри (близько 1X1 мм, 2,5X2,5 мм). Так як швидкість обертання аноду досить велика (анод є продовженням осі двигуна, що обертається з кутовою швидкістю 2500 об/хв), потужність трубки при витримках до 0,1 сек. може досягати 40-50 кВт.
Значна кількість тепла, що утворюється на аноді працює трубки, вимагає її охолодження шляхом відводу 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 ізолюючим середовищем; масляне охолодження зазвичай застосовується в так званих блок-апаратах (див. Рентгенотехника).
У зв'язку з різноманітними запитами рентгенодіагностики та рентгенотерапії в даний час випускаються рентгенівські трубки різного призначення, що відрізняються як конструктивним оформленням, так і величиною, потужністю, способами охолодження і захисту від невикористаного випромінювання. Умовні позначення різних типів люльок складаються з комбінацій цифр і букв. Перша цифра - гранично припустима потужність трубки (кВт); перша літера визначає захист від випромінювання (Р - самозащитная; Б - в захисному кожусі; відсутність букви означає відсутність захисту); друга літера визначає призначення Р. т. (Д - діагностика; Т - терапія); третя буква вказує систему охолодження (До - повітряне радіаторне охолодження, М - масляне, - водяне, відсутність букви означає охолодження випромінюванням); остання цифра відповідає гранично допустимій анодному напруги в киловольтах. Так, наприклад, 3-БДМ-2-100 - трехкиловаттная 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. Розжарення 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 прямують 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 Н. 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 Н. т. здебільшого працюють в режимі струму насичення. При необхідності збільшити анодний струм слід відповідно збільшити струм розжарення катода і, знявши напругу, знову створити режим струму насичення.
У процесі промислового виробництва Р. т. видаляють газ до залишкового тиску 10-6-10-7 мм рт. ст. При цій 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 у неї 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 «газящую» 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 близько 1/3 від номінального встановлюють струм 1-2 мА. Потім протягом 30-60 хв. напруга і струм поступово підвищують до номінальних значень тривалого режиму згідно з паспортом Р. т. При експлуатації Р. т. необхідно суворо дотримуватися режимів роботи, зазначених в її паспорті.
См. також Рентгенівські апарати, Рентгенівське випромінювання.

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