Рентгеновская трубка – это электровакуумный прибор, генерирующий рентгеновское излучение. Сфера использования рентгеновских трубок:
- медицинская (диагностика заболеваний с помощью рентгенографии, рентгеноскопии, маммографии и компьютерной томографии, лучевая терапия при некоторых разновидностях опухолей);
- промышленная (материаловедение, определение химического строения вещества, дефектоскопия, обеспечение безопасности в аэропортах и т.п.)
Как устроена рентгеновская трубка?
Современные трубки имеют следующее устройство: внутри стеклянной колбы с вакуумом впаяны электроды – катод и анод. Они находятся напротив друг друга.
Катод представляет собой спираль из вольфрамовой нити. При подаче на нее тока катод начинает испускать поток электронов, который ускоряется и двигается в сторону анода за счет разности потенциалов между ними. Процесс отрыва электронов с катода называется электронной эмиссией.
Анод действует как мишень для электронов. Попадая на анод, электроны резко тормозятся, и большая часть их кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию, а наименьшая часть (около 1%) – в рентгеновское излучение. Оно направлено перпендикулярно оси движению электронов – за счет скошенной поверхности анода.
Для материала анода подбирается тугоплавкий сплав, который, с одной стороны, быстро рассеивает тепло, с другой стороны – максимально эффективно преобразует энергию в рентгеновское излучение. Чаще всего – используется вольфрам, который имеет высокую температуру плавления и сохраняет свою прочность при нагреве.
Участок анода, куда попадают электроны, называется фокусным* пятном. От его размера зависит качество получаемых изображений – чем он меньше, тем резче получается рисунок. Обратной стороной является более быстрое повреждение анода. Чтобы избежать этого, рентгеновские трубки снабжают вращающимся анодом и конструируют с двумя фокусами – большим и малым.
Так как очень большое количество энергии преобразуется в нежелательное тепло, то рентгеновскую трубку снабжают системой охлаждения – водным, воздушным или масляным.
Рентгеновская трубка: принцип работы
Трубки для медицинских рентгеновских аппаратов поставляются с различными характеристиками. При этом трубки для разных видов диагностики и для терапии будут иметь разные показатели.
Путем изменения электрических параметров (напряжение, ток трубки) и времени воздействия можно менять количество и качество рентгеновского излучения, добиваясь тем самым необходимого воздействия на биологические ткани или требуемого качества получаемых изображений.
Например, рентген трубки, используемые для диагностических целей, работают при максимальном напряжении до 150 кВ, а для терапевтических – до 400 кВ. Фокусное пятно трубок для маммографии меньше, чем у трубок для рентгеновских аппаратов.
Большое значение имеют оптические характеристики трубки – размер фокусного пятна определяет разрешающую способность получаемых снимков. При его уменьшении возникает ограничение на максимальную мощность трубки: даже при использовании в качестве мишени анода очень тугоплавкого вольфрама при площади фокуса 1 кв. мм и односекундной экспозиции рассеяться без повреждений анода может не более 200 Вт.
Для продления срока службы анода в практической рентгенографии используют специальные таблицы и графики зависимости размера фокусного пятна, времени экспозиции и мощности, подаваемой на трубку.
*Фокусное пятно – распространенный перевод термина «focal spot» в отечественной литературе. Но более правильным является употребление термина – фокальное пятно.