2.3. Рентгеновские трубки

Рентгеновский излучатель для медицинской диагностики представляет собой маслонаполненный металлический кожух с рентгеновской трубкой. Рентгеновская трубка - это колба из термостойкого стекла, внутри которой размещены в глубоком вакууме термокатод и анод (рис.

Электроны осуществляют ионизацию атомов материала анода, тормозятся и останавливаются. Большая часть энергии, передаваемой электронами аноду, конвертируется в тепловую, и только малая ее часть (меньше 1 %) преобразуется в тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Некоторая часть этих рентгеновских лучей проходит через выходные окна колбы и кожуха, фильтр, коллимирующее устройство и далее через пациента - на приемник.

Рентгеновские лучи, распространяющиеся в других направлениях, поглощаются кожухом трубки. Вся конструкция трубки устанавливается на штативе, обеспечивающем легкость ее позиционирования. Коллиматор необходим для управления размерами и направлением рентгеновского пучка.

Рис. 2.3. Конструкция рентгеновской трубки с вращающимся анодом:

1 — термовыключатель; 2 — высоковольтный кабель; 3 — катод прямого накала; 4 — рентгенопрозрачное окно; 5 — вакуум; 6 — блок катода; 7 — высоковольтный кабель; 8 — отпаечный отросток; 9 — свинцовый корпус; 10 — стеклянная колба; 11 — мишень; 12 — анод; 13 — тепловой экран; 14 — держатель из молибдена; 15 — маслорасширительная диафрагма

На рис. 2.4. наглядно представлен внешний вид типичной рентгеновской трубки с вращающимся анодом для рентгеновского аппарата общего назначения [2].

Конструкция узла термокатода и электронно-оптической системы играет очень важную роль, поскольку нерезкость изображения в значительной степени зависит от размеров фокального пятна на поверхности анода, а выходная мощность излучения трубки определяется электронным током, приходящим на анод.

Катод (чаще всего прямого накала) представляет собой вольфрамовую спираль, которая устанавливается в никелевой капсуле. Эта капсула поддерживает нить накала и имеет такую форму, что создаваемое электрическое поле фокусирует электроны в узкий пучок. Вращающийся анод имеет коническую поверхность с тупым углом при вершине (рис. 2.4, 2.5).

В выходное окно поступают те рентгеновские лучи, которые идут приблизительно под прямым углом к направлению электронного пучка, так что на поверхности приемника рентгеновское излучение имеет квадратное сечение, даже если поток электронов, бомбардирующий мишень, хорошо сколлимирован.

Рис. 2.4. Рентгеновская трубка с вращающимся анодом:

1 - колба, 2 - катодный узел, 3 - скошенный (конический) анод, 4 - ротор и подшипниковый узел

Угол наклона поверхности анода q выбирается исходя из назначения трубки и изменяется в зависимости от требований к размерам поля и фокального пятна, а также к выходной мощности трубки (рис. 2.6). Для рентгеновских трубок общего назначения величина угла q составляет около 17°.

Во многих случаях анод имеет скос под двумя различными углами, а также две нити накала для выбора либо узкого, либо широкого фокального пятна, а также для обеспечения повышенной надежности трубки.

Поскольку большая часть энергии, отдаваемая потоком электронов аноду, преобразуется в тепло, то одной из важнейших проблем является проблема его уменьшения и быстрого его отвода и рассеяния. В самом деле, мощность электронного пучка в рентгенодиагностических аппаратах может достигать примерно 100 кВ ´ 300 мА = 30 кВт. Эту проблему можно решить таким образом, чтобы поток электронов падал на поверхность вращающегося анода, а полоска фокуса двигалась по периферии анодного диска.

Рис. 2.5. Схема рентгенодиагностической системы

Анод изготавливают, как правило, из вольфрама, хотя для специальных применений, в которых требуется рентгеновское излучение с малой энергией фотонов, используется молибден. Атомный номер вольфрама Z = 74, вольфрам имеет необходимые теплопроводность и теплоемкость, а также высокую температуру плавления. Важно, чтобы атомный номер материала анода был большим, так как выход тормозного излучения с анода увеличивается с атомным номером, а спектр рентгеновского излучения, создаваемый элементом с большим атомным номером, хорошо подходит для получения изображения более массивных частей тела. Для увеличения срока службы рентгеновской трубки часто используют сплав вольфрама с рением (в пропорции 90:10). Это уменьшает разрушение поверхности анода (в виде появления микротрещин), вызываемое продолжительными циклическими процессами нагрева и охлаждения.

Рис. 2.6. Использование скошенного анода для уменьшения эффективного размера фокального пятна. Ширина пучка электронов равна lcosq, в то время как размер фокального пятна, измеренный относительно центральной оси поля излучения, равен lsin q.

Важно, чтобы анодный диск имел высокую полную теплоемкость. Большая теплоемкость, связанная с увеличением размера и массы анода, позволяет достигать более коротких временных интервалов между экспозициями. Для трубок, работающих в напряженном режиме, теплоемкость анода можно увеличить введением молибденовой подложки, поскольку молибден имеет более высокую удельную теплоемкость, чем вольфрам (табл. 2.1).

Таблица 2.1 Свойства молибдена и вольфрама

Анодный диск крепится на тонком молибденовом стержне, что уменьшает обратный поток тепла и предохраняет от перегрева подшипники ротора. От вращающегося анода тепло отводится главным образом излучением стеклянной колбе и далее – за счет теплопроводности – трансформаторному маслу, заполняющему кожух.

Электропривод вращения анода устроен по принципу асинхронного двигателя, причем ротор, жестко соединенный с анодом, вращается внутри колбы в глубоком вакууме, а статор располагается снаружи и охлаждается маслом.