Рентгеновская трубка

Рентгеновская трубка генерирует рентгеновское излучение, используемое в рентгенографии и компьютерной томографии. Она потребляет электрическую энергию и преобразует её в две другие формы энергии: рентгеновское излучение (~1%) и тепло (99%). Тепло является нежелательным продуктом этого процесса преобразования.

В этой статье представлен обзор конструкции и основных принципов работы современных вакуумных рентгеновских трубок. Подробную информацию об отдельных элементах трубки и их функциях см. в соответствующих статьях по ссылкам.

Конструкция

Основные элементы

• нить накала (часть катода): испускает электроны за счёт термоэлектронной эмиссии

• мишень (часть анода): электроны соударяются с ней с образованием рентгеновского излучения

Дополнительные элементы

• ротор анода и индукционный статор

• вакуумированная колба трубки с окном

• охлаждающая жидкость с расширительным сильфоном

• кожух трубки

Другие компоненты рентгеновской системы

• высоковольтный генератор

Функция

Нить накала (катод) и мишень (анод)

Электрический ток, подаваемый на нить накала, нагревает её, в результате чего происходит испускание электронов за счет термоэлектронной эмиссии. Высокая разность потенциалов (в диапазоне 30-150 kV) между катодом (где нить накала испускает электроны) и анодом ускоряет электроны.

Электроны ударяются о мишень анода, выделяя бо́льшую часть своей энергии в виде тепла и малую часть (~1%) в виде излучения. Бо́льшая часть излучения образуется в виде непрерывного спектра тормозного излучения (Bremsstrahlung, от немецкого «тормозное излучение»), а некоторая часть — в виде дискретных пиков характеристического рентгеновского излучения.

Процесс генерации рентгеновского излучения более подробно описан в соответствующей статье.

Ротор анода и индукционный статор

В большинстве современных рентгеновских трубок используется вращающийся анод ^ref для распределения тепла, образующегося при генерации рентгеновского излучения, по большей площади мишени.

Для некоторых сложных задач, таких как двухэнергетическая КТ, используются трубки с вращающимся корпусом (RET). В отличие от стандартных рентгеновских трубок, в трубках с вращающимся корпусом вращается не только анод, но и вся вакуумная колба целиком. Кроме того, анод напрямую контактирует с жидким хладагентом, что обеспечивает улучшенный теплоотвод и повышенную производительность. 

Колба трубки

Нить накала/катод и мишень/анод находятся внутри колбы, которая обеспечивает вакуум, механическую фиксацию и электрическую изоляцию. Колба изготавливается из стекла (пирекс или боросиликатное стекло), керамики или металла. Стеклянная колба более подвержена выходу из строя, поскольку вольфрамовая нить накала испаряется и оседает на поверхности стекла, изменяя электрический потенциал трубки, что приводит к возникновению электрической дуги и поломке трубки. Металлическая колба поддерживает стабильный электрический потенциал трубки, снижая вероятность выхода из строя. Поэтому в большинстве рентгеновских трубок высокой мощности используются металлические колбы.

Окно трубки

Окно трубки — это небольшой участок колбы трубки, изготовленный из материала с низким ослаблением (обычно бериллий), который пропускает формируемый рабочий пучок рентгеновского излучения наружу. Излучение, испускаемое во всех остальных направлениях, поглощается колбой или кожухом трубки.

Охлаждающая жидкость

Охлаждающая жидкость, например диэлектрическое (непроводящее) масло, окружает колбу трубки. Расширительный сильфон обеспечивает возможность расширения охлаждающей жидкости при нагреве.

Кожух трубки

Обеспечивает фиксацию и защиту остальных элементов. Поглощает нежелательное рентгеновское излучение во всех направлениях, кроме рабочего пучка, выходящего через окно трубки.

Генератор

Генератор преобразует подаваемый переменный ток (AC) в:

• высоковольтный постоянный ток трубки (DC)

• низковольтный переменный ток накала нити высокой силы (AC)

Качество и количество рентгеновского излучения регулируются настройкой электрических параметров:

• напряжение на трубке, kV: разность потенциалов, приложенная между катодом и анодом трубки, и, следовательно, энергия ускоренных электронов

• ток трубки, mA: поток электронов между катодом и анодом

• время экспозиции, обычно доли секунды

Два последних параметра, совместно регулирующие количество генерируемого рентгеновского излучения, часто обозначаются их произведением: миллиампер-секунды (mAs).

История и этимология

Wilhelm Roentgen открыл рентгеновское излучение с помощью трубки Крукса в 1895 году. До изобретения трубки Кулиджа в 1913 году все рентгеновские трубки основывались на технологии трубок Крукса или газоразрядных трубок с холодным катодом. С конца 1910-х годов происходила быстрая замена газоразрядных трубок гораздо более эффективными трубками Кулиджа.