Рентгенівська трубка

Медична рентгенівська трубка 1960-х років

Рентге́нівська тру́бка — електровакуумний прилад, призначений для генерування рентгенівського випромінювання за рахунок гальмівного випромінювання електронів, прискорених до енергії більше 10 кеВ, якими опромінюють металевий анод, або при високоенергетичних переходах у електронних оболонках атомів або молекул.

Медична рентгенівська трубка 3БДМ2-100. Зліва розташований вольфрамовий катод прямого розжарення, праворуч — масивний мідний анод із вольфрамовою мішенню посередині та бериллієвим віконцем для виходу випромінювання. Чорна цятка на склі балона показує розташування геометричного центра плями випромінювання. Вироблена заводом «Світлана» (СРСР, 1979 рік). В апараті вміщується в масляному баку, масло виконує функцію охолодження та ізоляції.

Електрони, випущені катодом при нагріванні, прискорюються під дією різниці електричних потенціалів між анодом і катодом (при цьому рентгенівські промені не генеруються, бо прискорення надто мале) і вдаряються в анод, де різко гальмуються. При цьому за рахунок гальмівного випромінювання генерується випромінювання рентгенівського діапазону при вибиванні електронів із внутрішніх електронних оболонок атомів анода. Порожні місця в оболонках займають інші електрони атома. При цьому випускається рентгенівське випромінювання з характерним для матеріалу анода спектром енергій (характеристичне випромінювання, частоти його визначаються законом Мозлі: ${\sqrt {\nu }}=A(Z-B)$ , де $Z$ — атомний номер елемента анода, $A$ і $B$ — константи для певного значення головного квантового числа $n$ електронної оболонки).

Вольфрамовий анод у мідному тримачі зі слідами зношення (діаметр 30 мм)

Основними конструктивними елементами трубки є металеві катод і анод (який раніше називався також антикатод). Нині аноди виготовляють переважно з міді і та їх частина, куди вдаряють електрони, — з міді, молібдену, срібла та деяких інших металів.

У процесі прискорення-гальмування лише близько 1 % кінетичної енергії електрона витрачається на рентгенівське випромінювання, 99 % енергії перетворюється на тепло.

Назва трубки походить від імені німецького фізика Вільгельма Конрада Рентгена.

Будова та принцип дії

Схематичне зображення рентгенівської трубки. X — рентгенівські промені K — катод, А — анод (іноді називають антикатодом), С — тепловідвід (охолодження), U_h — напруга розжарення катода, U_a — прискорювальна напруга, W_in — ввід водяного охолодження анода, W_out — вивід водяного охолодження.

Йонна рентгенівська трубка з холодним катодом для демонстраційних експериментів під час уроків фізики. Знизу видно генератор іонів.

Випромінювальний елемент — вакуумована посудина з двома електродами: катодом прямого розжарення, що являє собою спіраль із вольфрамового (часто вольфрам леговано торієм), молібденового, танталового або ренієвого дроту, в деяких випадках ще й сіткою, і анодом.

Радянська рентгенівська трубка для рентгеноструктурних досліджень, джерело низькоенергетичного рентгенівського проміння. Справа видно берилієве вікно, анод із водяним охолодженням. У середній частині міститься катод прямого розжарення.

Основними конструктивними елементами рентгенівської трубки є металеві катод і анод (раніше називаний також антикатодом) з мішенню, яка може бути виготовлена з різних металів, залежно від призначення. У медичних зазвичай вольфрамова мішень, для РФА й рентгеноструктурного аналізу використовують платину, іридій, осмій або родій. Катод при нагріванні випускає електрони (завдяки термоелектронній емісії). В деяких високовольтних (500 кВ і більше) дефектоскопічних рентгенівських трубках (як от ІМА3-150е, ІА3-250 і ІА-8) можливе використання й холодного катода. Але існують і фотоемісійні рентгенівські трубки, в яких потік електронів випромінює засвічений за допомогою світлодіода фотокатод, і підсилюється вторинно-електронним помножувачем. Далі через велику різницю потенціалів між катодом і анодом (десятки-сотні кіловольт, іноді й більше мегавольта) потік електронів прискорюється і набуває великої енергії. Отриманий прискорений пучок електронів потрапляє на позитивно заряджений анод. Досягаючи анода, електрони зазнають різкого гальмування, моментально втрачаючи більшість набутої енергії. При цьому виникає гальмівне випромінювання рентгенівського діапазону. У процесі гальмування лише близько 1 % кінетичної енергії електрона витрачається на рентгенівське випромінювання, 99 % енергії перетворюється на тепло. Щоб запобігти перегріву анода, в потужних рентгенівських трубках застосовують водяне або масляне охолодження і обертовий анод. У разі обертового анода, він усередині балона встановлений на вальницях кочення, і має масивний ротор. Зовні надягається статор із трифазної обмоткою, завдяки якому анод приводиться в рух (обертання) за принципом асинхронного двигуна.

Потужні рентгенівські трубки конструктивно поділяють на два типи: з бічним виходом рентгенівського випромінювання та торцевим виходом рентгенівського випромінювання. У трубках із бічним виходом на катод подається негативний потенціал, а анод заземляється. У трубках із торцевим виходом часто застосовують обернену полярність живлення, коли на анод подається позитивний потенціал, а катод заземляється. За використання позитивної полярності електричне поле гальмує електрони, які розлітаються з анода, внаслідок чого виключається інтенсивне бомбардування вихідного берилієвого вікна розсіяними електронами — це дозволяє значно знизити теплове навантаження на це вікно і зменшити його товщину до 100—150 мкм. У тонших вікнах знижується фільтрація довгохвильової компоненти спектра первинного випромінювання, яка найефективніше збуджує рентгенівську флуоресценцію легких елементів. Збільшення інтенсивності довгохвильової частини спектра, яка додатково збуджується розсіяними електронами, що повертаються на анод, також є перевагою під час аналізу легких елементів. Недолік рентгенівських трубок із позитивною полярністю — необхідність застосування складної системи водяного охолодження анода, який перебуває під високою напругою.

Рентгенівські трубки працюють у режимі майже плоского діода, тому струм через трубку визначається законом степеня трьох других (за незмінної температури катода): $I_{\text{a}}=K\cdot U_{a}^{3/2}$ де $I_{\text{a}}$ — струм анода, $U_{a}$ — напруга анода, $K$ — коефіцієнт пропорційності, індивідуальний для кожної лампи. Для регулювання струму в трубці керують кількістю електронів, що випускаються, змінюючи напругу розжарення.

Типові значення анодної напруги в медичних трубках для рентгенографії — 60…80 кВ, сили струму — десятки міліампер, тобто, імпульсна потужність становить декілька кіловат. При рентгеноскопії використовують безперервний режим роботи за струму декілька міліампер. В рентгенотерапії, для отримання жорсткішого випромінювання, застосовують трубки з анодною напругою понад 100 кВ.

Випромінювання рентгенівської трубки

Рентгенівські промені виникають унаслідок сильного прискорення заряджених частинок (гальмівне випромінювання) або високоенергетичних переходах в електронних оболонках атомів (характеристичне випромінювання). У рентгенівських трубках використовують обидва ефекти.

Гальмівне випромінювання

Спектр гальмівного випромінювання є неперервним. Ліворуч він обмежений мінімальною довжиною хвилі $\lambda _{0}$ потім він круто зростає, досягаючи максимуму за довжини хвилі $\lambda _{m}\approx {1,5}\lambda _{0}$, після чого полого спадає, асимптотично наближаючись до нуля.

$\lambda _{0}={\frac {hc}{eU}}$,

де $U$ — анодна напруга рентгенівської трубки, $e$ — заряд електрона, $h$ — стала Планка, $c$ — швидкість світла. Отже, при збільшенні анодної напруги зростає жорсткість випромінювання: $\lambda _{0}$ і $\lambda _{m}$ зміщуються в бік коротших хвиль, і $\lambda _{m}$ наближається до $\lambda _{0}$. Інтенсивність випромінювання (площа під кривою спектра) зростає пропорційно квадрату напруги.

При збільшенні струму через рентгенівську трубку інтенсивність випромінювання зростає прямо пропорційно струму, характер спектра при цьому не змінюється.

Матеріал анода не впливає на довжину хвиль спектра гальмівного випромінювання (на жорсткість випромінювання), але впливає на загальну інтенсивність випромінювання, яка росте прямо пропорційно до порядкового номера хімічного елемента, з якого зроблено дзеркало анода.

Характеристичне випромінювання

Крім гальмування (розсіювання) електронів у електричному полі атомних ядер, одночасно вибиваються електрони зі внутрішніх електронних оболонок атомів анода. Порожні місця в оболонках займають інші електронами атома. При цьому випускається рентгенівське випромінювання з характерним для матеріалу анода спектром енергій (характеристичне випромінювання, частоти визначає закон Мозлі: ${\sqrt {\nu }}=A(Z-B),$ де $Z$ — атомний номер елемента анода, $A$ та $B$ — константи для певного значення головного квантового числа $n$ електронної оболонки).

Енергія спектра характеристичного випромінювання значно менша за енергію спектра гальмівного випромінювання. Спектр характеристичного випромінювання м'якший і значною мірою затримується склом рентгенівської трубки. Тому можна вважати, що дію рентгенівських променів у рентгенографії обумовлює лише спектр гальмування. Специфічні властивості характеристичного спектра використовують у деяких методах рентгеноструктурного аналізу та в рентгеноспектральному аналізі.

Оптичні властивості рентгенівської трубки

Трубки, що застосовуються для рентгенографії, повинні мати, крім необхідних спектральних і потужнісних характеристик, ще й певні оптичні властивості. Вони визначаються розмірами тієї частини поверхні анода (фокусна пляма), на яку безпосередньо падає пучок електронів і де генерується рентгенівське випромінювання. Що менші розміри фокусної плями, то більш джерело променів подібне до точкового джерела і кращими стають оптичні властивості трубки (максимальна роздільність одержуваних зображень). Однак мала площа фокусної плями обмежує максимальну потужність трубки, тому що на поверхні фокусної плями відбувається розсіювання всієї теплоти. Навіть при виготовленні дзеркала анода з вольфраму (тугоплавкий метал), фокусна пляма площею 1 мм² може розсіяти не більше 200 Вт при односекундному включенні трубки. Для подолання цього обмеження застосовують рентгенівські трубки з обертовим анодом. Такий анод має форму зрізаного конуса, потік електронів падає на його бічну поверхню. Розсіювана теплота виділяється не в одній точці, а на колі, яке оперізує конус.

Див. також

• Іонізуюче випромінювання
• Радіографія
• Рентгенівське випромінювання

Література

• Быстров Ю. А., Иванов С. А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы. — М. : Высшая школа, 1983. — 288 с.

• Иванов С. А., Щукин Г. А. Рентгеновские трубки технического назначения. — Л. : Энергоатомиздат, 1989. — 200 с. — ISBN 5-283-04435-1.
• Кацман А. Я. Медицинская рентгенотехника. — МЕДГИЗ, 1957. — 647 с.

Посилання

• The Cathode Ray Tube site(англ.)
• A Radiograph of an X-ray Tube(англ.)