Generatore di raggi Xè un tubo a raggi X. Un moderno tubo elettronico è progettato secondo un unico principio e ha il seguente dispositivo. La base è un bulbo di vetro a forma di sfera o cilindro, nelle cui sezioni terminali sono saldati gli elettrodi: anodo e catodo. Nel tubo si crea un vuoto, che facilita la fuga degli elettroni dal catodo e il loro movimento più veloce.

catodoè una spirale in filamento di tungsteno (refrattario), che viene fissata su aste di molibdeno e posta in un cappuccio metallico che dirige il flusso di elettroni sotto forma di un fascio stretto verso l'anodo.
Anodo realizzato in rame (emette calore più velocemente e si raffredda con relativa facilità), ha dimensioni massicce. L'estremità rivolta verso il catodo è tagliata obliquamente con un angolo di 45-70 °. Nella parte centrale dell'anodo smussato, c'è una piastra di tungsteno su cui si trova il fuoco dell'anodo - un'area di 10-15 mm2, dove si formano principalmente i raggi X.

Processo di formazione dei raggi X... Il filamento di un tubo a raggi X - una bobina di tungsteno del catodo, quando viene applicata una corrente a bassa tensione (4-15 V, 3-5 A), si riscalda, formando elettroni liberi attorno al filamento. L'inclusione di una corrente ad alta tensione crea una differenza di potenziale ai poli del tubo a raggi X, a seguito della quale gli elettroni liberi si precipitano all'anodo ad alta velocità sotto forma di un flusso di elettroni - raggi catodici, che, una volta al centro dell'anodo, vengono bruscamente decelerate, per cui parte dell'energia cinetica degli elettroni viene convertita in oscillazioni elettromagnetiche di energia con una lunghezza d'onda molto corta. Questi saranno i raggi X (raggi frenanti).

Su richiesta del medico e tecnicheè possibile regolare sia la quantità di raggi X (intensità) che la loro qualità (durezza). Aumentando il grado di riscaldamento del filamento di tungsteno del catodo, si può ottenere un aumento del numero di elettroni, che determina l'intensità dei raggi X. Un aumento della tensione applicata ai poli del tubo porta ad un aumento della velocità di volo degli elettroni, che è alla base della qualità di penetrazione dei fasci.

È stato già notato sopra che messa a fuoco del tubo a raggi X- questa è l'area dell'anodo dove entrano gli elettroni e dove vengono generati. La dimensione della messa a fuoco influisce sulla qualità dell'immagine a raggi X: più piccola è la messa a fuoco, più nitido e strutturato è il motivo e viceversa, più è grande, più sfocata diventa l'immagine dell'oggetto in esame.

La pratica si è dimostrata la più acuta messa a fuoco, più velocemente il tubo diventa inutilizzabile - la piastra di tungsteno dell'anodo si scioglie. Pertanto, nei dispositivi moderni, i tubi sono progettati con diversi fuochi: piccoli e grandi o lineari sotto forma di una striscia stretta con una correzione dell'angolo di smusso dell'anodo di 71 °, che consente di ottenere una nitidezza dell'immagine ottimale al massimo carico elettrico sull'anodo.

Riuscito Design del tubo a raggi Xè un generatore con un anodo rotante, che consente di concentrarsi su piccole dimensioni e quindi allungare la vita utile dell'apparato.

Dal flusso raggi catodici solo l'1% circa dell'energia viene convertito in raggi X, il resto dell'energia viene convertito in calore, il che porta al surriscaldamento dell'anodo. Allo scopo di raffreddare l'anodo, vengono utilizzati vari metodi: raffreddamento ad acqua, riscaldamento ad aria, raffreddamento ad olio sotto pressione e metodi combinati.

tubo a raggi Xè posto in una speciale custodia piombata o in un involucro con un foro per la radiazione dei raggi X fuori dall'anodo del tubo. All'uscita della radiazione a raggi X dal tubo vengono installati filtri realizzati in vari metalli, che filtrano i raggi molli e rendono più uniforme la radiazione dell'apparato a raggi X.

In molti modelli macchine a raggi X l'olio del trasformatore viene versato nella custodia, che scorre attorno al tubo a raggi X da tutti i lati. Tutto questo: una custodia in metallo, olio, filtri proteggono il personale dell'ufficio e i pazienti dagli effetti dei raggi X.

Avendo scoperto i "raggi-", Roentgen con accurati esperimenti ha scoperto le condizioni della loro formazione. Ha scoperto che questi raggi sorgono al posto del tubo, dove gli elettroni volanti che compongono il fascio catodico vengono ritardati, colpendo la parete del tubo. Sulla base di questa circostanza, Roentgen ha progettato e costruito un tubo speciale adatto per ottenere i raggi X. Nelle sue caratteristiche essenziali, il design del tubo a raggi X è sopravvissuto fino ai giorni nostri.

Nella fig. 302 raffigura un moderno tubo a raggi X. Il catodo è uno spesso filamento di tungsteno incandescente, che emette un intenso flusso di elettroni (vedi Rif. II, § 100), che vengono accelerati dalla tensione elettrica applicata. Il catodo è dotato di un cappuccio in tantalio che focalizza gli elettroni, poiché gli elettroni vengono emessi perpendicolarmente alla superficie del catodo. L'obiettivo è una piastra di tungsteno, platino o altro metallo pesante premuta nell'anodo (specchio dell'anodo), che è fatto di rame rosso per rimuovere il calore. Colpendo la superficie del bersaglio, gli elettroni vengono intrappolati ed emettono raggi X. La tensione tra il catodo e l'anodo raggiunge diverse decine di migliaia di volt. Affinché gli elettroni raggiungano il bersaglio senza ostacoli, il tubo a raggi X viene evacuato in un vuoto spinto. L'anodo viene solitamente raffreddato con acqua.

Riso. 302. Moderno tubo a raggi X; circuito di riscaldamento del filamento non mostrato

Agendo sui gas, i raggi X sono in grado di provocarne la ionizzazione (vedi Vol. II, § 92). Quindi, posizionando un elettroscopio carico vicino al tubo a raggi X, troviamo che si scarica rapidamente se il tubo è attivato (Fig. 303). Il motivo della perdita di carica dell'elettroscopio è che l'aria circostante viene ionizzata dall'azione dei raggi X e diventa un conduttore. L'effetto ionizzante dei raggi X viene utilizzato anche per rilevarli e registrarli.

Riso. 303. Effetto ionizzante dei raggi X: 1 - tubo a raggi X, 2 - elettroscopio. L'esperimento ha successo sia con l'elettroscopio a carica positiva che negativa. Gli ioni di entrambi i segni vengono creati nell'aria sotto l'azione dei raggi X.

Raggi X, radiazioni invisibili in grado di penetrare, sia pure in misura diversa, in tutte le sostanze. È una radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda dell'ordine di 10-8 cm.

Come la luce visibile, i raggi X causano l'annerimento della pellicola fotografica. Questa proprietà è importante per la medicina, l'industria e la ricerca scientifica. Passando attraverso l'oggetto in esame e poi cadendo sulla pellicola fotografica, la radiazione dei raggi X ne raffigura la struttura interna. Poiché il potere di penetrazione della radiazione a raggi X è diverso per i diversi materiali, le parti dell'oggetto che sono meno trasparenti danno aree più chiare nella fotografia rispetto a quelle attraverso le quali la radiazione penetra bene. Pertanto, il tessuto osseo è meno trasparente ai raggi X rispetto al tessuto che costituisce la pelle e gli organi interni. Pertanto, sulla radiografia, le ossa saranno indicate come aree più chiare e il sito della frattura, che è più trasparente per le radiazioni, può essere facilmente rilevato. I raggi X sono utilizzati anche in odontoiatria per rilevare carie e ascessi nelle radici dei denti e nell'industria per rilevare crepe in modanature, plastica e gomma.

I raggi X sono usati in chimica per analizzare i composti e in fisica per studiare la struttura dei cristalli. Un fascio di raggi X che attraversa un composto chimico provoca una caratteristica radiazione secondaria, la cui analisi spettroscopica consente al chimico di determinare la composizione del composto. Quando cade su una sostanza cristallina, il fascio di raggi X viene disperso dagli atomi del cristallo, dando uno schema chiaro e corretto di macchie e strisce sulla lastra fotografica, che consente di stabilire la struttura interna del cristallo.

L'uso dei raggi X nel trattamento del cancro si basa sul fatto che uccide le cellule tumorali. Tuttavia, può avere effetti indesiderati anche sulle cellule normali. Pertanto, è necessario prestare la massima attenzione quando si utilizzano i raggi X in questo modo.

Ricezione di raggi X

La radiazione a raggi X si verifica quando gli elettroni che si muovono ad alta velocità interagiscono con la materia. Quando gli elettroni si scontrano con gli atomi di qualsiasi sostanza, perdono rapidamente la loro energia cinetica. In questo caso, la maggior parte si trasforma in calore e una piccola frazione, solitamente inferiore all'1%, viene convertita in energia a raggi X. Questa energia viene rilasciata sotto forma di quanti - particelle chiamate fotoni che hanno energia ma la cui massa a riposo è zero. I fotoni dei raggi X differiscono nella loro energia, che è inversamente proporzionale alla loro lunghezza d'onda. Il metodo convenzionale di produzione dei raggi X produce un'ampia gamma di lunghezze d'onda chiamata spettro dei raggi X.

Tubi a raggi X. Per ottenere radiazioni a raggi X dovute all'interazione degli elettroni con la materia, è necessario disporre di una sorgente di elettroni, mezzi per accelerarli ad alte velocità e un bersaglio in grado di resistere al bombardamento di elettroni e produrre raggi X dell'intensità richiesta. Il dispositivo che contiene tutto questo è chiamato tubo a raggi X. I primi ricercatori usavano tubi "evacuati in profondità" del tipo dei moderni tubi a scarica di gas. Il vuoto in loro non era molto alto.

I tubi a scarica di gas contengono una piccola quantità di gas e quando viene applicata una grande differenza di potenziale agli elettrodi del tubo, gli atomi di gas vengono convertiti in ioni positivi e negativi. Quelli positivi si spostano sull'elettrodo negativo (catodo) e, cadendo su di esso, ne eliminano gli elettroni e, a loro volta, si spostano sull'elettrodo positivo (anodo) e, bombardandolo, creano un flusso di fotoni a raggi X.

Nel moderno tubo a raggi X sviluppato da Coolidge (Fig. 11), la sorgente di elettroni è un catodo di tungsteno riscaldato ad alta temperatura.

Riso. undici.

Gli elettroni vengono accelerati ad alte velocità dall'elevata differenza di potenziale tra l'anodo (o anticatodo) e il catodo. Poiché gli elettroni devono raggiungere l'anodo senza scontrarsi con gli atomi, è necessario un vuoto molto spinto, per il quale il tubo deve essere ben evacuato. Ciò riduce anche la probabilità di ionizzazione degli atomi di gas rimanenti e le correnti laterali risultanti.

Quando bombardato con elettroni, l'anticatodo di tungsteno emette raggi X caratteristici. La sezione trasversale del fascio di raggi X è inferiore all'area effettivamente irradiata. 1 - fascio di elettroni; 2 - catodo con elettrodo di focalizzazione; 3 - guscio di vetro (tubo); 4 - bersaglio in tungsteno (anticatodo); 5 - filamento del catodo; 6 - area effettivamente irradiata; 7 - punto focale efficace; 8 - anodo di rame; 9 - finestra; 10 - radiazione a raggi X diffusa.

Gli elettroni sono focalizzati sull'anodo utilizzando un elettrodo di forma speciale che circonda il catodo. Questo elettrodo è chiamato focalizzazione e insieme al catodo forma il "riflettore elettronico" del tubo. L'anodo bombardato da elettroni deve essere costituito da un materiale refrattario, poiché la maggior parte dell'energia cinetica degli elettroni bombardanti viene convertita in calore. Inoltre, è desiderabile che l'anodo sia realizzato con un materiale con un numero atomico elevato, poiché la resa dei raggi X aumenta all'aumentare del numero atomico. Il tungsteno viene spesso scelto come materiale anodico, il cui numero atomico è 74. Il design dei tubi a raggi X può essere diverso a seconda delle condizioni di utilizzo e dei requisiti.

Ministero dell'Istruzione e della Scienza della Federazione Russa

istituto di istruzione autonomo dello stato federale

istruzione superiore

"RICERCA NAZIONALE

UNIVERSITÀ POLITECNICA DI TOMSK "

Lavoro di laboratorio n. 1

Supervisore: professore del dipartimentoMMS

Kulkov Sergey Nikolaevich

Studenti del gruppo 4B21:

A.I. Kondratenko

G.V. Proskurnikov

Dronov A.A.

Tomsk, 2015

Obbiettivo: conoscere, studiare e acquisire competenze nell'analisi a raggi X delle polveri.

Dispositivo macchina a raggi X

Uno dei metodi più efficaci per studiare la struttura delle sostanze cristalline è la diffrazione dei raggi X.

La radiografia è divisa in 2 tipi:

1. Analisi strutturale a raggi X (RSTA);

2. Analisi di fase a raggi X (XRF).

Il primo metodo è il più generale e informativo e consente di determinare in modo inequivocabile tutti i dettagli della struttura cristallina (coordinate degli atomi, ecc.). Un singolo cristallo è oggetto di indagine nella RStA. Il secondo metodo permette di identificare una sostanza e determinare alcuni parametri della struttura cristallina. Gli oggetti dell'indagine XRD sono campioni policristallini.

Una macchina a raggi X è progettata per convertire l'elettricità in raggi X. La progettazione di una macchina a raggi X dipende dalla sua funzione, ma in generale è costituita da una sorgente di radiazioni, un alimentatore, un sistema di controllo e periferiche.

Come funziona la macchina a raggi X

L'apparato è solitamente alimentato da una rete di corrente alternata da 126 o 220 V. Tuttavia, le moderne installazioni a raggi X funzionano con una corrente continua a tensione sostanzialmente più elevata. A questo proposito, l'alimentatore include un trasformatore (o un sistema di trasformatori) e un raddrizzatore di corrente (a volte un raddrizzatore può essere assente - a bassa potenza del dispositivo). Un generatore di radiazioni è un tubo a raggi X, uno o più.

Il sistema di controllo è un quadro, ovvero un pannello di controllo che regola il funzionamento dell'intero impianto. Inoltre, l'apparato include un treppiede (sistema treppiede) su cui è fissato il generatore di radiazioni. Il principio di funzionamento dell'impianto è il seguente. La corrente alternata dalla rete viene fornita all'avvolgimento primario del trasformatore. Una tensione più elevata viene rimossa dal suo avvolgimento secondario e fornita direttamente all'emettitore (installazioni a semionda) o attraverso un raddrizzatore - un kenotron. Il bagliore del filamento catodico del tubo a raggi X ne regola il funzionamento. In questo caso, non più dell'1% dell'energia fornita al tubo va in radiazione, il resto si trasforma in calore, prima di tutto l'anodo viene riscaldato. Per evitare danni da surriscaldamento, vengono utilizzati materiali refrattari (tungsteno, molibdeno) o viene costruito uno speciale sistema di raffreddamento (raffreddamento ad acqua, anodo rotante). Le moderne installazioni a raggi X sono dotate di dispositivi speciali per stabilizzare la corrente e proteggere l'emettitore dal sovraccarico. Inoltre, viene installato un sistema per proteggere gli altri da radiazioni eccessive (oltre che da correnti ad alta tensione).

Dispositivo tubo a raggi X

Un tubo a raggi X è un dispositivo elettrovuoto con una sorgente di radiazione di elettroni (catodo) e un bersaglio in cui vengono decelerati (anodo). La tensione ad alta tensione per il riscaldamento del catodo viene fornita attraverso il cavo ad alta tensione negativo dal trasformatore a filamento, che si trova nel dispositivo generatore. La bobina riscaldata del catodo, quando viene applicata un'alta tensione al tubo a raggi X, inizia a espellere un flusso accelerato di elettroni, quindi vengono bruscamente decelerati sulla piastra di tungsteno dell'anodo, che porta alla comparsa di X -raggi.

Come funziona il tubo a raggi X

Figura 1 - Schema di un tubo a raggi X per analisi strutturale: 1 - coppa anodica metallica (normalmente collegata a terra); 2 - finestre in berillio per l'uscita delle radiazioni a raggi X; 3 - catodo termoionico; 4 - pallone di vetro che isola la parte anodica del tubo da quella catodica; 5 - conduttori catodici, a cui viene applicata la tensione del filamento, nonché alta tensione (rispetto all'anodo); 6 - sistema di focalizzazione elettrostatica degli elettroni; 7 - ingresso (anticatodo); 8 - tubi di derivazione per l'ingresso e l'uscita dell'acqua corrente che raffreddano l'ugello di ingresso.

L'area dell'anodo su cui cadono gli elettroni è chiamata fuoco. Nei moderni tubi a raggi X, di solito ci sono due fuochi: grande e piccolo. Nell'anodo, oltre il 95% dell'energia degli elettroni viene convertita in energia termica, riscaldando l'anodo a 2000 ° e oltre. Per questo motivo, all'aumentare della durata dell'esposizione, la potenza ammissibile diminuisce.

Il tubo diagnostico a raggi X è posto in un involucro rivestito di piombo, che è riempito con olio per trasformatori. L'involucro presenta fori per il collegamento dei cavi dell'alta tensione e una finestra di uscita attraverso la quale viene rimosso il raggio di radiazione. Per ridurre al minimo la dose di radiazioni a raggi X nei moderni dispositivi a raggi X, ad esempio l'FMC, un dispositivo di colimazione è collegato alla finestra di uscita. Per escludere la comparsa di danni sull'anodo del tubo a raggi X, quest'ultimo deve ruotare; per questo, un dispositivo per ruotare l'anodo è posto nella parte inferiore dell'involucro del tubo a raggi X.

Subito dopo la scoperta di V.-K. Con i raggi X di un nuovo tipo di radiazione, iniziò ad essere attivamente utilizzato in medicina per scopi diagnostici. Così è nata una nuova specialità medica chiamata diagnostica a raggi X. La nuovissima radiazione, di natura elettromagnetica, è chiamata raggi X in Russia e Germania, e raggi X (X-Gau) nei paesi di lingua inglese.

Il dispositivo e il principio di funzionamento del tubo a raggi X

I raggi X vengono generati in un tubo a raggi X quando viene applicata un'alta tensione. Il modello moderno più comune di tubo a raggi X è un dispositivo elettrico costituito da due elettrodi: un catodo, realizzato a forma di spirale sottile, e un anodo, a forma di piastra o disco, che sono sigillati in un bulbo di vetro sottovuoto. Quindi, c'è uno spazio senz'aria tra il catodo e l'anodo. Poiché il processo per ottenere la radiazione a raggi X è associato a un forte riscaldamento degli elettrodi, sono strutturalmente realizzati in metallo refrattario (tungsteno).

Prima che l'alta tensione venga applicata agli elettrodi, il catodo viene riscaldato da una forte corrente a bassa tensione (tensione 6-14 V, corrente 2,5-8 A). In questo caso, il catodo inizia ad emettere elettroni liberi, che formano intorno ad esso una cosiddetta nuvola di elettroni, e il processo di distacco degli elettroni dalla superficie del catodo è chiamato emissione di elettroni.

Schema del tubo a raggi X: 1 - catodo, 2 - flusso di elettroni, 3 - punto focale dell'anodo, 4 - anodo, 5 - motore sull'asse dell'anodo

Quando agli elettrodi viene applicata un'alta tensione (dell'ordine delle decine e centinaia di kilovolt), gli elettroni staccati dal catodo attraverso il vuoto iniziano a precipitarsi verso l'anodo ad una velocità tremenda. Incontrando l'anodo sulla sua strada, gli elettroni iniziano a colpire la sua superficie. In questo caso gli elettroni vengono decelerati e la loro elevata energia cinetica viene convertita in energia di onde elettromagnetiche con frequenze diverse, la maggior parte delle quali viene dissipata sotto forma di radiazione termica. Una piccola quantità di energia generata dalla decelerazione degli elettroni contro l'anodo (circa 1/1000) lascia il tubo a raggi X sotto forma di raggi X. Pertanto, la radiazione a raggi X è un'onda bremsstrahlung radiazione elettromagnetica. In questo caso, è diretto perpendicolarmente all'asse di movimento degli elettroni nel vuoto del tubo a raggi X. Ciò diventa possibile grazie alla particolare forma dell'anodo, che ha una superficie smussata nel punto di contatto con gli elettroni che cadono su di esso, chiamata punto focale. Inoltre, quando viene applicata un'alta tensione al tubo a raggi X, l'anodo a forma di disco inizia a ruotare ad alta frequenza. Pertanto, in momenti diversi, il fascio di elettroni colpisce diverse parti della sua superficie, che protegge l'anodo dal riscaldamento eccessivo, distribuendo uniformemente il carico termico sulla sua superficie.

Imaging a raggi X

Il principio di ottenere un'immagine a raggi X dell'organo in esame si basa sull'attenuazione disomogenea (assorbimento) di un raggio di raggi X quando attraversa tessuti di varia densità e colpisce la radiazione attenuata in modo disomogeneo sul sistema ricevente (raggi X pellicola o schermo fluorescente).

Tutte le immagini diagnostiche ottenute con metodi di imaging medico sono divise in due gruppi principali: analogico e digitale. Le immagini analogiche sono ottenute su una speciale pellicola a raggi X o schermi fluorescenti utilizzando metodi diagnostici a raggi X classici (raggi X, fluoroscopia, fluorografia, tomografia lineare, tecniche che utilizzano il contrasto artificiale).

Schema di formazione dell'immagine a raggi X a causa dell'attenuazione non uniforme della radiazione a raggi X: 1 - Sorgente di raggi X, 2 - corpo del paziente, 3 - Pellicola a raggi X, schermo fluorescente

Ci sono immagini negative e positive dello stesso oggetto (organi toracici). Gli organi e i tessuti con un'elevata densità di raggi X (ossa, cuore, cupole del diaframma) sono bianchi nelle immagini negative e neri nelle immagini positive. Quando si analizzano le radiografie, è anche necessario ricordare la presenza di un effetto di sommatoria. L'effetto di sommatoria consiste nella stratificazione di immagini di vari organi e tessuti situati lungo il passaggio del fascio di raggi X.