generator de raze X este un tub cu raze X. Modern tub vid este conceput după un singur principiu și are următorul dispozitiv. Baza este un balon de sticlă sub formă de bilă sau cilindru, în secțiunile de capăt ale căror electrozi sunt lipiți: un anod și un catod. În tub se creează un vid, care favorizează emisia de electroni din catod și mișcarea rapidă a acestora.

Catod este o spirală de filament de wolfram (refractar), care este montată pe tije de molibden și așezată într-un capac metalic care direcționează fluxul de electroni sub formă de fascicul îngust către anod.
Anod este din cupru (degajă căldură mai repede și se răcește relativ ușor), și are dimensiuni masive. Capătul îndreptat spre catod este tăiat oblic la un unghi de 45-70°. În partea centrală a anodului teșit există o placă de wolfram pe care se află focarul anodului - o zonă de 10-15 mm2, unde sunt generate în principal razele X.

Procesul de producere a raze X. Filament tub cu raze X- spirala catodului de wolfram atunci cand i se alimenteaza curent Voltaj scazut(4-15 V, 3-5A) strălucește, formând electroni liberi în jurul filamentului. Pornirea unui curent de înaltă tensiune creează o diferență de potențial la polii tubului cu raze X, rezultând electroni liberi de mare viteză grăbiți-vă la anod sub forma unui flux de electroni - razele catodice, care, atunci când lovesc focalizarea anodului, sunt încetinite brusc, ca urmare a cărora o parte din energia cinetică a electronilor este convertită în energie vibratii electromagnetice cu o lungime de undă foarte scurtă. Aceasta va fi radiație cu raze X (raze de frânare).

La cererea medicului si tehnică Puteți regla atât cantitatea de raze X (intensitatea), cât și calitatea acestora (duritatea). Prin creșterea gradului de incandescență al filamentului catodului de tungsten, este posibilă creșterea numărului de electroni, ceea ce determină intensitatea razelor X. Creșterea tensiunii aplicate polilor tubului duce la o creștere a vitezei de zbor a electronilor, care stă la baza calității de penetrare a razelor.

S-a notat deja mai sus Focalizarea tubului cu raze X- aceasta este zona de pe anod în care intră electronii și unde sunt generați. Dimensiunea focalizării afectează calitatea imagine cu raze X: cu cât focalizarea este mai mică, cu atât modelul este mai clar și mai structurat și invers, cu cât este mai mare, cu atât imaginea obiectului studiat devine mai neclară.

Practica a dovedit că cu atât mai clar se concentreze, cu cât tubul devine mai repede inutilizabil - placa de tungsten a anodului se topește. Prin urmare, în aparate moderne tuburile sunt proiectate cu mai multe focalizări: mici și mari, sau liniare sub forma unei benzi înguste cu corectarea unghiului de teșire a anodului de 71°, ceea ce permite o claritate optimă a imaginii cu cea mai mare sarcină electrică a anodului.

De succes Design tub cu raze X este un generator cu un anod rotativ, care vă permite să faceți o focalizare de dimensiuni mici și, prin urmare, să prelungiți durata de viață a dispozitivului.

Din pârâu raze catodice doar aproximativ 1% din energie este transformată în raze X, restul energiei se transformă în căldură, ceea ce duce la supraîncălzirea anodului. În scopul răcirii anodului, acestea sunt utilizate diferite căi: racirea apei, încălzitor-aer, răcire ulei sub presiune și metode combinate.

tub cu raze X plasat într-o carcasă sau carcasă specială cu plumb cu un orificiu pentru ieșirea radiațiilor de raze X din anodul tubului. De-a lungul traseului radiației X care iese din tub, sunt instalate filtre din diferite metale, care filtrează razele moi și fac radiația de la aparatul de raze X mai uniformă.

În multe modele aparate cu raze X Uleiul de transformator este turnat în carcasă, care curge în jurul tubului cu raze X pe toate părțile. Toate acestea: o carcasă metalică, ulei, filtre protejează personalul biroului și pacienții de efectele radiațiilor X.

După ce a descoperit „-razele”, Roentgen, prin experimente atente, a clarificat condițiile formării lor. El a descoperit că aceste raze apar în locul tubului unde electronii zburători, care alcătuiesc fasciculul catodic, sunt întârziați, lovind peretele tubului. Pe baza acestei circumstanțe, Roentgen a proiectat și construit un tub special convenabil pentru obținerea de raze X. În caracteristicile sale esențiale, designul tubului cu raze X a fost păstrat până în zilele noastre.

În fig. 302 prezintă un tub modern de raze X. Catodul este un filament gros, incandescent de wolfram, care emite un curent intens de electroni (vezi Capitolul II, § 100), care sunt accelerați de tensiune electrică. Catodul are un capac de tantal care concentrează electronii pe măsură ce electronii sunt ejectați perpendicular pe suprafața catodului. Ținta este o placă de wolfram, platină sau alt metal greu, presată într-un anod (oglindă de anod), care este făcută din cupru roșu pentru a îndepărta căldura. Când electronii lovesc suprafața unei ținte, ei sunt prinși și produc raze X. Tensiunea dintre catod și anod ajunge la câteva zeci de mii de volți. Pentru ca electronii să ajungă nestingheriți la țintă, tubul de raze X este evacuat într-un vid înalt. Anodul este de obicei răcit cu apă.

Orez. 302. Tub modern cu raze X; Circuitul filamentului catodic nu este prezentat

Acționând asupra gazelor, razele X pot provoca ionizarea lor (vezi Vol. II, § 92). Astfel, plasând un electroscop încărcat lângă tubul cu raze X, vom constata că acesta se descarcă rapid dacă tubul este activat (Fig. 303). Motivul pentru care electroscopul își pierde sarcina este că aerul din jur este ionizat prin acțiunea razelor X și devine conductor. Efectul ionizant al razelor X este, de asemenea, utilizat pentru a le detecta și înregistra.

Orez. 303. Efectul ionizant al razelor X: 1 - tub de raze X, 2 - electroscop. Experimentul funcționează atât cu un electroscop încărcat pozitiv, cât și cu cel negativ. Sub influența razelor X, ionii ambelor semne sunt creați în aer

Razele X sunt radiații invizibile care pot pătrunde, deși în grade diferite, toată materia. Reprezintă radiatie electromagnetica cu o lungime de undă de aproximativ 10-8 cm.

La fel ca lumina vizibilă, razele X fac ca filmul fotografic să devină negru. Această proprietate este importantă pentru medicină, industrie și cercetare științifică. Trecând prin obiectul studiat și apoi căzând pe pelicula fotografică, radiația cu raze X îl înfățișează pe acesta. structura interna. Deoarece puterea de penetrare a radiațiilor X este diferită pentru materiale diferite, părțile obiectului care sunt mai puțin transparente pentru acesta produc zone mai luminoase în fotografie decât cele prin care radiația pătrunde bine. Astfel, țesutul osos este mai puțin transparent la raze X decât țesutul care alcătuiește pielea și organe interne. Prin urmare, la o radiografie, oasele vor apărea ca zone mai ușoare, iar locul fracturii, care este mai transparent la radiații, poate fi detectat destul de ușor. Razele X sunt, de asemenea, utilizate în stomatologie pentru a detecta carii și abcese la rădăcinile dinților, iar în industrie pentru a detecta fisuri în piese turnate, materiale plastice și cauciucuri.

Razele X sunt folosite în chimie pentru a analiza compuși și în fizică pentru a studia structura cristalelor. Un fascicul de raze X care trece printr-un compus chimic produce o radiație secundară caracteristică, a cărei analiză spectroscopică permite chimistului să determine compoziția compusului. Atunci când un fascicul de raze X cade pe o substanță cristalină, acesta este împrăștiat de atomii cristalului, oferind o imagine clară și regulată a petelor și dungilor de pe o placă fotografică, ceea ce face posibilă stabilirea structurii interne a cristalului. .

Utilizarea razelor X în tratamentul cancerului se bazează pe faptul că ucide celulele canceroase. Cu toate acestea, poate avea și efecte nedorite asupra celulelor normale. Prin urmare, trebuie să fiți extrem de precauți atunci când utilizați raze X în acest mod.

Primirea de raze X

Radiația de raze X apare atunci când electronii care se mișcă la viteze mari interacționează cu materia. Când electronii se ciocnesc cu atomii oricărei substanțe, ei își pierd rapid energia cinetică. În acest caz, cea mai mare parte se transformă în căldură, iar o mică fracțiune, de obicei mai mică de 1%, este transformată în energie de raze X. Această energie este eliberată sub formă de cuante - particule numite fotoni, care au energie, dar a căror masă în repaus este zero. Fotonii cu raze X diferă în ceea ce privește energia lor, care este invers proporțională cu lungimea de undă. La modul obișnuit obtinerea de raze X primi gamă largă lungimi de undă, care se numește spectru de raze X

tuburi cu raze X. Pentru a produce raze X prin interacțiunea electronilor cu materia, trebuie să aveți o sursă de electroni, un mijloc de accelerare a acestora la viteze mari și o țintă care să reziste la bombardamentul cu electroni și să producă raze X de intensitatea necesară. Dispozitivul care conține toate acestea se numește tub cu raze X. Primii cercetători au folosit tuburi „profund evacuate”, cum ar fi tuburile moderne cu descărcare în gaz. Vidul din ele nu era foarte mare.

Tuburile de descărcare conțin cantități mici de gaz, iar atunci când se aplică o diferență mare de potențial electrozilor tubului, atomii de gaz sunt transformați în ioni pozitivi și negativi. Cei pozitivi se deplasează spre electrodul negativ (catod) și, căzând peste el, scot electroni din el, iar ei, la rândul lor, se deplasează spre electrod pozitiv(anod) și, bombardându-l, creați un flux de fotoni cu raze X.

În tubul modern cu raze X dezvoltat de Coolidge (Fig. 11), sursa de electroni este un catod de wolfram încălzit la o temperatură ridicată.

Orez. unsprezece.

Electronii sunt accelerați la viteze mari de diferența mare de potențial dintre anod (sau anti-catod) și catod. Deoarece electronii trebuie să ajungă la anod fără a se ciocni cu atomii, este necesar un vid foarte mare, ceea ce necesită ca tubul să fie bine evacuat. Acest lucru reduce, de asemenea, probabilitatea de ionizare a atomilor de gaz rămași și a curenților laterali rezultați.

Când este bombardat de electroni, anticatodul de wolfram emite radiații de raze X caracteristice. Secțiunea transversală a fasciculului de raze X este mai mică decât zona iradiată reală. 1 - fascicul de electroni; 2 - catod cu un electrod de focalizare; 3 - carcasă de sticlă (tub); 4 - tinta tungsten (anti-catod); 5 - filament catodic; 6 - zona iradiată reală; 7 - punct focal eficient; 8 - anod de cupru; 9 - fereastra; 10 - radiații cu raze X împrăștiate.

Electronii sunt concentrați asupra anodului printr-un electrod cu formă specială care înconjoară catodul. Acest electrod se numește electrod de focalizare și, împreună cu catodul, formează „reflectorul electronic” al tubului. Anodul supus bombardamentului electronic trebuie să fie realizat dintr-un material refractar, deoarece cea mai mare parte a energiei cinetice a electronilor de bombardare este transformată în căldură. În plus, este de dorit ca anodul să fie realizat dintr-un material cu număr atomic ridicat, deoarece Randamentul de raze X crește odată cu creșterea numărului atomic. Materialul anodic cel mai des ales este wolfram, al cărui număr atomic este 74. Designul tuburilor cu raze X poate varia în funcție de condițiile de utilizare și de cerințe.

Ministerul Educației și Științei al Federației Ruse

instituție de învățământ autonomă a statului federal

educatie inalta

„CERCETARE NAȚIONALĂ

UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ TOMSK”

Lucrare de laborator nr 1

supraveghetor: profesor de catedraMMS

Kulkov Serghei Nikolaevici

Elevii grupei 4B21:

Kondratenko A.I.

Proskurnikov G.V.

Dronov A.A.

Tomsk, 2015

Ţintă: faceți cunoștință, studiați și, de asemenea, obțineți abilități în analiza cu raze X a pulberilor.

Dispozitiv aparat cu raze X

Una dintre cele mai metode eficiente Studiul structurii substanțelor cristaline este radiografia.

Radiografia este împărțită în 2 tipuri:

1. Analiza prin difracție de raze X (XRD);

2. Analiza de fază cu raze X (XRF).

Prima metodă este cea mai generală și mai informativă și vă permite să determinați fără ambiguitate toate detaliile structurii cristaline (coordonate atomice etc.). Obiectul cercetării în RStA este un singur cristal. A doua metodă vă permite să identificați substanța și să determinați unii parametri ai structurii cristaline. Obiectele studiului XRF sunt probe policristaline.

Un aparat cu raze X este proiectat pentru a converti energia electrică în raze X. Structura unui aparat cu raze X depinde de funcția sa, dar în general constă dintr-o sursă de radiații, o sursă de alimentare, un sistem de control și periferice.

Cum funcționează un aparat cu raze X?

Dispozitivul este de obicei alimentat de la rețea curent alternativ la 126 sau 220 V. Cu toate acestea, unitățile moderne de raze X funcționează cu curent continuu la o tensiune semnificativ mai mare. În acest sens, sursa de alimentare include un transformator (sau un sistem de transformatoare) și un redresor de curent (uneori este posibil să nu existe redresor - dacă puterea dispozitivului este scăzută). Un generator de radiații este un tub cu raze X, unul sau mai multe.

Sistemul de control este un aparat de comutare, adică un panou de control care reglează funcționarea întregii instalații. În plus, aparatul include un trepied (sistem de trepiede) pe care este montat generatorul de radiații. Principiul de funcționare al instalației este următorul. Curentul alternativ de la rețea este furnizat înfășurării primare a transformatorului. O tensiune mai mare este îndepărtată din înfășurarea sa secundară și furnizată emițătorului direct (instalații cu semi-undă) sau printr-un redresor - kenotron. Încălzirea filamentului catodic al tubului cu raze X reglează funcționarea acestuia. În acest caz, nu mai mult de 1% din energia furnizată tubului este convertită în radiație, restul se transformă în căldură, în primul rând, anodul se încălzește. Pentru a evita deteriorarea acestuia din cauza supraîncălzirii, fie se folosesc materiale refractare (tungsten, molibden), fie se proiectează un sistem special de răcire (răcire cu apă, anod rotativ). Unitățile moderne de raze X sunt echipate cu dispozitive speciale pentru a stabiliza curentul și pentru a proteja emițătorul de suprasarcină. În plus, este instalat un sistem pentru a-i proteja pe alții de excesul de radiații (precum și de curentul de înaltă tensiune).

Dispozitiv cu tub cu raze X

Un tub cu raze X este un dispozitiv electric de vid cu o sursă de radiație electronică (catod) și o țintă în care aceștia sunt decelerati (anod). Tensiune înaltă pentru încălzirea catodului, acesta este alimentat printr-un cablu negativ de înaltă tensiune de la un transformator cu filament, care este situat în dispozitivul generator. Spirala încălzită a catodului, atunci când se aplică o tensiune înaltă tubului cu raze X, începe să emită un flux accelerat de electroni, apoi încetinesc brusc pe placa de wolfram a anodului, ceea ce duce la apariția X- razele.

Principiul de funcționare al tubului cu raze X

Figura 1 - Diagrama unui tub cu raze X pentru analiza structurala: 1 - cupa anodica metalica (de obicei impamantata); 2 – ferestre din beriliu pentru emisie de raze X; 3 – catod termoionic; 4 – balon de sticlă, izolând partea anodică a tubului de catod; 5 – bornele catodice, la care se alimentează tensiunea filamentului, precum și tensiunea mare (față de anod); 6 – sistem electrostatic de focalizare a electronilor; 7 – intrare (anti-catod); 8 – conducte pentru intrarea si iesirea apei curente care racesc sticla de admisie.

Zona anodului în care cad electronii se numește focar. Tuburile cu raze X moderne au de obicei două focus: mare și mic. La anod, peste 95% din energia electronilor este transformată în energie termală, încălzind anodul la 2000° sau mai mult. Din acest motiv, pe măsură ce durata expunerii crește, puterea admisă scade.

Tubul de diagnosticare cu raze X este plasat într-o carcasă de plumb, care este umplută cu ulei de transformator. Carcasa are găuri pentru conectarea cablurilor de înaltă tensiune și o fereastră de ieșire prin care iese fasciculul de radiații. Pentru a minimiza doza de radiație cu raze X în aparatele moderne cu raze X, de exemplu FMC, un dispozitiv de colimare este atașat la fereastra de ieșire. Pentru a preveni deteriorarea anodului tubului cu raze X, acesta din urmă trebuie să se rotească în acest scop, în partea inferioară a carcasei tubului cu raze X este plasat un dispozitiv de rotație a anodului.

La scurt timp după descoperirea lui V.-K. Raze X este un nou tip de radiație care a devenit activ utilizat în medicină în scopuri de diagnostic. Astfel, a luat naștere o nouă specialitate medicală, numită diagnosticul cu raze X. Noua radiație în sine, de natură electromagnetică, a fost numită raze X în Rusia și Germania, iar raze X (raze X) în țările vorbitoare de limbă engleză.

Proiectarea și principiul de funcționare a unui tub cu raze X

Radiația cu raze X apare în tubul cu raze X atunci când i se aplică o tensiune înaltă. Cel mai comun model modern Tubul cu raze X este aparat electric, constând din doi electrozi: un catod, realizat sub formă de spirală subțire, și un anod, sub formă de placă sau disc, care sunt etanșați într-un balon de sticlă vid. Astfel, există un spațiu fără aer între catod și anod. Deoarece procesul de producere a radiațiilor X implică încălzirea puternică a electrozilor, aceștia sunt fabricați structural din metal refractar (tungsten).

Înainte de aplicarea unei tensiuni ridicate la electrozi, catodul este încălzit curent puternic joasă tensiune (tensiune 6-14 V, curent 2,5-8 A). În acest caz, catodul începe să emită electroni liberi, care formează un așa-numit nor de electroni în jurul său, iar procesul de separare a electronilor de suprafața catodului se numește emisie de electroni.

Diagrama tubului cu raze X: 1 - catod, 2 - flux de electroni, 3 - punct focal anod, 4 - anod, 5 - motor pe axa anodului

Atunci când electrozilor se aplică o tensiune înaltă (de ordinul a zecilor și sutelor de kilovolți), electronii detașați de catod prin vid încep să se repezi la anod cu o viteză enormă. Întâlnind anodul în drum, electronii încep să lovească suprafața acestuia. În acest caz, electronii sunt decelerati și energia lor cinetică mare este transformată în energie undele electromagnetice Cu frecventa diferita, din care cea mai mare parte este disipată sub formă Radiație termala. O cantitate mică de energie generată din cauza decelerației electronilor de pe anod (aproximativ 1/1000) părăsește tubul de raze X sub formă de raze X. Astfel, radiația cu raze X este unda bremsstrahlung radiație electromagnetică. În acest caz, este îndreptat perpendicular pe axa mișcării electronilor în vidul tubului cu raze X. Acest lucru devine posibil datorită formei speciale a anodului, care are o suprafață teșită în punctul de contact cu electronii care intră pe el, numit punct focal. În plus, atunci când tubului cu raze X i se aplică o tensiune înaltă, anodul, realizat sub formă de disc, începe să se rotească cu frecventa inalta. Prin urmare, în momente diferite, fasciculul de electroni lovește diferite părți ale suprafeței sale, ceea ce protejează anodul de încălzirea excesivă, distribuind uniform sarcina termică pe suprafața sa.

Imagistica cu raze X

Principiul obținerii unei imagini cu raze X a organului studiat se bazează pe atenuarea (absorbția) neuniformă a unui fascicul de raze X pe măsură ce acesta trece prin țesuturi de densități diferite, iar radiația neuniform atenuată lovește sistemul receptor. (film cu raze X sau ecran fluorescent).

Toate imaginile de diagnostic obținute prin metode de imagistică medicală sunt împărțite în două grupe principale - analogice și digitale. Imagini analogice obținute pe film radiografic special sau pe ecrane fluorescente folosind metode clasice de diagnostic cu raze X (radiografie, fluoroscopie, fluorografie, tomografie liniară, tehnici prin contrast artificial).

Schema formării imaginii cu raze X din cauza atenuării inegale a radiațiilor X: 1 - sursa de raze X, 2 - corpul pacientului, 3 - film cu raze X, ecran fluorescent

Există imagini negative și pozitive ale aceluiași obiect (organe toracice). Organe și țesuturi cu densitate mare de raze X (oase, inimă, cupole ale diafragmei) pe imagini negative alb, iar pe cele pozitive - negru. Atunci când se analizează radiografiile, este, de asemenea, necesar să ne amintim prezența unui efect de sumare. Efectul de însumare constă în stratificarea imaginilor diferitelor organe și țesuturi situate de-a lungul trecerii fasciculului de raze X.