Для чего нужна рентгеновская трубка и как она работает?

Рентген-аппарат – что это такое

В зависимости от цели исследования, применяются разные типы рентген-аппаратов – ангиографы, флюорографы, маммографы и другие. Все эти рентген-установки объединяет общий принцип действия. Устройство преобразовывает электроэнергию от обычной электросети (некоторые приборы требуют большего напряжения, поэтому в систему включаются трансформатор и выпрямитель тока) в рентгеновское излучение.

Излучение генерируется в рентгеновской трубке. Оно проходит в заданном направлении – сквозь изучаемую зону человеческого тела. Требуемая информация об исследуемом объекте проецируется на фотоплёнку. Снимок выглядит как чёрно-белая негативная картинка. Оттенки на ней определяются свойствами Ro-лучей – они задерживаются плотными структурами и почти беспрепятственно проходят сквозь мягкие ткани. Характер расположения и интенсивности теней даёт возможность врачу оценить состояние исследуемого органа.

Для исследования разных участков нужны разные типы рентгеновских аппаратов. Их очень много. Вот самые распространённые.

• Ангиограф – прибор, с которым проводится исследование сосудов.
• Флюорограф – аппарат, предназначенный для рентгена лёгких человека. Обычно даёт данные в двух проекциях. Изображение проецируется на плёнку в уменьшенном масштабе.
• Рентгеновский маммограф. Из названия можно понять, что устройство помогает получить данные о состоянии молочных желез. Исследование, которое проводит врач, называется маммография.
• Палатный передвижной, в отличие от стационарного рентгенодиагностического аппарата, мобилен. С этим многофункциональным устройством работают в стационарах. Имеет относительно компактные размеры. Достоинство такого прибора – транспортабельность. Существуют передвижные и переносные установки.
• Дентальный рентген-аппарат. Прибор используется в стоматологии для просвета челюстей. Он позволяет выявлять повреждения и заболевания зубов и их непосредственное расположение в полости рта.
• Операционный рентгеновский аппарат. Устройство используется во время хирургических манипуляций, позволяет вовремя обнаруживать внутриполостные кровотечения и контролировать ход операции. Такие приборы дают высокую точность результатов и имеют большие габариты.
• Цифровой рентген. Это наиболее сложный тип рентгеновского аппарата. Все данные фиксируются не на плёнке, а на электронной матрице. Они попадают непосредственно на дисплей рабочей станции в режиме реального времени.

Полевые рентгенодиагностические аппараты

Предназначены для рентгенологического исследования раненых и больных в полевых условиях. Это достаточно мощные, сравнительно легкие и надежные в эксплуатации Р. а., обеспечивающие обследование больших контингентов пострадавших в различных климатических условиях. Отличительной особенностью полевых Р. а. является возможность их быстрой сборки и разборки без применения специальных инструментов (до 30 мин.), устойчивость к длительным транспортировкам, надежность защиты от неиспользованного и рассеянного рентгеновского излучения. Отечественные полевые рентгеновские аппараты РУМ-4 (РУМ-4м) и РУМ-24 выпускаются в ящичной укладке или в комплекте, размещаемом в кузове специального автомобиля (авторентген).

Рис. 8. Полевой рентгеновский аппарат РУМ-4: 1 — пульт управления; 2 — колонна универсального штатива; 3 — экранодержатель с экраном; 4 — моноблок с рентгеновской трубкой; 5 — поворотная опорная стенка штатива; 6 — основание штатива; 7 — съемная скамейка; 8 — защитная ширма; 9 — ножной включатель.

Аппарат РУМ-4м (рис.

Рис. 9. Полевой рентгеновский аппарат РУМ-24. Развернут для исследования раненых в вертикальном (а) и горизонтальном (6) положениях: 1 — моноблок с рентгеновской трубкой; 2 — опорная стенка поворотного стола-штатива; 3 — экраноснимочное устройство; 4 — колонна с кареткой; 5 — переносной пульт управления; 6 — основание стола-штатива; 7 — носилки; 8 — трехлопастной подэкранный фартук.

Аппарат РУМ-24 представляет собой более совершенную модель полевого рентгеновского аппарата (рис. 9). Имеет большую мощность при относительно небольших габаритах и простом управлении. Электрически безопасен. Для питания используют обычную электрическую сеть переменного тока или бензоэлек-трический агрегат. Конструкция Р. а. позволяет быстро осуществлять сборку и разборку его основных узлов. РУМ-24 состоит из моноблока, универсального штатива и пульта управления. Снабжен острофокусной рентгеновской трубкой с вращающимся анодом, оптическим центратором со щелевой диафрагмой и рент-геноэкспонометром. Рентгенол. исследование может быть выполнено в вертикальном, горизонтальном положениях и латеропозиции, а также непосредственно на носилках. Перемещение штатива из вертикального положения в горизонтальное и подача кассет для рентгенографии осуществляются автоматически. Достаточная мощность рентгеновской трубки позволяет получать хорошие снимки всех анатомических областей при относительно короткой выдержке. Краткая техническая характеристика отечественных полевых Р. а. представлена в табл. 3.

Рис. 10. Электрорентгенографический аппарат ЭРГА-МП (общий вид в рабочем положении). В транспортном положении аппарат размещают в укладочных ящиках, которые в рабочем положении являются тумбами стола.

Аппараты РУМ-4м и РУМ-24 могут эксплуатироваться с электроннооптическим усилителем типа УРИ-60 и УРИ-135, а также в комплексе с крупнокадровым флюорографом и полевьгм электрорентгенографическим аппаратом ЭРГА-МП, к-рый выполняется в виде приставки к Р. а. Предназначен для быстрого получения электрорентгенограмм в полевых и стационарных условиях (рис. 10). Состоит из трех блоков. Может развертываться на одном или двух рабочих местах. Общий вес (масса) аппарата в ящиках с расходным имуществом на 3000 электрорентгенограмм размером 300×400 мм составляет около 200 кг. Вес самого аппарата без упаковки — 53,2 кг. Может питаться от сети переменного однофазного тока или передвижной электростанции. Максимальная потребляемая мощность — 600 вт. В комплект входят специальные пластины, покрытые фотополупроводником (селеном), порошок для проявления, закрепитель изображения и писчая бумага. С одного снимка можно получить 3—4 оттиска, производительность аппарата 30 рентгенограмм в час. Использование аппарата позволяет существенно упростить и ускорить обследование раненых в полевых условиях.

Полевые Р. а. используются в лечебных учреждениях госпитальных баз. Их эксплуатация должна осуществляться в строгом соответствии с прилагаемыми к ним инструкциями. При этом гарантируется длительная безаварийная работа при массовом обследовании раненых и больных в полевых условиях.

Хранение Р. а. осуществляется, как правило, в сухих отапливаемых помещениях.

Транспортировка может производиться любыми видами транспорта при температуре окружающего воздуха от —60 до +60° с соблюдением установленных правил упаковки и обработки неокрашенных деталей защитными смазками.

Эффективность

Эффективность рентгеновской трубки определяется как количество облучения в миллирентгенах, доставленного в точку в центре полезного пучка на расстоянии 1 м от фокусного пятна на каждый 1 мАс электронов, проходящих через прибор. Ее значение выражает способность прибора преобразовывать энергию заряженных частиц в рентгеновское излучение. Позволяет определить экспозицию пациента и снимка. Как и КПД, эффективность устройства зависит от ряда факторов, в том числе KV, формы волны напряжения, материала анода и степени повреждения его поверхности, фильтра и времени использования прибора.

Влияние KV на спектр

Значение KV сильно влияет на характеристическое излучение, т. к. оно не будет производиться, если KV меньше энергии электронов K-уровня. Когда KV превышает это пороговое значение, количество излучения, как правило, пропорционально разности KV трубки и порогового KV.

Спектр энергий фотонов рентгеновского луча, выходящего из прибора, определяется несколькими факторами. Как правило, он состоит из квантов тормозного и характеристического взаимодействия.

Относительный состав спектра зависит от материала анода, KV и фильтра. В трубке с вольфрамовым анодом характеристическое излучение не образуется при KV< 69,5 кэВ. При более высоких значениях КВ, используемых в диагностических исследованиях, характеристическое излучение увеличивает суммарную радиацию до 25%. В молибденовых устройствах оно может составить большую часть общего объема генерации.

Преимущества методов рентгенологической диагностики. Цена процедур

Преимущества рентгенографии:

• легкость проведения исследования и его доступность;
• минимальные дозы ионизирующего облучения;
• для большей части рентгенографических методов диагностики не требуется подготовка;
• доступная цена.

Преимущества томографии, различные методы исследования:

• спиральная компьютерная томография (СКТ). Вид КТ, при котором стол томографа и источник рентгеновского излучения постоянно движутся относительно друг друга, сканирование объекта происходит по спирали;
• многосрезовая мультиспиральная томография (МСКТ). Новый вид КТ, позволяющий видеть работу органов в режиме реального времени;
• однофотонная эмиссионная КТ (ОФЭКТ). Метод основан на выявлении болезней с использованием радиоактивных меток;
• РКТ-метод информативнее рентгенографии, поскольку на мониторе отображается трехмерная модель органа, выделяются места с патологической структурой.

Существует заметная разница в цене на диагностические процедуры. Рентгенография в Москве обойдется в 300–1500 рублей. Цена томографии — 3000–6000 рублей, КТ с контрастированием — 10 000–15 000 рублей.

Аппараты для внутриротовой рентгенографии

Дентальный рентген проводят на аппаратах для интраоральной съемки, которые также делятся на несколько видов:

• Классические аппараты для рентгенографии – крепятся к стене кабинета или размещаются в нем на катающейся стойке.
• Портативные аппараты – переносные устройства, по внешнему виду напоминающие фотоаппарат.

Устройства для стоматологического рентгена различаются и частотой работы рентгеновской трубки – высокочастотные аппараты позволяют получать более качественные снимки.

Рентгеновская установка Planmeca Intra (Финляндия) обладает всеми необходимыми для полноценной диагностики функциями. Новейшие технологии рентгенографии и удобный дизайн делают настенный аппарат Planmeca Intra эффективным устройством для внутриротовой диагностики патологий зубочелюстной системы. Имеется возможность самостоятельной настройки нужных параметров – силы напряжения и времени экспозиции. Параметры изображения настраиваются автоматически в зависимости от диагностических целей. Устройство может работать совместно с цифровым датчиком.

Интраоральный передвижной рентгеновский аппарат FONA X70 от FONA Dentals.r.o. (Италия) представляет собой устройство, позволяющее получать классический дентальный рентгеновский снимок, работает в цифровом и пленочном режиме. Главной особенностью аппарата является высокая мощность, позволяющая получать четкие контрастные изображения. Устройство снабжено стабилизатором, защищающим от перегрева и перепада напряжения.

Панель управления аппарата простая в использовании, позволяет выбирать тип исследуемого зуба и телосложение обследуемого, после чего система автоматически производит настройку параметров сканирования. В программе имеется 6 настроенных схем, обеспечивающих высокое качество получаемых снимков.

Рентгеновская трубка устройство

Рентгеновская трубка — электровакуумный прибор с источником излучения электронов (катод) и мишенью, в которой они тормозятся (анод). Высоковольтное напряжение для разогревакатода подается через минусовой высоковольтный кабель с накального трансформатора, который находится вгенераторном устройстве. Накаленная спираль катода, при прикладывание к рентгеновской трубке высокого напряжения,начинает выбрасывать ускоряющийся потокэлектронов, а затем они резко тормозятся на вольфрамовой пластинке анода, что и приводит к появлениюрентгеновских лучей.

Принцип работы рентгеновской трубки

Рисунок 1 — Схема рентгеновской трубки для структурного анализа: 1 — металлический анодный стакан (обычно заземляется); 2 – окна из бериллия для выхода рентгеновского излучения; 3 – термоэмиссионный катод; 4 – стеклянная колба, изолирующая анодную часть трубки от катодной; 5 – выводы катода, к которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода) напряжение; 6 – электростатическая система фокусировки электронов; 7 – ввод (антикатод); 8 – патрубки для ввода и вывода проточной воды, охлаждающей вводный стакан.

Площадь анода, на которую попадают электроны, называют фокусом. В современных рентгеновских трубках обычно имеется два фокуса: большой и малый. В аноде свыше 95% энергии электронов превращается в тепловую энергию, нагревающую анод до 2000° и более. По этой причине с увеличением длительности экспозиции допустимая мощность снижается.

Рентгенодиагностическую трубку размещают в просвинцованном кожухе, который заполнентрансформаторным маслом. В кожухе имеются отверстиядля подсоеденения высоковольтных кабелей и выходное окно, через которое выводится пучок излучения. Для минимизации дозы рентгеновского излучения в современных рентгеновских аппаратах, например ФМЦ на выходном окне крепится устройство колимации. Для того, чтоб исключить появление на аноде рентгеновской трубки повреждений, последний должен вращаться, для этого внизу кожуха рентгеновской трубки размещается устройство вращения анода.

Применение [ править | править код ]

В медицине

Рентгенография применяется для диагностики: Рентгенологическое исследование (далее РИ) органов позволяет уточнить форму данных органов, их положение, тонус, перистальтику, состояние рельефа слизистой оболочки.

РИ желудка и двенадцатиперстной кишки (дуоденография) важно для распознавания гастрита, язвенных поражений и опухолей.
РИ желчного пузыря (холецистография) и желчевыводящих путей (холеграфия) проводят для оценки контуров, размеров, просвета внутри- и внепеченочных желчных протоков, наличие или отсутствие конкрементов, уточняют концентрационную и сократительную функции желчного пузыря.
РИ толстой кишки (ирригоскопия) применяется для распознавания опухолей, полипов, дивертикулов и кишечной непроходимости.
рентгенография грудной клетки — инфекционные, опухолевые и другие заболевания,
позвоночника — дегенеративно-дистрофические (остеохондроз, спондилёз, искривления), инфекционные и воспалительные (различные виды спондилитов), опухолевые заболевания.
различных отделов периферического скелета — на предмет различных травматических (переломы, вывихи), инфекционных и опухолевых изменений.
брюшной полости — перфорации органов, функции почек (экскреторная урография) и другие изменения.
Метросальпингография — контрастное рентгенологическое исследование полости матки и проходимости фаллопиевых труб.
зубов — ортопантомография
РИ молочной железы — маммография

В технике и технологии

Рентгенография — один из важнейших видов неразрушающего контроля. Применяется в процессе производства и эксплуатации для контроля:

• Отливок и поковок на наличие трещин, газовых и усадочных раковин;
• Сварочных швов на наличие непроваров, тепловых и механических трещин, включений шлака, раковин;
• Несущих конструкция, валов, осей, корпусов на наличие внутренних трещин и изломов;
• Неразборных или трудноразборных машин и механизмов на правильность взаимного расположения элементов их целостности и наличия необходимых зазоров;
• Железобетона на наличие пустот, трещин смещения или разрушения арматуры и закладных элементов;
• Металлургических печей в процессе работы на образование отложений на внутренних поверхностях;
• Различных металлических деталей на предмет обнаружения непредусмотренных конструкцией или умышленно замаскированных сварочных швов, отверстий и полостей, заполненных иными материалами. В частности для выявления факта замены маркировочной надписи, содержащей VIN на кузове автомобиля.

В криминалистике

• Исследования внутренней структуры предметов;
• Исследование деталей автомобилей или оружия на предмет изменения маркировки (в последние годы заменяется другими методами анализа);
• Судебно-медицинские исследования.

В реставрации и экспертизе художественных ценностей

• Исследования «почерка» художника;
• Исследования следов восстановления полотна;
• Исследования скрытых изображений (при повторном использовании холста);

Что такое, кто и как открыл рентген лучи

Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны, энергия фотонов которых на шкале электромагнитных волн находится между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением (от ~10 эВ до ~1 МэВ), что соответствует длинам волн от ~10^3 до ~10^−2 ангстрем (от ~10^−7 до ~10^−12 м). То есть это несравнимо более жесткое излучение, чем видимый свет, который находится на этой шкале между ультрафиолетом и инфракрасными (“тепловыми”) лучами.

Граница между рентгеном и гамма-излучением выделяется условно: их диапазоны пересекаются, гамма-лучи могут иметь энергию от 1 кэв. Различаются они по происхождению: гамма-лучи испускаются в ходе процессов, происходящих в атомных ядрах, рентгеновские же – при процессах, идущих с участием электронов (как свободных, так и находящихся в электронных оболочках атомов). При этом по самому фотону невозможно установить, в ходе какого процесса он возник, то есть деление на рентгеновский и гамма-диапазон во многом условно.

Рентгеновский диапазон делят на “мягкий рентген” и “жесткий”. Граница между ними пролегает на уровне длины волны 2 ангстрема и 6 кэв энергии.

Генератор рентгеновского излучения представляет собой трубку, в которой создан вакуум. Там расположены электроды – катод, на который подается отрицательный заряд, и положительно заряженный анод. Напряжение между ними составляет десятки-сотни киловольт. Генерация рентгеновских фотонов происходит тогда, когда электроны “срываются” с катода и с высочайшей скоростью врезаются в поверхность анода. Возникающее при этом рентгеновское излучение называется “тормозным”, его фотоны имеют различную длину волны.

Одновременно происходит генерация фотонов характеристического спектра. Часть электронов в атомах вещества анода возбуждается, то есть переходит на более высокие орбиты, а потом возвращается в нормальное состояние, излучая фотоны определенной длины волны. В стандартном генераторе возникают оба типа рентгеновского излучения.

История открытия

8 ноября 1895 года немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген обнаружил, что некоторые вещества под воздействием “катодных лучей”, то есть потока электронов, генерируемого катодно-лучевой трубкой, начинают светиться. Он объяснил это явление воздействием неких X-лучей – так (“икс-лучи”) это излучение и сейчас называется на многих языках. Позже В.К. Рентген изучил открытое им явление. 22 декабря 1895 года он сделал доклад на эту тему в Вюрцбургском университете.

Позже выяснилось, что рентгеновское излучение наблюдалось и ранее, но тогда связанным с ним феноменам не придали большого значения. Катодно-лучевая трубка была изобретена уже давно, но до В.К. Рентгена никто не обращал особого внимания на почернение фотопластинок вблизи нее и т.п. явления. Неизвестна была и опасность, исходящая от проникающей радиации.

Спектр

Лишь немногие фотоны обладают энергией, близкой к энергии электронов. У большинства из них она ниже. Предположим, что существует пространство, или поле, окружающее ядро, в котором электроны испытывают силу «торможения». Это поле может быть разделено на зоны. Это дает полю ядра вид мишени с атомом в центре. Электрон, попадающий в любую точку мишени, испытывает торможение и генерирует рентгеновский фотон. Частицы, попадающие ближе всего к центру, подвергаются наибольшему воздействию и, следовательно, теряют больше всего энергии, производя самые высокоэнергичные фотоны. Электроны, попадающие во внешние зоны, испытывают более слабые взаимодействия и генерируют кванты с более низкой энергией. Хотя зоны имеют одинаковую ширину, что они имеют разную площадь, зависящую от расстояния до ядра. Так как число частиц, попадающих на данную зону, зависит от ее общей площади, то очевидно, что внешние зоны захватывают больше электронов и создают больше фотонов. По этой модели можно предсказать энергетический спектр рентгеновского излучения.

E_max фотонов основного спектра тормозного излучения соответствует E_max электронов. Ниже этой точки, с уменьшением энергии квантов их число растет.

Значительное число фотонов с малыми энергиями поглощается или фильтруется, поскольку они пытаются пройти через поверхность анода, окно трубки или фильтр. Фильтрация, как правило, зависит от состава и толщины материала, через который проходит луч, что и определяет конечный вид низкоэнергетической кривой спектра.

Рентген-аппарат

Рентгеновские аппараты – это устройства, которые применяются не только в диагностических и лечебных целях в медицине, но и в различных областях промышленности (дефектоскопы), а также в других сферах жизни человека.

Устройство рентгеновского аппарата:

• трубки-излучатели (лампа) — одна или несколько штук;
• питающее устройство, которое питает аппарат электроэнергией, и регулирует параметры радиации;
• штативы, которые облегчают управление устройством;
• преобразователи рентгеновского излучения в видимое изображение.

Рентгеновские аппараты делятся на несколько групп в зависимости от того, как они устроены и где используются:

• стационарные – ими, как правило, оборудованы кабинеты в рентгенологических отделениях и поликлиниках;
• мобильные – предназначены для использования в отделениях хирургии и травматологии, в палатах интенсивной терапии и амбулаторно;
• переносные, дентальные (используются стоматологами).

При прохождении сквозь человеческое тело рентгеновские лучи проецируются на пленке. Однако угол отражения волн может быть различным и это сказывается на качестве изображения. На снимках лучше всего видны кости – ярко-белого цвета. Это связано с тем, что кальций больше всего поглощает рентгеновские лучи.

Характеристическое излучение

Тип взаимодействия, который производит характеристическое излучение, включает столкновение высокоскоростных электронов с орбитальными. Взаимодействие может происходить только тогда, когда входящая частица обладает Е_к большей, чем энергия связи в атоме. Когда это условие соблюдено, и происходит столкновение, электрон выбивается. При этом остается вакансия, заполняемая частицей более высокого энергетического уровня. По мере движения электрон отдает энергию, излучаемую в виде рентгеновского кванта. Это называется характеристическим излучением, так как E фотона является характеристикой химического элемента, из которого сделан анод. Например, когда выбивается электрон К-уровня вольфрама с Е_связи=69,5 кэВ, вакансия заполняется электроном из L-уровня с E_связи=10,2 кэВ. Характеристический рентгеновский фотон обладает энергией, равной разности между этими двумя уровнями, или 59,3 кэВ.

На самом деле, данный материал анода приводит к появлению ряда характеристических энергий рентгеновского излучения. Это происходит потому, что электроны на различных энергетических уровнях (K, L и т.д.) могут быть выбиты бомбардирующими частицами, а вакансии могут быть заполнены из различных энергетических уровней. Несмотря на то что заполнение вакансий L-уровня генерирует фотоны, их энергии слишком малы для использования в диагностической визуализации. Каждой характеристической энергии дается обозначение, которое указывает на орбиталь, в которой образовалась вакансия, с индексом, который показывает источник заполнения электрона. Индекс альфа (α) обозначает заполнение электрона из L-уровня, а бета (β) указывает на заполнение из уровня М или N.

• Спектр вольфрама. Характеристическое излучение этого металла производит линейный спектр, состоящий из нескольких дискретных энергий, а тормозное создает непрерывное распределение. Число фотонов, созданных каждой характеристической энергией, отличается тем, что вероятность заполнения вакансии K-уровня зависит от орбитали.
• Спектр молибдена. Аноды из данного металла, используемые для маммографии, производят две достаточно интенсивные характеристические энергии рентгеновского излучения: K-альфа при 17,9 кэВ, и K-бета при 19,5 кэВ. Оптимальный спектр рентгеновских трубок, позволяющий достичь наилучший баланс между контрастностью и дозой облучения для груди среднего размера, достигается при Е_ф=20 кэВ. Однако тормозное излучение производится большими энергиями. В оборудовании для маммографии для удаления нежелательной части спектра используется молибденовый фильтр. Фильтр работает по принципу «K-края». Он поглощает излучение, превышающее энергию связи электронов на К-уровне атома молибдена.
• Спектр родия. Родий имеет атомный номер 45, а молибден – 42. Поэтому характеристическое рентгеновское излучение родиевого анода будет иметь немного большую энергию, чем у молибдена, и более проникающую. Это используется для получения изображений плотной груди.

Аноды с двойными участками поверхности, молибден-родиевыми, дают возможность оператору выбрать распределение, оптимизированное под молочные железы разного размера и плотности.