Формирование рентгеновского излучения лекция

Формирование рентгеновского излучения лекция № 3

Основные свойства рентгеновского излучения Рентгеновское излучение - это коротковолновое электромагнитное излучение, возникающее при торможении электронов высоких энергий в веществе анода, на который они попадают. В спектре электромагнитных излучений рентгеновское излучение занимает место между ультрафиолетовым излучением и “жестким” - излучением. При торможении в веществе анода электроны большую часть своей энергии расходуют на нагрев анода и лишь малая доля порядка (1%) превращается в энергию рентгеновского излучения. Образовавшееся излучение делится на два вида: тормозное, имеющее непрерывный спектр энергий, и характеристическое, с дискретными длинами волн, возникающее при переходе электронов атомов вещества анода с одного энергетического уровня на другой под воздействием внешних электронов или квантов излучения.

В рентгенодиагностике чаще всего используется тормозное излучение. Для точечного источника рентгено ского излучения установлено, что интенсивность убывает пропорционально квадрату расстояния до источника (так называемый закон обратных квадратов). Зависимость интенсивности тормозного излучения, выходящего из анода трубки, от напряжения U a и тока I a рентгеновской трубки выражается следующим образом: где К - коэффициент пропорциональности зависящий от материала анода, чистоты его поверхности; R - расстояние до фокуса трубки. Со стороны коротких длин волн непрерывный спектр тормозного излучения имеет границу, соответствующую предельной энергии электрона, т. е. самое жесткое излучение в спектре, испускаемом анодом трубки соответствует тому случаю, когда вся энергия электрона при торможении превращается в энергию излучения.

Несмотря на то что рентгеновское излучение, как и всякое электромагнитное излучение, имеет волновую природу, для ряда представлений удобно ввести понятие о квантах или фотонах рентгеновского излучения, т. е. об отдельных порциях энергии излучения. Если заряд электрона е, а разность потенциалов электрического поля, в котором он разгоняется, Ua то максимальная энергия образованного рентгеновского кванта равна их произведению. Наряду с этим между длиной волны рентгеновского кванта o и его энергией существует зависимость: где h - постоянная Планка, с - скорость света. Если подставить численные значения h и с в формулу, то можно получить для максимальной длины волны о: где Ua - выраженное в киловольтах напряжение на трубке.

Со стороны длинных волн спектр тормозного излучения теоретически бесконечен, а практически ограничен поглощением длинноволнового излучения в промежуточных средах рентгеновского излучателя. При повышении напряжения между электродами рентгеновской трубки как коротковолновая граница спектра, так и весь спектр смещаются в сторону более коротких волн. Говорят, что излучение становится “жестче”. В рентгенодиагностической практике очень часто пользуются терминами “жесткий” и “мягкий” применительно к рентгеновскому излучению. Этим терминам невозможно дать точное определение, следует сказать лишь, что диапазон напряжения от 20 до 90 к. В соответствует “мягкому” излучению, излучение в диапазоне от 90 до 150 к. В (и выше, если используется более высокое напряжение для целей диагностики, что происходит достаточно редко) считается “жестким”. Спектр тормозного излучения также смещается в сторону более высоких энергий (излучение “ужесточается”) при прохождении его через фильтрующую среду. Это становится понятным, если вспомнить, что мягкие составляющие спектра излучения сильнее поглощаются фильтром, чем более жесткие. Из сказанного ясно, что качество излучения однозначно определить какой-нибудь одной величиной. Мы видели, например, что энергетический спектр зависит от напряжения на рентгеновской трубке, но он также зависит от материала анода и от фильтрующих свойств промежуточных сред.

Для характеристики проникающей способности излучения в данной среде ввели понятие линейного коэффициента ослабления , который показывает относительное уменьшение интенсивности излучения на единицу толщины поглотителя и имеет размерность см-1. Если бы тормозное излучение имело только одну длину волны, т. е. являлось моноэнергетическим, было бы справедливо следующее отношение между интенсивностью вышедшего из трубки J o и J n прошедшего через заданный объект излучения: где x- толщина поглотителя; е - основание натурального логарифма, равное 2, 71.

Коэффициент зависит от длины волны моноэнергетического излучения, а также от плотности материала поглотителя. Чем больше плотность вещества, тем больше . Часто пользуются так называемым массовым коэффициентом ослабления m , равным отношению линейного коэффициента ослабления к плотности вещества поглотителя : Удобно, что значение m не зависит от плотности вещества и определяется лишь энергией излучения. Массовый коэффициент ослабления имеет размерность сантиметр в квадрате на грамм (см 2/г).

Поскольку, как уже говорилось, тормозное излучение всегда содержит кванты различной энергии, обладающие различной проникающей способностью, выражение для тормозного излучения непригодно. Для этого случая пользуются так называемыми эффективными значениями длины волны эф , энергии W эф коэффициента ослабления эф. Так, эффективной длиной волны тормозного излучения называется длина волны такого моноэнергетического излучения, которое в такой же степени ослабляется данным поглотителем, что и тормозное излучение. Эффективной энергией тормозного излучения Wэф называется выраженная в килоэлектронвольтах энергия такого моно- энергетического излучения, которая обладает той же проникающей способностью, что и тормозное излучение. Нефильтрованное рентгеновское излучение имеет эффективную энергию, примерно в 2 раза с небольшим меньшую, чем энергия электронов. Например, при напряжении на рентгеновской трубке 40 к. В энергия электронов равна 40 кэ. В, а эффективная энергия излучения составляет примерно 18 кэ. В.

Эффективная энергия зависит от качества поверхности анода, на которую падают электроны, от толщины и свойств стекла трубки, выходного окна и толщины масла между трубкой и выходным окном. На практике для качественной оценки рентгеновского излучения удобно пользоваться таким понятием, как слой половинного ослабления 1/2. Слоем половинного ослабления называется толщина данного поглотителя, которая ослабляет интенсивность падающего на него излучения в 2 раза. Так, например, слой половинного ослабления для рентгеновского излучения при постоянном напряжении на рентгеновской трубке 60 к. В составляет 1 мм Аl или 10 мм воды.

Если излучение прошло через слой половинного ослабления поглотителя, то оно, как уже говорилось, стало жестче, а значит, второй слой половинного ослабления окажется толще, чем первый. Для оценки степени энергетической неоднородности спектра излучения иногда используют такое понятие, как второй, третий слои половинного ослабления. В рассматриваемом примере второй слой половинного ослабления составит для алюминия 1, 75 мм, для воды - 15, 3 мм, третий слой - 2, 7 мм Al или 20 мм воды. Чем больше отличается второй слой половинного ослабления от первого, тем более неоднороден спектр излучения. Для моноэнергетического излучения, естественно, второй слой половинного ослабления равен первому. При напряжении на рентгеновской трубке 80 к. В и фильтре 20 мм Al излучение становится почти моноэнергетическим. Слой половинного ослабления при этом составляет примерно 7 мм Al. Следует запомнить, что именно при таком излучении принято оценивать основные параметры качества рентгеновского изображения, о которых будет говориться далее.

Зависимость между напряжением и током трубки и интенсивностью излучения, прошедшего через объект исследования, может быть выражена формулой: где K 2 - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала анода, свойств поглотителя; n - коэффициент, зависящий от свойств поглотителя. Для условий рентгенодиагностики его часто принимают равным 5. В рентгенодиагностических аппаратах максимальное значение напряжения U a на трубке определяет максимальную энергию генерируемого излучения, а среднее значение тока трубки I a определяет дозу излучения. Оно легко измеряется приборами и может быть использовано при оценке протекающего через трубку количества электричества Q: Поэтому далее всегда будет идти речь о максимальном значении напряжения U a и среднем значении тока I a , если другие значения не оговариваются особо.

Поток энергии излучения F - это энергия излучения, проникающего через данную поверхность за единицу времени. Единицей потока энергии в системе СИ является джоуль в секунду (Дж/с) или ватт (Вт). Отношение потока энергии к площади S, через которую он проникает, называют интенсивностью излучения J: Единицей интенсивности в системе СИ является ватт на квадратный метр (Вт/м 2). Важнейшим понятием является доз характеризующая излучение по его взаимодействию с веществом. Поглощенной дозой излучения D n называется отношение энергии излучения W, поглощенной в некотором объеме вещества, к массе этого объема m.

Единицей поглощенной дозы в системе СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг). Практическое распространение имеет внесистемная единица рад, которая равна 100 эрг на 1 г: 1 рад = =100 эрг/г = 0, 01 Дж/кг. Мощность поглощенной дозы Р есть поглощенная доза в единицу времени: Соответственно единицей мощности дозы является рад в секунду (рад/с) или джоуль на килограмм в секунду (Дж/кг с). Интегральной поглощенной дозой Dинт называется полное количество поглощенной в данной облучаемой массе энергии: соответственно мощность интегральной поглощенной дозы Pинт равна:

Поглощенная доза ионизирующего излучения, или доза излучения (D) или керма (кинетическая энергия излучения переданная данному материалу) служит для колическтвенной оценки энергии ионизирующего излучения. Единица дозы излучения 1 грей (Гр) - это такая поглощенная доза, при которой энергия в 1 Дж ионизирующего излучения любого вида передается облучаемому веществу массой 1 кг. Для оценки воздействия излучения на биологическую ткань введено понятие эквивалентной дозы (H). Эквивалентная доза - произведение поглощенной дозы излучения в биологической ткани на коэффициент качества К этого излучения в данном элементе биологической ткани Единицей эквивалентной дозы является Зиверт - Зв, эквивалентная доза, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани на коэффициент количества равна 1 Дж/кг.

Эффективная доза (Нэф) - это условное понятие, характеризующее риск отдаленных последствий при неравномерном облучении организма или его части. Иными словами эффективная доза - это такая поглощенная доза равномерного облучения, которая приводила бы к такому же риску отдаленных последствий, что и данное неравномерное. Относительный риск облучения отдельного органа оценивается с помощью специального взвешивающего фактора т. Таким образом эффективная доза определяется как сумма от эффективных доз, полученных каждым органом где Нт - эквивалентная доза т органа Нт = Дт К, Дт - тканевая доза органа. Такое сложное определение эквивалентной дозы в большой степени зависит от значения взвешивающего фактора каждого органа, а также от количества органов, принятых во внимание при расчете.

В связи с трудностями измерения непосредственно поглощенной дозы вводят понятие экспозиционной дозы, определяемой по степени ионизации вещества под воздействием излучения, поскольку ионизацию, характеризующуюся появлением электрического заряда, легко измерить. В системе СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). До настоящего времени гораздо чаще используется внесистемная единица - рентген (Р). Доза в 1 Р - это такая доза рентгеновского излучения, которая создает 2, 083 109 пар ионов в 1 см 3 сухого воздуха при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. 1 Р = 2, 58 10 -4 Кл/кг Мощность экспозиционной дозы измеряется соответственно в амперах на килограмм (А/кг) или в рентгенах в секунду (Р/с).

Для связи мощности экспозиционной дозы Р эксп и интенсивности излучения J вводят так называемый коэффициент электронного преобразования к: Р= к J Коэффициент к постоянен для моноэнер- гетического излучения данной энергии и сложным образом зависит от спектра немоноэнергетического излучения.

Для общей ориентации следует привести такие примеры. Мощность экспозиционной дозы при кожно-фокусном расстоянии 50 см, напряжении 80 к. В, токе 3 м. А, толщине алюминиевого фильтра 1 мм составляет для трехфазного аппарата примерно 0, 2 -0, 3 Р/с. Экспозиционная доза при кожно-фокусном расстоянии 100 см, напряжение 80 к. В, токе 100 м. А и времени экспозиции 1 с, при фильтре 1 мм Аl для трехфазного аппарата составляет примерно 2, 5 Р. Как мощность экспозиционной дозы, так и экспозиционная доза при рентгенодиагностическом исследовании определяются чувствительностью приемника излучения и геометрией исследования. Основная задача всей сложной рентгенодиагностической техники состоит в том, чтобы обеспечить высококачественное проведение исследования при минимальной мощности экспозиционной дозы или экспозиционной дозе.

Рентгеновский излучатель В рентгенодиагностике применяются излучатели двух типов: излучатель в виде защитного кожуха с рентгеновской трубкой стационарного аппарата и излучатель в виде моноблока. Защитный кожух представляет собой отрезок металлической трубы, в котором закреплена рентгеновская трубка и предусмотрены отверстия для присоединения высоковольтных кабелей и окно, через которое выходит рабочий пучок излучения. Рентгеновскую трубку устанавливают в кожух с одного из торцов и центрируют с помощью специального приспособлений так, чтобы фокус располагался во возможности точно в центре выходного окна. Только при правильном центрировании трубки в излучателе достигается высокое качество рентгеновского изображения. Центрирование трубки производят либо на заводе, поставляющем излучатель, либо на месте эксплуатации аппарата при его установке или смене трубки. Для облегчения центрации положение фокуса отмечают на стекле рентгеновской трубки черной точкой. Моноблок отличается от кожуха тем, что, кроме перечисленных выше элементов, он содержит высоковольтный трансформатор, выпрямители и трансформатор накала. Моноблочная конструкция позволяет обойтись без высоковольтных кабелей и разъемов, благодаря чему экономятся масса и габариты. Обслуживание упрощается, поскольку исключается довольно трудоемкий процесс присоединения и отсоединения высоковольтных кабелей.

Рентгенодиагностические излучатели в виде защитного кожуха. а - защитный кожух РИД-1 с рентгеновской трубкой; б - моноблок с рентгеновской трубкой, высоковольтным трансформатором и выпрямителями. 1 - корпус излучателя; 2 - выходное окно; 3 - статор вращения анода; 4 - рентгеновская трубка; 5 - маслорасширитель; 6 - высоковольтные стаканы; 7 - высоковольтный трансформатор; 8 - трансформатор накала рентгеновской трубки.

Основным элементом излучателя любого типа является рентгеновская трубка. Различают рентгеновские диагностические трубки с неподвижным и вращающимся анодом. В трубке второго типа анод имеет форму диска и на своем хвостовике цилиндрический ротор, закрепленный в подшипниках. Статор двигателя охватывает горловину трубки снаружи. Ротор приводится во вращение при подаче на обмотки статора переменного напряжения частотой 50 Гц для скорости 3000 об/мин или 150 Гц для скорости 9000 об/мин. Трубки с вращающимся анодом имеют фокусы значительно меньших размеров, чем трубки с неподвижным анодом, при одной и той же мощности, поэтому во всех стационарных аппаратах и в большинстве передвижных аппаратов используются только трубки с вращающимся анодом. Трубки с неподвижными анодами сохранились еще в дентальных аппаратах, моноблочных маломощных передвижных и переносных аппаратах и в вычислительных томографах для исследования черепа.

Рентгеновская трубка с вращающимся анодом. 1 - стеклянный баллон; 2 - ротор анода; 3 - диск анода; 4 -центральная часть; 5 - Фокусное пятно анода; 6 - спираль накала; 7 - фокусирующая система катода; 8 – поток электронов; 9 – поток рентгеновских квантов.

На рисунке приведены графики зависимостей допустимой мощности Р доп и энергии W доп от выдержки для отечественной трубки 14 -30 БД 10 -150 на 3000 об/мин при разных фокусах. Эти зависимости построены для случая, когда трубка перед включением была холодной. Допустимые мощность и энергия рентгеновской трубки. Сплошная линия - трехфазный или среднечастотный аппарат, пунктирная линия - однофазный аппарат. 1 -4 - допустимая мощность Рдоп для большого (1, 2) и малого (3, 4) фокуса, 5 - 8 - допустимая энергия Wдоп для большого (5, 6) и малого (7, 8) фокуса.

Мощность Р рентгенодиагностического аппарата рассчитывают по формуле: где f - коэффициент мощности, равный для однофазных аппаратов 0, 75, а для трехфазных и среднечастотных 1, 0; U а - максимальное значение напряжения на трубке; Iа - среднее значение тока трубки.

Изменение видимых размеров фокуса и интенсивности излучения в зависимости от угла падения рабочего пучка излучения. а - изменение размеров фокуса; б - изменение интенсивности излучения; 1 - новая трубка; 2 - трубка после выработки ресурса (10000 включений).

Изменение интенсивности излучения в плоскости приемника, вызванное различным расстоянием от фокуса. а - взаимное расположение фокуса и приемника излучения; б - изменение интенсивности излучения.

Основные правила работы с излучателем. 1. Не допускайте перегрева трубки и излучателя! 2. Следите, чтобы фактическая мощность трубки не превышала допустимой, приведенной в паспорте! 3. Используйте для уменьшения геометрической нерезкости возможно меньший фокус! 4. Старайтесь всегда устанавливать минимальное время выдержки и максимальное значение тока. Это особенно важно при снимках движущихся органов.

Рентгеновское питающее устройство Рис. 6 Блок-схема современного рентгенодиагностического аппарата. РН - регулятор напряжения (инвертор частоты); Т - тиристорный коммутатор; ГТ - главный повышающий трансформатор; В - выпрямители; РТ - рентгеновская трубка; РВ - реле времени; ТН - трансформатор накала; БН - блок задания тока накала; БЭ - блок экспонометра; О - объект исследования; РЭ - камера рентгеновского экспонометра; П - пленка; УРИ - усилитель рентгеновского изображения; ТП - телевизионная передающая матрица.

По типу схемы выпрямления аппараты делят на однофазные (однополупериодные и двухпо- луперидные), трехфазные (шести- и двенадцати- вентильные ) и с преобразованием частоты (средне или высокочастотные). В однополупериодных аппаратах выпрями- тели отсутствуют, а функции выпрямления выполняет рентгеновская трубка, которая пропускает ток только в одном направлении.

Форма напряжения на рентгеновской трубке и интенсивность рентгеновского излучения для полуволновой схемы выпрямления. Vc - напряжение сети; Vрт - напряжение на трубке; Т - тиристорный контактор; ГТ -главный трансформатор; РТ - рентгеновская трубка; Jo - интенсивность излучения выходящего излучателя; Jn - интенсивность излучения, прошедшего через объект исследования; t - время.

Форма напряжения на рентгеновской трубке и интенсивность рентгеновского излучения при однофазной мостовой схеме выпрямления. Vc - напряжение сети; Vрт - напряжение на трубке; В - выпрямитель; Т - тиристорный контактор; ГТ -главный трансформатор; РТ - рентгеновская трубка; Jo - интенсивность излучения выходящего излучателя; Jn - интенсивность излучения, прошедшего через объект исследования; t - время

Форма напряжения на рентгеновской трубке и интенсивность рентгеновского излучения при трехфазной мостовой схеме выпрямления. Vc - напряжение сети; Vрт - напряжение на трубке; В - выпрямитель; Т - тиристорный контактор; ГТ -главный трансформатор; РТ - рентгеновская трубка; Jo - интенсивность излучения выходящего излучателя; Jn - интенсивность излучения, прошедшего через объект исследования; t - время

Форма напряжения на рентгеновской трубке Ua и интенсивность излучения Jn при частотном инвертировании. ИЧ-инвертор частоты, превращающий выпрямленное выпрямителем В 1 напряжение питающей сети Uc в напряжение высокой частоты. Vc - напряжение сети; Vрт - напряжение на трубке; В - выпрямитель; Т - тиристорный контактор; ГТ -главный трансформатор; РТ - рентгеновская трубка; Jo - интенсивность излучения выходящего излучателя; Jn - интенсивность излучения, прошедшего через объект исследования; t - время

Устройства формирования рентгеновского излучения Диафрагмы содержат четыре или более подвижных шторок, механизм их попарного согласованного перемещения, фильтры излучения, световой имитатор пучка излучения, корпус и рукоятки перемещения шторок. Известны диафрагмы двух видов: плоские, имеющие две пары шторок, и объемные с числом пар шторок более двух. Взаиморасположение шторок выбирают таким, чтобы уменьшить габаритные размеры и уменьшить долю афокального и рассеянного излучения, проходящего через диафрагму. На фокусном расстоянии Z при одной и той же величине фокуса нерезкость Н от шторок диафрагмы на краю поля облучения будет тем меньше, чем больше расстояние А: при А 1 А 2 поэтому в объемных диафрагмах величина этой нерезкости меньше. К того, уменьшение ширины нижних шторок, по которым определяют величину нерезкости , приводит к уменьшению габаритов корпуса диафрагмы. Шторки диафрагмы для штативов снимков перемещаются оператором за рукоятки Р снаружи корпуса. При использовании диафрагм в других штативах предусматривается дистанционное перемещение либо тросами в оболочках, либо электромеханически. В современных диафрагмах последнему способу отдается предпочтение.

Фильтры излучения предназначены для полного или частичного поглощения преимущественно длинноволновой части спектра рентгеновского излучения. Применяют алюминиевые, медные железные, комбинированные фильтры, например, медные на алюминиевой подложке. Фильтры вводят в прямой пучок перпендикулярно к центральному лучу до или после устройства для коллимации. Подобный фильтр по существу является дополнительным к собственным фильтрам излучателя и рентгеновской трубки, поэтому его толщину подбирают с учетом собственных фильтров. Плоские фильтры работают равномерно по всему сечению пучка. Клиновидные и фигурные фильтры по- разному поглощают излучение в разных точках сечения пучка, что дает возможность локально изменять интенсивность входного (до объекта) и выходного (после объекта) излучения и компенсировать перепады интенсивности, создаваемые объектом. Наибольшее применение нашли плоские фильтры из алюминия, вставляемые в прямой пучок на входе диафрагмы. Вставные фильтры изготавливают в виде пластин размером (80 -100) х (100 -120) мм разной толщины. Обозначение алюминиевого эквивалента выбивается на фланцах пластины.

Изменение спектра рентгеновского излучения при работе с алюминиевым фильтром. 1 - нефильтрованное излучение; 2 - спектр излучения, прошедшего фильтр 2 мм А 1; 3 - спектр излучения, прошедшего фильтр 5 мм А 1. По оси абсцисс - относительная длина волны излучения; по оси ординат - относительная интенсивность излучения, %.

Растры. К устройствам фильтрации рентгеновского излучения относят растры, которые вводят в прямой пучок для избирательного поглощения рассеянного излучения. Растр представляет собой пластину, составленную из чередующихся прозрачных и малопрозрачных для излучения (обычно свинцовых) ламелей. Плоскости ламелей направлены на определенную точку в пространстве, с которой при использовании растра совмещают фокус излучателя. Первичный пучок излучения с некоторой потерей пропускается растром, а рассеянное объектом и произвольно направленное излучение задерживается малопрозрачными ламелями. Способность растра отсеивать или задерживать рассеянное излучение характеризуется отношением высоты малопрозрачных ламелей к промежутку между ними. Другими важными параметрами растра, связанными с отношением, являются число ламелей на 1 см и их толщина. Эффективность растра тем выше, чем больше отношение. Прозрачность его тем больше, чем тоньше малопрозрачные ламели и чем меньше толщина растра. Наиболее распространены растры с отношением 6 и 8 при напряжении генерирования излучения до 100 к. В, с отношением 10 и более при напряжении свыше 100 к. В. Чем выше величина отношения, тем точнее требуется выдерживать фокусное расстояние. Растры размещают перед рентгенографической кассетой или другими приемником излучения. В устройствах для рентгенографии растрам придают возможность перемещаться при выдержке. В кассетах для переносных или передвижных аппаратов растр монтируют в их передние стенки, и он остается в этом случае неподвижным. К устройствам для формирования рентгеновского излучения относятся экспонометры, ограничивающие излучение во времени.

Работа рентгеновского отсеивающего растра. И - излучатель; Д - диафрагма; О - объект; Р - растр; КР - рентгенографическая кассета; Р - расстояние фокус-пленка; Т - толщина растра; 1 - расстояние между ламелями, отношение растра т = ТД. Стрелками показаны направления рассеянного излучения, задерживаемого растром.

Отсеивающие растры отечественного производства с 35 ламелями на 1 см. 1 -растр с отношением 6 и фокусным расстоянием 1 м; 2 -растр с отношением 12 и фокусным расстоянием 1 м; 3 -растр с отношением 6 и фокусным расстоянием 0, 7 м.