Les rayons X sont créés en convertissant l'énergie des électrons en photons, ce qui a lieu dans un tube à rayons X. La quantité (exposition) et la qualité (spectre) du rayonnement peuvent être ajustées en modifiant le courant, la tension et la durée de fonctionnement de l'appareil.
Principe de fonctionnement
Les tubes à rayons X (la photo est donnée dans l'article) sont des convertisseurs d'énergie. Ils le prennent du réseau et le transforment en d'autres formes - rayonnement pénétrant et chaleur, cette dernière étant un sous-produit indésirable. La conception du tube à rayons X est telle qu'elle maximise la production de photons et dissipe la chaleur le plus rapidement possible.
Un tube est un dispositif relativement simple, contenant généralement deux éléments fondamentaux - une cathode et une anode. Lorsque le courant circule de la cathode à l'anode, les électrons perdent de l'énergie, ce qui entraîne la génération de rayons X.
Anode
L'anode est le composant qui émetphotons de haute énergie. Il s'agit d'un élément métallique relativement massif qui est relié au pôle positif du circuit électrique. Effectue deux fonctions principales:
- convertit l'énergie des électrons en rayons X,
- dissipe la chaleur.
Le matériau de l'anode est choisi pour améliorer ces fonctions.
Idéalement, la plupart des électrons devraient former des photons à haute énergie, et non de la chaleur. La fraction de leur énergie totale qui est convertie en rayons X (efficacité) dépend de deux facteurs:
- numéro atomique (Z) du matériau de l'anode,
- énergie des électrons.
La plupart des tubes à rayons X utilisent du tungstène comme matériau d'anode, qui a un numéro atomique de 74. En plus d'avoir un grand Z, ce métal possède d'autres caractéristiques qui le rendent approprié à cette fin. Le tungstène est unique dans sa capacité à conserver sa résistance lorsqu'il est chauffé, a un point de fusion élevé et un faible taux d'évaporation.
Pendant de nombreuses années, l'anode était en tungstène pur. Ces dernières années, un alliage de ce métal avec du rhénium a commencé à être utilisé, mais uniquement en surface. L'anode elle-même sous le revêtement de tungstène-rhénium est faite d'un matériau léger qui stocke bien la chaleur. Deux de ces substances sont le molybdène et le graphite.
Les tubes à rayons X utilisés pour la mammographie sont fabriqués avec une anode recouverte de molybdène. Ce matériau a un numéro atomique intermédiaire (Z=42) qui génère des photons caractéristiques avec des énergies convenables pourpour prendre des photos de la poitrine. Certains appareils de mammographie ont également une seconde anode en rhodium (Z=45). Cela vous permet d'augmenter l'énergie et d'obtenir une plus grande pénétration pour les seins serrés.
L'utilisation de l'alliage rhénium-tungstène améliore la production de rayonnement à long terme - avec le temps, l'efficacité des anodes en tungstène pur diminue en raison des dommages thermiques à la surface.
La plupart des anodes ont la forme de disques biseautés et sont fixées à un arbre de moteur électrique qui les fait tourner à des vitesses relativement élevées tout en émettant des rayons X. Le but de la rotation est d'évacuer la chaleur.
Point focal
L'anode entière n'est pas impliquée dans la génération de rayons X. Il se produit sur une petite zone de sa surface - un point focal. Les dimensions de ce dernier sont déterminées par les dimensions du faisceau d'électrons issu de la cathode. Dans la plupart des appareils, il a une forme rectangulaire et varie entre 0,1 et 2 mm.
Les tubes à rayons X sont conçus avec une taille de point focal spécifique. Plus elle est petite, moins l'image est floue et nette, et plus elle est grande, meilleure est la dissipation de la chaleur.
La taille du point focal est l'un des facteurs à prendre en compte lors du choix des tubes à rayons X. Les fabricants produisent des appareils avec de petits points focaux lorsqu'il est nécessaire d'obtenir une résolution élevée et un rayonnement suffisamment faible. Par exemple, cela est nécessaire lors de l'examen de petites parties minces du corps, comme en mammographie.
Les tubes à rayons X sont principalement produits avec deux tailles de foyer, grande et petite, qui peuvent être sélectionnées par l'opérateur en fonction de la procédure d'imagerie.
Cathode
La fonction principale de la cathode est de générer des électrons et de les collecter dans un faisceau dirigé vers l'anode. En règle générale, il consiste en une petite spirale de fil (fil) immergée dans une dépression en forme de coupe.
Les électrons traversant le circuit ne peuvent généralement pas quitter le conducteur et aller dans l'espace libre. Cependant, ils peuvent le faire s'ils obtiennent suffisamment d'énergie. Dans un processus connu sous le nom d'émission thermique, la chaleur est utilisée pour expulser les électrons de la cathode. Cela devient possible lorsque la pression dans le tube à rayons X sous vide atteint 10-6–10-7 mmHg. Art. Le filament chauffe de la même manière que le filament d'une lampe à incandescence lorsqu'un courant le traverse. Le fonctionnement du tube à rayons X s'accompagne du chauffage de la cathode à la température de luminescence avec déplacement d'une partie des électrons de celle-ci par énergie thermique.
Ballon
L'anode et la cathode sont contenues dans un récipient hermétiquement fermé. Le ballonnet et son contenu sont souvent appelés inserts, qui ont une durée de vie limitée et peuvent être remplacés. Les tubes à rayons X ont principalement des ampoules en verre, bien que des ampoules en métal et en céramique soient utilisées pour certaines applications.
La fonction principale du ballon est de fournir un support et une isolation pour l'anode et la cathode, et de maintenir un vide. Pression dans le tube à rayons X sous videà 15°C est de 1,2 10-3 Pa. La présence de gaz dans le ballon permettrait à l'électricité de circuler librement à travers l'appareil, et pas seulement sous la forme d'un faisceau d'électrons.
Affaire
La conception du tube à rayons X est telle que, en plus d'enfermer et de supporter d'autres composants, son corps sert de bouclier et absorbe le rayonnement, à l'exception du faisceau utile traversant la fenêtre. Sa surface extérieure relativement grande dissipe une grande partie de la chaleur générée à l'intérieur de l'appareil. L'espace entre le corps et l'insert est rempli d'huile pour l'isolation et le refroidissement.
Chaîne
Un circuit électrique relie le tube à une source d'énergie appelée générateur. La source est alimentée par le secteur et convertit le courant alternatif en courant continu. Le générateur vous permet également de régler certains paramètres du circuit:
- KV - tension ou potentiel électrique;
- MA est le courant qui traverse le tube;
- S – durée ou temps d'exposition, en fractions de seconde.
Le circuit fournit le mouvement des électrons. Ils sont chargés d'énergie, traversent le générateur et la transmettent à l'anode. Lorsqu'ils se déplacent, deux transformations se produisent:
- l'énergie électrique potentielle est convertie en énergie cinétique;
- cinétique, à son tour, est convertie en rayons X et en chaleur.
Potentiel
Lorsque les électrons pénètrent dans l'ampoule, ils ont une énergie électrique potentielle, dont la quantité est déterminée par la tension KV entre l'anode et la cathode. Fonctionnement du tube à rayons Xsous tension, pour créer 1 KV dont chaque particule doit avoir 1 keV. En ajustant KV, l'opérateur dote chaque électron d'une certaine quantité d'énergie.
Cinétique
Basse pression dans le tube à rayons X sous vide (à 15 °C, elle est de 10-6–10-7 mmHg.) permet aux particules de s'envoler de la cathode vers l'anode sous l'action de l'émission thermionique et de la force électrique. Cette force les accélère, ce qui entraîne une augmentation de la vitesse et de l'énergie cinétique et une diminution du potentiel. Lorsqu'une particule frappe l'anode, son potentiel est perdu et toute son énergie est convertie en énergie cinétique. Un électron de 100 keV atteint des vitesses supérieures à la moitié de la vitesse de la lumière. En frappant la surface, les particules ralentissent très rapidement et perdent leur énergie cinétique. Il se transforme en rayons X ou en chaleur.
Les électrons entrent en contact avec des atomes individuels du matériau de l'anode. Le rayonnement est généré lorsqu'ils interagissent avec les orbitales (photons X) et avec le noyau (bremsstrahlung).
Lien d'énergie
Chaque électron à l'intérieur d'un atome a une certaine énergie de liaison, qui dépend de la taille de ce dernier et du niveau auquel se trouve la particule. L'énergie de liaison joue un rôle important dans la génération de rayons X caractéristiques et est nécessaire pour retirer un électron d'un atome.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung produit le plus grand nombre de photons. Les électrons pénétrant dans le matériau de l'anode et passant à proximité du noyau sont déviés et ralentisla force d'attraction de l'atome. Leur énergie perdue lors de cette rencontre apparaît sous la forme d'un photon X.
Spectrum
Seuls quelques photons ont une énergie proche de celle des électrons. La plupart d'entre eux sont inférieurs. Supposons qu'il existe un espace ou un champ entourant le noyau dans lequel les électrons subissent une force de "freinage". Ce champ peut être divisé en zones. Cela donne au champ du noyau l'apparence d'une cible avec un atome au centre. Un électron frappant n'importe quel point de la cible subit une décélération et génère un photon X. Les particules qui frappent le plus près du centre sont les plus affectées et perdent donc le plus d'énergie, produisant les photons les plus énergétiques. Les électrons entrant dans les zones extérieures subissent des interactions plus faibles et génèrent des quanta d'énergie plus faibles. Bien que les zones aient la même largeur, elles ont une surface différente selon la distance au noyau. Puisque le nombre de particules tombant sur une zone donnée dépend de sa surface totale, il est évident que les zones extérieures captent plus d'électrons et créent plus de photons. Ce modèle peut être utilisé pour prédire le spectre d'énergie des rayons X.
Emax photons du spectre principal de bremsstrahlung correspond à Emax électrons. En dessous de ce point, à mesure que l'énergie des photons diminue, leur nombre augmente.
Un nombre important de photons de faible énergie sont absorbés ou filtrés lorsqu'ils tentent de traverser la surface de l'anode, la fenêtre du tube ou le filtre. La filtration dépend généralement de la composition et de l'épaisseur du matériau à travers lequelle faisceau passe à travers, ce qui détermine la forme finale de la courbe de basse énergie du spectre.
KV Influence
La partie haute énergie du spectre est déterminée par la tension dans les tubes à rayons X kV (kilovolt). En effet, il détermine l'énergie des électrons atteignant l'anode et les photons ne peuvent pas avoir un potentiel supérieur à celui-ci. Avec quelle tension le tube à rayons X fonctionne-t-il ? L'énergie maximale des photons correspond au potentiel maximal appliqué. Cette tension peut changer pendant l'exposition en raison du courant secteur. Dans ce cas, le Emax d'un photon est déterminé par la tension de crête de la période d'oscillation KVp.
Outre le potentiel quantique, KVp détermine la quantité de rayonnement créée par un nombre donné d'électrons frappant l'anode. Étant donné que l'efficacité globale du bremsstrahlung augmente en raison d'une augmentation de l'énergie des électrons de bombardement, qui est déterminée par KVp, il s'ensuit que KVpaffecte l'efficacité de l'appareil.
Changer KVp change généralement le spectre. L'aire totale sous la courbe d'énergie est le nombre de photons. Sans filtre, le spectre est un triangle et la quantité de rayonnement est proportionnelle au carré de KV. En présence d'un filtre, une augmentation du KV augmente également la pénétration des photons, ce qui réduit le pourcentage de rayonnement filtré. Cela conduit à une augmentation de la production de rayonnement.
Rayonnement caractéristique
Le type d'interaction qui produit la caractéristiquerayonnement, comprend la collision d'électrons à grande vitesse avec des électrons orbitaux. L'interaction ne peut se produire que lorsque la particule entrante a Ek supérieur à l'énergie de liaison dans l'atome. Lorsque cette condition est remplie et qu'une collision se produit, l'électron est éjecté. Dans ce cas, il reste une lacune, qui est remplie par une particule d'un niveau d'énergie supérieur. Lorsque l'électron se déplace, il dégage de l'énergie, qui est émise sous la forme d'un quantum de rayons X. C'est ce qu'on appelle le rayonnement caractéristique, car le E d'un photon est une caractéristique de l'élément chimique à partir duquel l'anode est fabriquée. Par exemple, lorsqu'un électron du niveau K du tungstène avec Ebond=69,5 keV est assommé, la vacance est comblée par un électron du niveau L avec E liaison=10, 2 keV. Le photon X caractéristique a une énergie égale à la différence entre ces deux niveaux, soit 59,3 keV.
En fait, ce matériau d'anode produit un certain nombre d'énergies de rayons X caractéristiques. En effet, les électrons à différents niveaux d'énergie (K, L, etc.) peuvent être éliminés en bombardant des particules et les lacunes peuvent être comblées à partir de différents niveaux d'énergie. Bien que le remplissage des lacunes de niveau L génère des photons, leurs énergies sont trop faibles pour être utilisées en imagerie diagnostique. Chaque énergie caractéristique reçoit une désignation qui indique l'orbite dans laquelle la vacance s'est formée, avec un indice qui indique la source de remplissage électronique. L'indice alpha (α) indique l'occupation d'un électron du niveau L, et bêta (β) indiqueremplissage à partir du niveau M ou N.
- Spectrum de tungstène. Le rayonnement caractéristique de ce métal produit un spectre linéaire composé de plusieurs énergies discrètes, tandis que le bremsstrahlung crée une distribution continue. Le nombre de photons produits par chaque énergie caractéristique diffère en ce que la probabilité de remplir une vacance de niveau K dépend de l'orbite.
- Spectre du molybdène. Les anodes de ce métal utilisées pour la mammographie produisent deux énergies de rayons X caractéristiques assez intenses: K-alpha à 17,9 keV et K-bêta à 19,5 keV. Le spectre optimal des tubes à rayons X, qui permet d'obtenir le meilleur équilibre entre le contraste et la dose de rayonnement pour les seins de taille moyenne, est atteint à Eph=20 keV. Cependant, le bremsstrahlung est produit à des énergies élevées. L'équipement de mammographie utilise un filtre en molybdène pour éliminer la partie indésirable du spectre. Le filtre fonctionne selon le principe "K-edge". Il absorbe le rayonnement supérieur à l'énergie de liaison des électrons au niveau K de l'atome de molybdène.
- Spectre de rhodium. Le rhodium a un numéro atomique de 45, tandis que le molybdène a un numéro atomique de 42. Par conséquent, l'émission de rayons X caractéristique d'une anode de rhodium aura une énergie légèrement supérieure à celle du molybdène et est plus pénétrante. Ceci est utilisé pour l'imagerie des seins denses.
Les anodes en molybdène-rhodium à double surface permettent à l'opérateur de sélectionner une distribution optimisée pour différentes tailles et densités de seins.
Effet du KV sur le spectre
La valeur de KV affecte grandement le rayonnement caractéristique, car il ne sera pas produit si KV est inférieur à l'énergie des électrons de niveau K. Lorsque le KV dépasse ce seuil, la quantité de rayonnement est généralement proportionnelle à la différence entre le KV du tube et le KV du seuil.
Le spectre d'énergie des photons X sortant de l'instrument est déterminé par plusieurs facteurs. En règle générale, il se compose de bremsstrahlung et de quanta d'interaction caractéristique.
La composition relative du spectre dépend du matériau de l'anode, du KV et du filtre. Dans un tube avec une anode en tungstène, aucun rayonnement caractéristique n'est produit à KV< 69,5 keV. À des valeurs de CV plus élevées utilisées dans les études de diagnostic, le rayonnement caractéristique augmente le rayonnement total jusqu'à 25 %. Dans les appareils au molybdène, il peut constituer une grande partie de la génération totale.
Efficacité
Seule une petite partie de l'énergie délivrée par les électrons est convertie en rayonnement. La partie principale est absorbée et convertie en chaleur. L'efficacité du rayonnement est définie comme la proportion de l'énergie rayonnée totale par rapport à l'énergie électrique totale communiquée à l'anode. Les facteurs qui déterminent l'efficacité d'un tube à rayons X sont la tension appliquée KV et le numéro atomique Z. Un exemple de relation est le suivant:
Efficacité=KV x Z x 10-6.
La relation entre l'efficacité et le KV a un impact spécifique sur l'utilisation pratique des équipements à rayons X. En raison du dégagement de chaleur, les tubes ont une certaine limite sur la quantité d'électricitél'énergie qu'ils peuvent dissiper. Cela impose une limitation de la puissance de l'appareil. Cependant, à mesure que KV augmente, la quantité de rayonnement produite par unité de chaleur augmente considérablement.
La dépendance de l'efficacité de la génération de rayons X à la composition de l'anode n'a qu'un intérêt académique, puisque la plupart des appareils utilisent du tungstène. Une exception est le molybdène et le rhodium utilisés en mammographie. L'efficacité de ces dispositifs est bien inférieure à celle du tungstène en raison de leur numéro atomique inférieur.
Efficacité
L'efficacité d'un tube à rayons X est définie comme la quantité d'exposition, en milliroentgens, délivrée en un point au centre du faisceau utile à une distance de 1 m de la tache focale pour chaque 1 mAs de électrons traversant l'appareil. Sa valeur exprime la capacité de l'appareil à convertir l'énergie des particules chargées en rayons X. Permet de déterminer l'exposition du patient et de l'image. Comme l'efficacité, l'efficacité de l'appareil dépend d'un certain nombre de facteurs, notamment le KV, la forme d'onde de tension, les dommages causés au matériau et à la surface de l'anode, le filtre et la durée d'utilisation.
Contrôle KV
KV contrôle efficacement la sortie du tube à rayons X. On suppose généralement que la sortie est proportionnelle au carré de KV. Doubler le KV augmente l'exposition de 4x.
Forme d'onde
Waveform décrit la façon dont KV change au fil du temps pendant la générationrayonnement dû à la nature cyclique de l'alimentation. Plusieurs formes d'onde différentes sont utilisées. Le principe général est que moins la forme du KV change, plus les rayons X sont produits efficacement. Les équipements modernes utilisent des générateurs avec un KV relativement constant.
Tubes à rayons X: fabricants
Oxford Instruments produit une variété d'appareils, y compris des appareils en verre jusqu'à 250 W, un potentiel de 4 à 80 kV, un point focal jusqu'à 10 microns et une large gamme de matériaux d'anode, notamment Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian propose plus de 400 types différents de tubes à rayons X médicaux et industriels. D'autres fabricants bien connus sont Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, etc.
Les tubes à rayons X "Svetlana-Rentgen" sont produits en Russie. En plus des appareils traditionnels à anode tournante et fixe, l'entreprise fabrique des appareils à cathode froide contrôlée par le flux lumineux. Les avantages de l'appareil sont les suivants:
- fonctionne en modes continu et pulsé;
- absence d'inertie;
- Régulation de l'intensité du courant LED;
- pureté du spectre;
- possibilité d'obtenir des rayons X d'intensité variable.
