4.3. Рентгеновские аппараты.
4.3.1. Рентгеновские аппараты состоят из следующих основных элементов:
рентгеновская трубка;
источник высокого напряжения;
контрольная аппаратура.
Рис. 4.6 Блок-схема рентгеновского аппарата.
Достоинства рентгеновских аппаратов:
интенсивность радиационного излучения, как правило, выше по сравнению с - источниками;
имеется возможность регулировки энергии излучения;
интенсивность излучения практически не изменяется со временем и может регулироваться оператором;
при отключении от электропитания рентгеновский аппарат не является источником радиационной опасности.
Недостатки:
необходимость в источнике электропитания;
требуется охлаждение;
более сложная конструкция и обслуживание;
большие габариты и вес.
4.3.1.1. Рентгеновское излучение имеет ту же природу, что и -излучение, подчиняясь одним и тем же закономерностям при взаимодействии с веществом. Принципиальная разница между ними лишь в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение получают в результате торможения электронов на аноде рентгеновской трубки, -излучение является продуктом распада ядер.
Рентгеновская трубка представляет собой двухэлектродную систему, состоящую из анода и катода, заключенную в герметичный стеклянный баллон с высокой степенью разрежения. Катод является источником электронов и конструктивно выполнен в виде вольфрамовой спирали, которая при работе разогревается до температуры около 3000°С от трансформатора накала напряжением 6...12 В. Анод служит для торможения электронов и представляет собой вольфрамовую пластину, которая приварена к пустотелому медному цилиндру, охлаждаемому во время работы.
|
|
а) принципиальная электрическая схема рентгеновского аппарата
|
|
|
|
б) схема рентгеновской трубки |
в) внешний вид стеклянной рентгеновской трубки |
Рис. 4.7. Рентгеновский аппарат.
Электроны, эмитированные катодом, разгоняются приложенным между анодом и катодом ускоряющим полем. При соударении электронов с анодом их энергия идет на нагревание анода и частично превращается в лучистую энергию квантов рентгеновского излучения.
Рис. 4.8 Спектр рентгеновского излучения.
Полученное таким образом рентгеновское излучение характеризуется двумя самостоятельными энергетическими спектрами: непрерывным и дискретным. Излучение с непрерывным спектром (тормозное излучение) возникает в результате резкого изменения скорости движения электронов (торможение электронов на аноде). Дискретный спектр (характеристическое излучение) возникает в результате процессов, протекающих в возбужденных ускоренными электронами атомах материала анода и сопровождающихся энергетическими переходами. Характеристическое рентгеновское излучение проявляется в энергетическом спектре в виде острых выбросов, накладывающихся на непрерывный спектр. Длины волн в дискретном спектре характеристического рентгеновского излучения зависят от материала анода и потенциала возбуждения.
Долю кинетической энергии, преобразованной в излучение, можно записать как:
= 1,410-7ZU
где: Z - порядковый номер материала анода рентгеновской трубки в таблице Менделеева;
U - напряжение на электродах рентгеновской трубки, кВ.
Таблица 4-4
-
U
U< 100 кВ
0,1 ... 0,7%
U>100kB
1...10%
U= 2МэВ
10%
U=15МэВ
50%
Материал мишени анода должен отвечать следующим требованиям:
высокое значение Z материала;
высокая точка плавления;
высокая теплопроводность мишени анода;
низкое давление паров (малая испаряемость материала мишени анода).
Высокое значение Z материала мишени анода обеспечивает высокое КПД излучения; высокая температура плавления и теплопроводность обеспечивают получение максимальной энергии излучения для данного размера фокусного пятна. Низкое давление паров уменьшает количество металла, которое улетучивается из мишени и оседает на стенках рентгеновской трубки. Достаточно хорошо вышеперечисленным требованиям соответствуют мишени, выполненные из вольфрама.
Для получения рентгеновского изображения высокого качества фокусное пятно рентгеновской трубки должно быть как можно меньше, что достигается выбором оптимальных форм, размеров и относительного положения нити катода и фокусирующего устройства, а также выбором формы и относительного положения анода.
Для получения панорамного выхода рентгеновского излучения изготавливают трубки с вынесенным анодом. Такой анод заземляется, а высокое напряжение отрицательной полярности подают на катод. Подобные устройства удобны при просвечивании кольцевых швов.
Участок, на котором тормозятся ускоренные электроны, и возникает рентгеновское излучение, называется действительным фокусным пятном. Эффективное фокусное пятно - проекция действительного фокусного пятна в направлении оси рабочего пучка рентгеновского излучения. Размер эффективного фокусного пятна определяют в процессе испытаний трубок в заводских условиях, и указывают в паспортных данных с приложением снимка фокусного пятна.