Кіріспе

Электр қуатын рентген сәулелеріне айналдыратын вакуумдық түтік – рентген сәулелі түтік. Рентген сәулелерінің осы бақыланатын көзі рентгенография саласын қалыптастырды, ол жартылай өткізбейтін объектілерді тереңдете кіретін сәулелену арқылы бейнелеуге мүмкіндік береді. Иондаушы сәулеленудің басқа көздерінен өзгеше, рентген сәулелері тек рентген түтігіне қуат берілгенде ғана пайда болады. Рентгендік түтіктер компьютерлік томография (КТ) сканерлерінде, әуежайлардағы багажды тексеруде, рентген кристаллографиясында, материалдар мен құрылымдарды талдауда, сондай-ақ өнеркәсіптік инспекцияда қолданылады. Жоғары өнімді компьютерлік томография (КТ) сканерлеу және ангиография жүйелеріне деген сұраныстың өсуі жоғары өнімді медициналық рентгендік түтіктерді дамытуға серпін берді.

Тарих

Рентгендік құбырлар 1895 жылғы 8 қарашада неміс физигі Вильгельм Конрад Рентген алғаш рет рентген сәулелерін ашқан тәжірибелік Крукс құбырларынан дамыды. Бірінші буынның суық катодты немесе Крукс рентгендік түтіктерін 1920 жылдарға дейін пайдаланды. Бұл түтіктер түтіктің ішіндегі қалдық газдарды иондау арқылы жұмыс істейді. Оң иондар түтіктің катодына соғылып, электрондарды босатады, олар анодқа қарай үдеп, соққанда рентген сәулелерін тудырады. Кулидж түтігі, сондай-ақ ыстық катод түтігі деп те аталады, термиондық эмиссияны қолданады, онда вольфрам катоды электрондарды бөліп шығару үшін жеткілікті жоғары температураға дейін қыздырылады, содан кейін олар жартылай вакуумде анодқа қарай үдетеді. 1980 жылдардың соңына дейін рентген генераторлары жоғары кернеулі, айнымалы токтан тұрақты токқа түрлендірілетін қуат көздері ғана болды. 1980 жылдардың соңында басқа басқару әдісі пайда болды, ол жоғары жылдамдықты коммутация деп аталды. Бұл коммутациялық қуат көздері (switch mode power supply) технологиясын ұстанды және рентген аппаратын дәлірек басқаруға, жоғары сапалы нәтижелерге және рентген сәулесінің әсерін азайтуға мүмкіндік берді.

Физика

Кез келген вакуумдық түтік сияқты, оның құрамында вакуумға электрондарды шығаратын катод пен электрондарды жинап, түтік арқылы «сәуле» деп аталатын электр тогының ағынын қамтамасыз ететін анод болады. Электрондарды үдету үшін катод пен анодқа жалғанатын жоғары кернеулі қуат көзі, мысалы, 30-150 киловольт (кВ), «түтік кернеуі» деп аталады. Рентген спектрі анод материалы мен үдету кернеуіне байланысты. Катодтан шыққан электрондар әдетте вольфрам, молибден немесе мыс болған анод материалымен соқтығысып, анод материалындағы басқа электрондарды, иондарды және ядроларды үдетеді. Жалпы энергияның шамамен 1% рентген сәулелері түрінде сәулеленеді, әдетте электрондық сәуле жолына перпендикуляр бағытта. Қалған энергия жылу ретінде бөлінеді. Уақыт өте келе, вольфрам нысанадан түтіктің ішкі бетіне, соның ішінде шыны бетіне тұнады. Бұл түтікті бірте-бірте қараңғылатады және рентген сәулесінің сапасын нашарлатады деп есептелді. Буланған вольфрам «терезе» аймағындағы қаптаманың ішкі бетінде конденсацияланып, қосымша сүзгі ретінде әрекет етеді және түтіктің жылуды сәулелендіру қабілетін азайтады. Соңында вольфрам шөгіндісі жеткілікті өткізгіштікке ие болып, жеткілікті жоғары кернеуде доға пайда болады. Доға катодтан вольфрам шөгіндісіне, содан кейін анодқа секіреді. Бұл доға рентгендік терезелердің ішкі шынысында «жарықшақтар» деп аталатын әсерді тудырады. Уақыт өте келе түтік тіпті төменгі кернеуде де тұрақсыз болып, оны ауыстыру қажеттігі туындайды. Осы кезде түтік жинағы (сондай-ақ «түтік басы» деп те аталады) рентген жүйесінен алынып, жаңа түтік жинағымен ауыстырылады. Ескі түтік жинағы жаңа рентген түтігімен қайта зарядталатын компанияға жіберіледі. Рентген фотондарын тудыратын екі әсер әдетте «Сипаттамалық әсер» және «bremsstrahlung» әсері деп аталады, «bremsen» сөзі неміс тілінде «тоқтату», ал «Strahlung» сөзі «сәулелену» деген мағынаны білдіреді. Жүйе шығаратын фотондық энергияның диапазонын қолданылатын кернеуді өзгерту және әртүрлі қалыңдықтағы алюминий сүзгілерін орнату арқылы реттеуге болады. Рентген сәулесінің жолындағы «жұмсақ» (теріге өтпейтін) сәулеленуді жою үшін алюминий сүзгілері орнатылады. Шығарылатын рентген фотондарының саны немесе дозасы ток ағыны мен экспозиция уақытын бақылау арқылы реттеледі.

Крукс түтігі (салқын катодты түтік)

Крукс түтіктері қыздырылған жіптің орнына түтіктегі қалдық ауаны иондау арқылы рентген сәулелерін жасауға қажетті электрондарды өндірді, сондықтан олар толық емес, бірақ ішінара вакуумдалған болатын. Олар шамамен 10−6–5×10−8 атмосфералық қысымды ауа (0,1–0,005 Па) бар шыны шардан тұрады. Түтіктің бір жағында алюминий катодтық пластинасы, ал екінші жағында платина анодтық нысанасы орналасқан. Анодтың беті бұрышты болғандықтан, рентген сәулелері түтіктің қабырғасы арқылы шығатын. Катод ойыс болғандықтан электрондар анодтағы шағын (~1 мм) нүктеге шоғырландырылды, бұл рентген сәулелерінің дерлік нүктелік көзіне жақын келіп, өткір суреттерге мүмкіндік берді. Түтіктің анодқа қосылған үшінші электроды – антикатод болды. Ол рентген сәулелерінің қарқындылығын арттырды, бірақ бұл қалай орындалғаны әлі анықталған жоқ. Көбірек таралған конструкцияда анодқа сәйкес мыс пластинадан жасалған антикатод (катодқа ұқсас конструкция) қолданылды, анод катод пен антикатодтың арасында орналасқан. Жұмыс істеу үшін катод пен анодтар арасына бірнеше киловольттан 100 кВ дейін тұрақты кернеу қолданылды, әдетте индукциялық катушка немесе үлкен түтіктер үшін электростатикалық машина арқылы жасалатын. Крукс түтіктерінің жұмысы сенімді болмады. Уақыт өте келе, қалдық ауа түтіктің қабырғаларына сіңіріліп, қысым төмендеді. Бұл түтікке түсетін кернеуді арттырып, "қаттырақ" рентген сәулелерін тудырды, содан кейін түтік тоқтады. Бұған жол бермеу үшін "жұмсартқыш" құрылғылар қолданылды (суретті қараңыз). Негізгі түтікке бекітілген кішкентай түтікшеде мика немесе қызған кезде аз мөлшерде газ бөліп шығарып, дұрыс қысымды қалпына келтіретін химиялық зат болды. Түтіктің шыны қабығы пайдалану барысында рентген сәулелерінің әсерінен қара түске айналатын.

Кюлидж түтігі (жылы катод түтігі)

Кулидж түтігінде электрондар термиондық эффект арқылы электр тогымен қыздырылған вольфрам жіп арқылы пайда болады. Бұл жіп түтіктің катоды болып табылады. Жоғары кернеу потенциалы катод пен анод арасында орналасқан, электрондар осымен үдеп, содан кейін анодқа шабуылдайды. Екі конструкция бар: соңғы терезелі түтіктер және бүйір терезелі түтіктер. Соңғы терезелі түтіктерде әдетте "өткізу нысанасы" болады, ол рентген сәулелерінің нысанадан өтуіне жеткілікті жұқа, (рентген сәулелері электрондардың қозғалыс бағытымен бірдей бағытта шығарылады). Соңғы терезелі түтіктің бір таралған түрінде жіп анодтың айналасында орналасқан ("сақиналы" немесе дөңгелек тәрізді), электрондар қисық жолмен қозғалады (тороидтың жартысы). Бүйір терезелі түтіктердің ерекшелігі – электростатикалық линзаны қолданып, сәулені анодтағы өте кішкентай нүктеге шоғырландыру. Анод осы қарқынды шоғырланған электрондық шабуылдан туындайтын жылуды тарату және тозуға арналған арнайы конструкцияланған. Анод электрон тогына перпендикулярдан 120 градусқа бұрышпен орналасқан, бұл электрон тогының бағытына перпендикуляр шығарылатын рентген фотондарының бір бөлігінің қашуына мүмкіндік береді. Анод әдетте вольфрамнан немесе молибденнен жасалады. Түтіктің терезесі генерирленген рентген фотондарының шығуына арналған. Кулидж түтігінің қуаты әдетте 0,1-ден 18 кВт-қа дейін ауытқиды.

Анодты айналдыратын түтік

Тұрақты анодтың ошақ нүктесінде (катодтан келетін электрон сәулесінің түсетін аймағында) көп мөлшерде жылу пайда болады. Ал айналмалы анод электрондық сәулені анодтың үлкенірек аумағына таратуға мүмкіндік береді, соның арқасында шығарылған сәулеленудің қарқындылығы артады және тұрақты анодқа қарағанда анодтың зақымдануы азаяды. Ошақ нүктесінің температурасы экспозиция барысында , ал анод жинағы үлкен экспозициялар сериясынан кейін жетіп қана қоймай, . Типикалық анодтар – молибден ядролы, графитпен бекітілген вольфрам-рений нысанасы. Рений вольфрамды ығысуға төзімдірек етеді және электрон сәулелерінің соққысынан тозуға қарсы тұруын қамтамасыз етеді. Молибден нысанадан жылуды сыртқа шығарады. Графит анодтың жылу сақтағышы ретінде қызмет етеді және анодтың айналу массасын азайтады.

Микрофокус рентген түтігі

Кейбір рентгендік зерттеулер (мысалы, бұзбайтын сынақ және 3D микротомография) өте жоғары ажыратымдылықтағы кескіндерді қажет етеді, сондықтан диаметрі 50 мкм-ден төмен, өте кішкентай фокустық нүктелерді тудыратын рентгендік түтіктер қажет болады. Бұл түтіктер микрофокусты рентгендік түтіктер деп аталады. Микрофокусты рентгендік түтіктердің негізгі екі түрі бар: қатты анодты түтіктер және металл ағынды анодты түтіктер. Қатты анодты микрофокусты рентгендік түтіктер принципі бойынша Кулидж түтігіне ұқсас, бірақ маңызды айырмашылығы – электрондық сәулені анодтағы өте кішкентай нүктеге шоғырландыруға ерекше көңіл бөлінеді. Көптеген микрофокусты рентгендік көздер 5-20 мкм диапазонындағы фокус нүктелерімен жұмыс істейді, бірақ кейбір жағдайларда 1 мкм-ден кіші нүктелер де алынуы мүмкін. Қатты анодты микрофокусты рентгендік түтіктердің басты кемшілігі – олардың өте төмен жұмыс қуаты. Анодты балқытудан қорғау үшін электрондық сәуленің қуат тығыздығы максималды мәннен төмен болуы керек. Бұл мән анод материалына байланысты 0,4-0,8 Вт/мкм аралығында шамаланады. Демек, 10 мкм электрондық сәуле фокусы бар қатты анодты микрофокустық көз 4-8 Вт қуат диапазонында жұмыс істей алады.

Металл ағынды анодты микрофокусты рентгендік түтіктерде қатты металл анод сұйық металл ағынымен алмастырылады, ол электрондық сәуленің нысаны ретінде қызмет етеді. Металл ағынды анодтың артықшылығы – максималды электрондық сәуленің қуат тығыздығы айтарлықтай артады. Әртүрлі анод материалдары (галлий және қалайы) үшін 3-6 Вт/мкм аралығындағы мәндер хабарланған. 10 мкм электрондық сәуле фокусы бар металл ағынды анодты микрофокусты рентгендік көз 30-60 Вт қуатпен жұмыс істей алады.

Металл ағынды рентгендік түтігінің жоғары қуат тығыздығының басты артықшылығы – кескіндік ажыратымдылықты арттыру үшін, мысалы 5 мкм, кішкентай фокустық нүктемен жұмыс істеу мүмкіндігі және қуат жоғары болғандықтан (15-30 Вт) 10 мкм фокустық нүктелері бар қатты анодты түтіктерге қарағанда кескінді жылдам алу.

Вакуум түтіктерінен рентген сәулелерін шығару қаупі

Кез келген вакуумдық түтік, егер ол бірнеше мың вольт немесе одан да жоғары кернеумен жұмыс істейтін болса, қажетсіз түйіндеме ретінде рентген сәулелерін шығара алады, бұл қауіпсіздік мәселелерін тудырады. Кернеу неғұрлым жоғары болса, сәулеленудің ену қабілеті де соғұрлым артады, демек қауіп те артады. Бір кездері түрлі-түсті теледидарлар мен компьютерлік дисплейлерде жиі қолданылатын CRT дисплейлері, мөлшеріне байланысты 3-ден 40 киловольтқа дейін жұмыс істейді, осылайша тұрмыстық техникалардың арасында ең маңызды мәселе болып табылады. Тарихи тұрғыдан алғанда, катодты сәулелі түтікке қарағанда, жоғары кернеулі (ЖК) түзеткіштер мен кернеуді реттегіш түтіктерге көбірек назар аударылды, себебі катодты сәулелі түтіктің қалың шыны қабығы қорғану үшін бірнеше фунт салмақтағы қорғасынмен қапталады. 1960 жылдардың соңында General Electric теледидарларының кейбір үлгілеріндегі ЖК қуат беру схемасының бұзылуы реттегіш түтікке артық кернеу түсіріп, рентген сәулелерін шығаруы мүмкін екені анықталды. Үлгілер кері қайтарылып алынды, ал одан кейін болған дау-дамай АҚШ-тың осы қауіпті реттеуге жауапты агенттігі – Азық-түлік және дәрі-дәрмек басқармасының (FDA) Құрылғылар және радиологиялық денсаулық орталығының барлық теледидарларға істен шығу жағдайында артық кернеуді болдырмау үшін арнайы схемаларды енгізуді талап етуіне әкелді. Барлық қатты күйдегі теледидарлардың пайда болуымен артық кернеуге байланысты қауіп жойылды, оларда CRT-ден басқа түтіктер жоқ. 1969 жылдан бері FDA теледидардан шығатын рентген сәулелерінің мөлшерін сағатына 0,5 мР (миллироентген) деңгейінде шектеді. 1990 жылдардан бастап басқа экран технологияларының дамуымен CRT өндірісі біртіндеп тоқтатылды. LED, LCD және OLED сияқты осы технологиялар жоғары кернеулі трансформатордың болмауына байланысты рентген сәулелерін шығара алмайды.