Введение

Вакуумная трубка, преобразующая электрическую мощность во рентгеновское излучение. Доступность этого управляемого источника рентгеновских лучей положила начало рентгенографии – методу получения изображений частично непрозрачных объектов с помощью проникающего излучения. В отличие от других источников ионизирующего излучения, рентгеновские лучи генерируются только при включенной рентгеновской трубке. Рентгеновские трубки также используются в компьютерных томографах (КТ), сканерах багажа в аэропортах, рентгеновской кристаллографии, анализе материалов и структур, а также для промышленного контроля. Растущий спрос на высокопроизводительные системы компьютерной томографии (КТ) и ангиографии стимулировал разработку рентгеновских трубок с очень высокими характеристиками для медицинского применения.

История

Рентгеновские трубки произошли от экспериментальных трубок Крукса, с помощью которых рентгеновские лучи были впервые обнаружены 8 ноября 1895 года немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном. Трубки Крукса первого поколения с холодным катодом использовались до 1920-х годов. Эти трубки работают за счет ионизации остаточного газа внутри трубки. Положительные ионы бомбардируют катод трубки, высвобождая электроны, которые ускоряются к аноду и генерируют рентгеновское излучение при столкновении с ним. Трубка Кулиджа, также называемая трубкой с горячим катодом, использует термоэлектронную эмиссию, при которой вольфрамовый катод нагревается до достаточно высокой температуры для испускания электронов, которые затем ускоряются к аноду в почти идеальном вакууме. До конца 1980-х годов рентгеновские генераторы представляли собой просто высоковольтные источники питания переменного тока, преобразующие его в постоянный ток с регулируемой мощностью. В конце 1980-х годов появился новый метод управления, известный как высокоскоростное переключение. Он был основан на технологии импульсных источников питания (также известных как источники питания с переключением) и обеспечивал более точное управление рентгеновским аппаратом, более высокое качество изображения и снижение дозы облучения.

Физика

Как и в любой вакуумной трубке, в ней есть катод, который излучает электроны в вакуум, и анод, который собирает электроны, тем самым устанавливая поток электрического тока, известный как пучок, через трубку. Источник высокого напряжения, например от 30 до 150 киловольт (кВ), называемый напряжением на трубке, подключен к катоду и аноду для ускорения электронов. Спектр рентгеновского излучения зависит от материала анода и ускоряющего напряжения. Электроны из катода сталкиваются с материалом анода, обычно вольфрамом, молибденом или медью, и ускоряют другие электроны, ионы и ядра внутри материала анода. Около 1% генерируемой энергии излучается, как правило, перпендикулярно траектории электронного пучка, в виде рентгеновских лучей. Остальная энергия выделяется в виде тепла. Со временем вольфрам осаждается с мишени на внутреннюю поверхность трубки, включая стеклянную поверхность. Это медленно затемняет трубку и ранее считалось, что ухудшает качество рентгеновского пучка. Испарившийся вольфрам конденсируется на внутренней стороне оболочки над "окном" и таким образом действует как дополнительный фильтр, уменьшая способность трубки рассеивать тепло. В конечном итоге отложение вольфрама может стать достаточно проводящим, чтобы при достаточно высоких напряжениях возникала дуга. Дуга перескакивает от катода к отложению вольфрама, а затем к аноду. Эта дуга вызывает эффект, называемый "crazing" (трещинообразование) на внутреннем стекле рентгеновского окна. Со временем трубка становится нестабильной даже при более низких напряжениях и требует замены. В этот момент трубчатая сборка (также называемая "головкой трубки") извлекается из рентгеновской системы и заменяется новой. Старая трубчатая сборка отправляется в компанию, которая заменяет в ней рентгеновскую трубку на новую. Два эффекта, генерирующих рентгеновские фотоны, обычно называются "характерным излучением" и эффектом тормозного излучения (bremsstrahlung), образованным от немецких слов bremsen, означающего "тормозить", и Strahlung, означающего "излучение". Диапазон энергетических фотонов, излучаемых системой, можно регулировать, изменяя приложенное напряжение и устанавливая алюминиевые фильтры различной толщины. Алюминиевые фильтры устанавливаются на пути рентгеновского пучка для удаления "мягкого" (малопроникающего) излучения. Количество излучаемых рентгеновских фотонов, или доза, регулируется путем управления силой тока и временем экспозиции.

Трубка Крукса (студная катодная трубка)

Трубы Крукса генерировали электроны, необходимые для создания рентгеновских лучей, путем ионизации остаточного воздуха в трубе, а не с помощью нагретой нити, поэтому они были частично, но не полностью эвакуированы. Они состояли из стеклянной колбы с давлением воздуха от 10−6 до 5×10−8 атмосфер (0,1–0,005 Па). В них была алюминиевая катодная пластина на одном конце трубки и платиновый анод на другом конце. Поверхность анода была наклонена таким образом, чтобы рентгеновские лучи излучались через боковую стенку трубки. Катод был вогнутым, чтобы электроны фокусировались в небольшое пятно (~1 мм) на аноде, приближаясь к точечному источнику рентгеновских лучей, что обеспечивало более четкие изображения. В трубке был третий электрод – антикатод, соединенный с анодом. Он увеличивал выход рентгеновских лучей, но механизм этого увеличения не понятен. Более распространенной была конструкция с медным антикатодом (похожим на катод), расположенным на одной линии с анодом, между катодом и антикатодом. Для работы между катодом и анодом подавалось постоянное напряжение от нескольких киловольт до 100 кВ, обычно генерируемое индукционной катушкой или, для больших трубок, электростатической машиной. Трубы Крукса были ненадежными. Со временем остаточный воздух поглощался стенками трубки, что приводило к снижению давления. Это увеличивало напряжение на трубке, генерируя «более жесткое» рентгеновское излучение, пока трубка окончательно не выходила из строя. Чтобы предотвратить это, использовались «омекотители» (см. рисунок). Небольшая трубка, прикрепленная к основной, содержала слюдяную втулку или химическое вещество, которое при нагревании выделяло небольшое количество газа, восстанавливая необходимое давление. Стеклянная колба трубки чернела в процессе эксплуатации из-за воздействия рентгеновских лучей на ее структуру.

Трубка Куллиджа (горячая катодная трубка)

В трубке Кулиджа электроны генерируются за счет термоэлектронной эмиссии из вольфрамовой нити, нагретой электрическим током. Нить является катодом трубки. Высокий потенциал приложен между катодом и анодом, в результате чего электроны ускоряются и сталкиваются с анодом. Существуют два типа конструкции: трубки с концевым окном и трубки с боковым окном. Трубки с концевым окном обычно имеют "выходное окно", достаточно тонкое, чтобы пропускать рентгеновские лучи (рентгеновские лучи испускаются в том же направлении, что и движение электронов). В одном из распространенных типов трубки с концевым окном нить располагается вокруг анода ("кольцевая" или кольцеобразной формы), и электроны движутся по изогнутой траектории (половина тороида). Особенностью трубок с боковым окном является использование электростатической линзы для фокусировки пучка на очень маленькое пятно на аноде. Анод специально разработан для рассеивания тепла и износа, возникающих в результате интенсивной сфокусированной бомбардировки электронами. Анод установлен под углом 1-20 градусов к перпендикуляру к электронному потоку, чтобы обеспечить выход части фотонов рентгеновского излучения, испускаемых перпендикулярно направлению электронного потока. Анод обычно изготавливается из вольфрама или молибдена. Трубка имеет окно, предназначенное для выхода генерируемых фотонов рентгеновского излучения. Мощность трубки Кулиджа обычно находится в диапазоне от 0,1 до 18 кВт.

Ротационная анодная трубка

Значительное количество тепла генерируется в фокальном пятне (область, в которую попадает пучок электронов, испускаемых катодом) неподвижного анода. В отличие от него, вращающийся анод позволяет электронному пучку охватывать большую площадь анода, что позволяет получить преимущество в виде более высокой интенсивности излучения и снизить повреждение анода по сравнению с его неподвижным состоянием. Температура фокального пятна может достигать во время экспозиции, а температура анодного узла может достигать после серии длительных экспозиций. Типичные аноды состоят из вольфрамо-рениевой мишени на молибденовом сердечнике с графитовой подложкой. Рений повышает пластичность вольфрама и его устойчивость к износу от воздействия электронных пучков. Молибден отводит тепло от мишени. Графит обеспечивает теплоаккумулирование для анода и минимизирует его вращающуюся массу.

Микрофокусная рентгеновская трубка

Некоторые рентгеновские исследования (например, неразрушающий контроль и 3D-микротомография) требуют изображений с очень высоким разрешением и, следовательно, нуждаются в рентгеновских трубках, способных генерировать очень малые размеры фокуса, обычно менее 50 мкм в диаметре. Эти трубки называются микрофокусными рентгеновскими трубками. Существует два основных типа микрофокусных рентгеновских трубок: с твердым анодом и с металлическим струйным анодом. Микрофокусные рентгеновские трубки с твердым анодом по принципу работы очень похожи на трубку Кулиджа, но с важным отличием: особое внимание уделяется возможности фокусировки электронного пучка в очень маленькое пятно на аноде. Многие микрофокусные источники рентгеновского излучения работают с размерами фокуса в диапазоне 5-20 мкм, но в экстремальных случаях могут быть получены пятна меньше 1 мкм. Основной недостаток микрофокусных рентгеновских трубок с твердым анодом – их очень низкая рабочая мощность. Чтобы избежать плавления анода, плотность мощности электронного пучка должна быть ниже предельного значения. Это значение находится в диапазоне 0,4-0,8 Вт/мкм в зависимости от материала анода. Это означает, что микрофокусный источник с твердым анодом с фокусом электронного пучка 10 мкм может работать при мощности в диапазоне 4-8 Вт.

В микрофокусных рентгеновских трубках с металлическим струйным анодом твердый металлический анод заменен струей жидкого металла, которая служит мишенью для электронного пучка. Преимущество металлического струйного анода заключается в значительном увеличении предельной плотности мощности электронного пучка. Для различных материалов анода (галлия и олова) сообщалось о значениях в диапазоне 3-6 Вт/мкм. В случае с фокусом электронного пучка 10 мкм микрофокусный источник рентгеновского излучения с металлическим струйным анодом может работать при мощности 30-60 Вт.

Основное преимущество повышенной плотности мощности для рентгеновской трубки с металлическим струйным анодом – возможность работы с меньшим размером фокуса, например, 5 мкм, для повышения разрешения изображения и одновременного ускорения получения изображения, поскольку мощность выше (15-30 Вт), чем для трубок с твердым анодом с фокусным пятном 10 мкм.

Опасность получения рентгеновских лучей из вакуумных трубок

Любая вакуумная трубка, работающая при напряжении в несколько тысяч вольт или выше, может производить рентгеновское излучение как нежелательный побочный продукт, создавая риски для безопасности. Чем выше напряжение, тем более проникающим является излучение и тем выше опасность. ЭЛТ-дисплеи (CRT), ранее широко использовавшиеся в цветных телевизорах и компьютерных мониторах, работают при напряжении от 3 до 40 киловольт в зависимости от размера, что делает их основной причиной для беспокойства среди бытовых приборов. Исторически, опасения были сосредоточены не столько на самой катодной трубке, поскольку её толстая стеклянная колба пропитана несколькими фунтами свинца для защиты от излучения, сколько на высоковольтных (HV) выпрямителях и лампах регуляторов напряжения внутри старых телевизоров. В конце 1960-х годов было установлено, что неисправность в цепи питания высокого напряжения некоторых телевизоров General Electric могла приводить к превышению напряжения на лампе регулятора, что вызывало излучение рентгеновских лучей. Модели были отозваны, а последовавший скандал побудил американское агентство, ответственное за регулирование этой опасности – Центр устройств и радиологического здоровья Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) – потребовать, чтобы все телевизоры включали схемы для предотвращения превышения напряжения в случае неисправности. Риск, связанный с чрезмерным напряжением, был устранен с появлением полностью твердотельных телевизоров, которые не содержат других ламп, кроме ЭЛТ. С 1969 года FDA ограничивает излучение рентгеновских лучей телевизорами до 0,5 мР (миллирентгена) в час. С развитием других технологий экранов, начиная с 1990-х годов, производство ЭЛТ постепенно прекращалось. Эти другие технологии, такие как светодиоды (LED), ЖК-дисплеи (LCD) и OLED, не способны производить рентгеновское излучение из-за отсутствия высоковольтного трансформатора.