Медицинская энциклопедия - рентгеновская трубка

Рис. 1. Терапевтическая, рентгеновская трубка с массивным вольфрамовым анодом: 1 — катод; 2 — анод.

Рентгеновская трубка — электровакуумный прибор, предназначенный для получения рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении ускоренных электронов на экране антикатода (анода), изготовленного из тяжелого металла (например, вольфрама). Получение электронов, их ускорение и торможение осуществляется в самой рентгеновской трубке, представляющей вакуумированный стеклянный баллон, в который впаяны металлические электроды: катод (см.) — для получения электронов и анод (см.) — для их торможения (рис. 1). Для ускорения электронов к электродам подводится высокое напряжение.

Вильгельм Конрад Рентген (Wilhelm Conrad Röntgen)

Первая рентгеновская трубка, с которой В. К. Рентген сделал свое открытие, была ионной. Рентгеновская трубка  этого типа (хрупкие и трудноуправляемые) в настоящее время полностью вытеснены более совершенными электронными трубками. В них электроны получаются путем накаливания катода. Регулируя ток в цепи накала рентгеновской трубки, а следовательно, и температуру катода, можно изменять количество испускаемых катодом электронов. При низком напряжении не все испускаемые катодом электроны участвуют в создании анодного тока и у катода образуется так называемое электронное облако. При повышении напряжения электронное облако рассасывается и, начиная с определенного напряжения (напряжения насыщения), все электроны достигают анода. Через трубку при этом течет максимальный ток (ток насыщения). Напряжение на рентгеновской трубке обычно выше напряжения насыщения, поэтому возможно раздельно регулировать напряжение и ток Р. т.. Это означает, что жесткость излучения, определяемая напряжением, регулируется независимо от интенсивности, которая обусловлена анодным током.

Анод рентгеновской трубки обычно выполняется в виде массивного медного чехла, обращенного к катоду скошенным торцом, чтобы выходящее рентгеновское излучение было перпендикулярно оси трубки. В толщу анода впаяна вольфрамовая пластинка в 2— (зеркало анода).

Катод электронной рентгеновской трубки содержит тугоплавкую нить накала, обычно из вольфрама, которая выполнена в виде цилиндрической или плоской спирали и окружена металлическим стаканчиком для фокусирования пучка электронов на зеркале анода (фокусе рентгеновской трубки). В двухфокусных рентгеновских трубках катод содержит две нити накала.

При работе рентгеновской трубки на аноде выделяется большое количество тепла. Чтобы предохранить анод от перегрева и повысить мощность рентгеновской трубки, используются охлаждающие анод устройства: воздушное радиаторное, масляное, водяное охлаждение, охлаждение лучеиспусканием. В качестве материала оболочки рентгеновской трубки обычно применяют стекло, которое позволяет прикладывать к электродам достаточно высокое напряжение, пропускает рентгеновское излучение без заметного ослабления (для получения букки-лучей делают бериллиевые окна), достаточно прочно и непроницаемо для газов (вакуум в рентгеновской трубке 10-6— 10-7 мм рт. ст.). Диагностические рентгеновские трубки работают при максимальных напряжениях до 150 кв, терапевтические — до 400  кв.

Рис. 2. Линейчатый фокус диагностической рентгеновской трубки; 1 — зеркало анода; 2 — действительный фокус; 3 — анод; 4 — центральный луч; 5 — оптический фокус; 6 — ось трубки; 7 — катод.

Рис. 4. Фокус трубки с вращающимся дисковым анодом: 1 — действительный фокус; 2 — развертка действительного фокуса; 3 — мгновенный фокус; 4 — ось трубки; 5 катод; 6 — оптический фокус; 7 — анод.

Резкость рентгеновского изображения  обусловлена величиной фокуса. Основное требование к диагностическим рентгеновским трубкам — большая мощность при малом фокусе. Современные рентгеновские трубки имеют линейчатый фокус размером 10—40 мм², но практическое значение имеет не действительная величина фокуса, а его видимая проекция в направлении пучка, т. е. размеры эффективного оптического фокуса (рис. 2). При угле наклона анода 19° площадь эффективного фокуса в 3 раза меньше действительного, что позволяет увеличить мощность рентгеновской трубки в два раза. Дальнейшее увеличение мощности достигнуто в трубках с вращающимся анодом (рис. 3 и 4).

В настоящее время выпускают рентгеновские трубки различного назначения, отличающиеся как конструктивно, так и мощностью, способами охлаждения, защиты от излучения и высокого напряжения. Условное обозначение рентгеновской трубки представляет собой комбинацию букв и цифр. Первая цифра — мощность трубки в киловаттах; второй знак определяет род защиты (Р — защитная от излучения, Б — защитная от излучения и высокого напряжения, отсутствие буквы указывает на отсутствие защиты); третий знак определяет назначение рентгеновской трубки (Д — диагностика, Т — терапия); четвертый — указывает способ охлаждения (К — воздушное радиаторное, М—масляное, В — воздушное, отсутствие буквы означает охлаждение лучеиспусканием); пятая цифра указывает максимальное анодное напряжение в киловольтах. Так, например, 6-РДВ-110 — шестикиловаттная защитная диагностическая трубка с водяным охлаждением на 110 кв; трубка 1-Т-1-200—терапевтическая, без защиты, охлаждение лучеиспусканием, мощностью 1 кет на напряженно 200 кв (условный номер 1).

Рис. 3. Трубка с вращающимся дисковым анодом: 1 — катод; 2 — дисковый анод; 3 — защитный диск; 4 — ось анода; 5 — стальной цилиндр — ротор электродвигателя.

Каждую новую трубку перед пуском в работу необходимо проверить на вакуум, не включая накала. Если при этом появится розовое свечение или искра, рентгеновская трубка потеряла вакуум и к работе непригодна. Трубку, сохранившую вакуум, подвергают тренировке: устанавливают ток 1—2 ма при высоком напряжении порядка 1/3 от номинального и в течение 30— 60 мин. напряжение и ток постепенно повышают до значений длительного режима, указанного в паспорте рентгеновской трубки. При эксплуатации рентгеновской трубки необходимо строго придерживаться режимов работы, указанных в ее паспорте.

Рентгеновская трубка — это электровакуумное устройство, применяемое для генерирования рентгеновых лучей путем эмиссии электронов с катода, фокусировки

и ускорения их в электрическом поле высокого напряжения с последующим торможением электронного потока на зеркале анода. В результате торможения потока электронов на аноде рентгеновской трубки выделяется большое количество тепла и лишь незначительное количество этой энергии трансформируется в энергию рентгеновского излучения (см.).

Со времени открытия Рентгеном икс-лучей и до начала первой мировой войны для рентгенодиагностики и рентгенотерапии применялись так называемые ионные газосодержащие Р. т. (рис. 1), хрупкие и трудноуправляемые. Лилиенфельд (L. Lilienfeld) предложил более совершенную Р. т. с промежуточным электродом, накаливаемым катодом и водяным охлаждением (рис. 2). Однако высоковакуумная двухэлектродная Р. т., предложенная американцем Кулиджем (W. D. Coolidge), постепенно вытеснила все другие Р. т. и применяется в разных модификациях до настоящего времени.

Современная рентгеновская трубка представляет собой высоковольтный вакуумный диод (с двумя электродами — катодом и анодом). Катод Р. т. содержит тугоплавкую нить накала, обычно из вольфрама. В двухфокусных диагностических рентгеновских трубках, предназначенных для разных режимов работы, катод содержит две нити накала для каждого из фокусов. Нити накала, как правило, выполнены в виде цилиндрической или плоской спирали (рис. 3, 1 и 2) соответственно для линейчатого или круглого фокуса.

Анод рентгеновской трубки обычно выполнен в виде массивного медного чехла, обращенного к катоду скошенным торцом, в толщу которого впаяна вольфрамовая пластинка толщиной 2—2,5 мм (зеркало анода), являющаяся мишенью, куда фокусируется поток электронов с катода, и представляющая, таким образом, рентгенооптический фокус трубки. Имеются Р. т. для специальных целей, например для внутриполостной рентгенотерапии (рис. 4), в которых анод является дном полого цилиндра, вводимого в соответствующую полость.

С целью повышения разрешающей способности современных диагностических трубок фокусу рентгеновской трубки уделяется большое внимание, так как чем острее фокус, тем резче рентгеновское изображение.

При оценке рентгенооптических свойств Р. т. следует учитывать, что решающее значение имеет не величина действительного фокуса на зеркале анода, а видимая проекция фокусного пятна в направлении центрального луча, т. е. размеры эффективного оптического фокуса. Уменьшение размеров оптического фокуса достигается уменьшением угла скашивания анода по отношению к центральному лучу.

В отличие от терапевтических Р. т. (рис. 5), снабженных круглым или в форме эллипса оптическим фокусом, современные диагностические трубки имеют так называемый линейчатый фокус (рис. 6). В трубках с линейчатым фокусом площадь эффективного фокуса, имеющего форму квадрата, примерно в 3 раза меньше площади действительного фокуса, имеющего форму прямоугольника. При одинаковых рентгенооптических свойствах мощность рентгеновской трубки с линейчатым фокусом примерно в 2 раза больше, чем у Р. т. с круглым фокусом.

Дальнейшее повышение мощности диагностических Р. т. достигнуто в трубках с вращающимся анодом (рис. 7 и 8). В этих рентгеновских трубках массивный вольфрамовый анод с линейчатым фокусом, растянутым по всей окружности, укреплен на оси, вращающейся в подшипниках, а катод трубки смещен относительно ее оси так, чтобы фокусированный пучок электронов попадал всегда на скошенную поверхность зеркала анода. При вращении анода пучок фокусированных электронов попадает на меняющийся участок фокуса анода, эффективная величина которого, т. е. оптический фокус, имеет благодаря этому весьма малые размеры (порядка 1X1 мм, 2,5X2,5 мм). Так как скорость вращения анода достаточно велика (анод является продолжением оси двигателя, вращающегося с угловой скоростью 2500 об/мин), мощность трубки при выдержках в 0,1 сек. может достигать 40—50 кВт.

Значительное количество тепла, образующегося на аноде работающей трубки, требует ее охлаждения путем отвода тепла с анода в окружающую среду. Это достигается путем воздушного радиаторного охлаждения (рис. 9), водяного охлаждения (рис. 10 и 11) или масляного охлаждения (рис. 12); масло является одновременно и изолирующей средой; масляное охлаждение обычно применяется в так называемых блок-аппаратах (см. Рентгенотехника).

В связи с многообразными запросами рентгенодиагностики и рентгенотерапии в настоящее время выпускаются рентгеновские трубки самого различного назначения, отличающиеся как конструктивным оформлением, так и величиной, мощностью, способами охлаждения и защиты от неиспользуемого излучения. Условные обозначения различных типов трубок состоят из комбинаций цифр и букв. Первая цифра — предельно допустимая мощность трубки (в кВт); первая буква определяет защиту от излучения (Р — самозащитная; Б — в защитном кожухе; отсутствие буквы означает отсутствие защиты); вторая буква определяет назначение Р. т. (Д — диагностика; Т — терапия); третья буква указывает систему охлаждения (К — воздушное радиаторное охлаждение, М — масляное, В — водяное, отсутствие буквы означает охлаждение лучеиспусканием); последняя цифра соответствует предельно допустимому анодному напряжению в киловольтах. Так, например, 3-БДМ-2-100 — трехкиловаттная диагностическая трубка с масляным охлаждением (радиаторным) на 100 кв для работы в защитном кожухе (условный номер типа — 2); трубка — 1-Т-1-200 — терапевтическая без защиты с охлаждением лучеиспусканием, мощностью 1 кет на напряжение 200 кв (условный номер типа — 1).

Независимо от типа рентгеновской трубки общий принцип их работы состоит в следующем. Накал катода Р. т. вызывает термоэлектронную эмиссию с образованием у катода так называемого электронного облака. С включением высокого напряжения на электродах Р. т. свободные электроны под действием электрического поля устремляются к аноду, тормозятся на его зеркале, причем часть энергии торможения преобразуется в рентгеновское излучение.

При повышении напряжения на рентгеновской трубке эмиссионный ток вначале круто возрастает за счет постепенного уменьшения плотности электронного облака. Когда же число электронов, образующихся на катоде, становится равным числу электронов, достигающих анода, дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока, проходящего через Р. т., а лишь увеличивает кинетическую энергию электронов, достигающих анода. Режим работы Р. т., при котором происходит использование всех электронов, образующихся на катоде, а дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения анодного тока, называется током насыщения. Практически ток насыщения i достигается в диагностических рентгеновских трубках при разности потенциалов σ порядка 10—20 кв (рис. 13). Поэтому обычно Р. т. большей частью работают в режиме тока насыщения. При необходимости увеличить анодный ток следует соответственно увеличить ток накала катода и, подняв напряжение, снова создать режим тока насыщения.

В процессе промышленного производства из Р. т. удаляют газ до остаточного давления 10-6 —10-7 мм рт. ст. При этой степени вакуума прохождение тока через Р. т. практически обусловлено только термоэлектронной эмиссией с катода. Однако при чрезмерном нагреве деталей трубки, а также при включении ее после длительного перерыва в работе в ней может появиться газ; при этом возникает эффект ионизации; рентгеновская трубка начинает пропускать ток в обоих направлениях. Измерительные приборы на пульте управления обнаруживают резкие колебания анодного тока. Если такую «газящую» Р. т. включить под высокое напряжение без накала катода, в ней создается устойчивый газовый разряд, сопровождающийся характерным свечением трубки. Такая трубка к работе непригодна и подлежит замене.

Каждую новую Р. т. перед пуском в работу необходимо проверить на вакуум под высоким напряжением, не включая накала, затем подвергнуть «тренировке». Для этого при анодном напряжении порядка 1/3 от номинального устанавливают ток 1—2 мА. Затем в течение 30—60 мин. напряжение и ток постепенно повышают до номинальных значений длительного режима в соответствии с паспортом Р. т. При эксплуатации Р. т. необходимо строго придерживаться режимов работы, указанных в ее паспорте.

См. также Рентгеновские аппараты, Рентгеновское излучение.

Рис. 1. Ионная рентгеновская трубка с воздушным охлаждением и газовым регенератором.

Рис. 2. Рентгеновская трубка Лилиенфельда.

Рис. 3. Катоды двухфокусных электронных рентгеновских трубок: 1 — с двумя цилиндрическими спиралями нити накала; 2 — с двумя плоскими спиралями нити накала.

Рис. 4. Безопасная рентгеновская трубка для внутриполостной рентгенотерапии: 1 — катод; 2 — анодная трубка; 3 — окно выхода рентгеновых лучей; 4 — анодный цоколь; 5 — водяная рубашка; 6 — патрубки охлаждения.

Рис. 5. Терапевтическая рентгеновская трубка с массивным вольфрамовым анодом: 1 — катод; 2 — анод.

Рис. 6. Схематическое изображение линейчатого фокуса диагностической рентгеновской трубки: 1 — зеркало анода; 2 — действительный фокус; 3 — анод; 4 — центральный луч; 5 — оптический фокус; 6 — ось трубки; 7 — катод.

Рис. 7. Трубка с вращающимся дисковым анодом: 1 — катод; 2 — дисковый анод; 3 — защитный диск; 4 — ось анода; 5 — стальной цилиндр-ротор асинхронного электродвигателя.

Рис. 8. Схематическое изображение фокуса трубки с вращающимся дисковым анодом: 1 — действительный фокус; 2 — его развертка; 3 — мгновенный фокус; 4 — ось трубки; 5 — катод; 6 — оптический фокус; 7 — анод.

Рис. 9. Трубка с радиаторным воздушным охлаждением.

Рис. 10. Анод трубки с водяным охлаждением: 1 — стержень анода; 2 — резервуар с охлаждающей водой.

Рис. 11. Анод трубки, охлаждаемой проточной водой: 1 — соединительные трубки водяного охлаждения.

Рис. 12. Миниатюрная рентгеновская трубка с масляным охлаждением для рентгенографии зубов.

Рис. 13. Анодные характеристически электронной рентгеновской трубки: S'— при токе накала 3,8 a; S—при токе накала 3,4 а.