Устройство рентгеновской трубки и принцип ее работы

Рентгеновская трубка – это основной элемент рентгеновского аппарата, в котором генерируется излучение. В электровакуумном элементе лучи возникают при тормозном излучении электронов, у которых высокое ускорение. Этот двухэлектродный элемент необходим для медицинских рентгеновских аппаратов и лабораторного оборудования (дифрактометра) для исследования структуры образцов.

Устройство рентгеновской трубки

Рентгеновская трубка бывает нескольких типов, но конструкция элемента примерно одинаковая. Рассмотрим подробнее устройство рентгеновской трубки и принцип её работы. Это колба из стекла цилиндрической или шаровидной формы.

По концам емкости впаяны два электрода:

1. Катод – это скрученная в спираль тонкая нитка из тугоплавкого металла, обычно из вольфрама. Ее крепят на стержне из молибдена, закрывают металлическим колпаком, который служит направляющей, чтобы формировать узкий луч из электронного потока.

2. Анод делают из материала с высокой теплопроводностью, чтобы он мог быстро остывать, обычно из меди. Его размер больше. Край, который направлен на катод, срезан под углом от 45 до 70 градусов. В центре расположена пластина из вольфрама или рения. Для рентгеноструктурного анализа мишень делают из хрома, меди, железа, чтобы получать необходимую длину волны. Здесь находится основная точка образования рентгеновского излучения – фокус размером 10-15 мм2.

Из трубки откачивают воздух до состояния вакуума. Это обеспечивает вылет электронов с поверхности катода, их значительный разгон. Поскольку тепловой энергии много при генерации, то анод быстро греется. Для его остывания в системе предусмотрено водяное, масляное, воздушное охлаждение.

Фокус – тот участок на аноде, от которого зависит качество снимка. Чем меньше его размер, тем четче контуры, лучше видна структура и, наоборот, при увеличении размера фокусного пятна картинка будет расплываться. Но при минимальном фокусе трубка быстро изнашивается, поскольку на аноде плавится вольфрамовая пластина. Чтобы трубка прослужила дольше, в современной технике делают несколько фокусов. Это гарантирует четкость с возможностью снижать нагрузку на анод.

Как генерируются лучи

При включении аппарата на вольфрамовую спираль катода подается ток с напряжением от 4 до 15 В и силой от 3 до 5 А. Нить раскаляется, вокруг нее формируются свободные электроны. За счет высокого напряжения на полюсах трубки возникает разность потенциалов. Эта сила заставляет электроны двигаться, ускоряться, стремиться в сторону анода.

Излучение возникает из-за резкого торможения разогнавшихся электронов в виде сфокусированного пучка, когда они сталкиваются с поверхностью анода. От удара они свою кинетическую энергию превращают преимущественно в тепловое, а частично в рентгеновское излучение – электромагнитные волны с небольшой длиной.

Регулировка режима работы

В технике предусмотрена возможность регулировать интенсивность излучения, его жесткость (проникающую способность). Если увеличить нагрев нити из вольфрама, то с катода будет излучаться больше электронов, за счет чего интенсивность рентгеновских лучей усиливается. Если повысить подведенное к концам колбы напряжение, то будет нарастать скорость перемещения электронного потока, тогда лучи будут проникать при диагностике на большую глубину.

Виды оборудования

Трубки для рентгеновских аппаратов выпускают преимущественно в запаянном виде, когда в колбе постоянно поддерживается вакуум. В разборных элементах для обеспечения вакуума постоянно работает насос, их используют, поскольку материал анода приходится менять, так можно выполнить ремонт.

Трубки с рентгеновским излучением отличаются по таким характеристикам:

• излучение: непрерывного типа или в виде импульсов;

• способ отвода тепла от анода: при помощи воздуха, масла, воды, радиации;

• метод фокусировки потока электронов от катода к аноду: электростатического, электромагнитного, магнитного типа;

• особенности анода: стационарно закрепленный или вращающийся;

• материал баллона: из стекла, металлокерамики.

Сферы применения

Основное применение рентгеновской трубки – это медицина, где аппараты с излучением используют для диагностики различных частей тела. Кости и мягкие ткани по-разному пропускают лучи, за счет чего формируется изображение. Обследования назначают в профилактических целях и при лечении. Также трубки необходимы для дефектоскопии, при рентгеноструктурном анализе для изучения кристаллической решетки образцов, твердых растворов.