Zasada Działania Filtracji Zewnętrznej w Aparatach RTG
- Szczegóły
Promieniowanie Rentgenowskie (nazywane również promieniowaniem X) jest promieniowaniem elektromagnetycznym powstałym w wyniku hamowania cząstek obdarzonych ładunkiem (stąd inna nazwa promieniowania Bremsstrahlung, niem. bremsen - hamować i Strahlung hamowanie). Długość fali promieniowania rentgenowskiego jest mniejsza od 3 nm co odpowiada energiom powyżej 400 eV. Wyróżnia się przy tym tzw. zakres promieniowania miękkiego - od 400 eV do 10 keV oraz promieniowania twardego, które charakteryzuje się energią powyżej 10 keV. Miękkie promieniowanie rentgenowskie jest absorbowane głównie przez powierzchniowe tkanki ciała ludzkiego i ma zbyt małą energię aby przez nie przeniknąć.
Promieniowania Rentgenowskiego stosowane w diagnostyce medycznej wytwarzane jest w tzw. Budowa Lampy Rentgenowskiej. Schemat Lampy Rentgenowskiej zaprezentowano na rys. 1. Składa się ona z katody oraz anody, umieszczonych w szklanej bańce, z której usunięto powietrze. K - katoda, A - anoda, [math]U_h[/math] - napięcie wywołujące żarzenie katody, [math]U_a[/math] - napięcie przyspieszające elektrony.
Do katody przyłożone jest napięcie, które wywołuje przepływ przez nią prądu rzędu ułamka ampera. Przepływ prądu powoduje rozgrzanie katody do temperatury około 2200 °C i w następstwie zjawisko termoemisji elektronów (czyli emisji elektronów przez podgrzany do wysokiej temperatury ciało Emisja termoelektronowa). Przy braku dodatkowego napięcia, elektrony emitowane przez katodę utworzyłyby wokół niej chmurę.
Pomiędzy katodę a anodę przyłożone jest jednak napięcie [math]U_A[/math] (maksymalnie 150 kV), które powoduje ruch elektronów w kierunku anody. Elektrony zostają rozpędzone do prędkości około 0,1 prędkości światła po czym wnikają w anodę. W anodzie rozpędzone elektrony w wyniku szeregu różnych procesów, które zostaną omówione w kolejnych rozdziałach tracą swoją energię kinetyczną. Część tej energii zostaje przetworzona na promieniowanie elektromagnetyczne, jednak większość (ponad 95%) ulega przemianie w ciepło. W wyniku tego anoda rozgrzewa się do bardzo wysokich temperatur i musi być wykonana z materiałów o dużej wielkości atomowej [math]Z[/math] (aby skutecznie hamować elektrony) oraz wysokiej temperaturze topnienia. Materiałami, które wykorzystuje się do budowy lampy RTG to najczęściej miedź, wolfram lub molibden.
Aby polepszyć chłodzenie lampy rentgenowskiej, do anody doprowadzone są przewody z wodą lub specjalnym olejem, który odprowadza od niej ciepło (na rys. Tor ruchu elektronu zostaje zakrzywiony przez pole elektryczne pochodzące od jądra atomowego. Natężenie promieniowania rentgenowskiego uzyskiwanego w lampie rentgenowskiej zaprezentowano na rys. 2 w funkcji energii tego promieniowania oraz na rys. 3 w funkcji długości fali.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Omówimy teraz, w jaki sposób powstaje w lampie RTG promieniowanie o rozkładzie zaprezentowanym na rys. 2 i rys. Jak wiemy, elektrony emitowane przez katodę zostają rozpędzone na drodze pomiędzy anodą a katodą. Wnikając w anodę, elektrony te będę przede wszystkim zderzać się z centrami sieci krystalicznej materiału, z którego wykonana jest anoda (rys. 4) . W wyniku wspomnianych zderzeń, energia kinetyczna elektronu przekazana sieci krystalicznej zostanie zamieniona na ciepło podgrzewające anodę. W ten sposób elektron traci ponad 95 % swojej energii kinetycznej, którą zyskał w trakcie przyspieszania na drodze pomiędzy katodą a anodą.
Elektron może również nie ulec zderzeniu z siecią krystaliczną, lecz wniknąć wgłąb atomu. Pod wpływem oddziaływania Kulombowskiego z dodatnio naładowanym jądrem, tor ruchu elektronu zostaje zakrzywiony. Ruch po torze krzywoliniowym jest ruchem przyspieszonym, w wyniku którego elektron emituje promieniowanie elektromagnetyczne (patrz rys. 5. Pomimo, że mniej niż 2 % energii kinetycznej elektronów jest zamienianie w lampie rentgenowskiej na energię promieniowania elektromagnetycznego, wyhamowywanie elektronów jest najbardziej wydajnym sposobem uzyskiwania promieniowania X.
Zgodnie z zasadą zachowania energii, cząstka nie może wypromieniować więcej energii niż wynosi jej energia kinetyczna. gdzie: e - ładunek elektronu. Na rys. 2 widzimy, że widmo promieniowania X zanika dla energii 100 keV. Wiemy już, iż promieniowanie X wytwarzane w lampie rentgenowskiej osiąga pewną maksymalną energię (albo odpowiadającej jej pewną minimalną długość fali).
Nie znamy jednak jeszcze całościowego mechanizmu powstawania widma ciągłego. Niestety, mechanizm ten jest bardzo skomplikowany i wykracza znacznie poza ramy niniejszego podręcznika. W tym miejscu zaprezentujemy jedynie pewien model generacji widma w lampie rentgenowskiej zaproponowany przez Kramera w roku 1923. Jest to model stosunkowo prosty, ale posiadający pewne wady i krytykowany, jednakże model ten umożliwia wyjaśnienie powstawania rozkładu natężenie promieniowania X.
Model Kramera opisuje emisję promieniowania Rentgenowskiego w wyniku oddziaływania z bardzo cienką tarczą. Jak można zauważyć, model przewiduje jednorodny rozkład energii promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez cienka tarczę. Widmo to kończy się na częstości [math]\nu_g[/math]. Częstości tej odpowiada maksymalna energia jaką elektrony mogą zamienić na energię promieniowania elektromagnetycznego (patrz rys. Korzystając z modelu Kramera możemy również oszacować postać widma promieniowania rentgenowskiego emitowanego z grubej tarczy (np. anody lampy RTG). Tarcza taka będzie się składać z wielu cienkich tarcz.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Widmo emitowane z każdej cienkiej zaprezentowano na rys. 6.A, przy czym przy każdej cienkiej tarczy odpowiada inna wartości częstości granicznej [math]\nu_g[/math], dla której widmo promieniowania rentgenowskiego zanika. Spowodowane jest to faktem, iż w każdej kolejnej tarczy elektrony część swojej energii kinetycznej zamieniają na promieniowanie rentgenowskie. Załóżmy, że w pierwszą cienką warstwę wnika N elektronów o energii kinetyczną E, z których n elektronów całą swoją energię kinetyczną zamieni na promieniowanie rentgenowskie.
W związku z tym elektrony te nie będą w stanie wniknąć do kolejnej cienkiej tarczy. Pozostałe elektrony z wiązki zamieniły na promieniowanie elektromagnetyczne tylko część swojej energii, którą oznaczymy [math]\Delta E[/math]. Po opuszczeniu pierwszej cienkiej tarczy, wiązka zawiera N-n elektronów o maksymalnych energiach [math]E-\Delta E[/math]. Wnikając do kolejnej cienkiej tarczy, elektrony mogą zatem oddać co najwyżej energię [math]E-\Delta E[/math], której odpowiada częstość graniczna [math]\nu_g = \frac{E-\Delta E}{h}[/math], która jest niższa niż częstość graniczna uzyskana w widmie pochodzącym z pierwszej cienkiej tarczy: [math]\nu_g = \frac{E}{h}[/math]. Sumując widma pochodzące od wielu cienkich tarcz uzyskujemy zanikające liniowo widmo promieniowania X.
Aby uzyskać widmo promieniowania rentgenowskiego w funkcji długości fali, należy wykonać następujące przekształcenia. Widmo promieniowanie X, emitowanego w lampie rentgenowskiej, w funkcji częstości i długości fali zaprezentowano na rysunku rys. Teoretyczna zależność natężenia promieniowania X uzyskiwanego w procesie hamowania elektronów w lampie Rentgenowskiej.
Na skutek oddziaływania promieniowania X z atomami anody w procesach: fotoelektrycznym oraz rozpraszaniu Comptona, zachodzi filtracja tego promieniowania już w anodzie lampy oraz okienku berylowym. Na rys. 8 zaprezentowano teoretyczny kształt widma, jaki powstaje w wyniku hamowania elektronów w tarczy lampy rentgenowskiej. W praktyce jednak, widmo to odbiega od kształtu przewidzianego przez model Kramera. Promieniowanie X, zanim opuści anodę, oddziałuje z jej atomami w procesach: fotoelektrycznym i comptonowskim. Na skutek wymienionych procesów, ulega zmniejszeniu natężenie promieniowania rentgenowskiego.
Ponadto, w celu przeciwdziałania propagacji promieniowania X we wszystkich kierunkach, lampa rentgenowska znajduje się w ołowianej koszulce (tzw. kołpaku), o grubości kilku milimetrów. Promieniowania z lampy rentgenowskie wydostaje się na zewnątrz poprzez okienko wykonane z berylu. Beryl, mimo że dobrze transmituje promieniowanie rentgenowskie, również osłabia do pewnego stopnia natężenie promieniowania X. Zmniejszanie natężenia promieniowania X po przejściu przez kolejne ośrodki zaprezentowano na rysunku rys. 9. Trzeci spośród procesów jest tematem niniejszego rozdziału.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Po wybiciu elektronu, powłoka może zostać zapełniona przez elektrod z powłoki o wyższej energii. W trakcie tego procesu, elektron emituje nadwyżkę swojej energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. [math]C[/math] - stała zależna od liczby atomowej Z (ładunku jądra), stałej Rydberga oraz stałej ekranowania. Przykładowo, dla miedzi, stała [math]C\approx 10[/math] keV. Jeśli elektron wnikający w anodę wybiję elektron z niskiej powłoki i jednocześnie luka po wybitym elektronie zostanie zastąpiona przez elektron z powłoki o wysokiej głównej liczbie kwantowej, wtedy emitowany kwant promieniowania elektromagnetycznego może mieć energię odpowiadającą fotonowi rentgenowskiemu.
W trakcie zmiany przez elektron orbity może być emitowane promieniowanie elektromagnetyczne o ściśle określonych energiach, w związku z czym proces wybijania elektronów z atomów anody prowadzi do powstawania widma składającego się z dyskretnych linii. Widmo to nazywane jest widmem charakterystycznym, gdyż układ linii spektralnych jest charakterystyczny dla danego pierwiastka. Promieniowanie charakterystyczne dla napięcia poniżej 60 kV praktycznie jest pomijalne (ale wykorzystuje się je w mammografii). Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania powstałego w lampie rentgenowskiej nakładają się na siebie. Kształt widma wypadkowego zaprezentowano na rys.
Miejsce na anodzie, które jest bombardowane przez elektrony nazywamy ogniskiem. Rozmiary ogniska w nowoczesnych lampach rentgenowskich są rzędu ~0.1 mm. Okazuje się, że elektrony wnikające w anodę, mniej niż 1% swojej energii kinetycznej oddają w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Pozostała część energii kinetycznej ulega konwersji w ciepło. Przykładowo dla anody wykonanej z wolframu i elektronów przyspieszonych napięciem 50 keV, tylko 0.4 % ich początkowej energii kinetycznej zostaje wyemitowana w postaci promieniowania X.
Produkowane ciepło w lampach Rentgenowskich stanowi poważny problem dla konstrukcji tych urządzeń. W trakcie pracy anoda lampy może rozgrzać się do temperatury wyższej niż temperatura topnienia materiału z którego jest zbudowana, zwłaszcza że ciepło to powstaje głównie w bardzo małym obszarze ogniska. Lampa z tzw wirującą anodą; rozwiązanie to umożliwia nie naświetlania jednego punktu na anodzie, tylko pierścienia o szerokości ogniska i długości. W wyniku wirowania anody, dane miejsce jest wystawione na zderzenia z elektronami tylko przez krótką chwilę czasu, po czym możliwe jest odprowadzenie z tego miejsca ciepła. Anoda rotuje z prędkością od 3600 do 10000 obrotów na minutę.
W lampach Rentgenowskich stosowanych w medycynie obszar anody, który jest bombardowany przez elektrony może mieć większe rozmiary niż w standardowych lampach, co umożliwia lepsze odprowadzanie ciepła. W połączeniu z układami chłodzącymi oraz wirującą anodą, rozwiązanie to umożliwia zwiększenie napięcia przyspieszającego do maksymalnej wartości 150 kV. Opisane sposoby nie zawsze zabezpieczają anodę lampy rentgenowskiej przed przegrzaniem,w związku z tym nowoczesne urządzenia (zwłaszcza obrazowania medycznego) wyposażone są w systemy kontrolujące temperaturę lampy i wyłączające aparaturę, na określony czas, jeśli przekroczyła ona pewien określony próg.
W zakresie energii stosowanych w Obrazowaniu Medycznym promieniowanie Rentgenowskie oddziałuje z materia w procesach rozproszenia Rayleigh’a, Thomsona i Comptona oraz efekcie fotoelektrycznym. Każdy z tych procesów scharakteryzowany jest przez przekrój czynny σ. [math]N[/math] - ilość centrów oddziaływania na jednostkę objętości.
Jeżeli promieniowanie Rentgenowskie przechodzi przez ośrodki o różnym współczynniku μ (patrz rys. [math]I_i[/math] - natężenie promieniowania rentgenowskiego po przebyciu drogi x w i-tym ośrodku, charakteryzującym się liniowym współczynnikiem osłabienia promieniowania rentgenowskiego [math]\mu_i[/math]. Zanim promieniowanie rentgenowskie dotrze do i-tego ośrodka, przechodzi przez ośrodki o współczynniku osłabienia [math]\mu_1, \mu_2, \ldots, \mu_{i-1}[/math]. Na rys. 11 i rys. Musimy być również świadomi, że natężenie prądu anodowego [math]I_A[/math] zależy od ilości elektronów wyprodukowanych w zjawisku termoemisji, a to z kolei zależy od wielkości prądu płynącego przez katodę.
Zależność ta jest proporcjonalna - w celu zwiększenia np. 3 krotnie wielkość prądu [math]I_A[/math] należy 3 krotnie zwiększyć wartość prądu płynącego przez katodę. Aby móc rozróżnić na obrazie jakąś strukturę, musi się ona charakteryzować się wartością parametru fizycznego, który odwzorowujemy na obrazie, istotnie różną od wartości struktur sąsiednich lub tła. W tym celu załóżmy, iż wiązka promieniowania rentgenowskiego przechodzi przez ośrodek o grubości L i liniowym współczynniku promieniowania X równym [math]\mu_1[/math]. W ośrodku znajduje się struktura o grubości d i liniowym współczynniku osłabienia promieniowa X równym [math]\mu_2[/math] (patrz rys. 13).
[math]I_1[/math] - natężenie promieniowania po przejściu tylko przez ośrodek o współczynniku liniowego osłabienia promieniowania X równym [math]\mu_1[/math]. [math]I_2[/math] - natężenie promieniowania po przejściu przez ośrodki o współczynniku liniowego osłabienia promieniowania X równym [math]\mu_1[/math] i [math]\mu_1[/math]. Podstawowym elementem każdej aparatury rentgenowskiej jest oczywiście lampa rentgenowska, której budowa została omówiona we wcześniejszych rozdziałach.
Promieniowanie rentgenowskie emitowane przez lampę nie jest promieniowaniem monoenergetycznym. Zadaniem filtrów jest usuniecie z wiązki promieniowania, które nie może być wykorzystane do diagnostyki. Przede wszystkim jest to promieniowanie o energiach niższych niż 10 keV. Promieniowanie o energii poniższej 10 keV jest silne osłabiane przez ciało człowieka. W związku z tym ilość fotonów, która dotrze do detektorów jest zbyt mała, aby uzysk...
Dodatkowe Informacje
| Rodzaj Promieniowania | Energia | Charakterystyka |
|---|---|---|
| Miękkie Promieniowanie Rentgenowskie | 400 eV - 10 keV | Absorbowane głównie przez powierzchniowe tkanki ciała ludzkiego |
| Twarde Promieniowanie Rentgenowskie | Powyżej 10 keV | Charakteryzuje się wyższą energią |
tags: #zasada #dzialania #filtracji #zewnetrznej #w #aparatach
