Продолжаю тему рентгеновской техники. Настало время посмотреть, что прячется за красивыми белыми кожухами и понять, по каким принципам всё это работает. Начнём с конца.
Нет, с другого, а именно с источника рентгеновского излучения – трубки.
Сначала покажу вам раритет, который хранится у нас:
Трубка фирмы Рёрикс. Это представитель культуры и техники ГДР. Я даже не знаю, какого она года выпуска.Снята была с вышедшего из строя плёночного флюорографа.
Вообще сказать, что физики и учёные любят что-то взрывать, сталкивать и разрушать – не сказать ничего. Принцип работы рентгеновской трубы, как и Большого Адронного Коллайдера заключается в том, чтобы посильнее разогнать элементарные частицы и как можно сильнее ударить ими обо что-то плотное и твёрдое, а затем следить за тем, что из этого всего получилось.
В нашем случае трубка разгоняет электроны. Мишень, по которой наносится удар, называют анодом. Важными параметрами анода являются термостойкость, теплопроводность и плотность материала из которого он выполнен. Данным критериям наиболее полно соответствует вольфрам.
На фото выше, можно видеть, анод Рёрикса выполнен целиком из вольфрама. Это достаточно массивный и объёмный кусок металла. С целью экономии столь важного для техники материала, физики стали искать другие более подходящие кандидатуры на эту роль, но найти полную замену даже сейчас не получается. Поэтому стали ухищряться и делать композитные конструкции. Основную часть анода изготавливают из меди или теплопроводящей керамики, на которую в дальнейшем одевают чашечку в виде конуса из вольфрама.
На этом фото представлен узел накала и фокусировки электронного пучка. Он состоит из электростатической линзы и двух накальных спиралей, к которым подводится электрическая энергия.Спиральки, как и сам анод, выполнены из вольфрама (в обычной лампочке всё то же самое). В один момент времени работает только одна спиралька. Диаметр навивки спиралек и толщина их нитей различна.
Задачей спиралек является эмиссия(испускание) электронов. Способность испускать электроны наблюдается у металлов,нагретых до определённой температуры. Что более важно, чем выше температура,тем больше электронов испускает металл в окружающее пространство со своей поверхности. Но есть небольшая загвоздка. Электроны, которые вылетают с поверхности нагретой металлической спиральки, обладают слишком малой энергией и не способны преодолевать значительных расстояний. По сути, электроны собираются вокруг спиральки и зависают рядом с ней в виде небольшого облака. Обведённую красным пунктиром зону расположения спиралек можно условно считать границей «электронного облака».
Теперь для того, чтобы электроны начали бомбардировать анод, необходимо придать им ускорение. Добиваются этого, прикладывая к аноду положительное, а к катоду отрицательное напряжение. Величина напряжения играет важную роль.
Чем больше разница между напряжением на аноде и катоде, тем с большей силой электрическое поле выталкивает электроны из облака расположенного у нити накала в сторону анода. Если бы нить накала не была утоплена в электростатическую линзу, то электроны двигались бы в сторону анода, но по разным направлениям к нему -рассеяно. Электрическое поле вокруг металлических частей линзы заставляет электроны собираться в достаточно тонкий пучок. В зависимости от конфигурации линзы пучок будет иметь длину нити накала и ширину порядка 0,3 - 1,5 мм. Последнее зависит от типа трубки и её назначения. Размеры пучка электронов играют важную роль, от них зависит детализация снимка, а именно минимальный размер сосуда, бронха или опухоли, которую можно будет увидеть на снимке.
Ещё один раритет – наша отечественная трубка под названием 6БД10 80-125. Старше меня, а дата её выпуска начало 60-х годов.
Можно видеть, что размеры этой трубки меньше Рёрикса. Это более компактный вакуумный прибор, но и менее мощный.
Ещё одно фото сбоку на сей девайс.
А вот на этой картинке можно видеть идеальное состояние анода. Если вернуться назад и посмотреть на второе фото Рёрикса, то можно заметить, что анод имеет отчётливо заметную матовую дорожку на поверхности. Эта дорожка есть, ни что иное, как след от бомбардировки электронами.Электроны в статичном состоянии не представляют особой опасности для чего-либо,как и коробка с патронами. Но если патроны зарядить в магазин (эмитировать электроны в области электростатической линзы) и выпустить из ствола нажав на курок (ускорить полем) то они станут по-настоящему опасными.
В аналогии с пулями, электроны обладают различной проникающей способностью. Чем больше будет скорость пули,тем глубже она погрузится в тело врага, чем выше будет скорость электрона, тем глубже он вонзится в материал анода.
В противоположность пулям,электроны более мелкие. Если пуля разрывает ткани человека при попадании, то в случае с электроном, последний может даже не столкнуться с атомом вещества анода,так как расстояния между атомами в самом веществе очень большие, а электрон по отношению к ним очень мал.
Это равносильно вашему посещению огромного торгового центра во время эпидемии. Отдельно шатающиеся продавцы –это атомы вещества, а вы, зашедший в центр – электрон. И попробуй поймай продавца,он ещё убегать от вас будет.
Но в микромире всё интереснее.Там существуют летающие рядом с ядром электроны самих атомов - такие же шальные посетители центра, но уже пытающиеся поймать своего продавца, кружащие вокруг него битый час. За счёт электрического поля, которое постоянно присутствует у электронов, как при каждом человеке мнение об окружающих, слоняющихся во время эпидемии, становится возможной передача энергии (в случае людей - информации).Если вы скажете такому человеку, что вы думаете о нём или о сложившейся ситуации, то может произойти следующее:
1) Вы сойдётесь во мнениях, и окажется, что вам вдвоём будет лучше. После этого, вы вместе пойдёте ловить продавца. Продавец станет теплее, ему придётся бегать уже от вас двоих.
(Атом материала анода с одним свободным для электрона местом на своей орбите присоединит к себе испущенный катодом электрон. Произойдёт поглощение энергии и её преобразование в тепло.)
2) Окажется, что вы схожи во мнениях, но у этого человека уже есть напарник, с которым он ловит продавца и вам придётся идти дальше своим путём, ища себе напарника.
(Для залётного электрона нет атома со свободным местом на его орбите. Свободный электрон летит дальше.)
3) Вас пошлют. Вы пойдёте дальше, чуть медленнее потому, что вам будет легче, ведь вы высказались. А вот у человека, которому вы высказали всё, что думали о нём и о сложившейся ситуации, начнёт подгорать. Тот,поняв, что вы правы, изложит всё, что он думал и думает благим матом на весь торговый центр во всю глотку.
(Электрон атома получит часть энергии от испущенного катодом электрона и преобразуется эту энергию в гамма квант – частичку рентгеновского излучения. Отдавший часть своей энергии электрон полетит дальше, но уже чуть медленнее.)
Вот таким вот образом происходит обмен мнениями среди людей и энергиями среди электронов. Следует отметить, что лишь 1% всей энергии потраченной на получение излучения переходит в него. Основная часть, а это 99%, только разогревают материал анода. В общем и целом солидарности в микромире больше.
А теперь - тепло. Пока говорил про электроны, появилось ещё 2 фото с трубкой от дентального и передвижного палатного аппарата (последняя фотка – это палатная трубка). Отличие данных труб видно сразу. Они много меньше, у них анод выполнен не из вольфрама, а из цельного куска меди, отсутствует ротор.
Разница в конструкции анодной части обусловлена малым значением используемых напряжений между анодом и катодом, малым значением рабочей мощности и большим значением времени ожидания между экспозициями.
С напряжением понятно – чем меньше напряжение, тем меньше скорость электронов, тем меньше греется материал анода.
Чем меньше мощность, тем меньше энергии переходит в тепло, тем меньше нужно усилий, чтобы остудить анод.
Время ожидания между включениями трубки необходимо для охлаждения анода. Анод, при работе, греется очень и очень сильно. В линии на поверхности анода, на которой фокусируется пучок,температура за доли секунды достигает значений способных испарить даже вольфрам.При неисправностях аппаратуры такое иногда происходит, трубка полностью выходит из строя и порой, тянет за собой электронику, которая её питает. Поэтому охлаждение очень важно.
Способов охлаждения несколько, но наиболее распространённые это распределение тепла по аноду с помощью вращения и передача тепла за счёт свойств материала анода в смежные с ним элементы конструкции. Первый вариант используется большими трубами, последний маленькими(дентальные, палатные).
В первом случае анод специально раскручивают до скорости 3000 об/мин или 9000 об/мин. И только затем включают высокое напряжение. Пучок электронов бьёт теперь не водной линии, а по окружности всего анода (посмотрите на дорожку Сименса или Рёрикса).Такой манёвр позволяет распределить тепловую энергию по поверхности анода более равномерно и не концентрировать её в одной маленькой зоне. За счёт этого появляется возможность делать снимки очень часто с перерывом в 1 – 2 минуты.Мощность, которая выделяется на аноде при соударении с электронами, за счёт массивности ротора анода и инфракрасного излучения быстро распределяется по элементам конструкции рентгеновского излучателя.
Корпус рентгеновского излучателя бе начинки. Начинка вокруг.
В случае с маленькими трубами вращающихся частей нет, и теплопередача осуществляется только за счёт присоединения анода (видна резьба крепления) к внешним элементам конструкции.Такое исполнение не позволяет применять большие мощности и накладывает ограничения на время между снимками. Если трубка работает на максимальной мощности, то время её остывания может доходить до 20 минут.
И ещё – все потроха трубок находятся в глубоком вакууме. Необходимость этого обусловлена тем, что в присутствии воздуха испущенные катодом электроны не будут долетать до анода, а будут сталкиваться с атомами и молекулами воздуха, бесцельно ионизируя и нагревая его.
Излучатель – это помещённая в металлический кожух рентгеновская трубка, залитая трансформаторным маслом. Трансформаторное масло выполняет две важные функции: электроизоляция и перенос тепла от трубки к металлическому кожуху.
Важным условием исправной работы трубы в излучателе является высокое качество масла (оно не должно содержать влаги).
Если масло по какой-то причине набирает влагу, то оно катастрофически теряет свои электроизоляционные свойства. Если такое масло будет залито в излучатель, то при высоких напряжениях оно может стать хорошим проводником электричества, что в свою очередь может привести к поломке питающего устройства.
Во избежание подобных вещей используются специальные вакуумные насосы (на последнем фото), которые подключают к горловине излучателя (уже собранного и с установленной трубой). В корпусе откачивают воздух и выдерживают определённое время для контроля герметичности корпуса, а затем за счёт созданного разряжения закачивают масло.Таким образом, масло не контактирует с окружающей атмосферой и сохраняет свои качества. Насос отключают, а горловину закрывают рентгенопрозрачным стеклом.Затем излучатель подключают к стенду, на котором проверяют его характеристики.Если в ходе испытаний напряжения на излучателе удаётся поднять до 150 кВ, при этом не наблюдается пробоев и на выходе излучателя присутствует рентген, то его передают заказчику.
На этом пока всё. Питающие устройства далее….
Отличный комментарий!