phone numbers

تیوب اشعه ایکس رى و ساختار آن

 

 

تیوب اشعه ایکس رى و ساختار آن


)A
تابش ممکن است دماى ناحیه بمباران شده توسط هدف
تنگستنى را تا  1000درجه سانتى گراد یا بیشتر بالا ببرد.
بنابراین اگر هدف تنگستنى به اندازه کافى بزرگ نباشد تا
لبه هاى اطراف سطح کانونى امکان خنک شدن پیدا کنند
قسمت مسى مجاور هدف ذوب مى شود. یک نکته مهم
در اینجا این است که ضرایب انبساط تنگستن و مس یکى
نیست و اگر متصل کردن تنگستن و مس به صورت دقیق
انجام نشود هدف تنگستنى از مس جدا مى شود. آند هاى
ثابت براى خروجى هاى کم براى مثال در تجهیزات
رادیوگرافى هاى دندانپزشکى مى تواند مناسب باشد.
قسمت مسى در روغن غوطه ور است و تبادل حرارتى
را انجام مى دهد. گرماى ایجاد شده در تنگستن به مس
انتقال مى یابد و در نهایت به روغن مى رسد. روغن گرماى
جذب شده را به شیلد اطراف انتقال مى دهد تا با دماى
محیط اتاق گرماى تیوب کاهش پیدا کند. آند ثابت براى
هر رادیوگرافى مناسب نیست و محدودیت هایى دارد. آند
ثابت در سیستم هاى تصویر بردارى اشعه ایکس دندان،
تصویر بردارى هاى قابل حمل و دیگر مصارف خاص
مورد استفاده قرار مى گیرند که در آن نیاز به جریان و
قدرت بالا نیست.
بررسى آند چرخان
گرماى زیاد تولید شده در آند ثابت مانع اصلى تولید زیاد
اشعه ایکس در یک لامپ اشعه ایکس است. براى رفع
این مشکل طراحى آند چرخان صورت گرفت. هدف
چرخان که از یک دیسک بزرگ تنگستنى یا آلیاژى از
تنگستن است با سرعت زیادى در حدود  3000تا 3600
دور بر دقیقه با برق شهر و تا  10000دور بر دقیقه با برق
سه فاز در موقع تولید اشعه ایکس مى چرخد. در واقع
شکل ظاهرى این آند مانند مخروط ناقص است که زاویه
هدف آن بین  6تا  20درجه است. هدف از طراحى آند
چرخان این بود که گرماى ایجاد شده در هنگام برخورد
الکترونها با هدف روى سطح بزرگترى توزیع شود تا دماى
آن مانند آند ثابت در یک نقطه خاص به تنهایى بالا نرود.
در آند چرخان حرارت در هر لحظه بر روى ناحیه اى از
آند مولد اشعه ایکس رى
آند، قطب مثبت تیوب را تشکیل مىدهد. در انتهاى مسیر
حرکت الکترونها آند قرار دارد. آند به پتانسیل الکتریکى
مثبت متصل است. بسیارى از الکترونها که به آند برخورد
مىکنند پس از چندین برخورد با اتمهاى آند انرژى خود را
به اتمها داده و انرژى به صورت انرژى حرارتى در مىآید.
به همین علت آند بسیار گرم مىشود که باید خنک شود.
الکترونها بر اثر اختلاف پتانسیل زیاد شتاب مىگیرند.
در هنگام برخورد با آند بخش بزرگى از انرژى اکتسابى به
حرارت تبدیل مىشود که تقریبا  99درصد است و بخش
بسیار کوچکى که معمولا کمتر از  1درصد است تبدیل به
فوتونهاى اشعه ایکس مىگردند. بسیار واضح است که
روند تولید اشعه ایکس در حقیقت تبدیل نوعى از انرژى به
نوعى دیگر است. به زبان ساده تر انرژى جنبشى الکترونها
به اشعه ایکس و حرارت ایجاد شده در محل برخورد تبدیل
مىشود. نقطه اى که الکترونها در آند به آن برخورد مىکنند
نقطه کانونى نام دارد و منبع تابش اشعه ایکس است. جنس
آند باید داراى خصوصیات ویژهاى باشد. لازم به ذکر است
آندها به دو نوع ثابت ) (StaƟonaryو چرخان )(RotaƟon
تقسیم بندى مىشوند. قدرت نفوذ اشعه )فرکانس( مستقیما
به انرژى الکترون هایى بستگى دارد که در برخورد با آند اشعه
را مىسازند. بنابراین هرچه اختلاف پتانسیل شتاب دهنده
افزایش یابد قدرت نفوذ اشعه افزایش خواهد یافت. اختلاف
پتانسیل با واحد کیلو ولت مشخص مىشود.
آند ثابت
آند ثابت از یک صفحه کوچک تنگستنى با ضخامت  2تا
 3میلیمتر در یک بلوك بزرگ از مس قرار گرفته است.
صفحه تنگستن به صورت مربعات کوچکى، بزرگتر از یک
سانتیمتر است. زاویه آند حدود  15تا  20درجه است. از
آنجایى که تنگستن داراى عدد اتمى بالایى است و بازده
زیادى براى تولید اشعه ایکس دارد و همچنین داراى
نقطه ذوب بالا است از آن در ساخت آند ثابت استفاده
مى شود. تنگستن در جذب گرما، انتقال و پراکنده سازى
آن از ناحیه هدف شرایط خوبى را دارد. اگرچه تنگستن
داراى خصوصیات گرمایى نسبتا خوبى است ولیکن قادر
به مقاومت در برابر گرماى حاصل از تابش هاى متناوب
نیست به همین علت هدف تنگستنى کوچک را براى
هدف متمرکز مىشود و قسمت قبلى از معرض الکترونها
خارج مىشود و در این مدت فرصت براى ناحیه تا تابش
مجدد وجود دارد. بنابراین با طراحى چنین روشى اندازه
ضمن آنکه سطح موثر سطح مقطع هدف به همان اندازه
هدف ثابت است ولى کل سطح هدف بسیار بزرگتر است
و گرماى ایجاد شده روى سطح بزرگترى متمرکز مىشود.
قطر هدف تنگستنى و یا مساحت آن تعیین کننده ماکزیمم
اکسپوز به هدف است که این قطر معمولا  75تا 100
میلیمتر و گاهى بزرگتر است. سایز آند، سطح آند، جرم
آند، سرعت چرخش در عملکرد آند پارامترهاى مهمى
هستند. اگر یک گرافیت در انتهاى یک آند قرار بگیرد
جرم آن کم و نقطه ذوب آن بالا و ذخیره سازى گرما را
افزایش مىدهد. بلبرینگ براى چرخش مناسب است ولى
براى هدایت گرماى زیاد مناسب نیست. تیوبهاى اشعه
ایکس عمومى از آندهاى چرخشى استفاده مىکنند زیرا
در یک زمان کوتاه باید پرتو ایکس با شدت بالا تولید
کنند. آند به وسیله یک لوله به کابلهاى اتصال دهنده ولتاژ
بالا متصل مىشود. مس ، مولیبدن ، گرافیت شایع ترین
مواد آند است. درآند چرخان کل دیسک چرخشى هدف
است. تیوبهاى مولد اشعه ایکس با ظرفیت بالا در لایه
زیرین تنگستن داراى مولیبدن یا گرافیت هستند. مولیبدن
و گرافیت داراى چگالى کمترى نسبت به تنگستن هستند و
این امر موجب مىشود تا آند سبک تر شود و چرخش آند
راحتتر صورت گیرد. در آند چرخان مىتوانیم جریان
بیشترى نسبت به آند ثابت داشته باشیم. همچنین قابل ذکر
است میله یا شفت روتور به خارج از محفظه خلاء براى
نصب سیم و اتصالات آند گسترش مىیابد.
براى افزایش ظرفیت گرمایى، آند از چندین لایه ساخته مىشود.
نحوه چرخش آند چرخان
توان لازم جهت چرخش آند توسط میدان مغناطیسى و یک
کویل استاتور که در اطراف عقب آند خارج از لامپ واقع
است فراهم مىشود. میدان مغناطیسى حاصله در ناحیه
داخلى کویل استاتور موجب القاى جریانى در روتور مسى
که به هدف چرخان متصل است مىشود که در اثر آن
چرخش روتور انجام مىشود. فاصله بین استاتور و محفظه
ى شیشه اى تا حد ممکن کم انتخاب مىشود به گونه
اى که بیشترین انرژى به صورت یکنواخت به استاتور
منتقل مىشود. نمىتوان از روغن براى روانکارى و
کاهش اصطکاك در موقع چرخش روتور استفاده کرد زیرا
افزایش دما باعث تبخیر روغن در فضاى خلاء محفظهى
شیشهاى مىشود. براى حل این مشکل از مایع لغزنده
کننده فلزى به خصوص نقره استفاده مىشود. گاهى اوقات
مکانیزم چرخش آند با مشکلاتى روبرو مىشود و موجب
مىشود تا قسمتى از آند بیش از حد گرم شده و حفره و
شکاف هایى در آن ظاهر شود. یک میدان الکترومغناطیسى
خارجى که توسط استاتور خارج از محفظه شیشه اى ایجاد
مىشود روتور را به حرکت در مىآورد. هر دو با هم به
عنوان یک موتور ناهمزمان کار مىکنند. شکاف هوایى
روتور و استاتور را از یکدیگر جدا مىکند. شکاف هوایى
کارایى موتور را به طور قابل توجهى کاهش مىدهد. با
توجه به این شکاف هوایى و به منظور سرعت بخشیدن
آند در یک زمان کوتاه منبع تغذیه موتور باید نسبتا قدرت
بالایى داشته باشد. چرخش مطلبوب زمانى حاصل مىشود
که بدنه بدون ایجاد نیروهاى محورى به چرخش درآید تا
هیچ ارتعاشى رخ ندهد.
انتقال گرما در آند چرخان

 


برخلاف انتقال گرما در آندهاى ثابت اگر در آندهاى
چرخان انتقال گرما به قسمت عقب آند که محل چرخش
استاتور است صورت بگیرد این قسمت منبسط مىشود
و در چرخش استاتور اختلال ایجاد مىکند. به این دلیل
هدف توسط مولیبدون به استاتور متصل مىشود. مولیبدون
داراى ضریب گرماى ذوب بالایى در حدود  2600درجه
سانتیگراد و ضریب هدایت گرماى کم است. بنابراین
مولیبدون مانعى در مقابل انتقال سریع گرما از دیسک
تنگستن به قسمت استاتور مىشود. طول ناحیه مولیبدون
تا حد امکان باید کوتاه انتخاب شود. نیروى به نسبت زیاد
وارده از آند به قسمتهاى عقبى آن موجب مىشود تا
مدت زمانى که طول مىکشد تا سرعت چرخش آند به
مقدار ماکزیمم خود برسد نیم تا یک ثانیه باشد. بدیهى 
است که این مقدار زمان در دستگاههاى با آند دوار
بزرگتر تا چند ثانیه طول مى کشد. لازم به ذکر است در
سیستم هاى رادیولوژى یک مدار حفاظت وجود دارد و
تا زمانى که سرعت چرخش آند به مقدار ماکزیمم خود
نرسد مانع تابش اشعه مى شود. براى آنکه ظرفیت گرمایى
آند افزایش پیدا کند آن را به صورت چند لایه مى سازند.
با افزایش چرخش در آند ظرفیت گرمایى افزایش مى یابد.
میله بین آند و روتور از جنس مولیبدن ساخته مى شود
و یک رساناى ضعیف محسوب مى شود. میله بین آند
و روتور به صورت باریک است. در قسمتى از محفظه
خلاء که روتور قرار دارد استاتور اطراف آن را احاطه
کرده است که بر اثر القا الکتریکى موجب چرخش روتور
مى شود. در واقع استاتور اطراف گردن لامپ اشعه ایکس
قرار مى گیرد. روتور از میله هاى مسى و آهن نرم ساخته
شده است. چرخش در آند چرخان توسط موتور القایى
الکترومغناطیسى صورت مى گیرد. در یک لامپ مولد اشعه
ایکس نو زمان توقف آند چرخان معمولا  1دقیقه است.
این زمان با خورده شدن بلبرینگ ها کاهش مى یابد
.
عمر آند چرخان
عمر یک آند چرخان معمولا به وسیله ناهموارى هاى
ایجاد شده روى سطح آند در اثر تابش الکترون به آن
تعیین مى شود. افزایش عمر لامپ و استفاده از آن موجب
افزایش سطح ناهموارى سطح آند مى شود. با افزایش این
ناهموارى مقدار اشعه خروجى به تدریج کاهش مى یابد
که علت آن پراکندگى اشعه به اطراف در اثر ناهموارى
حاصله است. عامل دیگر در کاهش خروجى جذب اشعه
در خود آند است بدین صورت که تابش الکترونها به سطح
آند موجب افزایش سریع دما در لایه هاى رویى سطح
آند مى شود در حالى که لایه هاى زیرین گرماى کمترى
را متحمل مى شوند و لذا لایه هاى رویى تحت انبساط
بیشترى نسبت به لایه هاى پایین تر قرار مى گیرند. این
تغییر در ابعاد لایه هاى مختلف موجب تغییر شکل سطح
هدف لامپ مى شود. افزایش سرعت آند باعث مى شود
تا هر قسمت براى مدت زمان کمترى در معرض تابش
الکترون قرار گیرد که موجب کاهش تاثیر گرما بر روى
آند مى شود و در نتیجه طول عمر آند افزایش مى یابد.
در طراحى هاى جدید این مقدار سرعت تا  10000دور
بر دقیقه هم مى رسد. همچنین قابل ذکر است براى اینکه
بتوان به چنین سرعتى دست یافت باید قسمت مولیبدون
را تا حد ممکن کاهش داد تا موجب کاهش تاثیر نیروى
وزن و گشتاور آند به قسمت روتور شود. براى کاهش
وزن آند قسمتهایى را که امکان پذیر است با مولیبدون
مى سازند و تنها صفحه نازکى از آلیاژ تنگستن– مولیبدون
به عنوان هدف استفاده مى شود. اگر دماى آند بیش از حد
بالا باشد و این حرارت دفع نشود با برخورد الکترون ها با
آند موجب آزاد شدن گازهاى مختلف از سطح آند مى شود
که موجب بى ثباتى تیوب مولد اشعه ایکس مى شود که به
آن تیوب ایکس رى گازى گفته مى شود

کابلهاى ولتاژ بالا
وظیفه این کابل ها رساندن ولتاژ بالاى ایجاد شده توسط
ژنراتور به دو سر تیوب مولد اشعه ایکس است. هر تیوب
به دو کابل ولتاژ بالا نیاز دارد. یکى از کابل هاى ولتاژ بالا
به آند و دیگرى به کاتد متصل مى شود. کابلى که به آند
متصل مى شود فقط یک رشته سیم براى انتقال ولتاز بالا
به تیوب را دارد و کابلى که به کاتد متصل مى شود علاوه
بر رشته سیم حامل ولتاژ بالا دو رشته سیم براى تغذیه دو
فیلامان فوکوس بزرگ و کوچک را دارا است.
افزایش طول عمر تیوب اشعه ایکس رى
 -1به حداقل رساندن زمان زیادى ) تقویت شده ( بیشتر از
زمان واقعى در استفاده از فیلامان که موجب تبخیر و نازك
شدن فیلامان مى شود.
 -2استفاده از جریان پایین در تیوب مولد اشعه ایکس
موجب افزایش طول عمر فیلامان مى شود.
 -3توجه کردن به نمودارها و منحنى خنک سازى و
حرارت آند در دیتاشیت تیوب مولد اشعه ایکس رى
 -4محدود کردن عملیات اکسپوز به  80درصد از حداکثر
توان اکسپوز
 -5در نظر گرفتن ظرفیت حرارتى آند و میزان تخریب
سطح آند با توجه به گرماى تولید شده زیاد
 -6استفاده از اکسپوز با میلى آمپر بالا بر روى آند سرد که
موجب ترك خوردگى و خرابى سطح آند مى شود.
 -7محدود کردن عملیات شروع و توقف روتور که موجب
ایجاد حرارت قابل توجهى در سیم پیچ هاى استاتور
مى شود که در موارد شدید تیوب آسیب مى بیند.
مشخصات یاتاقانها در آندهاى چرخان
 -1چون اتصال دهنده بین صفحه آند بسیار گرم و یک محیط
سرد است باید بتواند به راحتى عملکرد مناسبى داشته باشد.
 -2باید در محیط خلاء کار کند.
 -3باید قابلیت سرعت چرخش بالا و تحمل وزن بار را
داشته باشد.
به علت خلاء بودن تیوب نمى توان از روغن و گریس
براى روانکارى استفاده کرد. با این حال روان کنندهها باید
موادى نرم و قابل انطباق باشند که در دماهاى بالا پایدار
بوده و قدرت بخار کم در خلاء را داشته باشند. لذا از روان
کنندههاى فلزى خشک خمیرى شکل از جنس نقره براى
روان کارى استفاده مىشود.
محفظه خلاء شیشه اى یا فلزى در تیوبهاى
ایکس رى و فضاى داخلى آن
در اینسرت دو الکترود مثبت و منفى وجود دارد. فضاى
داخل تیوب کاملا به صورت خلاء است و هیچ گونه
مقاومتى و مانعى براى شتاب گرفتن الکترونهاى
آزاد از کاتد به سمت آند وجود ندارد. خلاء بودن
اینسرت موجب مىشود تا سرعت حرکت الکترونها
به میزان قابل توجهى افزایش پیدا کند. در صورت
وجود گاز در داخل محفظه، الکترونها با آنها برخورد
نموده و باعث یونیزه شدن آنها مىشود و در نتیجه
الکترونهاى ثانویه تولید شده در فضاى داخل محفظه
پراکنده شده و ممکن است به هدف نرسند. در اثر
برخورد الکترونها با اتمها انرژى آنها کاهش مىیابد
و باعث مىشود اشعه ایکس تولید نشود و یا تولید
اشعه ایکس بسیار ضعیف باشد. این الکترونها موجب
تغییرات گسترده در جریان لامپ و انرژى اشعه ایکس
تولیدى مىشود. اتصالات سیم ها، رشته سیم فیلامان،
کاتد، آند در داخل اینسرت قرار گرفته اند. لامپ مولد
اشعه ایکس محفظه اى از جنس شیشه پیرکس مقاوم
به حرارت است. همچنین لازم به ذکر است شکل و
اندازه اجزاى داخل محفظه شیشه اى طورى طراحى
شدهاست که بین کاتد و آند تخلیه الکتریکى صورت
نگیرد. موقع کار کردن لامپ گرماى زیادى ایجاد
مىشود که موجب گرم شدن اجزاى مختلف لامپ
تا دماى زیادى مىشود. از آنجایى که ضریب انبساط
فلزات تشکیل دهنده اتصالات الکتریکى داخل لامپ و
محفظه شیشه اى با یکدیگر متفاوت است و این گرما
ممکن است باعث ایجاد تغییر در اندازه و مقطع آنها
شود و موجب اشکال شود لذا از آلیاژهاى بخصوصى
براى اتصالات الکتریکى استفاده مىشود که ضریب
انبساط خطى آنها با ضریب انبساط خطى محفظه شیشه
اى یکسان باشد. محفظه خلاء معمولا داراى طول 30
تا  50سانتیمتر و قطر  20سانتیمتر است. محفظه خلاء
از جنس شیشه پیرکس ساخته شده و قادر به مقاومت
در برابر حرارتهاى تولید شده است. خلاء بودن این
محفظه موجب طول عمر بیشتر تیوب، تولید بیش از
اندازه پرتو ایکس و کاهش حرارت تولیدى مىشود.
محفظه باید به اندازه کافى قوى باشد تا بتواند فشار جو
را تحمل کند و همچنین در برابر حرارت تولید شده
توسط آند مقاوم باشد و به راحتى بتواند این حرارت
را به محیط بیرون انتقال دهد. در یک شرایط مناسب
و با دقت بالا از شیشههاى بورسیلیکات براى ساخت
پوشش استفاده مىشود که عایق کافى بین کاتد و آند
را برقرار مىکند. در تیوبهاى مدرن اغلب براى
ساخت پوشش از فلز بریلیم و تیتانیوم استفاده مىشود.
پوششهاى فلزى یا سرامیکى به صورت فشرده، داراى
ثبات مکانیکى بیشتر ، ضریب جذب حرارتى بالا، ایجاد
عایق بهتر بین اتصالات آند و کاتد و همچنین جاذب
بهتر اشعههاى ایکس که از طریق پنجره عبور نمىکنند،
مىباشند. شیشه بورسیلیکات در مقابل پوشش فلزى یا
سرامیکى شکننده تر بوده ولى ارزان تر هستند و هنوز
هم در ساخت تیوبها به کار مىروند. پوششهاى
فلزى داراى دقت مکانیکى بهترى هستند و هزینه تولید
آنها کم است و پایدارى بیشترى در ضربههاى مکانیکى
دارد. لازم به ذکر است تحمل ضربههاى مکانیکى در
سى تى اسکن و آنژیوگرافى بسیار مهم است. تقریبا
جنس محفظه خلاء تمام تیوبهاى با ظرفیت بالا
فلزى هستند. طراحىهاى محفظه خلاء در تیوبهاى
ایکس رى به صورت شیشه اى و یا فلزى صورت
مىگیرد. پنجره خروجى اشعه ایکس معمولا ابعادى
در حد  5سانتیمتر دارد و پرتو مفید یا قابل استفاده از
آن خارج مىشود.
روغن
روغن خنک کننده در تماس با قسمت انتهایى آند قرار
دارد و اجازه مىدهد گرماى تولید شده به راحتى کاهش
پیدا کند و ظرفیت گرمایى افزایش بیابد. روغن باید قابلیت
نفوذ بالایى داشته باشد تا تمام سطوح محفظه و متعلقات
داخل محفظه سربى را به خوبى بپوشاند.
مزایاى استفاده از روغن در تیوب ایکس رى
 -1عایق ولتاژ بالا
 -2انتقال موثر گرماى آند به بیرون از محفظه
 -3زمانى که دماى روغن زیاد مىشود موجب انبساط
دیافراگم تعبیه شده در تیوب مىشود تا سوئیچ قطع فعال
شود و تا زمانیکه دماى روغن و تیوب به حد نرمال نرسد
اجازه اکسپوز مجدد را نمى دهد. یک مدل دیگر از سوئیچها
که حرارتى هستند عملکردشان به این صورت است که به
طور مستقیم به محض بالا رفتن دماى روغن اجازه اکسپوز
را نمى دهد.

 

ولتاژ اشباع
زمانى که فضاى بار به وجود مىآید در اثر اختلاف
پتانسیل بین آند و کاتد الکترونها از اطراف فیلامان به
سمت آند شتاب مىگیرند. در صورتى که این اختلاف
پتانسیل کم باشد همه الکترونها به سمت آند نمى روند
و بخشى از آنها در اطراف کاتد باقى مىمانند و موجب
مىشوند تا الکترون بیشترى از فیلامان خارج نشود. این
افزایش تا ولتاژ  kvp40سریع است و بعد از این ولتاژ
سرعت افزایش الکترونى ناچیز مىشود. علت آن هم این
است که در ولتاژهاى کمتر از  kvp40به علت اثر فضاى
بار ) (Space Charge Effectجریان الکترونى محدود است
و در ولتاژهاى بالاتر از  kvp40بارهاى باقیمانده در اطراف
فیلامان ناچیز است. به این نقطه ولتاژ اشباع مىگویند. در
حالت اشباع دماى فیلامان تنها عامل موثر براى کنترل میلى
آمپر است.