أنبوب الأشعة السينية

تنتج الحرارة في النقطة المحورية للأنود. نظرًا لأن جزءًا صغيرًا (أقل من أو يساوي 1٪) من طاقة الإلكترون يتم تحويله إلى أشعة سينية، فيمكن تجاهله في حسابات الحرارة.[7] يتم الحصول على كمية الحرارة المنتجة (بالجول) في النقطة المحورية من خلال العلاقات الأتية:

${\displaystyle E_{\mathrm {heat} }=w\mathrm {V_{p}} \mathrm {I} \mathrm {t} }$

${\displaystyle w}$ being the جذر متوسط مربع

${\displaystyle \mathrm {V_{p}} }$= peak AC voltage (in Volts)

${\displaystyle \mathrm {I} }$ = tube current (in mili Amperes)

${\displaystyle \mathrm {t} }$ = exposure time (in seconds)

استخدمت وحدة الحرارة (HU) في الماضي كبديل لـ Joule. إنها وحدة ملائمة عندما يتم توصيل مصدر طاقة أحادي الطور بأنبوب الأشعة السينية. مع تصحيح كامل للموجة لموجة جيبية، فإن وحدة الحرارة:

.[8] With a full-wave rectification of a موجة جيبية، ${\displaystyle w}$=${\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}\approx 0.707}$, thus the heat unit:

1 HU = 0.707 J

1.4 HU = 1 J[9]

تعمل أنابيب كروكس الإلكترونات اللازمة لتكوين الأشعة السينية عن طريق تأين الهواء المتبقي في الأنبوب، بدلاً من الشعيرات الساخنة، لذلك تخلو جزئيًا ولكن لم يتم تفريغها بالكامل. وهي تتألف من لمبة زجاجية

أنبوب كروكس للأشعة السينية من أوائل القرن العشرين. يوجد القطب السالب على اليمين والأنود في الوسط مع مفرغة الحرارة المرفقة في اليسار. القطب عند موضع الساعة 10 هو القطب المعاكس. الجهاز الموجود في الأعلى عبارة عن "مطهر" يستخدم لتنظيم ضغط الغاز.

بضغط جوي يبلغ حوالي 10-6 إلى 5 × 10−8 (0.1 إلى 0.005 باسكال). تحوي لوحة كاثود من الألومنيوم في أحد طرفي الأنبوب، وهدف أنود بلاتيني في الطرف الآخر. سطح الأنود مائلًا بزاوية بحيث تشع الأشعة السينية عبر جانب الأنبوب. الكاثود مقعر بحيث ركزت الإلكترونات على بقعة صغيرة (~ 1 مم) على الأنود، تقترب من مصدر نقطة للأشعة السينية، مما أدى إلى إنتاج صور أكثر وضوحًا. يحتوي الأنبوب على قطب كهربائي ثالث، وهو مضاد للكاثود متصل بالقطب الموجب. لقد حسنت إخراج الأشعة السينية، لكن الطريقة التي حققت بها ذلك غير مفهومة. استخدم الترتيب الأكثر شيوعًا صفيحة نحاسية مضادة للكاثود (تشبه في بناء الكاثود) بما يتماشى مع الأنود بحيث يكون الأنود بين الكاثود والكاثود المضاد.

للتشغيل، تم تطبيق جهد تيار مستمر من بضعة كيلوفولت إلى ما يصل إلى 100 كيلو فولت بين الأنودات والكاثود، والتي يتم إنشاؤها عادةً بواسطة ملف تعريفي، أو للأنابيب الأكبر، آلة كهروستاتيكية.

كانت أنابيب كروكس غير موثوقة. بمرور الوقت، تمتص جدران الأنبوب الهواء المتبقي، مما يقلل الضغط. أدى هذا إلى زيادة الجهد عبر الأنبوب، مما أدى إلى توليد أشعة سينية «أصعب»، حتى توقف الأنبوب عن العمل في النهاية. لمنع ذلك، تم استخدام أجهزة «المنقي» (انظر الصورة). يحتوي أنبوب صغير متصل بجانب الأنبوب الرئيسي على غلاف ميكا أو مادة كيميائية تطلق كمية صغيرة من الغاز عند تسخينها، وتستعيد الضغط الصحيح.

يتحول لون الغلاف الزجاجي للأنبوب إلى اللون الأسود أثناء الاستخدام بسبب تأثير الأشعة السينية على هيكله.

أنبوب النافذة الجانبية لأنبوب كوليدج (مخطط)

• C: خيوط \ كاثود (-)
• A: الأنود (+)
• W_in and W_out: مدخل ومخرج الماء لجهاز التبريد

في أنبوب كوليدج، تنتج الإلكترونات عن طريق التأثير الحراري من خيوط تنجستن يتم تسخينها بواسطة تيار كهربائي. الفتيل هو من قطب الكاثود. يكون جهد الجهد العالي بين الكاثود والأنود، وبالتالي تتسارع

الإلكترونات، ثم تصطدم بالقطب الموجب.

يوجد تصميمان: أنابيب النافذة الطرفية وأنابيب النوافذ الجانبية. عادةً ما يكون لأنابيب النافذة الطرفية «هدف إرسال» وهو رفيع بما يكفي للسماح للأشعة السينية بالمرور عبر الهدف (تنبعث الأشعة السينية في نفس اتجاه حركة الإلكترونات.) في أحد الأنواع الشائعة من أنبوب النافذة النهائية، يكون الفتيل حول الأنود («حلقي» أو على شكل حلقة)، والإلكترونات لها مسار منحني (نصف حلقي).

ما يميز أنابيب النوافذ الجانبية هو استخدام عدسة إلكتروستاتيكية لتركيز الحزمة على بقعة صغيرة جدًا على الأنود. تم تصميم الأنود خصيصًا لتبديد الحرارة والتآكل الناتج عن هذا الوابل المركّز المكثف من الإلكترونات. يميل الأنود بزاوية دقيقة من 1 إلى 20 درجة بعيدًا عن العمودي على تيار الإلكترون للسماح بهروب بعض فوتونات الأشعة السينية التي تنبعث بشكل عمودي على اتجاه تيار الإلكترون. يصنع الأنود عادة من التنجستن أو الموليبدينوم. يحتوي الأنبوب على نافذة مصممة للهروب من فوتونات الأشعة السينية المتولدة.

تتراوح طاقة أنبوب Coolidge عادةً من 0.1 إلى 18 كيلو واط.

مخطط مبسط لأنبوب الأنود الدوار

• A: الأنود
• C: الكاثود
• T: هدف الأنود
• W: نافذة الأشعة السينية

يتم توليد قدر كبير من الحرارة في المنطقة البؤرية (المنطقة التي تضرب فيها شعاع الإلكترونات القادمة من الكاثود) للأنود الثابت. بدلاً من ذلك، يتيح القطب الموجب الدوار لشعاع الإلكترون اكتساح مساحة أكبر من القطب الموجب، وبالتالي استرداد ميزة كثافة أعلى للإشعاع المنبعث، إلى جانب تقليل الضرر الذي يلحق بالقطب الموجب مقارنةً بحالته الثابتة.[10]

يمكن أن تصل درجة حرارة البقعة البؤرية إلى 2500 درجة مئوية (4530 درجة فهرنهايت) أثناء التعرض، ويمكن أن تصل مجموعة القطب الموجب إلى 1000 درجة مئوية (1,830 درجة فهرنهايت) بعد سلسلة من التعرضات الكبيرة. الأنودات النموذجية هي هدف كل من التنجستن والرينيوم على قلب الموليبدينوم، مدعوم بالجرافيت. يجعل الرينيوم التنجستن أكثر مرونة ومقاومة للتآكل من تأثير حزم الإلكترون. الموليبدينوم يوصل الحرارة من الهدف. يوفر الجرافيت تخزينًا حراريًا للأنود، ويقلل من الكتلة الدوارة للأنود.

أنبوب أشعة سينية (دوار الأنود ) النموذجي

تحتاج بعض فحوصات الأشعة السينية (على سبيل المثال، الاختبار غير المدمر والتصوير المجهري ثلاثي الأبعاد) إلى صور عالية الدقة للغاية، وبالتالي تتطلب أنابيب الأشعة السينية التي يمكن أن تولد أحجامًا بؤرية صغيرة جدًا، وعادة ما يكون قطرها أقل من 50 ميكرومتر. تسمى هذه الأنابيب أنابيب الأشعة السينية ذات التركيز الدقيق.

هناك نوعان أساسيان من أنابيب الأشعة السينية ذات التركيز الدقيق: أنابيب الأنود الصلب وأنابيب الأنود النفاث المعدني.

إن أنابيب الأشعة السينية ذات التركيز الدقيق المصمت من الأنود تشبه إلى حد بعيد أنبوب كوليدج، ولكن مع التمييز المهم، فقد تم الحرص على أن تكون قادرة على تركيز شعاع الإلكترون في بقعة صغيرة جدًا على الأنود. تعمل العديد من مصادر الأشعة السينية ذات الضبط البؤري الدقيق مع نقاط تركيز في النطاق من 5 إلى 20 ميكرومتر، ولكن في الحالات القصوى، قد يتم إنتاج بقع أصغر من 1 ميكرومتر.

العيب الرئيسي لأنابيب الأشعة السينية ذات التركيز الدقيق المصمت هو الطاقة المنخفضة جدًا التي تعمل بها. من أجل تجنب ذوبان الأنود، يجب أن تكون كثافة قدرة الحزمة الإلكترونية أقل من القيمة القصوى. هذه القيمة في مكان ما في النطاق 0.4-0.8 واط / ميكرومتر اعتمادًا على مادة الأنود.[11] هذا يعني أن مصدر التركيز الدقيق المصغر للأنود الصلب مع تركيز شعاع إلكتروني 10 ميكرومتر يمكن أن يعمل بقوة في النطاق 4-8 واط.

في أنابيب الأشعة السينية ذات التركيز الدقيق المصغّر بالأنود النفاث المعدني، يستبدل الأنود المعدني الصلب بنفث من المعدن السائل، والذي يعمل كهدف شعاع الإلكترون. تتمثل ميزة الأنود المعدني النفاث في زيادة الحد الأقصى لكثافة شعاع الإلكترون بشكل كبير. تم الإبلاغ عن القيم في النطاق 3-6 واط / ميكرومتر لمواد الأنود المختلفة (الغاليوم والقصدير).[12][13] في حالة تركيز الحزمة الإلكترونية 10 ميكرومتر، قد يعمل مصدر الأشعة السينية ذات التركيز الدقيق المصغر للأنود النفاث المعدني عند 30-60 واط.

تتمثل الفائدة الرئيسية لزيادة مستوى كثافة الطاقة لأنبوب الأشعة السينية المعدنية النفاثة في إمكانية العمل مع نقطة بؤرية أصغر، على سبيل المثال 5 ميكرومتر، لزيادة دقة الصورة وفي نفس الوقت الحصول على الصورة بشكل أسرع، منذ أعلى (15-30 واط) من أنابيب الأنود الصلب ذات النقاط البؤرية 10 ميكرومتر.