Hogyan jön létre?

A beeső röntgenfoton kölcsönhatásba lép egy küldős héjon elhelyezkedő elektronnal: a beeső röntgenfoton eltávolítja az elektront – ezáltal létrejön egy megváltozott haladási irányú és energiájú szórt röntgenfoton.

A beeső foton energiájának egy részével eltávolítja a külső héjon lévő elektront, másrészt kinetikus energiával is ellátja az eltávolított elektront.

Compton-elektron, vagyis ütközési elektron:

A külső héjról kilökött elektront nevezzük így.

Compton-foton:

Az az foton, ami ütközés után továbbhalad, eltérített irányban.

Compton-foton jellemzői:

Az energiája kisebb, mint a beeső röntgenfotoné – így kisebb a frekvenciája és nagyobb a hullámhossza.

A beeső foton energiája: megoszlik a kilökött elektron és a szórt foton között. A szórt fotonnak megmarad a beeső fotoenergia nagy része. Ennek mi az oka? A külső héjon lévő elektron eltávolításához nem szükséges nagy energiaátadás, az alacsony kötési energiával rendelkező külső héj-elektron miatt.

Így a szórt foton kölcsönhatásba kerül további atomokkal (továbbhalad), majd abszorbeálódik, fotoelektromos kölcsönhatás által.

Mi történik a kilökött, külső-héj elektronnal (ütközési elektron)?

Addig mozog szabadon, amíg nem talál egy „lyukat”, ami egy másik ionizáló kölcsönhatás miatt alakult ki.

Mitől függ a szórt Compton-foton energiája?

1. A beeső foton energiájától
2. A szóródás szögétől

A beeső foton energiája egyenesen arányos a szórt foton energiájával (minél nagyobb a beeső foton energiája, annál nagyobb a Compton-foton energiája).

A szóródás szöge bármilyen lehet: ha nulla, nincs energiaátadás – így a beeső röntgenfoton eredeti irányban folytatja az útját.

Ha 180 fokos, akkor a legnagyobb az energiaátadás. Ilyenkor a szórt foton a legkisebb energiával rendelkezik.

180 fokos szóródás – visszavert sugárzás

A beeső foton a szórt fotonnal pontosan ellenkező irányban halad – ezek alkotják a visszavert sugárzást. Ha nagy a beeső röntgenfoton energiája, akkor inknább előrefelé fog szóródni a legtöbb foton.

Szórt Compton-fotonok:

Elegendő energiával rendelkeznek ahhoz, hogy képminőségromlást, továbbá sugárveszélyt okozzanak.

A szórt sugárzás a vizsgált páciensben keletkezik – fokozott sugárterhelést okozva a vizsgáló személyzetnek.

Sugárzási köd (homály)

A szórt sugárzás nemkívánt denzitásfokozódást okoz a filmen. Minden irányból érkezik: anatómiával nem összefüggő denzitáserősödést hoz létre. Ennek kiküszöbölésére rácsokat alkalmazunk.

Koherens szóródás

Hogyan jön létre a koherens szóródás?

Alacsony energiájú röntgenfotonok és az anyag kölcsönhatásából. Klasszikus szóródásnak is nevezik.

Két típusra oszthatjuk:

1. Thomson-szóródás
2. Rayleigh-szóródás

Thomson szóródás: az atom egyetlen elektronjával való kölcsönhatás.

Rayleigh szóródás: az atom összes elektronjával való kölcsönhatás.

A két kölcsönhatás jellege lényegében ugyanaz:

Alacsony energiájú röntgenfoton (ez 10 keV-nál kisebb energiát jelent) kölcsönhatásba lép az elektronnal / elektronokkal. Ekkor az elektron (elektronok) a beeső foton energiájával rezgésbe kezdhet.

Rezgő / gerjesztett atomból szinte azonnal felszabadul a gerjesztő energia. Ennek következtében másodlagos fotonok keletkeznek, melyeknek az elsődleges fotonokkal megegyezik az energiájuk és a hullámhosszuk. A másodlagos foton haladási iránya azonban eltér az elsődleges fotonétól.

Itt energiaátadás nem történik, csak energiaszint változás, így nem ionizálódik az atom.

Az alacsony fotoenergiából (kb. 10 keV) megállapítható, hogy a leírtak csupán a lágyrész-radiográfiában jelentkeznek (mammográfia).

Kedvezőtlen hatással van a képminőségre. Miért?

A szórt fotonok /másodlagos/ iránya eltér a (beeső elsődleges) röntgenfotonokétól.

A fotoelektromos abszorpció – vagyis a fotoeffektus

Mikor jön létre fotoelektromos abszorpció?

Amikor a röntgenfoton találkozik egy belső héjon elhelyezkedő elhelyezkedő elektronnal.

Mikor legvalószínűbb, hogy ez a kölcsönhatás létrejön?

A beeső röntgenfoton energiájának nagyobbnak kell lennie, mint a belső héj kötési energiája /K,L héjak/.

Mi történik ilyenkor?

A beeső foton kilöki az elektront az elektronhéjról (nagyobb energiája által), ezáltal a röntgenfoton energiája el is nyelődik /megkapta az energiáját az elektron/.

Mi az eredmény?

Fotoelektron = kilökött elektron. Az atom, mint olyan, ionizálódik az elektronvesztés következtében.

A fotoelektronnak (a belső héjról kilökött elektronnak) kinetikus (azaz mozgási) energiája lesz. Ez a beeső röntgenfoton és a belső-héj elektron kötési energiájának különbségével egyenlő.

Ebből is látható, hogy a beeső röntgenfotonnak nagyobb energiával kell rendelkeznie ahhoz, hogy legyőzze az elektron kötési energiáját.

Az emberi szervezetet felépítő atomok általában kis rendszámúak – így a belső héjak kötési energiája is alacsony.

Mint azt már említettem, a fotoelektron kapja meg kinetikus energia formájában a fotoenergia nagy részét.

Ezzel a mozgási energiával 1-2 mm távot tud megtenni a fotoelektron, aztán elnyelődik. A röntgensugár által okozott biológiai hatásokért ez a folyamat a felelős.

Tehát létrejött az ionizált atom, a belső héj elektron kilökődéssel. Így keletkezik egy lyuk a belső elektronhéjon. Ezt a hiányt a külső héjakról (L,M) tölti majd be egy szabad elektron.

A külső héjról történő beugró elektron által energia szabadul fel egy foton kibocsátásával. Ezt a fotont karakterisztikus fotonnak nevezzük / vagy másodlagos sugárzásnak a folyamatot.

Gyakorlatilag ugyanúgy keletkezik, mint a karakterisztikus sugárzás.

A fotoelektromos kölcsönhatás három szabálya:

1. A belső röntgenfotonnak nagyobb energiájúnak kell lennie, mint a belső héj kötési energiájának.
2. A fotoelektromos kölcsönhatás valószínűsége: minél inkább közelíti egymást a beeső röntgenfoton energiája és a belső héj kötési energiája. Magyarul: egy 40 keV-os beeső röntgenfoton nagyobb valószínűséggel lép kölcsönhatásba egy 33,2 keV-os, vagy 37,4 keV-os K-héj elektronnal rendelkező atommal /ezek a jód és a bárium értékei/. Egy 100 keV-os beeső foton kevésbé valószínű, hogy fotoelektromos kölcsönhatásba lépne a 33,2 keV-os, vagy 37,4 keV-os K-héj elektronnal rendelkező atommal, mivel ezek sokkal kevésbé közelítő értékek, mint az imént említett 40 keV.

Összefoglalva: ahogy nő a fotoenergia, annál kevésbe valószínű, hogy fotoelektromos kölcsönhatást tud létrehozni a beeső röntgenfoton. Tehát a fotoenergia és a fotoelektromos kölcsönhatás fordítottan arányos a fotoenergia harmadik hatványával. Tehát a fotoenergia növelésével egyre kisebb a fotoelektromos kölcsönhatás esélye.

3. Nagyobb kötési energia esetén gyakoribb a fotoelektromos kölcsönhatás. Amennyiben egy atom nagyobb rendszámú, úgy az atommaghoz közelebb elhelyezkedő elektronnak nagyobb lesz a kötési energiája /magvonzás/. Nagy rendszámú atomoknál így lehetséges az is, hogy az atommagtól távolabb elhelyezkedő L és M héjakon jön létre a fotoelektromos kölcsönhatás. Kisebb rendszámú atomok esetében, ahol nem olyan közel helyezkednek el az atommaghoz viszonyítva a belső héj elektronok, a K-héjon lévő elektronokkal jön létre a fotoelektromos kölcsönhatás. (Nagy rendszámú atomok esetében gyakran nem is lenne elég a beeső röntgenfoton energiája ahhoz, hogy belső héj elektronnal /K héjról beszélünk/ kölcsönhatásba lépjen. A fotoelektromos kölcsönhatás a rendszám harmadik hatványával egyenesen arányos tehát. A csontok atomjainak rendszáma nagyobb, mint a lágyrészeket alkotó atomoké – csontos struktúrák leképezése!

Attenuáció és fotoenergia által képzett kivétel:

Általában: ha nő a fotoenergia, csökken a fotoelektromos abszorpció valószínűsége. Kivétel: amennyiben a fotoenergia meghaladja kissé a kötési energia értékét, akkor nagyobb a valószínűsége az abszorpciónak, mint kisebb fotoenergia esetében.

Példa: jód (33,2 keV). – 33,2 keV energiájú foton abszorpciója hatszor valószínűbb, mint egy 33,1 keV energiájú fotoné (jód esetén). K szél, abszorpciós szél!

Röntgensugár áthaladásakor: attenuáció.

Mit jelent ez?

Azt, hogy anyagon való áthaladáskor a röntgensugár intenzitása folyamatosan gyengül.

Hogyan?

A sugárnyalábban csökken a röntgenfotonok száma.

Miből ered tehát az attenuáció?

A röntgenfotonok és az anyag kölcsönhatásából. Ugyanakkor, vannak olyan fotonok, amelyek kölcsönhatás nélkül haladnak át az anyagon.

Mivel léphetnek kölcsönhatásba a fotonok?

• a teljes atommal
• héj-elektronnal
• atommaggal

Mitől függ a kölcsönhatás mibenléte?

A foton energiájától függ.

Rendszerezés, energia alapján:

1. Alacsony energiájú röntgenfotonok: teljes atommal lépnek kölcsönhatásba.
2. Közepes energiájú röntgenfotonok: héj-elektronnal lépnek kölcsönhatásba.
3. Nagyenergiájú röntgenfotonok: atommaggal lépnek kölcsönhatásba.

/Nagyenergiájú röntgenfotonok: sugárterápiában alkalmazandók/.

Diagnosztikában: közepes energiájú röntgenfotonokat alkalmazunk. Ezek a héj-elektronokkal lépnek kölcsönhatásba.

Elektronokkal való kölcsönhatás közérthetően:

Adott elektronhéjról való eltávolítás hogyan történik?

A kötési energia legyőzésével (magasabb energia szükséges, mint amennyi a kötési energia számértéke).

Hol van a legnagyobb kötési energia?

A K-héjon (az itt elhelyezkedő elektronok rendelkeznek a legnagyobb kötési energiával = őket a legnehezebb eltávolítani). A K-héj a legbelső elektronhéj.

Ahogy haladunk a külső elektronhéjak felé, úgy csökken a kötési energia nagysága.

Ezen kívül mi határozza meg a kötési energia nagyságát?

1. A nagyobb magtöltés erős vonzóerővel rendelkezik: mivel a magtöltés pozitív energia – így össze tudja húzni az elektronfelhőt. (Rendszám!)
2. Az elektronok (az azonos negatív töltésük miatt) egyre távolabb akarnak kerülni egymástól (taszító hatás).
3. A lezárt héjaknak árnyékoló hatása van a mag vonzóerejére.

Nagy rendszámú atomok esete:

Ahhoz, hogy a K-héjról elektront távolítsunk el, több energia szükséges.

Mi ennek az oka?

Nagyobb rendszám = nagyobb protonszám = nagyobb ellentétes vonzóerő. (+,-)

Kalcium rendszáma: Z=20.

A K-héjon lévő elektronok kötési energiája hozzávetőlegesen 4 keV.

A lágyrészeket felépítő atomok K-héj elektronjainak kötési energiájának legyőzéséhez elegendő mindössze 0,5 keV.  (Alacsonyabb rendszám).

A nagy rendszámú atomok esetén tehát több energia szükségeltetik a K-héj elektronok eltávolításához.

Kölcsönhatások, melyek az anyag és a röntgensugár találkozásakor fellépnek:

1. Fotoelektromos abszorpció
2. Koherens szóródás
3. Compton-szóródás
4. Párkeltés
5. Fotodezintegráció

Melyik a fontos röntgen képalkotás esetén?

A fotoelektromos abszorpció és a koherens szóródás.

A következőkben egyenként részletezem a fent említett kölcsönhatásokat. (mivel egyszerre borzasztó őket megtanulni).

Hogyan keletkeznek röntgenfotonok?

A nagysebességű elektronok (melyek a katód felől érkeznek), becsapódnak az anód fókuszterületébe.

Mi a különbség a röntgenfoton és a gammasugár között?

Csak az, hogy a röntgenfotont mesterségesen lehet előállítani, miközben a gammasugár szimplán a radioaktív anyag bomlásakor keletkezeik.

Az anódba csapódó elektronok a beeső elektronok.

A beeső elektronoknak óriási a kinetikus energiájuk. Ezt átadják a fókuszterület atomjainak. Ebből következően keletkezik a röntgenfoton.

A beeső elektronok mennyiségével és sebességével egyenesen arányos a röntgenfotonok mennyisége és energiája (minél több van az előbbiből és minél gyorsabb, annál inkább növekszik az utóbbi).

A fókuszterületen leadják az elektronok az energiájukat, kezdetét veszi a lassulás, majd elvezetésre kerülnek a nagyfeszültségű áramkörön belül.

A csőhöz érkező elektronoknak van potenciális energiájuk. Ezt mi határozza meg?

Az anód és a katód közötti feszültségkülönbség (kV).

Magyarul:

Ha 10 kV a feszültségkülönbség, akkor minden elektron 10 keV (kiloelektronvolt) energiájú lesz.

Mit szabályoz tehát a kV/feszültségérték beállítása a röntgenkészüléken?

Az elektronok energiáját.

Az elektron és az anód kölcsönhatása:

Attól függ, mivel ütközik a beeső elektron.

1. Ha olyan elektronnal ütközik, mely az atom belső elektronhéján van, akkor karakterisztikus röntgensugár
2. Ha az atommaggal / atommag erőterével ütközik, akkor fékezési röntgensugár
3. Ha olyan elektronnal ütközik, mely az atom külső elektronhéján van, akkor infravörös sugárzás keletkezik. (vagyis hő) Miért? Mert a külső elektronhéjon lévő elektronok gerjeszthetőek.

Hőtermelés

A százalékos arányokat korábban már említettem:

• kevesebb, mint 1% alakul röntgenfotonná az elektronok kinetikus energiájából
• több, mint 99% hővé alakul

A diagnosztikus röntgenfoton-tartományban igaz az, hogy a legfontosabb a hő leghatékonyabb elvezetése. /Straton-cső/.

/Vannak olyan esetek, amikor a fotonkeltés sokkal hatékonyabb – nyilván magasabb MeV energiatartományokról beszélgetünk ilyenkor./

A kölcsönhatás, mely a nagyfokú hőtermelődést okozza a diagnosztikus röntgenfoton-tartományban:

A beeső elektronok a külső héjon tartózkodó elektronokkal ugyan ritkán okoznak ionizációt – mindazonáltal ezeket a külső héj elektronokat képesek gerjeszteni.

Mi történik ilyenkor?

A külső héjon tartózkodó elektron energiaközlés hatására (melyet a beeső elektron ad neki) alapállapotból gerjesztett állapotba kerül.

A gerjesztett állapotból való visszatérésnek a hatása: amikor az eredeti energiaszintjükre visszatérnek a külső héj elektronjai, elektromágneses sugárzást bocsátanak ki, mégpedig infravörös tartományban.

Röntgensugár termelésének hatékonysága:

sugárzási energiaveszteség / kollíziós energiaveszteség

EK × Z/820,000

EK: a beeső elektron energiája

Z: az anód anyagának rendszáma

kollízió: a gerjesztés és az ionizáció

Fékezési sugárzás

A beeső elektron és az atommag erőterének kölcsönhatásából jön létre.

Az elektronhéjakon át kell haladnia a beeső elektronnak ehhez: ebből következik, hogy csak akkor tud létrejönni, amikor az elektronnak elég energiája van az áthaladáshoz.

Ugyanakkor, az elektron és az atommag töltése vonzást eredményez: az atommag pozitív töltéssel rendelkezik, míg az elektron negatívval.

Az is előfordulhat, hogy túl közel kerül a beeső elektron az atommaghoz: ilyenkor nem képes áthatolni az atommag erőterén.

Ilyen esetben lelassul a beeső elektron, illetve megváltozik a haladási iránya is.

A fékezés során elvesztett energia átalakul röntgenfotonná.

A röntgenfoton energiája megegyezik:

• a beeső és kilépő elektronok energiájának különbségével

Mi határozza meg a beeső elektron kinetikus energiaveszteségét?

Lefékeződéskor: milyen messze van az elektron a magtól (a beeső elektron és az atommag táv, más szóval).

Mi történik nagyobb távolság esetén?

Kisebb az energiaveszteség.

Így alacsony energiájú fékezési sugárzás keletkezik.

Mi történik kisebb távolság esetén?

Nagyobb az energiaveszteség.

Így nagyenergiájú fékezési sugárzás keletkezik.

Egy folytonos energiaspektrummal leírható a fékezési sugárzás energiája (ugyanis a fékeződési módból és folyamatból adódóan a röntgensugár energiája más és más).

A beeső elektron sokféle fékezési kölcsönhatásba lép több atomban, mielőtt elvesztené a kinetikus energiáját. Miután elveszti ezt, az áramkör része lesz ismét.

Karakterisztikus röntgensugár

Mikor keletkezik?

A beeső elektron az adott atom belső héján lévő elektronjával ütközik.

Mi történik ilyenkor?

A beeső elektron elegendő energiával rendelkezik ahhoz, hogy egy belső héjon elhelyezkedő elektron kötési energiáját legyőzze, ezáltal ionizálja az atomot.

Ionizáció következtében: az atomon belül elektronlyuk keletkezik. Ezáltal az atom instabillá válik. Ebbe az elektronlyukba ugrik egy másik elektron: egy külső héjon elhelyezkedő.

Ez röntgenfoton kibocsátást okoz.

Ennek a fotonnak az energiája egyenlő a két elektronhéj kötési energiájának különbségével.

Mi az a karakterisztikus kaszkád?

A külső héj elektron, mely beugrik az elektronlyukba – szintén egy elektronlyukat generál. Ezt ismét egy külső (külsőbb) héjon tartózkodó elektron tölti be.

Addig tart a folyamat, amíg a legkülső elektronhéjon is lyuk keletkezik (itt már nincs pótlás).

A karakterisztikus kaszkád több meghatározott energiájú röntgenfoton kibocsátásával jár.

A karakterisztikus röntgenfotonok energiája pontosan meghatározható – a fékezési röntgenfotonoké nem.

A pontos behatárolhatóság okán használható felépítő atomok meghatározására.

Wolfram: nagy rendszám (74).

74 elektronja: K-héj: 2, L-héj: 8, M-héj: 18, N-héj: 32, O-héj: 12, P-héj: 2.

Kötési energia: 69,5 keV /a sorrendnek megfelelően/.

Az elektronlyukba eső elektron bármelyik héjról érkezhet. Minél távolabbi héjról érkezik, annál nagyobb energiájú karakterisztikus röntgenfotont eredményez.

Ha szomszédos elektronpályákról érkezik az elektron az kisebb energiájú karakterisztikus röntgenfotont eredményez.

Csak a K-héjban történő elektronpótlás használható a diagnosztikában. A többi héjban keletkező karakterisztikus röntgenfoton energiája túl alacsony ehhez.

A legkisebb csőméret a legnagyobb forgási sebességet teszi lehetővé. 330 ms-os forgási idő, 16g gyorsulás (80 cm).

Technológia:

Folyadékkal történő kontakt anódhűtés, mely a hőt elosztó forgatással kombinálja. Olajhűtés és villamos hozzávezetés: kombinálható forgatással (akkor, ha van jó tömítés és szigetelés). Közben azt is meg kell oldani, hogy megfelelő legyen a vákuumeszköz anódjának hőelvezetése és villamos csatlakozása.

CT röntgenforrásoknál már tapasztalható volt olyan módszer, hogy az elektronnyaláb útját módosították elektromágneses tekerccsel. A fókuszpont helyét változtatják, a leképezés projekciójának módosulása a lényeg. Ezáltal geometriai felbontás javulás érhető el.

A CT röntgenforrásban újdonság: erős kétdimenziós mágneses eltérítéssel mozgatják az elektronnyalábot, egy geometriai kúppalást mentén. Ezáltal: a fókuszpont körpályát jár be az anódtányér felületén.

A jó hűtés és a folyamatos üzem biztosítása: mechanikai forgatással kombinálják az elektronnyaláb eltérítését.

Kisebb a mérete: nincs szükség a forgótányéros anód nagy hőtárolású szerkezetére.

Folyamatos, kontakt folyadékhűtésű anód:  

• virtuálisan végtelen hőkapacitás

A teljes CT röntgencsőburkolat hűtőfolyadékba merített.

RET (Rotating Envelope Tube) megoldás:

A teljes burkolat forgómozgást végez a közegben. Közben: a kilépő röntgensugár stabilitását mágneses eltérítés adja. „Forgó burkolatú cső.”

 Straton előnyök:

A Straton anódja közvetlen hűtésű. Ebből adódóan: kisebb a méret, ugyanakkor nagy teljesítményre képes.

Mit jelent ez?

Így akár két röntgencső is elhelyezhető egy CT-ben.

Hogyan?

Kétforrású elrendezéssel (Dual Source).

Miért hasznos ez a módszer?

Jó az időbeli felbontás, gyors a képalkotás (köszönhetően a kettős forrásnak és a kettős detektorrendszernek). /Szív CT esetében ez alapvető szempont/.

Mi következik ezen kívül a közvetlen hűtésből?

A vizsgálat menetét nem szakítják meg hűlési szünetek: tehát hosszú felvételi menetek hajthatók végre. /Perfúziós vizsgálatok, nagy anatómiai régiók/.

Technológia

Magas feszültséggel működnek a röntgencsövek (140 kV).

Nagy tűrőképességű anyagok szükségeltetnek, mivel meg kell felelniük:

• vákuumkörnyezetben
• extrém hőn
• állandó hőingadozáskor

Elektromágneses eltérítő alrendszer: az elektronnyaláb eltérítéséért felel.

Általánosságban elmondható:

A röntgencsőnél használt villamosság 1%-a alakul röntgensugárzássá, a maradék hővé alakul.

100 kW teljesítményű generátor röntgensugarat hoz létre, forgóanódos elrendezésben: a fókuszpont helyi hőmérséklete 2500 °C-ot érhet el. A fókusz körpálya hőmérséklete 2000 °C. A forgás frekvenciája: 160 Hz /CT-nél hozzáadódik a gantry forgásának hatása/.

Sztrátor és rotor

Állórész: sztrátor

Forgórész: rotor

Sztrátor

Az állórész a röntgencsövön kívül van. Az üvegburán keresztül is tudja az állórész forgatni a rotort, az elektromágnesesség miatt. A villamos motor elektromágnesei alkotják ugyanis az állórészt.

Mi az előnye a sztrátor elhelyezkedésének?

A forgórész tekercsei szigetelve vannak a nagyfeszültségű rendszertől.

Mi történik, ha az elektromágneses tekercsek és ez az áramkör meghibásodnak?

A rotor és az anód nem forog az expozíció alatt: az anód megolvad: röntgencső baleset.

Rotor

A forgórész az üvegburán belül van. Rézhenger, ami az anód tengelyéhez kötött az egyik végén. Fordulatszám: forgási sebessége: 3200-3600 fordulat/perc  (rpm).

Magas fordulatszámú anódok: 10000-12000 rpm.

Az utóbbi jobb hőleadást tesz lehetővé. A rotor és a rotort tartó tengely között: csapágygolyók /jellegzetes hangjuk van/.

Új csőben: expozíció után az anód kb 60 mp-ig forog. Az idő csökken a csapágygolyók kopásával.

Magas fordulatszámú anódoknál milyen probléma jelentkezhet?

5000-7000 fordulatszámnál rezonálhat az üvegbura – ettől akár meg is repedhet.

Mivel lehet ezt elkerülni?

Ellentétes irányú árammal lefékezik az anódot.

Mi okozhat még problémát a magas fordulatszámú anódoknál?

A centrifugális erő okozta giroszkópia. A röntgencső hirtelen egyik helyzetből a másik helyzetbe kerülésekor: a csapágyak és az anód megrongálódnak, miközben forog az anód.

Nagy terhelés mellett a csapágyak deformálódnak – ez szintén megrongálhatja a csövet. A deformálódás miatt a rotor forgás közben daráló hangot ad.

Az aktuális fókuszpont kívül lesz az ideális fókuszsávon, továbbá jelentősen romlik a cső teljesítménye.

Ha meghibásodik az álló - / forgórész:

• az anódtányér nem forog expozíciókor

Ez azért baj, mert megolvad az anód. Az olvadt wolfram az üvegburára kerül: így az megreped.

Nagy hőterhelés: eltörhet az anód.

Az elektronnyaláb az üvegbura felé irányulhat. Ezekben az esetekben a vákuumcső berobban.

Az üvegburát körülvevő szigetelőolaj érintkezik a forró alkatrészekkel: felrobban az egész.

Ha röntgencső baleset van:

A beteget kell eltávolítani onnan, nem a röntgencsövet elhúzni, mivel a forró olaj veszélyes rá nézve.

Üvegbura

Anód / katód részei vannak ebben az üvegcsőben. Hőálló üveg, nagy vákuummal (10^-5 Hgmm). Ahol az elsődleges sugárnyaláb kilép: az a röntgencső ablak része. Itt igazából az üveg elvékonyodik azért, hogy a kilépő röntgen fotonokat kevésbé szórja / nyelje el.

Mammográfiás röntgencső: a beríliumot alkalmazzák. (Alacsony rendszám: az alacsony energiájú fotonok hatékonyabban tudnak kilépni rajta.

 Védőburkolat

• akadályozza a szórt sugárzást
• szigeteli a nagyfeszültséget
• hűti a csövet

Fókuszáló csésze

A katódszerkezet enyhe bemélyedése, benne van a katódszál. Nikkelből készül. Funkcióját tekintve: nagyfeszültség hatására elmozduló elektronok megfelelő pontra irányítása az anódon belül.

Miért van szükség fókuszáló csészére?

Az elektronok negatív elektromos töltésűek. Ugyanolyan töltésű részecskék taszítják egymást. Emiatt igyekeznek minél távolabb kerülni egymástól.

Tehát: nem egyenes vonalban fognak elindulni, hanem legyezőszerűen.

A fókuszáló csészének van negatív potenciálja, továbbá a geometriai kialakítása segít abban, hogy az elektronnyaláb ne széttartó legyen.

Vannak olyan készülékek, amelyekben változtatni lehet a fókuszáló csésze negatív potenciálját – ezzel tudjuk változtatni az elektronnyaláb méretét is.

Space-charge effektus

Amikor fokozzuk a katódszál izzítását, akkor azt érjük el, hogy egyre több elektron lép majd ki. Negatív töltésük okán gátolni fogják a további elektronok kilépését. (Főleg alacsony csőfeszültségnél igaz ez – 40 kV-ig kb.). Ez korlátozza a röntgencsőben alkalmazható max. mA értékét.

Ahogy növeljük a csőfeszültséget, úgy távozik egyre több elektron az anód felé.

Limitált emisszió

Bizonyos csőfeszültség felett már nem lehet több elektront mobilizálni. Így hiába emelném tovább a csőfeszültséget, az nem fogja tovább emelni a cső mA értékét.

Az anód

A röntgencső pozitív oldala.

Hármas funkció:

1. A röntgenfotonok itt keletkeznek, mivel a katód felől érkező nagysebességű elektronok ide csapódnak be.
2. Nagyfeszültségű áramkör része
3. Elvezeti a keletkező hőt

Az anódon belül van egy olyan rész, amit fókuszterületnek nevezünk. Itt a nagysebességű elektronok lefékeződnek és itt keletkeznek a röntgenfotonok.

Kétféle anód van:

• állóanód
• forgóanód

Az anódtányér

A legtöbb készülékben forgó anódú röntgencső van. Az álló anódot már csak kisteljesítményű röntgenben találunk.

Forgóanód

Az expozíció közben forog. Ez azért jó, mert a fókuszterület így jócskán megnő.

Az anód többféle anyagból épül, az optimális működés érdekében.

Állóanód: wolfram-rénium ötvözet, ami egy 45°-os vörösréz ágyban található.

Forgóanód: anódtányér: 5-10 cm-es, anyaga változó. Fókuszterület anyaga: wolfram-rénium ötvözet. Hordozó anyaga: molibdén, grafit (egyszerre mindkettő is lehet). Ez felel az optimális hőelvezetésért.

Fókuszterület

Itt fékeződnek le a nagysebességű elektronok és keletkeznek belőlük röntgenfotonok.

Wolfram megfelelő tulajdonságai részletesen:

• nagy rendszámú
• ennek következtében tud megfelelő energiájú röntgenfotonokat kibocsátani.
• hő, melyet képes elérni az anódtányér: 1000-2000 °C, vagy ennél magasabb
• magas olvadáspont (az előbb említett értéknél is magasabb)

Így nem olvad meg ebben a tartományban.

• jó hővezető képessége van

Miért jó a wolframot réniummal ötvözni?

Nem lesz annyira rideg a fém à így a fókuszterület is gyorsabban tud majd tágulni.

Miért kell a fókuszterületet molibdén, vagy grafitágyba helyezni?

A jó hővezetés elérése az ok.

Mammográfiás röntgencső

Az anód molibdénből készül. Ez lehetővé teszi, hogy alacsonyabb energiájú fotonok keletkeznek.

Mire jó ez?

Az alacsonyabb energiájú fotonok biztosítják a jobb lágyrészkontrasztot.

Mammográfiás röntgencső ablaka: berilliumból készül. Miért? Az alacsonyabb energiájú fotonok kevésbé nyelődnek el, mikor távoznak a röntgencsőből.

Fókuszpont

Itt a röntgenfotonok keletkeznek. Ez az a pont, ahonnan a film-fókusz távot számítani kell.

Jelölik a csövön a fókuszpontot.

Állóanód: statikus fókuszpont.

Forgóanód: dinamikus (emiatt nagyobb is).

A forgóanód hőkapacitása sokkal nagyobb az állóanódhoz viszonyítva.

Effektív fókuszpont

Az a terület, ahonnan a röntgenfotonok valójában erednek.

A forgóanódokból elpárolog a fém egy idő után. Fontos, hogy az anód is felmelegedjen: üzemi hőre. Az anód melegedésekor az üvegburát is felmelegíti.

A hőtágulás miatt a vákuum is nő a csőben. (Ha nincs is használva a röntgen, akkor is be kell kapcsolni néha). Továbbá: a hideg anód eltörne a hirtelen, nagy hőterhelés miatt expozíciókor.

Miért?

Mert a hőtágulás nagyobb lenne, mint a fém tágulási képessége. Újabba anódok: vájatok, amik csökkentik a tágulási feszültséget. Itt nem nagyon kell melegíteni semmit.

Vonalfókusz elv

Arra kell, hogy az effektív fókuszpont csökkenthető legyen.

Mit jelent ez?

Csökkenti a fókuszpont méretét (ez fontos a felbontóképesség miatt). Növeli az elektronok becsapódási területét. Ezzel együtt: a hőleadás optimalizálása.

Mi határozza meg az effektív fókuszpont méretét?

• aktuális fókuszpont nagysága
• az anód szöge

Az aktuális fókuszpont mitől függ?

A katódszál méretétől.

Ha 45°-nál kisebb az anódszög, akkor az effektív fókuszpont kisebb lesz, mint az aktuális fókuszterület. Igazából a vonalfókusz elv az oka ennek is.

Leggyakoribb anódszög: 12° (7-17 jellemző)

Ha kisebb az anódszög: csökken az effektív fókuszterület is.

Mi a túl kicsi anódszög hátránya?

• szűkíti az elsődleges sugárnyalábot (főleg kis fókusz-film táv esetén) Anódsarok effektus!
• az anód melegedés során vetemedik geometriailag

Ilyenkor mi történik?

Az elsődleges sugárnyaláb anód felőli oldala „megrövidül”. Levágja az ezen az oldalon lévő képleteket. Csődöntéssel lehet ezt a problémát megoldani.

Effektív fókuszterület: téglalap alakú.

Miért?

A vonalfókusz elv csak egyik dimenzióban érvényes: vertikálisan.

Az anódtányér síkjában nem érvényesül. Az micsoda? A horizontális irány.

Fókuszpont mérete

Az effektív fókuszterület vertikális dimenziója (0,1-3 mm).

Két fókuszterület van:

Az egyik: jobb felbontást ad.

A másik: javítja a hőterhelés mértékét.

Kisebb fókuszterületnél: nem használunk nagy mA-t.

Jobb felbontás miatt: kisebb fókuszterületet akarjuk használni. Kisebb mA értéket kell állítani.

Megfelelő expozíció: az expozíciós idő növelésével.

Az anódsarok effektus

A vonalfókusz elv hátránya: anódsarok effektus.

Ez az anód geometriájából adódik.

Az anódsarok effektus lényege: az anódon keletkező röntgensugárzás intenzitása nagyobb a katód felőli oldalon.

Az elektronok becsapódnak a fókuszterületbe. Ezután: a keletkező röntgenfotonok az elektronnyalábhoz képest 45-90°-ban keletkeznek.

Azok a fotonok nyelődnek el, amelyek az anód belseje felé indulnak. Azok a fotonok kevésbé fognak elnyelődni, amelyek az anód felszíne felé lépnek ki.

Emiatt a katód felőli oldalon nagyobb intenzitású a sugárnyaláb.

A keletkező röntgenfotonoknak hosszabb utat kell megtenni az anódhoz, mint a katódhoz.

Az anód-katód között így akár 40-45°-os intenzitásbeli különbség van.

Ez elég ahhoz, hogy látható különbséget okozzon.

Röntgensugárzás:

Elektronok energiájának átalakításával kapjuk. Ez a folyamat a röntgencsőben játszódik le.

Röntgensugár mennyiségének, illetve minőségének befolyásolása:

• elektromos mennyiségekkel (kV, mA)
• idővel

Röntgencső = energiakonvertáló eszköz.

Ez azt jelenti, hogy az elektromosságot konvertálja röntgensugárrá és hővé.

A hőnek nincs jelentősége ebben az esetben, tekinthetjük mellékterméknek is. Ezzel a melléktermékkel kezdeni kell valamit – vagyis optimális szintűnek kell lennie a hő leadásnak.

A röntgencső egyszerű felépítésű:

2 része a katód és az anód. Ha áramkörbe kapcsolom, akkor a katódtól „indul” az áram, az anód felé. Leadják az elektronok az energiájukat és így keletkezik a röntgensugár és a hő.

Katód

A negatív pólus. Itt alakul ki az elektronfelhő, hő hatására. Az elektronfelhőből elindulnak az elektronok a nagyfeszültség meggyőző ereje miatt az anód felé. A katódszerkezet állítja megfelelő irányba az elektron sokaságot = az anód megfelelő részére.

Katódszál: wolframszál. Tekercset alkot. A katódszál a fókuszáló csészében van.

A wolfram tulajdonságai teszik megfelelővé erre a feladatra:

• magas olvadáspont
• nehezen párolog

Katódszál készítésére alkalmas anyag még:

• rénium
• molibdén

Ezeknek az anyagoknak is magas olvadáspontjuk van.

Miért fontos a wolfram azon tulajdonsága, hogy nehezen párolog?

Azért, mert a párolgó fém le fog rakódni a cső belsejébe. Ezen kívül csökkenti a csőben lévő vákuumot is, ha párolog egy fém.

A katódszál hosszúsága és szélessége miért fontos?

A röntgenkép geometriai tulajdonságait képes befolyásolni.

• 0,1-0,2 mm átmérőjű
• 1-2 mm széles
• 10-15 mm hosszú tekercset képez

Általában két katódszál van a csőben – ezt kettős fókuszú elrendezésnek hívjuk.

Termoionikus jelenség / termikus elektronemisszió

A katódszál elektromos ellenállása miatt hő fejlődik. Emiatt pedig elektronfelhő jön létre.

Hozzávetőlegesen 2200 ºC felett jelentkezik a termoionikus hatás a wolframszálban. Emiatt az elektronok elhagyják a katódot, majd nagyfeszültség hatására elindulnak az anód felé.

Az anódba csapódva legnagyobb részük visszatér az áramkörbe.

Kis része az elektronoknak és a wolfram atomoknak elpárolog. Mint már említettem, ez a párolgás nem tesz jót, mivel csökkenti a röntgencsőben a vákuumot.

Miért okoz problémát a párolgás és az ebből fakadó lerakódás?

Mert elektromos kisülés is létrejöhet az üvegbúra és a katód között.

Ha elektromos kisülés van, az megrepesztheti a csövet. Továbbá, ha ez nem is következik be, a cső hatékonyságát mindenképp csökkenteni fogja a lerakódás.

A katódszál ugyanúgy el tud szakadni, mint az izzókban lévő izzószál. Ha szakszerűtlenül használják, fokozottabb erre az esély.

Ha bekapcsolom a röntgent (haha) felmelegszik a katódszál. Ebből a felmelegített állapotból csak expozíciókor fűtöm fel a katódszálat üzemi hőre.

Kialakul az elektronfelhő. A wolfram csak ennél a magas hőnél párolog. Ekkora hőt csak órákig tudna elviselni egy cső.

A katódszál fűtőáramköre szinkronkapcsolt az anódot forgató rotorral.

Az elektromos kisülések ritkított gázokban

A légritkított kisülési csőből először Lénárd Fülöp „hozta szabad levegőre” a katódsugarakat. A kisülési cső üvegfalát átfúrta, a nyílást vékony alumínium lemezzel befedte. Ezen keresztül nagysebességű elektronok tudnak áthatolni.

Röntgen ismételte ezt a kísérletet. Első kísérleti kisülési csöveinél az X-sugárzás keletkezési helyén a katóddal szembeni üvegfalon zöld fluoreszcens fényjelenség volt megfigyelhető.

Ebben az esetben annyira felmelegedett az üvegfal, hogy használhatatlanná vált.

Emiatt beépített egy harmadik, lemez alakú fémelektródát. A katóddal szemben, ahol az elektronok ütköznek. Ezt elnevezte antikatódnak.

Összekötötte az anóddal. Úgy képezte ki a katódot, hogy az elektronok kicsi helyen, a fókuszban összpontosuljanak az antikatódon.

A klasszikus röntgencsöveinél a nagy sebességű elektronok száma, vagyis a csőáram erőssége (mA) függ a:

• anód és katód közti feszültségtől – vagyis a csőfeszültségtől (kV)
• a légritkítástól

Ugyanolyan légritkításnál a csőáramot csak a csőfeszültséggel lehet fokozni.

Azonban: ugyanannál a csőfeszültségnél csak a légritkítás csökkentésével tudjuk megnövelni a csőáramot. (Ez fordítva is igaz).

Ha több levegőmolekula van a katód és az anód között, akkor több az ütközés és az ionizálás.

Ez csak egy bizonyos légsűrűségig igaz. Ha túl gyakori az ütközés, akkor már nem fognak tudni az elektronok megfelelő sebességre jutni ahhoz, hogy röntgensugárzás jöjjön létre.

Ilyenkor az elektródák között a vezetőképessé vált levegőn (vagyis plazmán) át a nagyfeszültség csattanó fényjelenség közben átüt, ívképződéssel.

De ha túl nagy a légritkítás – akkor túl kevés az ütközési lehetőség. Emiatt kevés az ionizálás és a csőáram.

A klasszikus csöveket a túlságosan melegítő üzemeltetés keményítette – mivel az ionok részben lerakódtak a cső falára. Ennek következtében regeneráló készülékeket kellett használni.

Coolidge szüntette meg a csőáram (mA) szabályozásának nehézségét. Azt a fizikai tényt használta, hogy az izzó anyagok elektromosságot bocsátanak ki.

Coolidge izzókatódos röntgencsöve:

A katód végén egy izzítható fémszál volt beépítve – a csövet pedig tökéletesen légtelenítette.

A negatív katódból a pozitív anód felé akadálymentesen repülnek az elektronok, aztán az anódba csapódva lefékeződnek.

Az izzókatód nagy előnye:

A katódizzítással tetszőleges csőáram (mA) állítható be. (Nem kell lágyítani, keményíteni, vagy csöveket cserélgetni).