X선관

X-ray tube
현대식 치과용 엑스레이 튜브.가열된 음극은 왼쪽에 있습니다.중앙은 텅스텐으로 만들어지고 구리 슬리브에 내장된 양극입니다.

X선 튜브는 전기 입력 전력을 X선으로 [1]변환하는 진공 튜브입니다.이 제어 가능한 X선 선원의 가용성은 투과 방사선으로 부분적으로 불투명한 물체를 영상화하는 방사선 촬영 분야를 만들었다.다른 전리방사선 소스와 달리 X선은 X선 튜브에 전원이 공급될 때만 생성됩니다.X선 튜브는 CT 스캐너, 공항 수하물 스캐너, X선 결정학, 재료 및 구조 분석 및 산업 검사에도 사용됩니다.

고성능 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캔 및 혈관 조영 시스템에 대한 수요 증가로 고성능 의료용 X선 튜브 개발이 추진되고 있습니다.

역사

X선 튜브는 1895년 11월 8일 독일 물리학자 빌헬름 콘라트 뢴트겐에 의해 X선이 처음 발견된 크룩스 튜브에서 진화했다.이러한 1세대 냉음극 또는 크룩스 X선 튜브는 1920년대까지 사용되었다.크룩스 튜브는 [2]1913년 윌리엄 쿨리지에 의해 개선되었다.핫 캐소드 튜브라고도 불리는 쿨리지 튜브는 가장 널리 사용된다.매우 좋은 품질의 진공 청소기(약−4−6 10Pa, 10Torr)[citation needed]에서 작동합니다.

1980년대 후반까지 X선 발생기는 단지 고전압 AC-DC 가변 전원 공급 장치였다.1980년대 후반에는 고속 스위칭이라는 다른 제어 방법이 등장했습니다.이는 스위치 전원 공급 장치(일명 스위치 모드 전원 공급 장치)를 전환하는 전자 기술을 따랐으며, X선 장치의 보다 정확한 제어, 더 높은 품질 결과 및 X선 [citation needed]노출을 줄일 수 있었습니다.

물리

로듐 타깃이 있는 X선 튜브가 60kV로 작동하는 X선 스펙트럼.부드럽고 연속적인 곡선은 bremsstrhlung에 의한 것이며, 스파이크는 로듐 원자의 특징적인 K선입니다.

여느 진공관처럼, 진공에 전자를 방출하는 음극과 전자를 모으기 위해 양극을 통해 빔으로 알려진 전류의 흐름을 확립하는 음극이 있다.예를 들어 30~150킬로볼트(kV)의 고압전원은 음극과 양극을 통해 연결되어 전자를 가속합니다.X선 스펙트럼은 양극 재료와 가속 [3]전압에 따라 달라집니다.

음극의 전자는 보통 텅스텐, 몰리브덴 또는 구리인 양극 물질과 충돌하고 양극 물질 내의 다른 전자, 이온 및 핵을 가속합니다.생성된 에너지의 약 1%는 X선으로 전자 빔의 경로에 수직인 상태로 방출/방사됩니다.나머지 에너지는 열로 방출된다.시간이 지남에 따라 텅스텐은 표적에서 유리 표면을 포함한 튜브 내부 표면으로 퇴적됩니다.이렇게 하면 튜브가 서서히 어두워지고 X선 빔의 품질이 저하되는 것으로 생각되었습니다.기화된 텅스텐은 "창"을 통해 엔벨로프 내부에서 응축되어 추가적인 필터 역할을 하며 튜브의 [4]열 방출 능력을 감소시킵니다.결국 텅스텐 퇴적물은 충분히 전도성이 있어 충분한 전압에서 아크가 발생할 수 있다.아크는 음극에서 텅스텐 퇴적물로, 그리고 양극으로 점프합니다.이 아크는 X선 윈도우의 내부 유리에 "크레이징"이라고 불리는 효과를 일으킵니다.시간이 지날수록 낮은 전압에서도 튜브가 불안정해지므로 교체해야 합니다.이 때 튜브 어셈블리("튜브 헤드"라고도 함)가 X선 시스템에서 제거되고 새 튜브 어셈블리로 교체됩니다.오래된 튜브 어셈블리는 새 X선 튜브로 다시 장착하는 회사로 배송됩니다.

X선 광자 생성 효과는 일반적으로 제동이라는 뜻의 독일어 브렘센의 합성어인 브렘스스트룽 효과와 방사선을 뜻하는 스트라흐룽 효과로 불린다.

시스템에서 방출되는 광에너지의 범위는 인가 전압을 변경하고 다양한 두께의 알루미늄 필터를 설치하여 조정할 수 있습니다.알루미늄 필터는 X선 빔의 경로에 설치되어 "연성"(비투과성) 방사선을 제거합니다.방출된 X선 광자의 수 또는 선량은 전류 흐름과 노출 시간을 제어하여 조정합니다.

열 방출

양극의 초점에서 열이 발생합니다.전자 에너지의 작은 부분(1% 이하)이 X선으로 변환되기 때문에 열 [5]계산에서 무시할 수 있습니다.초점에서 발생하는 열의 양(줄 단위)은 다음과 같습니다.

w가 파형 계수가 됩니다.
p \ 피크 AC 전압(볼트)
\= 튜브 전류(밀리암페어 단위)
\= 노출 시간(초)

열 단위(HU)는 과거에 줄의 대안으로 사용되었습니다.단상 전원을 X선 [6]튜브에 연결할 때 편리한 장치입니다.사인파의 전파 정류의 경우\ w 20. 0.입니다. 따라서 열 단위:

1 HU = 0.707 J
1.4 HU = 1[7] J

종류들

크룩스 튜브(냉음극 튜브)

1900년대 초의 크룩스 X선 튜브.음극은 오른쪽에 있고 양극은 중앙에 있으며 히트 싱크는 왼쪽에 있습니다.10시 위치에 있는 전극이 대음극입니다.상단에 있는 장치는 가스 압력을 조절하는 데 사용되는 '유연제'입니다.

크룩스 튜브는 가열된 필라멘트 대신 튜브에 남아 있는 공기를 이온화함으로써 X선을 생성하는 데 필요한 전자를 발생시켰기 때문에 부분적으로만 완전히 배출되지는 않았다.공기 압력이 약 10−6~5×10−8(0.1~0.005Pa)인 유리 전구로 구성되었습니다.튜브의 한쪽 끝에는 알루미늄 음극판이 있고 다른 한쪽 끝에는 백금 양극 타깃이 있었습니다.X선이 튜브의 측면을 통해 방사되도록 양극 표면이 각이 졌다.음극은 전자가 양극의 작은 점(~1 mm)에 집중되도록 오목하게 만들어 X선의 점 선원과 비슷해 더 선명한 이미지를 만들어냈습니다.튜브에는 양극에 연결된 세 번째 전극, 즉 반음극이 있었다.X선 출력을 개선했지만, 이를 달성한 방법은 알려지지 않았습니다.보다 일반적인 배열에서는 양극이 음극과 반음극 사이에 위치하도록 양극에 맞춰 동판 반음극(음극과 구조가 유사함)을 사용했습니다.

작동하기 위해 양극과 음극 사이에 몇 킬로볼트에서 최대 100kV의 DC 전압이 인가되었습니다. 보통 유도 코일 또는 더 큰 튜브의 경우 정전 기계에 의해 생성됩니다.

크룩스 튜브는 믿을 수 없었다.시간이 경과함에 따라 잔류 공기는 튜브 벽에 흡수되어 압력이 감소합니다.이로 인해 튜브 전체의 전압이 상승하여 '더 단단한' X선이 생성되어 튜브가 작동을 멈출 때까지 지속되었습니다.이를 방지하기 위해 '유연제' 장치를 사용했습니다(그림 참조).주관의 측면에 부착된 작은 튜브에는 마이카 슬리브나 화학물질이 들어 있어 가열 시 소량의 가스가 방출되어 올바른 압력을 회복했습니다.

튜브의 유리 외피는 X선이 튜브의 구조에 영향을 미치기 때문에 검게 될 것이다.

쿨리지 튜브(핫 캐소드 튜브)

Coolidge 사이드 윈도우 튜브(구성표)
  • C: 필라멘트/음극(-)
  • A: 양극(+)
  • Win 및 Wout: 냉각 장치의 물 흡입구 및 배출구

쿨리지 튜브에서 전자는 전류에 의해 가열된 텅스텐 필라멘트에서 열전자 효과에 의해 생성된다.필라멘트는 튜브의 음극입니다.고전압 전위는 음극과 양극 사이에 있으므로 전자가 가속되고 양극에 도달합니다.

엔드 윈도우 튜브와 사이드 윈도우 튜브의 두 가지 디자인이 있습니다.끝창 튜브에는 일반적으로 X선이 표적을 통과할 수 있을 정도로 얇은 "투과 표적"이 있습니다(X선은 전자가 움직이는 방향과 같은 방향으로 방출됩니다).일반적인 유형의 엔드 윈도우 튜브에서 필라멘트는 양극("환형" 또는 링 모양) 주위에 있으며 전자는 곡선 경로(트로이드의 절반)를 가지고 있다.

사이드 윈도우 튜브의 특별한 점은 정전 렌즈가 빔을 양극의 아주 작은 부분에 집중시키기 위해 사용된다는 것입니다.양극은 이러한 집중된 전자 방출로 인한 열과 마모를 방출하도록 특별히 설계되었습니다.양극은 전자 전류의 방향에 수직으로 방출되는 일부 X선 광자가 빠져나갈 수 있도록 전자 전류에 수직으로 1-20도 각도로 정밀하게 각도 조정됩니다.양극은 보통 텅스텐이나 몰리브덴으로 만들어진다.튜브에는 생성된 X선 광자의 탈출을 위해 설계된 창이 있습니다.

Coolidge 튜브의 전력은 일반적으로 0.1 ~ 18 kW입니다.

회전 양극관

단순화된 회전 양극 튜브 개략도
  • A: 양극
  • C: 음극
  • T: 양극 타깃
  • W: X선 창
전형적인 회전 양극 X선관

고정 양극의 초점(음극에서 나오는 전자빔이 부딪치는 영역)에서 상당한 양의 열이 발생한다.오히려 회전하는 양극은 전자빔이 양극의 넓은 면적을 휩쓸게 함으로써 정태에 [8]비해 양극의 손상을 줄이는 동시에 방출되는 방사강도가 높은 이점을 보충한다.

노출 중에는 초점 온도가 2,500°C(4,530°F)에 이를 수 있으며, 일련의 대규모 노출 후에는 양극 어셈블리가 1,000°C(1,830°F)에 이를 수 있습니다.전형적인 양극은 흑연으로 뒷받침되는 몰리브덴 코어의 텅스텐-레늄 타깃입니다.레늄은 텅스텐을 전자빔의 충격으로 인해 더욱 연성이 높고 마모에 내성을 갖게 합니다.몰리브덴은 표적에서 열을 전도합니다.흑연은 양극에 열을 저장하여 양극의 회전 질량을 최소화합니다.

마이크로포커스 X선관

일부 X선 검사(예: 비파괴 테스트 및 3-D 마이크로토모그래피)는 매우 고해상도 영상이 필요하므로 일반적으로 직경이 50μm 미만인 매우 작은 초점 크기를 생성할 수 있는 X선 튜브가 필요합니다.이 튜브들은 초점 X선 튜브라고 불립니다.

마이크로포커스 X선 튜브에는 고체 양극 튜브와 금속 제트 양극 튜브의 두 가지 기본 유형이 있습니다.

고체 양극 마이크로 포커스 X선 튜브는 원칙적으로 Coolidge 튜브와 매우 유사하지만, 중요한 구별을 통해 전자 빔을 양극의 매우 작은 부분에 초점을 맞출 수 있도록 주의를 기울여 왔습니다.많은 초점 X선 선원이 5-20μm 범위의 초점 스팟으로 작동하지만, 극단적인 경우 1μm 미만의 스팟이 생성될 수 있습니다.

고체 양극 마이크로 포커스 X선 튜브의 주요 단점은 작동 전력이 매우 낮다는 것입니다.양극의 용융을 방지하려면 전자빔 전력 밀도가 최대값 미만이어야 합니다.이 값은 양극 [9]재료에 따라 0.4~0.8 W/μm 범위에 있습니다.즉, 10μm 전자빔 포커스를 가진 고체 아노드 마이크로포커스 소스는 4~8W의 전력으로 동작할 수 있습니다.

금속-제트-아노드 마이크로포커스 X선 튜브에서 고체 금속 양극은 전자빔 타깃 역할을 하는 액체 금속으로 대체됩니다.금속제트 양극의 장점은 최대 전자빔 전력 밀도가 크게 높아진다는 것입니다.다른 양극 재료(갈륨 및 주석)[10][11]에 대해 3~6 W/μm 범위의 값이 보고되었다.10μm 전자빔 포커스의 경우 금속제트-아노드 마이크로포커스 X선원은 30~60W로 동작해도 된다.

금속제트 X선 튜브의 전력 밀도 수준이 증가하면 초점이 10μm인 고체 양극 튜브보다 출력이 높기 때문에 예를 들어 5μm인 작은 초점으로 작동하여 이미지 해상도를 높이고 동시에 이미지를 더 빨리 획득할 수 있다는 것이 주요 장점입니다.

진공 튜브에서 X선 발생 위험

X선을 발생시킬 수 있는 2개의 고전압 정류관

수천 볼트 이상에서 작동하는 진공 튜브는 원치 않는 부산물로 X선을 발생시켜 안전 [12][13]문제를 야기할 수 있습니다.전압이 높을수록 방사선이 더 많이 투과되고 위험이 더 커집니다.컬러 TV나 컴퓨터 디스플레이에서 흔히 볼 수 있는 CRT 디스플레이는 [14]크기에 따라 3~40킬로볼트로 작동하기 때문에 가전제품의 주요 관심사다.지금까지 브라운관에는 두꺼운 유리 엔벨로프에는 차폐용 납이 몇 파운드에 함침되어 있기 때문에 이전 TV의 고전압(HV) 정류기 및 전압 조절 튜브보다 더 많은 관심이 집중되지 않았습니다.1960년대 후반에 일부 General Electric TV의 HV 공급 회로에 장애가 발생하면 조절 튜브에 과도한 전압이 남아 X선을 방출할 수 있다는 것이 밝혀졌다.이 모델은 리콜되었고 후속 스캔들로 인해 이 위험을 규제하는 미국 기관인 식품의약국 장치 및 방사선 건강 센터(Center for Devices and Radiological Health of the Food and Drug Administration, FDA)는 [15]모든 TV에 고장 시 과도한 전압을 방지하기 위한 회로를 포함하도록 요구했다.과도한 전압과 관련된 위험은 CRT 이외의 튜브가 없는 전고체 TV의 등장으로 제거되었다.1969년 이후 FDA는 TV X선 방출을 시간당 0.5mR(밀리언트겐)로 제한했다.1990년대부터 CRT에서 다른 스크린 기술로 전환되면서 X선을 방출할 수 있는 진공관은 [citation needed]아예 없다.

「 」를 참조해 주세요.

Wikimedia Commons에는 X선 튜브와 관련된 미디어가 있습니다.

특허

레퍼런스

  1. ^ Behling, Rolf (2015). Modern Diagnostic X-Ray Sources, Technology, Manufacturing, Reliability. Boca Raton, FL, USA: Taylor and Francis, CRC Press. ISBN 9781482241327.
  2. ^ 쿨리지, 미국 특허 1,203,495우선일 1913년 5월 9일
  3. ^ 연속선 및 특징선 그림 2008년 2월 23일 웨이백 머신에 아카이브
  4. ^ John G. Stears; Joel P. Felmlee; Joel E. Gray (September 1986), "cf., Half-Value-Layer Increase Owing to Tungsten Buildup in the X-ray Tube: Fact or Fiction", Radiology, 160 (3): 837–838, doi:10.1148/radiology.160.3.3737925, PMID 3737925
  5. ^ "X-Ray Tube Heating and Cooling".
  6. ^ "X-Ray Tube Heating and Cooling".
  7. ^ The Physical Principles of Medical Imaging, 제2판 웹 기반 에디션의 Perry Spandls 박사, X선 튜브 난방 및 냉각.
  8. ^ "X-ray tube".
  9. ^ D. E. Grider, A Wright 및 P. K. Ausburn(1986), "마이크로 포커스 X선 튜브에서 전자 빔이 녹는다", J. Phys.D: 사과.물리 19: 2281-2222
  10. ^ M. 오텐달, T.Tuohimaa, U. Vogt, H. M. Hertz(2008), "9keV 전자 충격 액체-갈륨-제트 X선 선원", Rev.Sci.인스트럼79: 016102
  11. ^ T. Tuohimaa, M.Otendal, 및 H. M. Hertz(2007), "액체 금속 제트 양극 마이크로포커스 소스를 사용한 위상 대비 X선 이미징", Appl.물리 91: 074104
  12. ^ "We want you to know about television radiation". Center for Devices and Radiological Health, US FDA. 2006. Archived from the original on December 18, 2007. Retrieved 2007-12-24.
  13. ^ Pickering, Martin. "An informal history of X-ray protection". sci.electronics.repair FAQ. Archived from the original on 2012-02-07. Retrieved 2007-12-24.
  14. ^ Hong, Michelle. "Voltage of a Television Picture Tube". Retrieved 11 August 2016.
  15. ^ Murray, Susan (2018-09-23). "When Televisions Were Radioactive". The Atlantic. Retrieved 2020-12-11.

외부 링크