← Все модули курса

Модуль 5 из 9 курса для рентгенолаборантов

Рентгеновская трубка

Откуда берётся рентгеновское излучение и почему у пульта всё устроено именно так.

Как работать с материалом

Первые четыре модуля были о том, что такое рентгеновское излучение, как оно действует на организм и как от него защищаться. Теперь — откуда оно берётся. Рентгеновская трубка — сердце любого аппарата, и многие привычные действия у пульта (выбор кВ и мА, двухступенчатая кнопка, паузы между сериями снимков) становятся понятны, только когда знаешь, как она устроена.

Блоки «Для интересующихся» содержат формулы и подробности. Их можно пропустить: основной текст понятен и без них.

После изучения вы должны уметь:

  • назвать три условия получения рентгеновского излучения;
  • описать устройство трубки: катод, анод, баллон, кожух;
  • объяснить, чем действительный фокус отличается от оптического и почему маленький фокус даёт резкий снимок;
  • объяснить, зачем нужен вращающийся анод и почему трубка боится перегрева;
  • рассказать, как кВ, мА и время меняют излучение;
  • объяснить, зачем нужен фильтр;
  • правильно обращаться с трубкой у пульта.

1Три условия и немного истории

Из модуля 1 вы знаете: рентгеновское излучение возникает, когда быстрые электроны резко тормозятся в веществе. Чтобы получать его управляемо, нужны три вещи:

Источник электронов

Раскалённая нить катода испускает электроны.

Ускорение

Высокое напряжение между катодом и анодом разгоняет их.

Мишень

Анод, в котором электроны тормозятся и рождают излучение.

Всё это помещено в баллон с высоким вакуумом (10−7–10−8 мм рт. ст.): электроны не должны терять энергию на молекулах газа, а раскалённая нить — окисляться.

Первые трубки, в том числе та, с которой работал Рентген, были газовыми: электроны появлялись из остатков газа, разрежение менялось прямо во время работы, и излучение становилось то мягким, то жёстким. В 1913 году американский инженер Уильям Кулидж создал трубку с раскалённым катодом и высоким вакуумом. В ней количество электронов задаётся накалом нити, а их энергия — напряжением. Именно поэтому сегодня лаборант выбирает мА и кВ отдельно.

2Как устроена трубка

Схема рентгеновской трубки: катод с нитью накала и фокусирующей чашечкой, поток электронов к вольфрамовому аноду, фокус, рабочий пучок выходит через окно; справа ротор и статор вращающегося анода
Трубка с вращающимся анодом. Электроны летят от катода к аноду, в фокусе рождается излучение и выходит через окно.

Катод

Вольфрамовая спираль в металлической фокусирующей чашечке. Ток накала (около 10 В, несколько ампер) раскаляет нить, и она испускает электроны — это термоэлектронная эмиссия. Чашечка собирает электроны в узкий пучок. В большинстве трубок две нити разного размера — это два фокуса, большой и малый.

Нить — расходный элемент: вольфрам постепенно испаряется, нить истончается и перегорает. Поэтому в режиме ожидания накал минимальный, а до рабочего он поднимается только при нажатии первой ступени кнопки экспозиции.

Анод

Мишень, в которой тормозятся электроны. Рабочую поверхность делают из вольфрама: у него большой атомный номер (74 — больше выход излучения) и самая высокая температура плавления среди металлов (3422 °C). В неподвижном аноде вольфрамовая пластинка впрессована в массивный медный стержень, который отводит тепло. В вращающемся — вольфрамовая или вольфрам-рениевая дорожка нанесена на диск из молибдена или графита.

Главная цифра модуля. В рентгеновское излучение превращается около 1 % энергии электронов. Остальные свыше 99 % уходят в тепло. Отсюда все инженерные решения трубки: вращающийся анод, масло, ограничения по нагрузке и паузы между снимками.
Для интересующихся: как оценить КПД трубки

Доля энергии электронов, превращающаяся в тормозное излучение, приблизительно пропорциональна атомному номеру мишени Z и напряжению U:

η ≈ 1,1·10−9 · Z · U (В)

Для вольфрама (Z = 74) при 100 кВ: η ≈ 1,1·10−9 × 74 × 100 000 ≈ 0,008, то есть меньше 1 %. При 60 кВ — около 0,5 %.

Баллон

Стеклянный или металлокерамический баллон держит вакуум. Часть электронов отражается от анода и возвращается на него уже вне фокуса — так возникает внефокусное излучение, которое ухудшает резкость. С ним борются формой баллона, металлической средней частью (она заземлена и поглощает вторичные электроны) и колпачком на аноде. Металлокерамические трубки дороже, но позволяют ставить аноды диаметром до 150–200 мм.

3Фокус и резкость

Действительный фокус — площадка на аноде, по которой бьют электроны. Оптический (эффективный) фокус — её проекция в направлении центрального луча, то есть то, каким фокус «видят» пациент и приёмник.

Принцип линейного фокуса: длинная полоска на скошенном аноде в проекции на пациента выглядит почти квадратом
Принцип линейного фокуса: длинная полоска на скошенном аноде в проекции выглядит маленьким квадратом.

Анод скошен, поэтому электроны нагревают длинную полоску, а в проекции она становится почти квадратом. Так совмещают два противоречивых требования: большая площадь для отвода тепла и маленький фокус для резкости. Чем меньше угол анода, тем меньше эффективный фокус — но тем уже поле, которое может покрыть пучок, и тем сильнее неравномерность пучка вдоль оси трубки («пяточный эффект»). Номинальные фокусы диагностических трубок — от 0,1–0,3 мм в маммографии до 1–2 мм.

Для интересующихся: формула линейного фокуса

Если длина нагреваемой полоски L, а угол наклона анода к центральному лучу α, то размер оптического фокуса:

f = L · sin α

При угле 12° (sin ≈ 0,21) полоска длиной 5 мм даёт оптический фокус около 1 мм.

Почему маленький фокус — резкий снимок

Геометрическая нерезкость: лучи от краёв фокуса дают две сдвинутые тени, между ними полутень; при большом фокусе полутень шире
Лучи от краёв фокуса дают полутень. Чем больше фокус, тем она шире.

Фокус — не точка. Лучи от его краёв дают две тени, сдвинутые друг относительно друга, а между ними — размытая полутень. Это геометрическая нерезкость. Она меньше, если:

  • фокус меньше;
  • объект ближе к приёмнику — поэтому исследуемую область кладут на кассету или детектор;
  • фокус дальше от объекта — отсюда телерентгенография сердца с 1,5–2 м.
Для интересующихся: размер полутени

Ширина полутени P зависит от размера фокуса F, расстояния от объекта до приёмника b и от фокуса до объекта a:

P = F · b / a

Фокус 1 мм, объект в 10 см от приёмника и в 90 см от фокуса: P = 1 × 10 / 90 ≈ 0,11 мм. При фокусе 2 мм — уже 0,22 мм.

4Вращающийся анод и тепло

С неподвижным анодом мощность сильно ограничена: маленькая площадка фокуса быстро перегревается. В трубке с вращающимся анодом фокусное пятно остаётся на месте, а анод — диск — крутится под ним, и каждая точка дорожки нагревается лишь на мгновение. При том же фокусе трубка выдерживает во много раз большую мощность.

  • Ротор электродвигателя — внутри баллона, статор — снаружи, в кожухе. Механического соединения через стекло нет.
  • Перед снимком анод разгоняют — около секунды. Отсюда первая ступень кнопки и характерный звук разгона. После снимка анод тормозится.
  • Подшипники работают в вакууме при высокой температуре, поэтому смазываются не маслом, а тонким слоем мягкого металла — серебра или свинца; в мощных трубках ставят подшипники скольжения с жидким металлом.

Первая ступень

Подготовка: накал нити поднимается до рабочего, анод разгоняется.

Вторая ступень

Экспозиция: подаётся высокое напряжение, идёт излучение.

Тепло — главный враг трубки

Анод нагревается до 2000 °C и выше, а остывает медленно: в вакууме тепло уходит в основном излучением, затем через масло в кожухе. Если делать много снимков подряд или долго просвечивать, тепло копится в аноде и в масле. Современные аппараты считают тепловую нагрузку и не дают включить экспозицию, пока трубка не остынет.

Опасен и холодный анод: резкий нагрев холодного диска может вызвать трещины. Поэтому производители рекомендуют прогревать трубку перед работой — порядок указан в инструкции к аппарату.

Для интересующихся: сколько тепла выделяет снимок

Энергия, выделяемая в аноде, приблизительно равна произведению напряжения, тока и времени:

Q (Дж) ≈ U (кВ) × I (мА) × t (с)

Снимок 80 кВ и 40 мА·с — около 3,2 кДж. Серия из 10 таких снимков — 32 кДж, почти всё в тепло. В старой литературе теплоту считали в «тепловых единицах» (ТЕ, HU); для однофазных аппаратов 1 ТЕ ≈ 0,71 Дж.

Для интересующихся: трубки КТ и ангиографии

В компьютерных томографах и ангиографах трубка работает с огромной тепловой нагрузкой. Поэтому баллон у них металлокерамический, анод вращается на подшипниках скольжения с жидким металлом, а в части конструкций вращается весь корпус трубки, и масло охлаждает анод напрямую.

5Защитный кожух и моноблок

Излучение рождается в фокусе во все стороны, а наружу должен выйти только рабочий пучок. Трубку помещают в металлический кожух со свинцовой облицовкой; утечка излучения через кожух строго ограничена — не более 1 мГр/ч на расстоянии 1 м от фокуса (ГОСТ Р МЭК 60601-1-3) — и проверяется раз в год (СанПиН 2.6.4115-25, приложение 10). Кожух заполнен трансформаторным маслом — это высоковольтная изоляция и охлаждение. На выходном окне крепятся фильтры и коллиматор (модуль 7).

В моноблоке трубка и высоковольтный трансформатор находятся в одном баке с маслом. Это компактно и не требует высоковольтных кабелей, но мощность ограничена. Моноблоки стоят в палатных, переносных и дентальных аппаратах.

На табличке трубки и в её паспорте указаны главные параметры: размеры двух фокусов, предельное напряжение (кВ), мощность для каждого фокуса (кВт) и теплоёмкость анода. По ним аппарат строит нагрузочные таблицы (раздел 9).

Для интересующихся: маркировка старых отечественных трубок

Отечественная маркировка трубок: первое число — допустимая мощность, затем буквы. Б — в защитном кожухе, электрически безопасная; Д — для диагностики, Т — для терапии; последняя буква — охлаждение: М — масляное, В — водяное, К — воздушное. Такие трубки ещё встречаются в старых аппаратах.

6Как рождается излучение: спектр

МеханизмЧто происходитСпектр
Тормозное излучениеэлектрон тормозится в поле ядра и теряет энергию в виде фотонанепрерывный — от нуля до максимума
Характеристическое излучениеэлектрон выбивает электрон с внутренней оболочки атома анода, освободившееся место занимает другой — с испусканием фотонаотдельные линии, свои у каждого элемента

В диагностике основную часть пучка даёт тормозное излучение. Характеристические K-линии вольфрама (около 59 и 67 кэВ) появляются только при напряжении выше примерно 70 кВ. В маммографии используют аноды из молибдена или родия: их характеристическое излучение (17–23 кэВ) хорошо подходит для мягких тканей молочной железы. В современных цифровых маммографах и аппаратах для томосинтеза всё чаще ставят вольфрамовый анод с родиевым или серебряным фильтром.

Спектр рентгеновской трубки: непрерывный спектр тормозного излучения, обрезанный фильтром в мягкой части, с пиками характеристического излучения вольфрама; максимальная энергия равна напряжению
Спектр трубки: пунктир — в самой мишени, сплошная линия — после фильтрации. Красные пики — характеристическое излучение вольфрама.

Запомните три вещи. Спектр непрерывный. Его верхняя граница задаётся напряжением: при 80 кВ нет фотонов дороже 80 кэВ. Фильтр убирает мягкую часть. Средняя энергия фотонов в пучке — примерно треть–половина максимальной.

Для интересующихся: закон Дуэйна — Ханта

Максимальная энергия фотона равна энергии электрона, разогнанного напряжением U:

Emax = e · U;   λmin (нм) ≈ 1,24 / U (кВ)

При 100 кВ: Emax = 100 кэВ, λmin ≈ 0,0124 нм.

7Что меняют кВ, мА и время

ПараметрЧто меняетЧто получится на снимке
мА — ток трубкиколичество электронов и фотонов, не их энергиюплотность на плёнке; в цифровом снимке — шум и индекс экспозиции (модуль 8)
с — времято же, что мАто же; длинная выдержка — смазывание движением
кВ — напряжениеэнергию фотонов (жёсткость) и их количествопроникновение, контраст, плотность

мА и время работают в паре: 100 мА × 0,1 с = 10 мА·с — то же количество излучения, что 200 мА × 0,05 с. Но при большом токе выдержка короче, а значит меньше смазывания от дыхания и движения. Поэтому мощные аппараты с большими токами лучше.

Повышение кВ делает фотоны жёстче: они лучше проходят через тело, и снимку нужно меньше мА·с. Но контраст между тканями снижается. Практическое правило: повышение напряжения примерно на 15 % даёт такое же почернение, как удвоение мА·с.

Пример. Снимок сделан при 70 кВ и 20 мА·с. Тот же результат по плотности даст примерно 80 кВ и 10 мА·с: доза на кожу меньше, контраст чуть ниже. Подбор режима — модули 7 и 8 и практика.

8Фильтрация

Фильтр ослабляет мягкие фотоны гораздо сильнее, чем жёсткие. Мягкие фотоны всё равно поглотились бы в коже и не дошли до приёмника — то есть облучили бы пациента без пользы. После фильтра пучок становится жёстче и однороднее.

  • Собственная фильтрация — стекло баллона, масло, окно кожуха.
  • Дополнительная — алюминиевые пластины на выходе (в детских программах и при скопии добавляют медь).
  • Общая — собственная плюс дополнительная: в аппаратах общего назначения не менее 2,5 мм алюминия, в интраоральных дентальных — не менее 1,5 мм (ГОСТ Р МЭК 60601-1-3).

Пример из лекционных материалов: встроенный алюминиевый фильтр 2,5 мм в дентальном аппарате снижает дозу на поверхности кожи примерно в 5 раз. В маммографии фильтры другие — молибденовые, родиевые или серебряные: там нужны именно мягкие фотоны.

Штатный фильтр не снимают. Это прямое повышение дозы пациента. Фильтрацию и слой половинного ослабления проверяют раз в год при контроле эксплуатационных параметров (СанПиН 2.6.4115-25, приложение 10).

9Характеристики и допустимая нагрузка

Накальная (эмиссионная) характеристика — зависимость анодного тока от тока накала. Пока нить не нагрелась примерно до 2000 °C, электронов почти нет; затем ток растёт очень круто. Поэтому накал регулируют плавно и стабилизируют: небольшое изменение тока накала заметно меняет мА.

Анодная (вольт-амперная) характеристика — зависимость тока от напряжения при постоянном накале. Сначала ток растёт, затем выходит на насыщение: все электроны, испущенные нитью, долетают до анода. Диагностические трубки работают в режиме насыщения, поэтому мА задаёт накал, а кВ — энергию фотонов. Это и есть идея Кулиджа.

Для интересующихся: когда ток зависит от кВ

Режим насыщения — упрощение. При больших токах и малых кВ облако электронов у нити (пространственный заряд) мешает им уходить к аноду, и ток начинает зависеть от напряжения. Генератор сам подправляет накал, поэтому у пульта кВ и мА остаются независимыми.

Мощность трубки — произведение напряжения на ток: 100 кВ × 500 мА = 50 кВт. Номинальную мощность указывают для выдержки 0,1 с (в старых отечественных документах — для 1 с). Для малого фокуса допустимая мощность меньше, для большого больше. Если задать слишком большой ток для малого фокуса, аппарат переключит фокус или заблокирует экспозицию.

10Трубка и лаборант

Трубка — самая дорогая расходная часть аппарата, и её ресурс во многом зависит от того, как с ней обращаются.

Нельзя

Держать первую ступень кнопки нажатой «про запас».
Делать длинные серии без пауз, игнорируя предупреждение о нагреве.
Начинать день с мощного снимка на холодной трубке.
Работать, если слышен необычный шум анода или видны подтёки масла.

Нужно

Нажимать первую ступень, когда пациент уложен и готов.
Прогревать трубку так, как требует инструкция.
Выбирать малый фокус только там, где нужна резкость.
Сообщать инженеру о шуме, пробоях, нестабильном токе.

Итог

  • Три условия: источник электронов, ускорение напряжением, мишень — всё в вакууме.
  • Катод — вольфрамовая нить в фокусирующей чашечке; две нити — два фокуса.
  • Анод — вольфрам; свыше 99 % энергии уходит в тепло.
  • Оптический фокус меньше действительного благодаря скосу анода; меньше фокус — резче снимок.
  • Вращающийся анод распределяет тепло по дорожке; первая ступень кнопки — разгон анода и накал.
  • кВ — жёсткость и контраст; мА и время — количество излучения.
  • Фильтр убирает мягкие фотоны и снижает дозу на кожу; снимать его нельзя.

Словарь терминов

ТерминЗначение
Катодотрицательный электрод трубки; источник электронов
Анодположительный электрод; мишень, в которой рождается излучение
Термоэлектронная эмиссияиспускание электронов раскалённым металлом
Ток накалаток, раскаляющий нить катода; задаёт анодный ток
Анодный ток (мА)ток через трубку — поток электронов от катода к аноду
Действительный фокусплощадка анода, по которой бьют электроны
Оптический (эффективный) фокуспроекция действительного фокуса в направлении центрального луча
Геометрическая нерезкостьразмытие краёв тени из-за конечного размера фокуса
Вращающийся аноданод-диск, вращающийся под фокусным пятном для распределения тепла
Защитный кожухметаллический корпус со свинцом и маслом, в котором находится трубка
Моноблоктрубка и высоковольтный трансформатор в одном баке
Тормозное излучениеизлучение при торможении электронов; непрерывный спектр
Характеристическое излучениелинейчатое излучение атомов анода
Фильтрацияудаление мягкой части спектра металлическими пластинами

Вопросы для самопроверки

Сначала ответьте сами, письменно. Затем нажмите на вопрос и сверьтесь.

Уровень 1 — основы

1. Назовите три условия получения рентгеновского излучения.
Источник электронов (раскалённый катод), их ускорение высоким напряжением и мишень (анод); всё — в вакууме.
2. Из какого металла делают нить катода и рабочую поверхность анода? Почему?
Из вольфрама: высокая температура плавления (3422 °C) и большой атомный номер — больше выход излучения.
3. Какая часть энергии электронов превращается в рентгеновское излучение?
Около 1 %; остальное — свыше 99 % — превращается в тепло.
4. Что происходит при нажатии первой ступени кнопки экспозиции?
Накал нити поднимается до рабочего, анод разгоняется. Излучения ещё нет.
5. Что задаёт кВ, а что — мА?
кВ — энергию (жёсткость) фотонов и верхнюю границу спектра; мА — количество электронов и фотонов.

Уровень 2 — понимание

6. Чем оптический фокус отличается от действительного и зачем скашивают анод?
Действительный — площадка нагрева на аноде, оптический — её проекция по направлению пучка. Скос позволяет нагревать большую площадь, а «видеть» маленький фокус: и тепло отводится, и снимок резкий.
7. Почему трубка с вращающимся анодом мощнее трубки с неподвижным?
Фокусное пятно всё время попадает на новый участок дорожки, тепло распределяется по всей окружности.
8. Зачем нужен фильтр, если он ослабляет пучок?
Он поглощает мягкие фотоны, которые не дошли бы до приёмника, но облучили бы кожу. Изображение почти не меняется, а доза пациента снижается.
9. Почему на снимке при 80 кВ нет фотонов с энергией 100 кэВ?
Максимальная энергия фотона равна энергии электрона, а она задана напряжением: при 80 кВ — не более 80 кэВ.

Уровень 3 — применение

10. Снимок при 70 кВ и 20 мА·с. Как получить ту же плотность с меньшей дозой на кожу?
Поднять напряжение примерно на 15 % (до 80 кВ) и уменьшить мА·с вдвое (до 10 мА·с). Контраст при этом немного снизится.
11. Аппарат не даёт включить экспозицию после серии снимков. Что происходит и что делать?
Сработала защита от перегрева трубки. Нужно дождаться охлаждения; обходить блокировку нельзя.
12. Почему для снимка кисти выбирают малый фокус, а для поясничного отдела — большой?
На кисти важна резкость мелких структур, а мощности нужно немного. Для поясничного отдела нужен большой ток, который малый фокус не выдержит.
13. Почему пациента укладывают так, чтобы исследуемая область была ближе к приёмнику?
Чем ближе объект к приёмнику, тем меньше полутень и увеличение, — снимок резче и точнее по размерам.

Источники

  • Лекционные материалы автора курса: «Рентгеновская трубка», «Основы рентгенотехники и электротехники».
  • Линденбратен Л. Д., Королюк И. П. Медицинская радиология (основы лучевой диагностики и лучевой терапии). — М.: Медицина.
  • Bushberg J. T. et al. The Essential Physics of Medical Imaging. — Lippincott Williams & Wilkins.

← Модуль 4. Радиационная безопасность · Следующий модуль: Электропреобразования → · Все модули
Автор и составитель курса — М. В. Зайвый. Материалы подготовлены с помощью ИИ-ассистента Claude (Anthropic), проверены и отредактированы автором.