Как работать с материалом
В модуле 5 мы выяснили, что трубке нужны две вещи: ток накала для катода и высокое напряжение между катодом и анодом. Этот модуль — о том, откуда они берутся. Сначала вспомним школьную электротехнику (без неё не понять трансформатор и выпрямитель), затем разберём, как устроено питание аппарата и почему от формы напряжения зависит доза пациента.
Блоки «Для интересующихся» содержат формулы. Их можно пропустить.
После изучения вы должны уметь:
- объяснить, что такое ток, напряжение, сопротивление и мощность;
- объяснить, чем переменный ток отличается от постоянного;
- рассказать, как работает трансформатор и какие трансформаторы есть в аппарате;
- объяснить, зачем выпрямлять напряжение для трубки;
- сравнить однофазные, трёхфазные и высокочастотные генераторы;
- объяснить, какая цепь задаёт кВ, а какая — мА;
- назвать признаки электрической неисправности аппарата.
1Что нужно трубке
| Цепь | Что нужно | Откуда |
|---|---|---|
| Накал катода | около 10 В, несколько ампер | понижающий трансформатор накала |
| Анод — катод | 20–150 кВ (ниже 40 — маммография), от долей мА до сотен мА | высоковольтный трансформатор и выпрямитель |
| Управление | точное время — от тысячных долей секунды | реле времени, автоматика экспозиции |
А из сети приходит 220 или 380 В переменного тока частотой 50 Гц. Значит, напряжение нужно повысить в сотни раз, сделать постоянным и включать на доли секунды с высокой точностью. Устройство, которое всё это делает, называют рентгеновским питающим устройством (РПУ, УРП) или генератором.
2Путь энергии: от розетки к трубке
Из сети ток идёт на узел регулировки — здесь выбирается, какое напряжение получит трубка. Высоковольтный трансформатор повышает напряжение в сотни раз, выпрямитель делает его однонаправленным, и оно подаётся на трубку. Параллельно трансформатор накала питает нить катода — от него зависит ток трубки. Пульт и реле времени задают кВ, мА и время, включают и выключают экспозицию.
3Ток, напряжение, сопротивление
Ток, I
Упорядоченное движение зарядов. Единица — ампер (А).
Напряжение, U
«Давление», которое гонит ток. Единица — вольт (В).
Сопротивление, R
Насколько проводник мешает току. Единица — ом (Ом).
Больше напряжение — больше ток; больше сопротивление — меньше ток. Удобная аналогия — вода в трубе: напряжение — давление, ток — расход воды, сопротивление — узость трубы.
Носители тока бывают разные: в металлах — электроны, в электролитах — ионы, в газах — ионы и электроны. Вспомните ионизационную камеру из модуля 3: излучение делает газ проводником.
Для интересующихся: сколько электронов в одном миллиампере
Заряд электрона — 1,6·10−19 Кл. Ток 1 А — это заряд 1 Кл в секунду, то есть 1 / 1,6·10−19 ≈ 6,2·1018 электронов в секунду. При токе трубки 100 мА на анод каждую секунду попадает около 6·1017 электронов.
4Работа и мощность
| Потребитель | Мощность |
|---|---|
| Электрочайник: 220 В × 9 А | около 2 кВт |
| Рентгеновская трубка: 100 кВ × 500 мА | 50 кВт |
| Генераторы аппаратов | 2–5 кВт — переносные и дентальные, 15–35 кВт — современные палатные с аккумулятором, 50–100 кВт и больше — стационарные, ангиография, КТ |
Такую мощность трубка получает на доли секунды. Поэтому стационарные аппараты подключают к трёхфазной сети 380 В, а палатные и передвижные, питающиеся от обычной розетки, обходятся меньшей мощностью и более длинными выдержками или используют накопители энергии — аккумуляторы и конденсаторы.
5Проводники, изоляторы, полупроводники
| Материалы | Примеры | Где в аппарате |
|---|---|---|
| Проводники | металлы, электролиты | медные обмотки, провода, кабели |
| Диэлектрики (изоляторы) | фарфор, стекло, резина, масло, газы | трансформаторное масло, изоляция высоковольтных кабелей |
| Полупроводники | кремний, германий, селен | диоды выпрямителя, датчики АЭК, цифровые детекторы |
Высокое напряжение изолируют трансформаторным маслом (в баке генератора и в кожухе трубки) и толстыми высоковольтными кабелями с многослойной изоляцией. Повреждённый кабель или подтекание масла — повод немедленно прекратить работу.
Проводимость полупроводников меняется под действием света и излучения. На этом основаны полупроводниковые дозиметры (модуль 3) и цифровые детекторы (модуль 8).
6Постоянный и переменный ток
Постоянный ток не меняет направления — как от батарейки. Переменный меняется по синусоиде; в нашей сети — 50 раз в секунду (50 Гц). Сети переменные потому, что переменное напряжение легко повышать и понижать трансформатором.
Привычные «220 В» — это действующее значение. По стандарту (ГОСТ 29322-2014) напряжение сети теперь 230/400 В, но по привычке говорят 220/380 В. Пиковое значение напряжения в розетке — 310–325 В. На пульте рентгеновского аппарата кВ указаны пиковые (kVp): именно пиковое напряжение задаёт максимальную энергию фотонов (модуль 5).
Для интересующихся: действующее и пиковое значение
Действующее значение — такое постоянное напряжение, которое выделяет в нагрузке столько же тепла. Для синусоиды:
7Трансформатор
Переменный ток в первичной обмотке создаёт в сердечнике переменное магнитное поле, а оно наводит напряжение во вторичной обмотке — это электромагнитная индукция. Если во вторичной обмотке в 500 раз больше витков, напряжение будет в 500 раз больше. Но мощность не растёт: во сколько раз выросло напряжение, во столько раз упал ток. Поэтому в цепи трубки — миллиамперы, а в первичной цепи — десятки и сотни ампер.
Постоянный ток трансформатор не преобразует: поле не меняется — индукции нет.
Для интересующихся: коэффициент трансформации
Из 200 В нужно получить 100 кВ: n2 / n1 = 100 000 / 200 = 500. Если в цепи трубки 100 мА, в первичной цепи — 100 мА × 500 = 50 А (без учёта потерь).
Три трансформатора в аппарате
| Трансформатор | Что делает |
|---|---|
| Высоковольтный | повышающий: сотни вольт → десятки тысяч вольт для анода; стоит в баке с маслом |
| Накала | понижающий: сеть → около 10 В, несколько ампер для нити катода; надёжно изолирован, ведь нить находится под высоким напряжением |
| Автотрансформатор | регулировочный: одна обмотка с отводами; выбор отвода — выбор кВ на трубке |
В современных высокочастотных генераторах вместо автотрансформатора кВ регулирует электроника.
8Выпрямление
Электроны в трубке должны лететь только от катода к аноду. Сама трубка тоже пропускает ток только в одну сторону, поэтому простейшие аппараты работали вообще без выпрямителя (самовыпрямление). Но в обратный полупериод трубка простаивает под напряжением, а если анод перегреется и сам начнёт испускать электроны, пойдёт обратный ток — и трубка разрушится.
Поэтому напряжение выпрямляют. Раньше для этого служили вакуумные лампы — кенотроны, сейчас — полупроводниковые кремниевые диоды, собранные в высоковольтные столбы. Диод — «обратный клапан» для электричества: p-n-переход проводит ток только в одну сторону.
Однополупериодная схема (и самовыпрямление) использует только положительные полуволны — вторую половину времени трубка простаивает. Такие схемы были в лёгких палатных, переносных и дентальных аппаратах. Двухполупериодная мостовая схема из четырёх диодов «переворачивает» отрицательные полуволны: трубка работает всё время, но напряжение всё равно падает до нуля 100 раз в секунду.
9Пульсации и доза
| Генератор | Пульсации напряжения | Особенности |
|---|---|---|
| Однофазный, одно- или двухполупериодный | 100 % | короткая выдержка может прийтись на «провал» |
| Трёхфазный, 6 импульсов | около 13 % | стационарные аппараты прошлых поколений |
| Трёхфазный, 12 импульсов | около 4 % | мощные стационарные аппараты |
| Высокочастотный | единицы процентов | современные аппараты всех классов |
Значения ориентировочные.
Пока напряжение низкое, трубка даёт мало фотонов, и они мягкие: такие фотоны поглощаются в коже и не доходят до приёмника. Поэтому при пульсирующем напряжении для того же снимка нужна большая экспозиция, а пациент получает лишнюю дозу на кожу. По лекционным материалам, при равных условиях время просвечивания аппаратом полуволнового типа в 2,2 раза больше, чем аппаратом с постоянным напряжением.
Для интересующихся: пульсации в нормативах
Даже таблицы радиационного выхода, по которым в СанПиН 2.6.4115-25 рассчитывают защиту кабинета (приложение 5), даны для пульсаций анодного напряжения менее 4 %, то есть для высокочастотных и 12-импульсных генераторов.
10Трёхфазные и высокочастотные генераторы
Трёхфазная сеть — три синусоиды, сдвинутые на треть периода. После выпрямления всех трёх фаз провалы почти исчезают: 6 или 12 импульсов за период (отсюда названия 6- и 12-импульсный генератор). Сегодня трёхфазная сеть нужна мощным аппаратам прежде всего для того, чтобы взять из сети достаточно мощности.
Идея высокочастотного (ВЧ) генератора: сетевой ток сначала выпрямляют, затем электронным инвертором снова превращают в переменный — но частотой в десятки килогерц — и только потом повышают трансформатором. Чем выше частота, тем меньше и легче трансформатор, а пульсации после выпрямления очень малы. Электроника постоянно измеряет кВ и мА и мгновенно их подправляет.
| Параметр (пример из материалов) | РПУ ВЧ-1 | РПУ ВЧ-2 | РПУ ВЧ-3 |
|---|---|---|---|
| Наибольшая мощность, кВт | 10 | 30 | 60 |
| Анодное напряжение, кВ | 60–150 | 60–150 | 35–150 |
| Анодный ток, мА | 1–150 | 1–325 | 1–600 |
| Пульсации, не более | 2,5 % | 2,5 % | 5 % |
| Точность поддержания напряжения | ±2,5 % | ±2,5 % | ±2,5 % |
Точность кВ, времени и мА·с ежегодно проверяют при контроле эксплуатационных параметров (СанПиН 2.6.4115-25, п. 204, приложение 10).
Практически все новые аппараты сегодня высокочастотные.
11Как задаются мА и время
Здесь сходятся модули 5 и 6. Трубка работает в режиме насыщения: все электроны, испущенные нитью, долетают до анода. Значит, сколько электронов даст нить, такой и будет анодный ток. Нагрев нити зависит от тока накала, и зависимость очень крутая, поэтому цепь накала стабилизируют: колебания сети не должны менять мА.
кВ
задаёт высоковольтная цепь
мА
задаёт цепь накала
Время
задаёт реле времени или автоматика
Реле времени включает и выключает высокое напряжение; современные электронные таймеры отсчитывают миллисекунды. Автоматический контроль экспозиции (в старой литературе — реле экспозиции, фотоэкспонометр) использует датчики между пациентом и приёмником и выключает экспозицию, когда приёмник получил нужную дозу. Подробнее — в модуле 7.
Защитные блокировки не дают превысить нагрузку трубки, включить экспозицию без разгона анода, а если предусмотрено — с открытой дверью процедурной (обязательна такая блокировка только в рентгенотерапии, п. 194 СанПиН 2.6.4115-25). При подаче высокого напряжения загорается световая и (или) звуковая индикация на пульте и в процедурной, у входа — табло «Не входить!» (СанПиН 2.6.4115-25, п. 184, 192).
12Электробезопасность
Высокое напряжение в рентгеновском аппарате смертельно. Конденсаторы и кабели могут сохранять заряд и после выключения, поэтому вскрывать аппарат может только подготовленный инженер.
Признаки неисправности
Запах гари, треск, искрение.
Подтекание масла из кожуха или бака.
Повреждённая изоляция кабелей.
Удары током от корпуса.
Самопроизвольное включение, ошибки на пульте.
Что делать
Прекратить работу и обесточить аппарат.
Знать, где аварийный выключатель кабинета и главный рубильник.
Записать неисправность в журнал.
Сообщить инженеру.
Не пытаться устранить самому.
Правила электробезопасности в кабинете входят в инструкцию по охране труда вашей организации. Лаборант проходит инструктаж и получает группу по электробезопасности по Правилам по охране труда при эксплуатации электроустановок (приказ Минтруда России № 903н); какую именно — определяет приказ организации.
Итог
- Трубке нужны накал (около 10 В) и высокое напряжение 20–150 кВ — из сети 220/380 В.
- Трансформатор повышает напряжение во столько раз, во сколько больше витков; работает только на переменном токе.
- Выпрямитель из диодов делает напряжение однонаправленным.
- Чем меньше пульсации, тем меньше лишней дозы на кожу и короче выдержка.
- Высокочастотный генератор: почти постоянное напряжение, компактность, точность.
- кВ задаёт высоковольтная цепь, мА — цепь накала, время — таймер или АЭК.
- При признаках электрической неисправности работу прекращают и сообщают инженеру.
Словарь терминов
| Термин | Значение |
|---|---|
| Ток | упорядоченное движение электрических зарядов; ампер |
| Напряжение | разность потенциалов, которая гонит ток; вольт |
| Сопротивление | свойство проводника препятствовать току; ом |
| Мощность | энергия в единицу времени; ватт |
| Переменный ток | ток, периодически меняющий направление; в сети — 50 Гц |
| Пиковое напряжение (kVp) | максимальное напряжение на трубке; задаёт максимальную энергию фотонов |
| Трансформатор | устройство, повышающее или понижающее переменное напряжение |
| Автотрансформатор | трансформатор с одной обмоткой и отводами; регулирует кВ |
| Выпрямитель | устройство, превращающее переменный ток в однонаправленный |
| Диод | элемент, проводящий ток только в одну сторону |
| Кенотрон | вакуумный диод; старый тип высоковольтного выпрямителя |
| Пульсации | колебания выпрямленного напряжения, в процентах от максимума |
| Инвертор | электронный преобразователь постоянного тока в переменный высокой частоты |
| РПУ (УРП) | рентгеновское питающее устройство, генератор |
Вопросы для самопроверки
Сначала ответьте сами, письменно. Затем нажмите на вопрос и сверьтесь.
Уровень 1 — основы
1. Сформулируйте закон Ома.
2. Что означают «220 В» в розетке и чему равно пиковое напряжение?
3. Какие три трансформатора есть в классическом рентгеновском аппарате?
4. Какая цепь задаёт кВ, а какая — мА?
5. Что такое кенотрон?
Уровень 2 — понимание
6. Почему трансформатор не работает на постоянном токе?
7. Во сколько раз должно быть больше витков во вторичной обмотке, чтобы из 200 В получить 100 кВ?
8. Почему пульсирующее напряжение увеличивает дозу на кожу?
9. Чем высокочастотный генератор лучше однофазного?
Уровень 3 — применение
10. Палатный аппарат от обычной розетки делает снимок грудной клетки с выдержкой 0,2 с, а стационарный — 0,02 с. Почему?
11. Вы заметили подтёк масла под кожухом трубки. Что делать?
12. Почему трансформатор накала должен быть особенно хорошо изолирован, хотя напряжение у него всего около 10 В?
Источники
- Лекционные материалы автора курса: «Основы рентгенотехники и электротехники», «Технические средства в лучевой диагностике».
- Bushberg J. T. et al. The Essential Physics of Medical Imaging. — Lippincott Williams & Wilkins.
← Модуль 5. Рентгеновская трубка · Следующий модуль: Устройство рентгеновского аппарата → · Все модули
Автор и составитель курса — М. В. Зайвый. Материалы подготовлены с помощью ИИ-ассистента Claude (Anthropic), проверены и отредактированы автором.