Poškození rentgenky (1)

Rentgenka (správně rentgenová lampa) je velmi efektivní nástroj pro tvorbu rtg záření. V předešlých cca 100 letech došlo k velkému technickému pokroku, a proto je dnes použití rtg záření velmi rozšířené.

V dnešní době se používají dva hlavní typy rentgenek – rentgenky se stacionární (pevnou) a rotační anodou. Rentgenky s rotační anodou mají rozsah použitelných napětí cca 25-150 kV, rentgenky s pevnou anodou až 25-400 kV. Rentgenky se stacionární anodou nacházejí své uplatnění zejména v průmyslových aplikacích, kdy je možné provést expozici kontinuálně trvající až několik hodin s použitím nízkých proudů (1-20 mA), přesto obraz netrpí pohybovými artefakty, jako by tomu bylo v případě pacientů. Naopak u pacientů se využívají rentgenky s rotačními anodami, protože mají větší výkon, umožňují provést expozici s použitím vysokého proudu (až 1000 mA) za velmi krátkou dobu (1-10000 ms, standardně pulzní mód) pro minimalizaci pohybových artefaktů.

Jak již víme, 99 % energie se vynaloží na vznik tepla a pouze cca zbývající 1 % se využije na tvorbu rtg záření. Toto tepelné zatížení je častokrát velmi limitujícím faktorem rentgenek. Z hlediska tepelného zatížení a z toho plynoucího možného poškození je potřeba rentgenky kontrolovat a testovat. U rentgenek se může vyskytnout několik typů poškození, o kterých si řekneme něco více v tomto a příštím článku.

Mezi první typy změn patří změny vznikající v důsledku stárnutí.
Rentgenky stárnou a v průběhu času dochází k degradaci materiálu, efektivita tvorby rtg záření v průběhu času klesá, až nakonec již rentgenka nesplňuje požadované parametry, proto musí být po určitém provozním čase nahrazena. Mezi základní změny vznikající v důsledku stárnutí rentgenky patří poškození katodového vlákna, degradace vakua v evakuované baňce, poškození ložisek atd. Postupně si k těmto poškozením řekneme více.

Běžné vypálení katodového vlákna
Svazek elektronů využívaných pro tvorbu rtg záření je produkovaný katodou, která je nejčastěji ve formě katodového vlákna, avšak v dnešní době i ve formě plošinky. Katoda je standardně vyrobena z wolframu, který se zatím jeví jako nejvhodnějším materiálem, ačkoliv se testovala i spousta jiných materiálů. Standardně je katodové vlákno navinuto ve tvaru šroubovice a vloženo do fokuzační mističky pro lepší fokuzaci elektronů pro vytvoření elektronového svazku určitého tvaru. Tvar šroubovice byl zvolen jako vhodný pro dostatečnou produkci elektronů a taktéž jako stabilní tvar katodového vlákna. Odolnost a výdrž katodového vlákna je při výrobě zvýšena tzv. rekrystalizací, při které se mění vláknitá struktura wolframu v krystalickou zahřátím materiálu na 2600°C na několik sekund.

Při běžném použití rentgenky dochází k odpařování wolframu z povrchu katody, přičemž s vyšší teplotou je odpaření větší. Ideální by bylo, aby se wolfram odpařoval rovnoměrně z celého povrchu katody, ale tak tomu ve skutečnosti není. Naopak vznikají místa s rozdílným množstvím odpařeného wolframu, tzv. hot spoty. V těchto místech je katodové vlákno velmi ztenčeno, až nakonec dojde k takovému poškození (zmenšení průměru vlákna o 5-6 %), že již není další fungování možné. Odpařování wolframu se děje rychleji v případech, kdy je katodové vlákno zahřáto z velmi nízké teploty na vysokou. Pro delší životnost se proto doporučuje předehřátí vlákna na určitou teplotu.

Urychlené vypálení katodového vlákna
Mimo běžné vypálení katodového vlákna existuje i urychlené vypálení katodového vlákna. Tento typ vypálení katodového vlákna je významně ovlivněn již samotnou stavbou rentgenky a používanými expozičními parametry – anodovým proudem, napětím, sklonem anodového terčíku a velikostí ohniska. Samotná velikost ohniska je pak ovlivněna velikostí povrchu katodového vlákna, pitch faktorem (rozevřením) šroubovice katodového vlákna, tloušťkou vlákna a jeho délkou a také tvarem fokuzační mističky. Emise elektronů se řídí Richardson-Dushmannovým vztahem, který říká, že čím vyšší je teplota katodového vlákna, tím vyšší je produkce elektronů (více ve slovníku pojmů). Je-li vyžadován vyšší anodový proud, katodové vlákno se zahřívá více. Stejně se tak se zahřívá více v případě stejného anodového proudu, ale nižšího urychlujícího napětí mezi katodou a anodou.

Uveďme si dva příklady rentgenky se stacionární anodou: Nechť je napětí 160 kV a proud 1 mA vs. 5 mA. Pro 160 kV @ 1 mA je katodové vlákno zahřáto na 2086 Kelvinů, zatímco pro 160 @ 5 mA je to 2260 Kelvinů. Nárůst teploty o „pouhých“ 174 stupňů zkrátí životnost katodového vlákna neuvěřitelných 21x! Nyní druhý příklad: Mějme expoziční parametry napětí 40 kV a proud 5 mA vs. 160 kV a 1 mA. Pro 40 kV @ 5 mA je teplota vlákna 2300 Kelvinů, pro 160 kV @ 1 mA je teplota vlákna 2086 Kelvinů. Teplotou 2300 Kelvinů společně s uvedenými parametry dochází k redukci životnosti katodového vlákna až 43x ve srovnání s 2086 Kelviny a uvedenými parametry. Avšak snížením proudu se životnost katodového vlákna v závislosti na napětí nesnižuje tak dramaticky, pro 40 kV @ 1 mA vs. 160 kV @ 1 mA je životnost vlákna pouze 1,3x kratší.

Z výše uvedených hodnot vyplývá, že použitý anodový proud podstatně více ovlivňuje životnost katodového vlákna než zvolené napětí mezi katodou a anodou. Výše uvedené hodnoty se pro různé rentgenky samozřejmě liší. Nicméně z toho vyplývá, že právě vysoká teplota je tím, co významně zkracuje životnost katodového vlákna.

Použitá literatura
https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-X-Ray-Generators/AN-02

 

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *