Рентген двигателя


Самодельный рентгеновский компьютерный томограф / Хабрахабр

Полтора месяца назад я рассказывал о том, как Бен Краснов (Ben Krasnow) собрал самодельный рентгеновский сканер. Бен не прекратил свои эксперименты с рентгеном и теперь представляет полноценный компьютерный томограф (авторское описание).

Пример работы томографа показан ниже. Сможете угадать, что (или кто) это? Да, в роли подопытного выступала замороженная курица.

Схема установки показана на рисунке ниже. Рентгеновская трубка с коллиматором, формирующим конусный пучок, просвечивает объект насквозь. Рентгеновские лучи, прошедшие через объект, создают изображение на люминесцентном экране, которое фотографируется цифровой камерой. Поворачивая объект, получают серию изображений, по которым в дальнейшем строится воксельная 3D-модель объекта и всей его внутренней структуры.

В реальность установка выглядит так:

Источник излучения

Источником рентгеновского излучения служит трубка, уже знакомая нам по прошлым проектам Бена.

Трубка помещена в металлический цилиндр с отверстием, который дает ей светить только туда, куда нужно. Источник питания трубки выдает напряжение 50 кВ при токе около 1 мА.

Экран

Рентгеновское излучение, прошедшее через объект, попадает на люминесцентный экран, заставляя последний светиться. Так как разные части объекта поглощают излучение в разной степени, на экране видна картинка, где более темные участки соответствуют более плотным частям.

Поворотный механизм

В медицинских томографах тело пациента остается неподвижным, а вокруг него вращается кольцо с рентгеновской трубкой и детекторами. Здесь же проще поворачивать наблюдаемый объект, не двигая остальную часть установки.

Объект расположен на поворотном столе, который приводится в движение шаговым двигателем. Двигатель управляется при помощи Arduino. Этот же контроллер служит для управления затвором камеры.

Шаг поворота составляет 8°, таким образом, за 1 оборот объекта делается серия из 45 снимков.

Томография не зря называется «компьютерной», ведь основная обработка данных производится программно. В медицинских томографах используется специализированный софт, сравнимый по стоимости с «железом». Бен обошелся подручными средствами.

Прежде всего, с помощью Photoshop (в режиме пакетной обработки) были убраны искажения перспективы, возникшие из-за того, что камера находится в стороне от экрана.

Затем необходимо по изображениям «на просвет» получить серию параллельных срезов объекта. Для этой цели служат алгоритмы, основанные на обратных преобразованиях Радона. Они позволяют, имея несколько проекций интегрального поглощения рентгеновских лучей, восстановить функцию распределения плотности внутри объекта.

Бен использовал Octave (опенсорсный аналог Матлаба) со специальной библиотекой. Полученная серия срезов выглядит так:

И наконец, для визуализации и преобразования стопки срезов в трехмерную модель был использован пакет 3D Slicer.

Демонстрация работы самодельного томографа:

habrahabr.ru

Металлический характер: как работает управление главного металлурга «Сатурна», и зачем двигателю рентген

Контроль и безопасность. Это два основных слова в управлении главного металлурга «ОДК — Сатурн». Они отражают и задачи службы, и её подход к работе. Каждый день здесь проверяют и перепроверяют детали, испытывают на прочность материалы и следят за технологическими процессами.

От качества сплавов зависит, какой получится деталь. От уровня остаточного напряжения — её прочность и долговечность, а от замеченных вовремя посторонних  частиц — низкая стоимость и относительная простота ремонта.

Артур Берестевич, главный металлург — начальник управления главного металлурга «ОДК — Сатурн»:

«По сути, мы управляем как основными производственными технологиями, так и контрольными операциями, которые на 90 % сосредоточены здесь, в УГМете. Задачи перед нами ставятся обширные. Начиная от входного контроля материалов, заканчивая совершенствованием технологий литейного производства, термообработки, химико-технологических процессов. Это полный контроль состояния изготовления деталей сборочных единиц, изучение свойств и характеристик различных деталей».

В управлении главного металлурга находится один из мозговых центров предприятия — его научная, техническая и контрольная базы. Здесь проверяют практически все детали двигателей для самолётов. Недопустимы даже незначительные дефекты. Чтобы обеспечить максимальное качество, в лабораториях задействованы только инженеры с профильным образованием, настоящие профессионалы.

 

Металлографические исследования

Металлография — термин, соединяющий латинское metallum («металл») и греческое γράφω («пишу, описываю»). Другими словами, металлография — это классический метод исследования металлических материалов и контроля над ними.

Сектор металлографических исследований управления главного металлурга разделён на несколько групп. В тихом небольшом помещении с высокими потолками работают специалисты лаборатории рентгеноструктурных испытаний.

Артур Берестевич:

«Спектр применения технологии рентгеноструктурного анализа — широкий. Она важна и для технологических служб — главного технолога, главного кузнеца, главного металлурга, — и конструкторских. Исследования можно проводить уже после получения металлической заготовки. Таким образом, эта лаборатория решает задачи не только литейного производства, но и всего предприятия».

В центре зала стоит роботизированное устройство — это рентгеновский дифрактометр. За его работой следит Наталья Яблокова, по образованию физик-материаловед, кандидат технических наук. У неё в руках пульт управления: пара нажатий, и устройство оживает. Манипулятор, похожий на человеческую руку, наводится на нужную точку. Пущенный рентгеновский луч проникает на глубину до 15-ти микрон.

При изучении металлических деталей специалистам важно определить наличие вредных остаточных напряжений, которые могут привести к разрушению изделия, появлению в нём трещин и ускорению образования коррозии. Выявляют и полезные напряжения, они повышают упругость изделия, выносливость, увеличивают коррозионную стойкость.

Наталья Яблокова, ведущий инженер сектора металлографии и термообработки управления главного металлурга:

«Сейчас на дифрактометре установлена лопатка вентилятора компрессора двигателя SaM146. Это особо ответственная деталь узла компрессора, и контроль остаточных напряжений, обеспечение благоприятных уровней остаточных напряжений на этих деталях регламентировано. Процесс измерения здесь многоточечный. Поскольку эта деталь уже прошла финишную обработку перед эксплуатацией, мы проверяем её с помощью неразрушающего контроля».

Слова Натальи Яблоковой требуют пояснений. Остаточное напряжение — это вид деформации в твёрдом теле, которое появляется после термообработки и сохраняется, даже когда никакого механического воздействия извне уже нет. В некоторых случаях остаточное напряжение создают специально, но чаще это считается дефектом. Перед тем, как отправить готовую деталь заказчику, это напряжение нужно снизить, иначе могут появиться трещины и снизится упругость.

Проверить, соответствует ли изделие нормам, можно двумя способами: с помощью разрушающего и неразрушающего контролей. Пример первого — краш-тест автомобилей, когда авто намерено разбивают, чтобы отследить работу систем безопасности. Неразрушающий контроль, что следует из названия, помогает определить свойства и параметры объекта без его разрушения.

Внутреннее строение металла похоже на слоёный пирог. Положительно заряженные «слои» атомов и ионов металла чередуются с электронными «прослойками» и притягиваются к ним. Если сравнить специалистов сектора металлографии с поварами, то их главная задача — сверить готовое изделие с «рецептом» или определить, как сделать «блюдо» ещё вкуснее. Для этого нужно узнать точное количество всех использованных ингредиентов.

Это крайне трудоёмкая и сложная задача. Но на «Сатурне» научились отлично с ней справляться. По некоторым направлениям использования неразрушающего контроля рыбинские моторостроители — в лидерах среди всех компаний ОДК.

Наталья Яблокова:

«Сейчас мы используем и разрушающие, и неразрушающие методы контроля деталей. У каждого свои преимущества. Разрушающий контроль позволяет определять параметры остаточных напряжений и структурных параметров распределением на глубину поверхностного слоя. А неразрушающий контроль позволяет определять эти же параметры только на поверхности. Но мы глубину исследуемого слоя можем изменять от пяти до пятнадцати микрон с использованием различных рентгеновских трубок».

Металл под микроскопом

В лаборатории электронной микроскопии управления главного металлурга исследования ведут на высокоточных растровых электронных микроскопах. В этом секторе лопатки турбины проверяют на перегрев и определяют дальнейшую работоспособность, содержание легирующих элементов [примесей для улучшения свойств] в покрытии, а также контролируют маслосистемы двигателей.

Артём Голубенцев, начальник сектора металлографических исследований и термообработки управления главного металлурга:

«В данный момент идёт исследование частиц загрязнителя, обнаруженных на фильтре маслосистемы двигателя. Выполняется анализ их химического состава. По итогам определим марку материала частиц, что позволит конструкторам понять, от какой детали эти частицы, и как они оказались в фильтре».

Частицы детали в фильтре говорят о её износе. Обнаружить их вовремя — значит исключить риск дальнейшего разрушения.

— Мы работаем при увеличении от 5 000 до 10 000 раз — в зависимости от направления исследования. Это уже уровень микроструктуры, — добавляет Артём Голубенцев

Управление главного металлурга хранит и пополняет базу знаний «ОДК — Сатурн». Здесь постоянно совершенствуют методики и оборудование, тестируют составы новых сплавов и следят за их жёстким исполнением, на самых ранних этапах замечают дефекты, исправление которых позволяет компании избежать больших трат в будущем и сохранить репутацию надёжного поставщика.

  • Катерина Ворожбит

cheremuha.com

Как работает рентгеновский аппарат

Рентгеновский аппарат – далеко не новое изобретение. Не одно десятилетие его используют для изучения внутренних органов и диагностики сложных заболеваний. Благодаря рентгену, было спасено множество человеческих жизней. Устройство изобрел ученый Вильгельм Рентген в 1895 году.

Рентген аппарат

Виды современных рентген аппаратов

В зависимости от целей исследования рентгенологическое устройство может носить диагностическую или терапевтическую цель. Оно разделено на такие виды:

  • компьютерный томограф;
  • флюорограф;
  • палатное устройство для стационара;
  • операционный аппарат;
  • маммограф;
  • дентальный аппарат, применяющийся в стоматологии;
  • ангиограф и другие.

Стационарные аппараты установлены повсеместно в поликлиниках крупных городов. Для их хранения и применения выделяется отдельный кабинет, в котором не проводят дополнительные процедуры и исследования, кроме рентгена. Такими помещениями не могут быть кабинеты с повышенной влажностью. Дверь всегда открывается наружу и обшита листом тонкого металла. Не допускается всяческое фактурное украшение стен или полов. Исключительно окрашенные краской поверхности или облицованные керамической плиткой.

Рентгеновский аппарат

Существуют также переносные аппараты, которые могут быть применены в нестандартных полевых условиях. Для их установки и транспортировки выделяется транспортное средство, имеют автономное питание.

Принцип работы рентгена заключается в его способности превращать электроэнергию в рентген лучи. Не все аппараты выглядят и работают одинаково. Каждый имеет свою функцию, в зависимости от целей исследования. И, тем не менее, все рентгенологические аппараты в поликлиниках состоят из блока питания, системы управления, источника излучения и периферии.

Изучение внутреннего строения организма может проходить через экран монитора, который фиксирует изображение. Этот метод исследования называется рентгеноскопией. Также данные могут быть отображены на таких чувствительных материалах, как бумага или пленка. Это видно на фото.

Как устроен рентген аппарат

Новое поколение рентген аппаратов нуждается в более высоком напряжении, поэтому дополнительно его подключают к трансформатору и выпрямителю тока. Устройство подключено к электросети кабинета и потребляет электроэнергию в 220 Вт или 126 Вт.

Проведение рентгена

Генератор излучения представляет собой одну трубку или несколько.

При помощи пульта управления происходит регуляция и запуск работы всей установки.

Помимо основных частей аппарат имеет дополнительно штативы для крепления трубки генератора излучения и различных приспособлений для фиксирования конечностей и размещения пациентов в кабинете.

Принцип работы

Может ли рентген аппарат ошибаться и действительно ли он так информативен, как говорят врачи?

Рентгеновские лучи представляют непрерывный поток фотонов, а также квантов, движущихся непрерывно. Примечательно, их энергия отображается в джоулях, не несущих никакого заряда.

В фотоэмульсиях расположены разлагающиеся под лучами рентгена галоидные соединения серебра. Это основной принцип работы аппарата.

Кабинет врача

Лучи рентгена появляются за счет торможения электронов при взаимодействии с другими атомами. В анодные трубки подается непрерывное напряжение и именно от этого зависит непрерывная подача тормозного излучения.

При нагревании рентгеновской трубки в середине наблюдается скопление свободных электронов. Во время работы рентгена происходит подача электротока. За счет этого происходит ускорение частиц, сконцентрированных вокруг анода. Чтобы поток не перегревался и не фокусировался в одном месте, количество оборотов не должно превышать более 10 тысяч оборотов в минуту.

Рентгенологический аппарат не единственное устройство, позволяющее просветить внутренние органы, как видео. Однако он считается наименее вредным для организма.

Аппарат для просвечивания организма

Современный рентген – это сложное устройство, состоящее из элементов телеавтоматики, электроники, а также сложной компьютерной техники. Если не вдаваться в сложную теорию физики, можно понять, что лучи рентгена проходят сквозь наше тело и поглощаются тканями по-разному. Костный кальций на пленке отображается ярким белым цветом. Поэтому кости человека видны наиболее четко. Мышцы имеют серый цвет. Воздух меньше всего виден на рентгене, поэтому он на пленке самый темный.

Важно знать, что доза современных аппаратов ничтожно мала.  Ее можно сравнить с единоразовым облучением при полете на авиалайнере. Это говорит о том, что нанесение вреда во время рентгена не сопоставимо с тем, что при этом врачам предоставляется возможность обнаружить более серьезную болезнь.

Вконтакте

Facebook

Одноклассники

Мой мир

rentgenovski.ru

Самодельный рентгеновский сканер / Geektimes

В аэропортах всего мира для досмотра пассажиров и багажа применяются рентгеновское сканеры обратного рассеяния (англ. Backscatter X-ray scanner). Это тот самый аппарат, который в свое время вызвал ряд скандалов из-за того, что «раздевает» людей.

Американский самоделкин Бен Краснов (Ben Krasnow) собрал действующую модель такого сканера из деталей, купленных на ebay (авторское описание). Вот пример изображения, полученного Беном:

Вы ведь узнали, что это? Правильно, это индейка в рождественском свитере:

К тому же, она пыталась пронести внутри себя ключ-шестигранник, который был легко обнаружен сканером.

В отличие от досмотровых систем первого поколения и медицинских рентген-аппаратов, сканеры обратного рассеяния регистрирует излучение не прошедшее сквозь объект, а отраженное от него. Обратное рассеяние рентгеновских лучей обусловлено, в первую очередь, эффектом Комптона. В то время как просвечивающие сканеры позволяют получить лишь распределение плотности вещества, установки обратного рассеяния способны различать состав материала, в том числе органического.

Сканер состоит из рентгеновской трубки с устройством развертки (на фото — посередине), детектора рентгеновского излучения (слева) и блоков питания (справа).

Источником рентгеновских лучей служит вот такая трубка:

Работает она следующим образом: электроны, испускаемые катодом (справа), ускоряются сильным электрическим полем и попадают в массивный анод (слева). При резком торможении в материале анода, электроны генерируют рентгеновское излучение. За счет скошенной поверхности анода излучение отражается в сторону и покидает пределы трубки. Для питания трубки нужен высоковольтный источник на несколько десятков киловольт.

Трубка помещена в металлический корпус с узкой выходной щелью. Напртив щели находится диск-коллиматор с маленькими отверстием, который делает из широкого пучка излучения тонкий луч.

Во время работы установки диск вращается двигателем, и луч перемещается по горизонтали, прочерчивая строку за строкой. Развертка по вертикали осуществляется путем поворота вокруг горизонтальной оси трубки вместе с корпусом и диском. Пока это выполняется вручную, но конструкция предусматривает установку второго мотора.

Детектор состоит из люминесцентного экрана и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) в непрозрачном корпусе.

Под действием рентгеновского излучения, рассеянного объектом, экран начинает светиться. ФЭУ преобразует этот свет в электрический сигнал. Сигнал с ФЭУ усиливается простейшим усилителем и подается на осциллограф, на вход управления яркостью (Z-вход).

Горизонтальная развертка осциллографа синхронизирована с вращением коллиматора, таким образом, на осциллографе видна одна строка изображения.

Устройство вертикального отклонения пучка снабжено потенциометром, сигнал с которого поступает на Y-вход осциллографа. Таким образом, при отклонении рентгеновского луча вверх-вниз, строка на экране осциллографа перемещается соответствующим образом. Для составления полной картинки из отдельных строк Бен просто фотографирует экран осциллографа с длинной выдержкой.

Изображение получается не очень четкое, зашумленное, но в нем явно угадываются контуры объекта и контрастные элементы внутренней структуры (например, ключ в индейке).

Бен рассказывает про свою установку и демонстрирует ее в работе:

Рассказ про рентгеновский детектор и фотоумножитель:

geektimes.ru

Устройство и принцип работы рентгеновского аппарата

Рентгеновский аппарат предназначается для превращения электроэнергии в рентгеновское излучение. Устройство рентгеновского аппарата зависит от его функции, но в целом он состоит из источника излучения, блока питания, системы управления и периферии.

Как работает рентгеновский аппарат

Питание аппарата осуществляется обычно от электросети переменного тока в 126 или 220 В. Однако современные рентгеновские установки работают от постоянного тока существенно более высокого напряжения. В связи с этим в состав блока питания входят трансформатор (или система трансформаторов) и выпрямитель тока (иногда выпрямитель может отсутствовать — при низкой мощности аппарата).

Генератор излучения — это рентгеновская трубка, одна или несколько.

Система управления — это распределительное устройство, то есть пульт управления, регулирующий работу всей установки. Кроме того, аппарат включает в себя штатив (систему штативов), на который крепится генератор излучения, а также приспособления для укладки больных и т.п. устройства.

Принцип работы установки следующий. Переменный ток от электросети подводится к первичной обмотке трансформатора. С его вторичной обмотки снимается более высокое напряжение и подается на излучатель непосредственно (полуволновые установки) или через выпрямитель — кенотрон. Накалом катодной нити рентгеновской трубки регулируется ее работа.

Сама рентгеновская трубка — это достаточно простое устройство, схема которого примерно такова. На находящиеся в вакууме в запаянном сосуде катод и анод («антикатод») подается мощный постоянный электрический потенциал. В результате электроны, испущенные катодом, ускоряются в электрическом поле и резко тормозятся при соударении с анодом. При этом испускается «тормозное излучение» — генерируется электромагнитное излучение рентгеновского диапазона. Одновременно из внутренних частей электронных оболочек атомов металла, из которого состоит анод, выбиваются электроны, а получившиеся пустые места заполняются электронами из внешних слоев электронных оболочек. В ходе этого процесса тоже испускается рентгеновское излучение, спектр которого специфичен для каждого материала

В излучение при этом переходит не более 1% подаваемой на трубку энергии, остальное превращается в тепло, прежде всего греется анод. Для того чтобы избежать его повреждения от перегрева, либо используются тугоплавкие материалы (вольфрам, молибден), либо конструируется специальная система охлаждения (водное охлаждение, вращающийся анод).

Современные рентгеновские установки снабжаются специальными устройствами для стабилизации тока и защиты излучателя от перегрузки. Кроме того, устанавливается система защиты окружающих от избыточного излучения (а также от тока высокого напряжения).

Применение рентген- излучения в медицине

В медицине применяются лучи длиной волны от 0,05 до 2,5 ангстрем, чаще всего они используется в целях диагностики.

Существует два основных метода диагностического исследования — рентгенография и рентгеноскопия.

Рентгенография — это рентгеновская фотография: исследование внутренней структуры объектов, изображение которых рентгеновскими лучами проецируется на пленку, фотобумагу и т.п. поверхности. Рентгеноскопия (просвечивание) — метод исследования, при котором изображение объекта проецируется на специальный экран, светящийся в видимом свете при падении на него рентгеновских лучей. Изображение в этом случае получается динамическим, а не статическим, но доза облучения исследуемого объекта при этом выше.

В зависимости от того, для чего используется данный аппарат, меняется и его периферийная часть. Установка снабжается устройствами для томографии, кимографии и иных методов диагностики.

Существуют и терапевтические рентгеновские установки. Они используются для лучевой терапии, однако сфера их применения сужается. Если на момент своего открытия лучи Рентгена были самым высокоэнергетическим излучением, известным человечеству, то сейчас это далеко не так. Широкое распространение других методик лучевой терапии — с помощью радионуклидов, ускорителей заряженных частиц и т.п. привело к сокращению сферы их применения. Тем не менее определенную роль рентгеновские лучи играют и сейчас. Обычно они применяются для воздействия на очаги заболевания неглубокого расположения. В связи с необходимостью минимизировать лучевое воздействие на здоровые ткани, терапевтические рентгеновские установки часто делаются динамическими: излучатель перемещается так, чтобы воздействие на кожу и здоровые ткани распределялось по большой площади, а на патологический очаг лучи влияли постоянно.

Дополнительные источники

Медицинская энциклопедия, ст. Рентгеновские аппараты.

Википедия, ст. Рентгеновский аппарат, Рентгеновская трубка, Рентгенография, Рентгеноскопия.

x-raydoctor.ru

Самодельная рентгеновская установка | Катушки Тесла и все-все-все

Рентгеновским излучением в общем виде принято называть коротковолновое (высокоэнергетическое) электромагнитное излучение дальше ультрафиолетовой области спектра. Основное отличие его от гамма-лучей — происхождение: последние генерируются процессами в атомных ядрах, рентген же испускается на уровне электронов и атомных оболочек. В простейшем виде рентгеновская трубка представляет собой высоковольтный диод, в котором, благодаря особой форме анода и прозрачному для икс-лучей окну из бериллия, происходит испускание высокоэнергетичных фотонов при торможении испущенных катодом электронов в толще материала мишени на аноде, т. н. тормозное излучение. В зависимости от материала анода имеет место разный спектр энергий фотонов, при этом максимально возможная энергия приблизительно соответствует напряжению анода рентгеновской трубки в вольтах: например, для 60 кВ энергия фотонов будет 60 кЭв. Всю достаточную теорию по рентгеновскому излучению можно почерпнуть из соответствующей статьи в википедии.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: В ОТЛИЧИЕ ОТ БОЛЬШЕЙ ЧАСТИ ПРОЕКТОВ НА ДАННОМ РЕСУРСЕ НИЖЕПРИВЕДЁННЫЙ ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ОПАСЕН, ПОСКОЛЬКУ ПРОЦЕСС НАНЕСЕНИЯ НЕОБРАТИМЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ОРГАНИЗМУ НЕ СОПРОВОЖДАЕТСЯ НИКАКИМИ ЗАМЕТНЫМИ НЕПОСРЕДСТВЕННЫМИ ЭФФЕКТАМИ. ИНФОРМАЦИЯ ПРИВЕДЕНА ТОЛЬКО В ОЗНАКОМИТЕЛЬНЫХ ЦЕЛЯХ, АВТОР КАТЕГОРИЧЕСКИ ПРЕДОСТЕРЕГАЕТ КОГО БЫ ТО НИ БЫЛО ОТ ЛЮБЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В ДАННОЙ ОБЛАСТИ И НЕ НЕСЁТ НИКАКОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТИ ЗА ПРИЧИНЕНИЕ КЕМ БЫ ТО НИ БЫЛО УЩЕРБА КОМУ БЫ ТО НИ БЫЛО ПРИ ПОПЫТКАХ ПОВТОРЕНИЯ ОПИСАННЫХ НИЖЕ КОНСТРУКЦИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

Изготовление примитивной рентгеновской установки в домашних условиях не составляет особого труда, как известно на печальном опыте sifun’а, навеки запечатлённом гуглом по запросам «школьник рентген» и «самодельный рентген». Единственный редкий компонент — микрофокусная рентгеновская трубка. Чем меньше по размерам бериллиевое окно трубки, тем более точечный источник излучения она собой представляет, и тем более чёткое изображение можно получить. Мне довольно давно посчастливилось приобрести пару трубок БС1, идентичных использовавшейся sifun’ом, но, поскольку особого умения и желания собирать рентген не было, они остались стоять в моей коллекции рентгеновских трубок, каковая к настоящему моменту уже насчитывает весьма внушительный арсенал в десятки наименований, многих по нескольку единиц. Но недавний мой прогресс в построении инверторов (а значит, и возможности сделать компактный питальник), а также добывание ящика рентгеновских усиливающих экранов, необходимых для получения изображения, побудили взяться за изготовление небольшой просвечивалки на основе этой самой БС1.  Несмотря на номинальную мощность всего в 4 ватта, она успешно терпит десятки ватт мощности, чего вполне достаточно для просветки массы интересных предметов. В качестве импульсного инвертора использован стандартный полумост на основе микросхемы IR2153, которая сама себе генератор и драйвер двух раздельных каналов. От неё качаются два IGBT STGB7NC60HD (600V 14A) в D2PAK-корпусе, и небольшой строчник, выдающий около 5-6 кВ на выходе. От строчника запитан самодельный умножитель на конденсаторах К73-14 3300пФ 10кВ и диодах КЦ106Г на 11 ступеней, залитый парафином для изоляции,и дающий в данной установке около 60 кВ анодного напряжения, и через феррит строчника проброшен высоковольтный провод, один виток. Чтобы анод рентгеновской трубки можно было беспроблемно заземлять (а также хватать пальцами и лизать языком ;)), умножитель сделан с отрицательным выходом, и подключается к накалу (именно поэтому для накала сделан высоковольтный провод), а не к аноду. Заземление осуществляется на сеть через высоковольтный резистор КЭВ-0,5 в ~600 кОм. На проводе накала висит небольшой едва замкнутый кусочек феррита, т. н. чок (choke), понижающий напряжение накала, и т. о. увеличивающий энергию электронов, и, как следствие, энергию фотонов и просвечивающие способности установки. Размер чока подбирается экспериментально по силе свечения усиливающего экрана. Сама трубка помещена в свинцовый кожух из листового свинца 2, что ли, миллиметра толщиной, который изнутри для изоляции проложен обрезком… полуторалитровой пластиковой бутылки. Да-да, пластиковые бутылки — превосходные изоляторы, и держат десятки киловольт постоянки, предпочитая пробиваться по поверхности, но не насквозь. Кожух этот полностью задерживает паразитное излучение  трубки во все стороны кроме анода, но, к сожалению, не спасает от отражающегося во все стороны от воздуха и предметов излучения с переднего конца. Единственная грамотная защита для подобных установок — полное корпусирование в свинец или хотя бы сталь всей установки, включая экран и просвечиваемый объект, с окном из толстого свинцового стекла для съёмки изображения. В рентгеновских лучах множество материалов начинает флюоресцировать, причём зачастую довольно неожиданных (таких, как термопаста или наклейки-ценники). Флюоресцируют почти все стандартные люминофорные составы с послесвечением, почти все электролюминофоры, а также специальные рентгеновские усиливающие экраны (например, ЭУ-В3 и т. п.). Последние отличаются хорошей пропускаемостью лучей, что позволяет использовать их для качественных снимков просто разворачивая их обратной стороной к источнику излучения, а светящейся — к стоящей в отдалении камере. Достать их довольно непросто, требуется заказ в торгующей медтехникой конторе, где за них просят изрядное количество денег. За неимением их можно обойтись почти любым достаточно крупным предметом с люминофорным составом. Собственно, сам процесс получения изображения  таков: на некотором отдалении от окна трубки (L>>d окна) располагается предмет, и сразу за ним устанавливается экран (l

Не стоит забывать, что мощность излучения в луче может составлять 1 рентген в секунду и выше, чего легко может хватить для лучевой болезни, рака кожи и чего угодно ещё, если сунуться в него вплотную к аноду. Не суйтесь. Хватит уже с нас пальцев Сифуна, и не надо ещё какого-нибудь запрещающего эксперименты с рентгеном законопроекта.

БС1 способна просвечивать преимущественно предметы из тонкого пластика. Залитые конструкции, металлизированные платы (как у мобильников, например), металлические предметы ей, увы, неподвластны. Для их просветки требуются большие энергии в сотни килоэлектронвольт. У меня имеется импульсный рентгеновский дефектоскоп МИРА-2Д на основе импульсной рентгеновской трубки с холодным катодом ИМА2-150Д. Конструктивно он представляет собой блок конденсаторов, разряжающихся через импульсный трансформатор на последовательно соединённые рентгенку и разрядник-обостритель высокого давления. Разрядник этот пробивается при большом напряжении (сотни киловольт), но падение при этом на нём минимально, и вся мощность приходится на рентгеновскую трубку, которая за счёт взрывной эмиссии электронов выдаёт поток последних с катода. На вход дефектоскопу подаётся постоянка напряжением в 9-10 кВ. Такой дефектоскоп выдаёт небольшую среднюю мощность короткими импульсами пару раз в секунду, но с энергией фотонов ощутимо выше, чем у БС1. К сожалению, фотоаппарата не хватает для запечатления провеченных им предметов ввиду низкой яркости результирующего изображения даже при значительной выдержке.

Старший брат этого дефектоскопа, на основе импульсной трубки ИМА5-320Д, способен к просветке довольно толстого металла, но, к сожалению, он содержит в себе только трубку и разрядник-обостритель, а формирователь импульсов ему требуется внешний, и потому он пока является не более чем предметом мебели. Но когда-нибудь я его непременно запущу.

Ниже представлена подборка сделанных при помощи установки на БС1 рентгеновских снимков различных предметов, а также некоторые из самих этих предметов.

Метки отсутствуют.

teslacoil.ru

Как работают рентгеновские трубки?

Рентгеновское излучение создается путем преобразования энергии электронов в фотоны, которое происходит в рентгеновской трубке. Количество (экспозицию) и качество (спектр) излучения можно регулировать путем изменения тока, напряжения и времени работы прибора.

Принцип работы

Рентгеновские трубки (фото приведено в статье) являются преобразователями энергии. Они получают ее из сети и превращают в другие формы – проникающее излучение и тепло, при этом последнее является нежелательным побочным продуктом. Устройство рентгеновской трубки таково, что она максимизирует производство фотонов и рассеивает тепло так быстро, насколько это возможно.

Трубка представляет собой относительно простой прибор, как правило, содержащий два принципиальных элемента – катод и анод. Когда ток течет от катода к аноду, электроны теряют энергию, что приводит к генерации рентгеновского излучения.

Анод

Анод является компонентом, в котором производится испускание высокоэнергетических фотонов. Это сравнительно массивный элемент из металла, который соединяется с положительным полюсом электрической цепи. Выполняет две основные функции:

  • преобразует энергию электронов в рентгеновское излучение,
  • рассеивает тепло.

Материал для анода выбирается так, чтобы усилить эти функции.

В идеале большинство электронов должно образовывать высокоэнергетические фотоны, а не тепло. Доля их полной энергии, которая превращается в рентгеновское излучение, (КПД) зависит от двух факторов:

  • атомного номера (Z) анодного материала,
  • энергии электронов.

В большинстве рентгеновских трубок в качестве материала анода используется вольфрам, атомный номер которого равен 74. В дополнение к большому Z, этот металл обладает некоторыми другими характеристиками, которые делают его подходящими для этой цели. Вольфрам уникален по своей способности сохранять прочность при нагревании, имеет высокую температуру плавления и низкую скорость испарения.

В течение многих лет анод делали из чистого вольфрама. В последние годы начали использовать сплав этого металла с рением, но лишь на поверхности. Сам анод под вольфрам-рениевым покрытием изготовляется ​​из легкого материала, хорошо аккумулирующего тепло. Двумя такими веществами являются молибден и графит.

Рентгеновские трубки, используемые для маммографии, изготавливают с анодом, покрытым молибденом. Этот материал имеет промежуточный атомный номер (Z=42), который генерирует характеристические фотоны с энергиями, удобными для съемки груди. Некоторые приборы для маммографии также имеют второй анод, выполненный из родия (Z=45). Это позволяет повысить энергию и добиться большего проникновения для плотной груди.

Использование рений-вольфрамового сплава улучшает долгосрочный выход излучения – со временем эффективность устройств с анодом из чистого вольфрама уменьшается вследствие термического повреждения поверхности.

Большинство анодов имеет ​​форму скошенных дисков и крепится к валу электродвигателя, который вращает их на относительно высоких скоростях во время испускания рентгеновских лучей. Цель вращения – отвод тепла.

Фокальное пятно

В генерации рентгеновского излучения участвует не весь анод. Оно возникает на небольшом участке его поверхности – фокальном пятне. Размеры последнего определяются размерами электронного пучка, поступающего из катода. В большинстве устройств оно имеет прямоугольную форму и варьируется в пределах 0,1–2 мм.

Рентгеновские трубки проектируют с определенным размером фокального пятна. Чем оно меньше, тем меньше размытость и выше четкость изображения, и чем оно больше, тем лучше отводится тепло.

Размер фокусного пятна является одним из факторов, который необходимо учитывать, когда выбирают рентгеновские трубки. Производители выпускают приборы с малыми фокальными пятнами, когда необходимо достичь высокой разрешающей способности и достаточно небольшой радиации. Например, это требуется при исследовании малых и тонких частей тела, как в маммографии.

Рентгеновские трубки в основном производят с фокусными пятнами двух размеров – большим и малым, которые могут быть выбраны оператором в соответствии с процедурой формирования изображения.

Катод

Основная функция катода – генерировать электроны и собирать их в луч, направленный на анод. Как правило, он состоит из небольшой проволочной спирали (нити), погруженной в чашеобразное углубление.

Электроны, проходящие по цепи, обычно не могут покинуть проводник и уйти в свободное пространство. Однако они могут это сделать, если получат достаточное количество энергии. В процессе, известном как термоэмиссия, для изгнания электронов из катода используется тепло. Это становится возможным, когда давление в откачанной рентгеновской трубке достигает 10-6–10-7 мм рт. ст. Нить нагревается таким же образом, как спираль лампы накаливания при пропускании через нее тока. Работа рентгеновской трубки сопровождается нагревом катода до температуры свечения с вытеснением тепловой энергией из него части электронов.

Баллон

Анод и катод содержатся в герметичном корпусе – баллоне. Баллон и его содержимое часто называют вставкой, которая имеет ограниченный срок службы и может заменяться. Рентгеновские трубки в основном имеют стеклянные колбы, хотя для некоторых применений используются металлические и керамические баллоны.

Основной функцией баллона является обеспечение поддержки и изоляция анода и катода, и поддержание вакуума. Давление в откачанной рентгеновской трубке при 15°C составляет 1,2·10-3 Па. Наличие газов в баллоне позволило бы электричеству течь через прибор свободно, а не только в виде электронного пучка.

Корпус

Устройство рентгеновской трубки таково, что, в дополнение к ограждению и поддержке других компонентов, ее корпус служит щитом и поглощает излучение, за исключением проходящего через окно полезного пучка. Его относительно большая внешняя поверхность рассеивает большую часть тепла, образуемого внутри устройства. Пространство между корпусом и вставкой заполнено маслом, обеспечивающим изоляцию и ее охлаждение.

Цепь

Электрическая цепь соединяет трубку с источником энергии, который называется генератором. Источник получает питание от сети и преобразует переменный ток в постоянный. Генератор также позволяет регулировать некоторые параметры цепи:

  • KV – напряжение или электрический потенциал;
  • MA – ток, который течет через трубку;
  • S – длительность или время экспозиции, в долях секунды.

Цепь обеспечивает движение электронов. Они заряжаются энергией, проходя через генератор, и отдают ее аноду. По мере их движения происходит два преобразования:

  • потенциальная электрическая энергия превращается в кинетическую;
  • кинетическая, в свою очередь, преобразуется в рентгеновское излучение и тепло.

Потенциал

Когда электроны поступают в колбу, они обладают потенциальной электрической энергией, количество которой определяется напряжением KV между анодом и катодом. Рентгеновская трубка работает под напряжением, для создания 1 KV которого каждая частица должна обладать 1 кэВ. Регулируя KV, оператор наделяет каждый электрон определенным количеством энергии.

Кинетика

Низкое давление в откачанной рентгеновской трубке (при 15°C оно составляет 10-6–10-7 мм рт. ст.) позволяет частицам под действием термоэлектронной эмиссии и электрической силы вылетать из катода к аноду. Эта сила ускоряет их, что приводит к увеличению скорости и кинетической энергии и убыванию потенциальной. Когда частица попадает на анод, ее потенциал теряется, и вся ее энергия переходит в кинетическую. 100-кэВ электрон достигает скорости, превышающей половины скорости света. Ударяясь о поверхность, частицы очень быстро замедляются и теряют свою кинетическую энергию. Она превращается в рентгеновское излучение или тепло.

Электроны вступают в контакт с отдельными атомами материала анода. Излучение генерируется при их взаимодействии с орбиталями (рентгеновские фотоны) и с ядром (тормозное излучение).

Энергия связи

Каждый электрон внутри атома обладает определенной энергией связи, которая зависит от размера последнего и уровня, на котором находится частица. Энергия связи играет важную роль в генерации характеристического рентгеновского излучения и необходима для удаления электрона из атома.

Тормозное излучение

Тормозное излучение производит наибольшее количество фотонов. Электроны, проникающие в материал анода и проходящие вблизи ядра, отклоняются и замедляются силой притяжения атома. Их энергия, теряемая во время этой встречи, появляется в виде рентгеновского фотона.

Спектр

Лишь немногие фотоны обладают энергией, близкой к энергии электронов. У большинства из них она ниже. Предположим, что существует пространство, или поле, окружающее ядро, в котором электроны испытывают силу «торможения». Это поле может быть разделено на зоны. Это дает полю ядра вид мишени с атомом в центре. Электрон, попадающий в любую точку мишени, испытывает торможение и генерирует рентгеновский фотон. Частицы, попадающие ближе всего к центру, подвергаются наибольшему воздействию и, следовательно, теряют больше всего энергии, производя самые высокоэнергичные фотоны. Электроны, попадающие во внешние зоны, испытывают более слабые взаимодействия и генерируют кванты с более низкой энергией. Хотя зоны имеют одинаковую ширину, что они имеют разную площадь, зависящую от расстояния до ядра. Так как число частиц, попадающих на данную зону, зависит от ее общей площади, то очевидно, что внешние зоны захватывают больше электронов и создают больше фотонов. По этой модели можно предсказать энергетический спектр рентгеновского излучения.

Emax фотонов основного спектра тормозного излучения соответствует Emax электронов. Ниже этой точки, с уменьшением энергии квантов их число растет.

Значительное число фотонов с малыми энергиями поглощается или фильтруется, поскольку они пытаются пройти через поверхность анода, окно трубки или фильтр. Фильтрация, как правило, зависит от состава и толщины материала, через который проходит луч, что и определяет конечный вид низкоэнергетической кривой спектра.

Влияние KV

Высокоэнергетическую часть спектра определяет напряжение в рентгеновских трубках kV (киловольт). Это происходит потому, что оно обусловливает энергию электронов, достигающих анода, а фотоны не могут обладать потенциалом, большим чем этот. Под каким напряжением работает рентгеновская трубка? Максимальная энергия фотона соответствует максимальному приложенному потенциалу. Это напряжение может изменяться во время экспозиции из-за переменного тока сети. В этом случае Emax фотона определяется пиковым напряжением периода колебаний KVp.

Кроме потенциала квантов, KVp определяет количество радиации, создаваемой данным числом электронов, попадающих на анод. Так как общая эффективность тормозного излучения увеличивается за счет роста энергии бомбардирующих электронов, которая определяется KVp, то отсюда следует, что KVp влияет на КПД прибора.

Изменение KVp, как правило, изменяет спектр. Общая площадь под кривой энергий представляет собой число фотонов. Без фильтра спектр представляет собой треугольник, а количество радиации пропорционально квадрату KV. При наличии фильтра увеличение KV также увеличивает проникновение фотонов, что снижает процент фильтруемого излучения. Это ведет к увеличению радиационного выхода.

Характеристическое излучение

Тип взаимодействия, который производит характеристическое излучение, включает столкновение высокоскоростных электронов с орбитальными. Взаимодействие может происходить только тогда, когда входящая частица обладает Ек большей, чем энергия связи в атоме. Когда это условие соблюдено, и происходит столкновение, электрон выбивается. При этом остается вакансия, заполняемая частицей более высокого энергетического уровня. По мере движения электрон отдает энергию, излучаемую в виде рентгеновского кванта. Это называется характеристическим излучением, так как E фотона является характеристикой химического элемента, из которого сделан анод. Например, когда выбивается электрон К-уровня вольфрама с Есвязи=69,5 кэВ, вакансия заполняется электроном из L-уровня с Eсвязи=10,2 кэВ. Характеристический рентгеновский фотон обладает энергией, равной разности между этими двумя уровнями, или 59,3 кэВ.

На самом деле, данный материал анода приводит к появлению ряда характеристических энергий рентгеновского излучения. Это происходит потому, что электроны на различных энергетических уровнях (K, L и т.д.) могут быть выбиты бомбардирующими частицами, а вакансии могут быть заполнены из различных энергетических уровней. Несмотря на то что заполнение вакансий L-уровня генерирует фотоны, их энергии слишком малы для использования в диагностической визуализации. Каждой характеристической энергии дается обозначение, которое указывает на орбиталь, в которой образовалась вакансия, с индексом, который показывает источник заполнения электрона. Индекс альфа (α) обозначает заполнение электрона из L-уровня, а бета (β) указывает на заполнение из уровня М или N.

  • Спектр вольфрама. Характеристическое излучение этого металла производит линейный спектр, состоящий из нескольких дискретных энергий, а тормозное создает непрерывное распределение. Число фотонов, созданных каждой характеристической энергией, отличается тем, что вероятность заполнения вакансии K-уровня зависит от орбитали.
  • Спектр молибдена. Аноды из данного металла, используемые для маммографии, производят две достаточно интенсивные характеристические энергии рентгеновского излучения: K-альфа при 17,9 кэВ, и K-бета при 19,5 кэВ. Оптимальный спектр рентгеновских трубок, позволяющий достичь наилучший баланс между контрастностью и дозой облучения для груди среднего размера, достигается при Еф=20 кэВ. Однако тормозное излучение производится большими энергиями. В оборудовании для маммографии для удаления нежелательной части спектра используется молибденовый фильтр. Фильтр работает по принципу «K-края». Он поглощает излучение, превышающее энергию связи электронов на К-уровне атома молибдена.
  • Спектр родия. Родий имеет атомный номер 45, а молибден – 42. Поэтому характеристическое рентгеновское излучение родиевого анода будет иметь немного большую энергию, чем у молибдена, и более проникающую. Это используется для получения изображений плотной груди.

Аноды с двойными участками поверхности, молибден-родиевыми, дают возможность оператору выбрать распределение, оптимизированное под молочные железы разного размера и плотности.

Влияние KV на спектр

Значение KV сильно влияет на характеристическое излучение, т. к. оно не будет производиться, если KV меньше энергии электронов K-уровня. Когда KV превышает это пороговое значение, количество излучения, как правило, пропорционально разности KV трубки и порогового KV.

Спектр энергий фотонов рентгеновского луча, выходящего из прибора, определяется несколькими факторами. Как правило, он состоит из квантов тормозного и характеристического взаимодействия.

Относительный состав спектра зависит от материала анода, KV и фильтра. В трубке с вольфрамовым анодом характеристическое излучение не образуется при KV< 69,5 кэВ. При более высоких значениях КВ, используемых в диагностических исследованиях, характеристическое излучение увеличивает суммарную радиацию до 25%. В молибденовых устройствах оно может составить большую часть общего объема генерации.

КПД

Лишь небольшая часть энергии, доставляемая электронами, преобразуется в радиацию. Основная доля поглощается и превращается в тепло. КПД излучения определяется как доля полной излучаемой энергии от общей электрической, сообщаемой аноду. Факторами, которые определяют КПД рентгеновской трубки, являются приложенное напряжение KV и атомный номер Z. Примерное отношение следующее:

  • КПД = KV х Z х 10-6.

Взаимосвязь между эффективностью и KV оказывает специфическое влияние на практическое использование рентгеновского оборудования. Из-за выделения тепла трубки имеют определенный предел по количеству электрической энергии, которую они могут рассеивать. Это накладывает ограничение на мощность прибора. С увеличением KV, однако, количество радиации, произведенное на единицу тепла, значительно увеличивается.

Зависимость коэффициента полезного действия генерации рентгеновского излучения от состава анода представляет лишь академический интерес, поскольку в большинстве устройств используется вольфрам. Исключением является молибден и родий, используемые в маммографии. КПД этих приборов значительно ниже вольфрамовых из-за их более низкого атомного номера.

Эффективность

Эффективность рентгеновской трубки определяется как количество облучения в миллирентгенах, доставленного в точку в центре полезного пучка на расстоянии 1 м от фокусного пятна на каждый 1 мАс электронов, проходящих через прибор. Ее значение выражает способность прибора преобразовывать энергию заряженных частиц в рентгеновское излучение. Позволяет определить экспозицию пациента и снимка. Как и КПД, эффективность устройства зависит от ряда факторов, в том числе KV, формы волны напряжения, материала анода и степени повреждения его поверхности, фильтра и времени использования прибора.

KV-управление

Напряжение KV эффективно управляет выходным излучением рентгеновской трубки. Как правило, предполагается, что выход пропорционален квадрату KV. Удвоение KV увеличивает экспозицию в 4 раза.

Форма волны

Форма волны описывает способ, с помощью которого KV изменяется со временем в процессе генерации радиации из-за циклической природы электропитания. Используется несколько различных форм волн. Общий принцип таков: чем меньше изменяется форма KV, тем эффективнее производится рентгеновское излучение. В современном оборудовании используют генераторы с относительно постоянным KV.

Рентгеновские трубки: производители

Компания Oxford Instruments выпускает различные устройства, включая стеклянные мощностью до 250 Вт, потенциалом 4–80 кВ, фокальным пятном до 10 микрон и широким диапазоном материалов анода, в т. ч. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian предлагает более 400 различных типов медицинских и промышленных рентгеновских трубок. Другими известными производителями являются Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong и др.

В России выпускаются рентгеновские трубки «Светлана-Рентген». Помимо традиционных приборов с вращающимся и стационарным анодом, предприятие изготавливает устройства с холодным катодом, управляемым световым потоком. Преимущества прибора следующие:

  • работа в непрерывном и импульсном режимах;
  • безынерционность;
  • регулирование интенсивности током светодиода;
  • чистота спектра;
  • возможность получения рентгеновского излучения различной интенсивности.

fb.ru


Смотрите также