Выше уже упоминалось, что для получения резкого изображения необходимо иметь оптический фокус. При рентгенографии подвижных органов в связи с малой выдержкой необходимо использовать большой фокус для уменьшения удельной мощности электрического фокуса. Данным требованиям удовлетворяют рентгеновские трубки с вращающимся анодом. Сама идея такой трубки не нова. Вращение анода впервые предложил Вуд в 1898 году, а первая, применяемая на практике, рентгеновская трубка была показана в 1929 году в Вене на международном съезде, посвященном вопросам рентгенотехники. Принцип работы рентгеновской трубки с вращающимся анодом (рис. 7.9) состоит в следующем. Катод смещен от оси рентгеновской трубки на расстояние, соответствующее диаметру анода. Анод вращается вокруг оси трубки с угловой скоростью w. Он представляет собой усеченный конус, боковая поверхность которого изготовлена из вольфрама. Пучок электронов движется от катода F1 к аноду и падает на его электрический фокус F2. Так как анод вращается, пучок электронов падает на кольцевую поверхность Fk. При большой угловой скорости со время одного оборота меньше, чем экспозиция, следовательно, поверхность анода, подвергаемая нагреву (термической нагрузке), увеличивается в Fk/F2 раз. Число оборотов анода составляет приблизительно 2800 об/мин (у рентгеновских трубок типа «Biangulix» фирмы Сименс число оборотов анода еще больше; см. ниже).
Площадь кольцевого электрического фокуса находится по формуле:
где
и
Подставляя эти выражения в исходное, получим:
Подставляя геометрические данные электрического фокуса рентгеновской трубки типа DR 100/30/50 o в выражение (*) получаем, что площадь электрического фокуса увеличивается в 125 раз.
На рис. 7.10 изображена рентгеновская трубка с вращающимся анодом. Анод рентгеновской трубки вращается с помощью однофазного, короткозамкнутого электродвигателя с большим воздушным зазором. Ротор двигателя твердо связан с вращающимся анодом и находится на общем валу с ним. Он вращается на двух подшипниках. Статор мотора находится вне стеклянной оболочки рентгеновской трубки.
рис. 7.10. Трубка с вращающимся анодом (схема)
Однофазные электродвигатели обладают нулевым начальным моментом. Для обеспечения начального момента необходимо создать вращающееся магнитное поле. С этой целью применяется вспомогательная фаза, созданная с помощью конденсатора. Мотор имеет вспомогательную обмотку, магнитная ось которой смещена на 90° относительно магнитной оси обмотки главной фазы. Ток вспомогательной обмотки смещен относительно тока главной обмотки. Сдвиг фазы создается с помощью конденсатора. Время раскатывания электродвигателя 0,8 - 1,3 сек. На периметре анодного диска скорость превышает 50 км/час. Ввиду большой скорости вращающийся анод должен быть сбалансированным.
Размеры электрического фокуса рентгеновских трубок с вращающимся анодом:
- большой фокус 2 х 2 мм оптический фокус 50 квт 40 квт
- малый фокус 1,2 х 1,2 мм оптический фокус 30 квт 20 квт
- тонкий фокус 0,3 х 0,3 мм оптический фокус 2 квт
Применяемые рентгеновские трубки типа «Phonix» (ГДР):
- DR - диагностическая рентгеновская трубка с вращающимся анодом;
- o - с масляной изоляцией;
- Е - возможно вмонтировать в кожух фирмы Сименс;
- DR 125/30/50 o диагностическая рентгеновская трубка с вращающимся анодом на 125 в анодного напряжения, с фокусами на 30 квт и 50 квт и масляной изоляцией.
Применяемые рентгеновские трубки фирмы Сименс:
- Р 125/20/40
- Р 125/30/50
- Р 125/2/30
- Р 125/2/50
- Р 150/30/50
- Р 150/2/30
Рентгеновские трубки типа «Biangulix» фирмы Сименс. Новые методы исследования, применяемые в рентгенодиагностике, предъявляют к рентгеновским трубкам более строгие требования как с точки зрения большой нагрузки электрического фокуса, так и с точки зрения улучшения качества снимков. В настоящее время разработаны новые типы рентгеновских трубок с вращающимся анодом, обладающие большей долговечностью при большей нагрузке и обеспечивающие уменьшение площади оптического фокуса. Впервые такая рентгеновская трубка была разработана в 1957 г. фирмой Сименс и названа «Biangulix». Эти трубки отличаются от обычных рентгеновских трубок с вращающимся анодом тем, что у них имеются две кольцевые фокусные конические поверхности.
Рис. 7.11. Принципиальная схема рентгеновской трубки «Biangulix»
1. анод; 2. кольцевая поверхность электрического фокуса; 3. положение электрического фокуса на поверхности анода в данный момент времени; 4. оптический фокус; 5. катод; 6. пучок рентгеновского излучения; а и в углы наклона зеркала анода
Принципиальная схема рентгеновской трубки изображена на рис. 7.11. Два фокуса бомбардируют анодный диск электронами на двух кольцевых поверхностях с разными углами наклона. Очевидно, что окружная скорость двух электрических фокусов разная: у внутреннего меньше. Следовательно, при той же нагрузке внутренний электрический фокус нагревается больше, то есть его мощность меньше. Для повышения нагрузки внутреннего электрического фокуса угол наклона боковой поверхности конуса уменьшается на 1,5° по сравнению с углом наклона внешнего электрического фокуса. Таким образом площадь внутреннего кольцевого электрического фокуса увеличивается, в то же время размеры оптического фокуса уменьшаются. Существуют два типа таких рентгеновских трубок. У одного типа угол наклона кольцевой конической поверхности наружного электрического фокуса 17,5°, а внутреннего 16°. При этом пучки рентгеновских лучей внутреннего и внешнего электрических фокусов распространяются под приблизительно равными телесными углами. У рентгеновских трубок другого типа угол наклона кольцевой поверхности внутреннего электрического фокуса выбирается значительно меньше. Получается оптический фокус с малыми размерами и большой удельной мощностью, который применяется при снимках легких и желудочно-кишечного тракта. В этом случае (см. рис. 7.11) рентгеновские лучи внутреннего фокуса распространяются под значительно меньшим телесным углом, чем лучи внешнего электрического фокуса. При съемке с наружным фокусом получаются снимки обычного формата, а при съемке с внутренним фокусом - значительно меньшего. Углы наклона поверхностей фокусов равны соответственно 17,5° и 10°.
Удлинение срока службы и увеличение нагрузки рентгеновских трубок с вращающимся анодом достигается за счет увеличения числа оборотов. При большом числе оборотов можно добиться либо большей нагрузки при неизменных размерах фокуса, либо - при той же нагрузке - уменьшения размеров фокуса. Число оборотов увеличивают за счет того, что на статор электродвигателя подают напряжение с частотой 100 - 150 гц (вместо обычных 50 гц).
Число оборотов при этом 5600 об/мин и 8400 об/мин. При работе статора на напряжении с частотой 150 гц окружная скорость диска анода достигает 150 км/час. Ввиду огромной скорости динамическое уравновешивание ротора производится очень тщательно. Анод после каждого снимка затормаживается, что увеличивает срок его работы.
При такой большой скорости теплота, возникающая при торможении электронов на аноде, не может передаваться глубоколежащим слоям анода. За один оборот поверхность анода нагревается до 1000 °С, а слой, лежащий непосредственно под поверхностью, нагревается мало создается очень большой градиент температуры. Под действием теплоты поверхностный слой анода расширяется, а глубоко лежащие слои нет, что приводит к возникновению в материале анода вредных механических напряжений, приводящих к образованию трещин. Чтобы избежать образования трещин, зеркало анода изготовляется из сплава вольфрама и рения. Теплопроводность легированного вольфрамового зеркала улучшается, если оно впаивается в молибденовую основу.
Наиболее известные типы анодов:
Bi 125/30/40. Угол наклона внешнего фокуса 17,5°, а внутреннего - 10°. Нагрузка внутреннего фокуса 30 квт, площадь оптического фокуса 0,9 х 0,9 м². Нагрузка внешнего фокуса 40 квт, размеры оптического фокуса 1,6 х 1,6 мм².
Bi 150/30/50 R обладает наибольшей удельной нагрузкой среди рентгеновских трубок с вращающимся анодом. Число оборотов анода 8500 об/мин. Угол наклона поверхности внешнего электрического фокуса 17,5°, а внутреннего 10°. Зеркало анода изготовляется из сплава вольфрама и рения. Нагрузка внутреннего фокуса 30 квт, размеры оптического фокуса 0,6 х 0,6 мм². Нагрузка внешнего фокуса 50 квт, оптический фокус 1 х 1 мм².
