UNIVERZITET U TRAVNIKU
FARMACEUTSKO ZDRAVSTVENI FAKULTET
Smjer: Radiologija
RENDGENSKA CIJEV
Student: Mentor:
Dragoslav Rakita Doc. dr Alma Bajtarević
402/12
21.11.2012
1
Sadržaj
1. Uvod 3
2. Rendgenska cijev 4
2.1. Vakuumska cijev 5
2.2. Katoda 6
2.3. Anoda 6
2.4. Oklop 8
2.5. Hlađenje rendgenske cijevi 9
3. Generator 10
3.1. Priključak na gradsku mrežu 10
3.2. Transformatori 11
4. Zaključak 12
5. Literatura 13
2
1. Uvod
Rendgen zrake (X-zrake) nisu proizvedene; one su otkrivene gotovo slučajno.
Tokom 1870-ih i 1880-ih godina u mnogim univerzitetskim fizikalnim laboratorijima ispitivana
je vodljivost katodnih zraka, ili elektrona, kroz velike staklene cijevi ispunjene rijetkim plinom
poznate u to vrijeme kao Kruks-ove cijevi.
Wilhelm Conrad Röntgen objavljuje 1895. da je u modificiranoj Kruksovoj cijevi otkrio
nevidljive zrake koje izazivajufluorescenciju, prolaze kroz materiju, te se ne otklanjaju
u magnetskom polju. Röntgen je te zrake nazvao X-zrakezbog njihove nepoznate prirode. Iako se
poslije pokazalo da su takve zrake već bile uočene u nekim pokusima, npr. Nikola
Tesla proizveo ih je djelovanjem električnog polja visoke frekvencije, Röntgen ih je prvi istražio,
primijenio i shvatio njihovu prirodu. U zamračenoj prostoriji on je Kruksovu cijev potpuno
omotao u fotografski crni papir tako da bolje vizualizira učinak katodnih zraka na cijevi.
Slučajno je ploča s slojem barijeva platinocijanida, tvari koja fluorescira, bila odložena na stolu
nedaleko Kruksove cijevi. Zbog tamnog omotača iz cijevi nije mogla izaći vidljiva svjetlost, ali
je tijekom pokusa Roentgen opazio da ploča fluorescira bez obzira na udaljenost od Kruksove
cijevi. Intenzitet fluoresciranja se pojačavao s približavanjem ploče bliže cijevi te je bilo
nesumnjivo podrijetlo uzroka fluoresciranja. Tako su otkrivene rendgen zrake.
3
2. Rendgenska cijev
Prvi rendgenski aparati bili su univerzalni tj. korišćeni su za sve vrste radiografisanja. Na prvoj
prezentaciji proizvodnje x-zraka koja se održala 23.01.1896. god., Vilhem Konrad Rendgen je
radiografisao šaku poznatog anatoma Alberta fon Kolikera, koji je predložio da se zraci nazovu
po V. K. Rendgenu.
Sa razvojem tehnike i tehnologije, razvijaju se i aparati za specijalizovano radiografisanje.
Tako je već 1920. god. patentirano nekoliko aparata za snimanje zuba. Kako danas, tako i tada,
poznatiji od ostalih bili su Simensovi aparati tzv. kugleks-aparati. Rendgenska cijev jeste
osnovni deo rendgen aparata i upravo se u njoj stvaraju x-zraci. Ali se rendgenska cijev u suštini
nije puno promjenila.
Coolidgeova rendgenska cijev iz sa fiksnom anodom 1917. Užarena katoda je na lijevo, a anoda
je na desno. Rendgenske zrake zrače u sredini prema dolje. 1
Standardni oblik modernih RTG vakumskih cijevi sa rotirajućom anodom 2
1 http://hr.wikipedia.org/wiki/Rendgenska_cijev#Crookesova_cijev2 http://iangrey.org/wp-content/uploads/2008/01/800px-rontgenbuis-draaianode.thumbnail.jpg
4
Šematski prikaz RTG cijevi3
A AnodaC KatodaE Staklena cijevH Metalno kućišteO Dielektrično ulje za hlađenjeR RotorS Indukcijski statorT Ciljnik anode, uglavnom od WolframaW Prozor cijevi (Aluminium ili Berilium)
Glavni dijelovi rendgenske cijevi su :
- Vakuumska staklena cijev
- Katoda
- Anoda
- Metalni oklop
2.1. Vakuumska cijev
Kao što se vidi na gore prikazanim slikama rentgenska cijev je staklena cijev dužine 20 do
25 cm i promjera 15 cm. Iz cijevi je uklonjen zrak i one su pod tlakom od 5-
10 mbara. U prvim rentgenskim cijevima bio je razrijeđen plinoviti sadržaj
(zrak), a ne vakuum. On je služio
3 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Xraytubeinhousing_commons.png5
kao dodatni izvor elektrona te su se one za vrijeme rada morale prozračivati. Rentgenska
staklena cijev načinjena od pyrex stakla je umetnuta u metalni olovni oklop koji štiti cijev od
mehaničkih oštećenja, a bolesnika i profesionalno osoblje štiti od prekomjernog zračenja i
strujnog udara. U cijevi se nalaze dvije elektrode: katoda i anoda.
2.2. Katoda
Katoda je negativna elektroda. Građena je od materijala visokog tališta koji je uglavnom od
volframa. Modifikovana je u obliku spirale dužine 12 cm i debljine 0,2 do 0,5 mm. Spiralna
nit katode postavljena je unutar metalnog okvira koji je također negativnog naboja i
ponaša se kao dodatna elektroda (Wehneltova elektroda). Katode modernih rentgenskih
cijevi imaju dvije spiralne niti (dvije katode), a svaka od njih
je nasuprot odgovarajućem žarištu anode: veća spirala za veliki fokus i manja za mali fokus.
Djelovanjem struje zagrijavanja,
niskog napona i velike jakosti, na katodi se oslobađaju elektroni termoionskom emisijom koji
se uslijed razlike potencijala katode i anode ubrzano gibaju prema anodi.
Tako da je katoda uključena u dva strujna kruga (za razliku od anode) i
to niskonaponskistrujni krug za zagrijavanje katode i visokonaponski strujni krug za razliku
potencijala anode i katode, odnosno gibanje elektrona. Uloga
dodatne elektrode uz katodu je da kolimira snop elektrona da bi bio što uži.
2.3. Anoda
Anoda je pozitivna elektroda i u rentgenskoj cijevi. Ona je
smještena nasuprot katode te seu literaturi spominje i kao antikatoda.
Ima oblik diska na držaču. Osnovu diska čini molibden i grafit, a od molibdena (eventualno bakr
a) je držak anode. Odabir materijala definiran je
visokim toplinskim kapacitetom i toplinskom provodljivošću budući da držak ima ulogu
odvođenja velike količine topline koja se oslobađa na žarištu anode. Površina žarišta anode
napravljena je od materijala visokog rednog broja i visokog tališta. U današnjih
rentgenskih cijevi to je u pravilu legura tungstena i renija, a prije je to bio volfram.
Na anodi se nalaze dva žarišta u korelaciji s dvije katode. Malo žarište, površine 0,1 do
0,5 mm 2 , koristi se kada je potrebna velika oštrina slikovnog prikaza (npr. pri snimanju
pluća, kosti). Veliko žarište, površine 1 do 1,5 mm2, koristi se pri dijaskopiji i drugim
pregledima zbog njihovog velikog toplinskog opterećenja anode.
6
Veličina žarišta direktno utječe na oštrinu slikovnog prikaza, odnosno rentgenske snimke,
jednako kao što veličina izvora svjetlosti u zamračenoj prostoriji utječe na oštrinu sjene. U
cilju postizavanja što bolje kvalitete snimke, tj. oštrine prikaza, poželjno je da površina žarišta
bude što manja. S druge strane toplinsko opterećenje anode postavlja zahtjev za što većom
površinom žarišta te možemo reći da je zaštita od toplinskog opterećenja anode direktno
u vezi sa snagom rentgenske cijevi, odnosno stupnjem opterećenja.
Zaštita od toplinskog opterećenja anode neobično je značajno budući da kod dužeg
bombardiranja anode brzim elektronima (npr. za vrijeme duže dijaskopije) njeno
pretjeranozagrijavanje može doseći razinu termoionske emisije, odnosno užarena anoda
počinje emitirati elektrone. U tom
slučaju prekida se strujni krug ili struja rentgenske cijevi poprima
obrnuti smjer, što može rezultirati razaranjem katode. Zaštita anode od toplinskog opterećenja
postiže se:
- građom anode
- nagibom žarišne površine
- rotacijom anode
- sistemnim hlađenjem
Odabir materijala jedan je od glavnih parametara građe anode, što je posebno značajno
zažarnu površinu, ali i za ostale dijelove. Žarna
površina anode mora biti od materijala koji nesamo da ima visoki redni broj već
i visoko talište u svezi s nastankom rentgenskih zraka.
Ostali dijelovi anode prvenstveno su od materijala visokog tališta te dobre toplinske
provodljivosti sa ciljem preuzimanja i odvođenja velike količine topline.
Kod prvih rentgenskih cijevi (a danas još uvijek kod terapijskih uređaja) površina anode
je bila ravna i okomito postavljena na smjer kretanja brzih elektrona. Rentgenske zrake
koje nastaju na ovakvoj anodi raspršuju se u svim smjerovima. Ako se
žarišna površina postavi pod nagibom (ukošeno), odnosno ako je kut koji zatvaraju
površina anode i smjer gibanja
elektrona manji od 90stupnjeva, postiže se prividno manja površina žarišta.
Ovako ukošenaanoda može se promatrati s dva aspekta:
- pojam prividnog ili optičkog žarišta omogućava usmjeravanje nastalih rentgenskih zraka,
dakle manji stupanj raspršivanja, što je dobro za bolju kvalitetu slikovnog prikaza, te
- pojam realnog žarišta, koje je veće površine za razliku od žarišta postavljenog okomito na sm
jer brzih elektrona.
7
Danas se koriste rentgenske cijevi sa nagibom žarišne površine
anode prema smjeru gibanjabrzih elektrona od 71 od 88 stupnjeva, a ima i rentgenskih cijevi
koje imaju anodu sa različitim nagibima žarišta obzirom na veličinu,
pri čemu žarna površina sa manjim kutom odgovara
malom fokusu. Najveći doprinos povećanju toplinske izdržljivosti anode
postigao se uvođenjem rotirajući anode kod koje žarište više nije forme
pravokutnika (kvadrata) već prstena.
Rotacijom se površina žarišta izrazito povećava (iznosi cca 750 mm2 ) te što je brzina
rotacije anode veća veći je toplinski kapacitet rentgenske cijevi. Prema brzini rotacije anode
rentgenske cijevi dijelimo na:
- sporo rotirajuće – do 3.000 okretaja u minuti
- b) brzo rotirajuće – od 3.000 do 8.500 okretaja u minuti
- c) super brzo rotirajuće – od 8.500 do 17.000 okretaja u minuti.
Uz rotaciju sistem hlađenja je nesumnjivo jedna od najznačajnijih stavki u zaštiti od
toplinskog opterećenja anode. Hlađenje se ostvaruje uljnom kupkom, premda
postoje i druge mogućnosti(voda, zrak) ili kombinacije (primjerice najpoznatija kombinacija
je ulja i vode kod koje seanoda hladi uljem, a
ulje vodom). Za hlađenje anode značajno je da su osnova i držak anode,
napravljeni od materijala dobre toplinske provodljivosti (molibden). Preko drška se toplina
odvodi izvan rentgenske cijevi do radijatora koji se sastoji od bakrenih pločica, koje su
zajedno sa cijelom rentgenskom cijevi uronjene u uljnu kupku unutar oklopa zračnika.
2.4. Oklop
Oklop rentgenske cijevi služi za zaštitu osoba i okoline od rentgenskog zračenja i struje
visokog napona, ali i za zaštitu same rentgenske cijevi
od mehaničkih oštećenja. Zbog navedenih razloga oklop se sastoji od dva sloja. Jedan sloj je
od izolacijskog materijala (porculan)
te štiti bolesnika i profesionalno osoblje od visokog napona električne struje. Drugi sloj sadrži
olovo pa zaštićuje bolesnika i osoblje od
rentgenskog zračenja. Sloj olovau oklopu rentgenske cijevi nije dovoljno debeo da bi spriječio u
cijelosti prolaz rentgenskih
zraka kroz njega. Dio rentgenskih zraka koje prolaze kroz oklop zove se parazitsko
zračenjeDa bi se potpuno spriječio prolaz rentgenskih zraka kroz oklop, sloj olova
8
trebao bi biti veoma debeli te bi zračnik bio pretežak i prevelik za rukovanje. Količina
parazitskog zračenja je
zakonski limitirana i podliježe redovitoj godišnjoj kontroli. Zakonski
dopuštena količina parazitskog zračenja je 0,1 R u jednom satu na 1 m udaljenosti. Na oklopu se
nalaze tri otvora. Dva otvora, po jedan na strani
svake od elektroda, a služe za dovođenje električne struje provodnicima, te
jedan otvor za izlazak rentgenskih zraka. Otvor kroz kroji prolaze rentgenske zrake zove se proz
ori, površine je cca 5cm2 i nalazi se nasuprot žarišta anode. Rentgenske zrake koje
izlaze kroz prozor čine jednu desetinu sveukupno proizvedenog rentgenskog zračenja i
nazivaju se korisnisnop. Ovo rentgensko zračenje se još naziva primarni snop, budući da nije
oslabljeno interakcijom sa atomima (zraka, bolesnika itd.). U sredini primarnog
snopa nalazise centralnazraka, koja je značajna za određivanje smjera rentgenskih zraka pri
snimanju. Dio rentgenskih zraka korisnog snopa koji dolazi u interakciju s nekim atom i
kod toga mijenja svoje karakteristike (prvenstveno smjer, ali može doći do promjene i
valne dužine, odnosno energije) zove se raspršenozračenje.
Na prozoru rentgenske cijevi nalaze se filtri. Oni
mogu biti od aluminija ili bakra, a služe za zaštitu bolesnika od “mekih” rentgenskih
zrakakoje
ne sudjeluju u stvaranju slike već bi se u cijelosti apsorbirale u površnim dijelovima tijela
bolesnikaPropisana najmanja debljina filtara je 2 mm aluminija, ali mogu biti različitih
debljina ovisno o namjeni rentgenskog uređaja i jačini cijevi. Značajno je istaknuti da se
filtri
koriste samo kod dijagnostičkih uređaja, za razliku od terapijskih uređaja, u kojih se “meki”
dio rentgenskog zračenja koristi u cilju postizavanja terapijskog učinka. Neposredno uz filtar
na prozoru rentgenske cijevi nalazi se sistem za regulaciju veličine korisnog snopa.
Regulacija veličinekorisnog snopa (tubusi i zasloni) Sužavanje veličine korisnog snopa je
potrebno da bi seizbjeglo nepotrebno zračenje bolesnika, a postiže se i veća oštrina snimke.
Stupanj suženjakorisnog snopa definiran je snimanim dijelom tijela, a ne formatom filma. Za
sužavanje snopa rentgenskog zračenja mogu se koristiti tubusi, dijafragme i zasloni.
Na dijagnostičkim uređajima danas se za sužavanje snopa u pravilu koristi duboki prednji
zaslon sa svjetlosnim vizirom (višeslojni sužavajući zastor sa svjetlosnim ciljanikom).
Upotreba tubusa za sužavanje snopa u dijagnostičkih uređaja je napuštena, a mogu se
vidjeti jedino još kod terapijskih rentgenskih uređaja. Tubusi koji se primjenjuju u današnjih
dijagnostičkih uređaja su plastični i služe za doziranu kompresiju pregledavanog dijela tijela
(primjerice kod mamomata). Klasični tubusi za sužavanje snopa bili su od olovnog lima te u
9
obliku krnje šuplje piramide ili stošca različitih veličina. Apsorpcija rubnih zraka
primjenomtubusa bila je oskudna, a manipuliranje s njima naporno. Dijafragme su bile naprednij
i oblik
tubusa unutar kojeg se na užem dijelu (a neki put i na širem) nalazila olovna pločica. Dijafragme
su služile za snimanje kralježnice i kod mijelografije. Duboki prednji zaslon se sastoji od
34 para olovnih pločica koje su postavljene tako da formiraju šuplju krnju piramidu koja je
bazom okrenuta prema anodi, a užim dijelom prema bolesniku. Olovne pločice su širine
oko 2 cm i debljine 0,5 cm, a postavljene su tako da se djelomično preklapaju. Regulacija
širine snopa zračenja postiže se sinhronim pomicanjem svih parova olovnih ploča po
širinijednim vijkom te drugim po dužini. Uz sistem olovnih ploča današnji uređaji imaju
unutar dubokog prednjeg zaslona postavljenu sijalicu s ogledalom koje reflektira svjetlo,
što omogućava procjenjivanje širine snopa rentgenskog zračenja, a ciljanik i određivanje
putanje centralne zrake. U suvremenih,
poglavito dijaskopskih rentgenskih uređaja podešavanješirine primarnog snopa zračenja je autom
atizirano na širinu filma.
2.5. Hlađenje rendgenske cijevi
Hlađenje anode i čitave rendgenske cijevi može se izvesti na nekoliko načina – vodom,
vazduhom i uljem. Efikasnost pojedinih metoda hlađenja je različita, a koji će biti primenjen
zavisi od vrste aparata i njegove snage. U toku emisije x-zraka, bakarni deo anode je zagrejan do
temperature niže od one koju ima anodni fokus. Bakar oduzima toplotu anodnom fokusu i, kao
odličan provodnik, odvodi je dalje od rendgenske cijevi. Kod aparata manje snage na bakarni
deo anode van cijevi, nastavljaju se metalni radijatori oko kojih kruži vazduh, indirektno hladeći
anodu i čitavu rendgensku cijev. Aparati veće snage hlade se preko sistema koji obezbeđuju
cirkulaciju ulja između metalnog i staklenog omotača cijevi. Kod rotaliks-cijevi, kod kojih
postoji uljno hlađenje, samo zahvaljujući efektu rotacije, hlađenje anode je desetosruko
efikasnije.
3. Generator
Dio rentgenskog uređaja koji osigurava potrebnu električnu energiju za proizvodnju
rentgenskih zraka je generator. Izvor električne energije je gradska mreža, a za pogon rentgenske
cijevi treba dvije vrste električne struje:
10
- za grijanje katodne niti struja je niskog napona (oko 10V) te jačine od 1 do 3,5
miliampera pri dijaskopiji, odnosno nekoliko tisuća miliampera pri snimanju
- za ubrzano gibanje elektrona
- struja visokog napona najmanje od 50 kV.do 120 i više kV
Potrebna kvaliteta električne struje ostvaruje se sistemom transformatora, odnosno niskonapon-
skim i visokonaponskim transfomatorom. Osim toga za rad rentgenskog uređaja potrebno je
istosmjerna struja, a ne izmjenična kao što je u struje gradske mreže. Ovo se postiže ventilnim
cijevima ili kenetronima.
Sumarno možemo definirati da su dijelovi generatora rentgenskog uređaja:
- Priključak na gradsku mrežu
- Transformatori
- niskonaponski transformator
- viskonaponski transformator
3.1. Priključak na gradsku mrežu
Za rad rentgenskog uređaja koristi se struja gradske mreže preko posebno zaštićenog (uzemlje-
nog) priključka. Obične utičnice i priključci se ne mogu koristiosim eventualno za portabilne
uređaje.
3.2. Transformatori
Transformatori su građeni od metalne jezgre s dva kraka (u obliku slova U) na koje je
namotana zavojnica dobre provodljivosti električne struje. Krak metalne jezgre bliže
priključku gradske mreže naziva se primar, dok je onaj na izlazu iz transformatora sekundar.
Prema broju zavoja i debljine žice (zavojnice) na krakovima definirana je transformacija struje.
Niskonaponski transformator pretvara relativno visoku struju gradske mreže (220 V) u
struju niskog napona od svega 10 V. Kod ovog transformatora na primaru se nalazi veliki
broj zavoja dok se na sekundaru nalazi mali broj zavoja relativno debele žice.
Visokonaponski trans formator pretvara, u ovom slučaju, struju niskog napona gradske
mreže u struju visokog napona za ubrzavanje elektrona(od 50 KV na više). Na primaru se nalazi
mali broj zavoja za razliku od sekundara na kojem je veoma veliki broj zavoja u kojima se
inducira struja visokog napona. Viskofrekventni transformator je posebna vrsta
visokonaponskog transformatora koji stvara približno stalni napon s oscilatora
11
(visokofrekventnog generatora) frekvencije od 500 do 5.000 Hz i napona od 250 do 400 V u
visoki napon od 25 do 150 kV potreban za rad rentgenske cijevi. Njegove prednosti su uz
stvaranje kontinuirane razine napona i male dimenzije te mala težina pa se može ugraditi uz
samu rentgensku cijev. Visokofrekventni gene rator je najnovija vrsta generatora. Ovaj
generator pretvara izmjeničnu struju napona gradske mreže 220 V i frekvencije 50 Hz u
istosmjerni napon od 250 do 400 V. Taj se istosmjerni napon pomoću
4. Zaključak
Od otkrića renfgenskih zraka 1895 od strane Wilhelma Conrada Röntgena pa do danas evidentan
je ogroman pomak u medicini, i to ne samo u dijagnostičkom dijelu, već u svim oblastima
medicine, kao i u industriji. Danas se dijagnostika ni u jednoj grani medicine ne može zamisliti
bez radiologije.
Rendgen je zrake prvi put otkrio koristeći Kruksovu cijev koja je imala katodu koja se nije
grijala, već se rendgensko zračenje stvaralo jonizacijom vazduha u cijevi. U suštini rendgenska
cijev se nije puno promjenila u suštinskom dizajnu, 1913 godine je američki fizičar Vilijam
Kulidž usavršio Kruksovu cijev tako što je uveo užarenu anodu i vakuum u staklenoj cijevi.
Užarena katoda je bila mnogo učinkovitija.
U početnim fazama razvoja radiološke dijagnostike, izlaganje pacijenata rendgenskim zrakama
je trajalo veoma dugo (čak i preko jednog sata), što je, nomalno, ostavljalo štetne posljedice po
pacijenta. Kasnijim uvođenjem boljih i kvalitetnijih filmova i kaseta, a naročito folija je
12
drastično smanjeno vrijeme izlaganja pacijenta zracima. Najsavremeniji aparati (digitalni) su
sveli to zračenje na minimum.
I da sumiram, otkriće rendgenske cijevi i njeno usavršavanje je definitivno unaprijedilo
kompletnu medicinsku nauku, i današnja medicina se ne može zamisliti kvalitetna dijagnostika
bez upotrebe radiologije.
5. Literatura
1. http://www.medri.uniri.hr/katedre/Radiologija/med.%20radiologija
2. http://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_tube
3. Lovrinčević prof. dr. Antun, Opšta i specijalna radiologija, Univerzitetska knjiga
„Veselein Masleša“, Sarajevo, 1988. Godine.
4. Uvod u radiologiju, Sveučilište u Rijeci, Medicinski fakultet,Katedra za radiologiju,
http://www.medri.uniri.hr/katedre/Radiologija/med.%20radiologija
13