Рентгеновская трубка с вращающимся анодом
Конструкция рентгеновской трубки с вращающимся анодом и регулируемым в широких пределах фокусным пятном позволяет принципиально повысить качество и информативность получаемых рентгеновских изображений в различных областях медицины. Плавная регулировка размеров фокусного пятна обеспечивается путем подачи отрицательного по отношению к катоду управляющего напряжения на фокусирующий электрод. С этой целью оба вывода катода изолированы от фокусирующего электрода посредством керамических изоляторов. Выбор размеров фокусного пятна определяется габаритами, а также особенностями внутреннего строения просвечиваемого органа и может осуществляться автоматически одновременно с выбором режимов рентгеновской съемки. 3 ил.
Заявляемая полезная модель относится к рентгенотехнике, в частности к области разработки рентгеновских трубок, и может быть использовано в медицинской рентгенодиагностике.
Одним из основных параметров, определяющих качество получаемых рентгеновских изображений при проведении рентгенодиагностических исследований в медицине, является размер фокусного пятна рентгеновской трубки. Чем меньше размер фокусного пятна, тем выше резкость и контраст изображения мелких и малозаметных деталей, распознаваемость которых в большинстве клинических случаев имеет решающее значение для ранней и точной установки диагноза (Лагунова И.Б., Чикурдин Э.Б., Ставицкий Р.В. и др. Технические основы рентгеновской диагностики. - М.: Медицина, 1973. - 457 с.).
Однако уменьшение размеров фокусного пятна обуславливает уменьшение тока рентгеновской трубки, поскольку существуют естественные физические ограничения мощности, подводимой к мишени трубки электронным пучком малого размера и рассеиваемой на ней. Уменьшение тока трубки приводит к уменьшению интенсивности генерируемого рентгеновского излучения, что, в свою очередь, накладывает существенные ограничения на размеры и плотность объектов медицинской диагностики.
Например, для распознавания трабекулярного рисунка при диагностике механических травм мелких костей конечностей, остеоартрозов, термических поражений костной ткани и т.д. необходимо использование рентгеновской трубки с размером фокусного пятна 0,02÷0,05 мм. Использование такого фокусного пятна позволяет реализовать перспективную схему съемки с увеличением изображения в несколько раз, что обеспечивает раннюю и точную диагностику при целом ряде заболеваний (Васильев А.Ю. Рентгенография с многократным увеличением в клинической практике. - М.: ИПТК «Логос», 1998. - 148 с.). Ток современных рентгеновских трубок с пятном указанных размеров равен около 100 мкА. При этом токе время просвечивания крупных объектов: головы, тазобедренного сустава, брюшной полости, грудной клетки и т.д. может составлять от нескольких секунд до нескольких десятков секунд, что недопустимо на практике вследствие естественного движения внутренних органов или тремора пациента.
Чтобы обеспечить просвечивание крупных объектов за необходимое малое время в несколько десятых долей секунды ток рентгеновской трубки должен быть равен нескольким десяткам - сотням миллиампер. Для этих целей используются рентгеновские трубки с вращающимся анодом (Основы рентгенодиагностической техники / Под ред. Н.Н.Блинова Учебное пособие. - М.: Медицина, 2002, стр.29). В состав трубки с вращающимся анодом входят: катодный узел, вакуумный баллон и анодный узел. На анодную горловину анода надевается статорная обмотка электродвигателя, обеспечивающего вращение анода. Однако минимальный размер фокусного пятна в таких трубках составляет около миллиметра. Такое достаточно большое фокусное пятно не позволяет получить резкое изображение при съемке объектов, содержащих костную структуру, например, тазобедренного или коленного суставов, плеча и т.д., даже с небольшим увеличением в 1,5-2 раза.
Таким образом, существует техническое противоречие. Рентгеновская трубка с малым фокусным пятном обеспечивает высокоинформативную съемку с увеличением изображения, но вследствие малой мощности не может просветить за короткое время экспозиции такие крупные объекты медицинской диагностики как голова, тазобедренный сустав, брюшная полость, грудная клетка и т.д. Рентгеновская трубка с большим фокусным пятном может просветить перечисленные выше объекты за необходимое короткое время экспозиции, но качество изображения в большинстве случаев будет недостаточным для ранней и точной установки диагноза.
Известны современные рентгеновские трубки с вращающимся анодом для медицинской диагностики, которые имеют катодный узел с двумя катодами (Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. / Под ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроения, 1980. - кн.1. 1980, стр.72). Один - маленький катод, который обеспечивает малое фокусное пятно, его характерные размеры в зависимости от типа трубки могут составлять 0,3÷0,5 мм. Второй - большой катод, обеспечивающий большое фокусное пятно с размерами 1÷5 мм.
Соответственно, при съемке объектов небольшого размера, содержащих мелкие детали строения, например, суставы конечностей рук или ног, включается «малый фокус» трубки. При съемке крупных и плотных объектов, например, головы, тазобедренного сустава, брюшной полости, грудной клетки - включается «большой фокус».
Однако, как показывает практика, в целом ряде областей медицины, например в педиатрии и неонатологии, травматологии и ортопедии, маммологии и т.д. наличие всего двух значений размеров фокусного пятна недостаточно для установления однозначного диагноза. Число выбираемых и устанавливаемых значений размеров нужно существенно увеличивать: расширять диапазон выбора в сторону меньших значений до 0,02÷0,05 мм.
С этой целью в катодном узле рентгеновской трубки с вращающимся анодом можно установить несколько катодов, размеры которых последовательно уменьшаются и, тем самым, обеспечить необходимый набор размеров фокусного пятна. Однако такой способ приведет как к усложнению конструкции рентгеновской трубки и рентгеновского аппарата в целом, так и к увеличению их габаритов и массы. Поэтому оптимальным с точки зрения простоты конструкции, а также обеспечения минимальных габаритов и массы способом устранения описанного выше технического противоречия будет следующее решение: используется катодный узел с одним - большим катодом, а регулировка размеров фокусного пятна в сторону его уменьшения осуществляется путем подачи отрицательного (запирающего) по отношению к катоду напряжения на фокусирующий электрод. В этом случае будет обеспечена плавная регулировка размеров фокусного пятна от максимально возможного значения до минимально необходимого при изменении напряжения на фокусирующем электроде.
В качестве прототипа заявляемой полезной модели используется однофокусная рентгеновская трубка с вращающимся анодом, (Байза К., Хентер Л., Хонбок Ш. Рентгенотехника. - Б.: Из-во А Н Венгрии, 1973, стр.73), включающая в себя вакуумный баллон, анодный узел на основе вращающегося анода с массивной или прострельной мишенью и катодный узел,. В состав катодного узла входят: держатель катода, прямонакальный катод и фокусирующий электрод. Катод выполнен в виде винтовой спирали, выводы которой крепятся в держателе, причем на один из выводов напрессован керамический изолятор. На держателе катода закреплен фокусирующий электрод. В описанной конструкции держатель катода, один из выводов спирали катода и фокусирующий электрод электрически соединены. Второй вывод спирали катода электрически изолирован от фокусирующего электрода посредством керамического изолятора. Благодаря этому обеспечивается нагрев катода путем подачи напряжения накала U H на оба вывода спирали катода.
В такой конструкции катодного узла размеры фокусного пятна рентгеновской трубки определяются геометрическими размерами спирали и фокусирующего электрода, а также их взаимным расположением. Соответственно выбор и регулировка размеров фокусного пятна в зависимости от конкретного объекта исследования не могут быть осуществлены.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка универсальной рентгеновской трубки с вращающимся анодом и регулируемым фокусным пятном, которая обеспечивает получение технического результата, заключающегося в получении высококачественных рентгеновских изображений как объектов небольших размеров, содержащих костные ткани, так и крупных плотных объектов, содержащих мышечные, жировые и др. ткани.
Для получения указанного технического результата рентгеновская трубка, включающая в себя вакуумный баллон, анодный узел на основе вращающегося анода с массивной или прострельной мишенью и катодный узел, содержащий держатель катода, прямонакальный катод, выполненный в виде винтовой спирали, выводы которой крепятся в держателе, и фокусирующий электрод, при этом на обоих выводах спирали установлены керамические изоляторы.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена рентгеновская трубка с вращающимся анодом, на фиг.2 - катодный узел рентгеновской трубки, а на фиг.3 - принципиальная электрическая схема питания рентгеновской трубки.
Рентгеновская трубка с вращающимся анодом (фиг.1) состоит из вакуумного баллона 1, анодного узла 2 с анодом 3 и катодного узла 4.
В состав катодного узла 4 рентгеновской трубки (фиг.2) входят: держатель катода 5, прямонакальный катод 6 и фокусирующий электрод 7. Катод 6 выполнен в виде винтовой спирали, выводы которой крепятся в держателе, причем на оба вывода напрессованы керамические изоляторы 8. На держателе катода 5 закреплен фокусирующий электрод 7. В описанной конструкции только держатель катода 5 и фокусирующий электрод 7 электрически соединены. Катод 6 полностью изолирован от фокусирующего электрода 7.
При работе рентгеновской трубки на оба вывода спирали катода подается напряжение накала. Катод разогревается и в прикатодной области образуется облако свободных электронов. После подачи ускоряющего напряжения положительной полярности между катодом и анодом свободные электроны из этого облака устремляются от катода к аноду, образуя анодный ток рентгеновской трубки. При этом размеры электронного облака определяют размер фокусного пятна рентгеновской трубки. Для регулировки размеров фокусного пятна необходимо подать управляющее напряжение Uупр отрицательной полярности между катодом и фокусирующим электродом (фиг.3). В зависимости от величины управляющего напряжения U упр размеры фокусного пятна 
фп будут изменяться от максимального значения (фп=фп мах) при управляющем напряжении равном нулю до минимального значения (фп~0) при управляющем напряжении равном напряжению запирания Uзап(Uупр=Uзап).
При этом для упрощения эксплуатации рентгеновской трубки с регулируемым фокусным пятном пульт управления рентгеновского аппарата снабжается набором кнопок органавтоматики. Каждая из кнопок набора отмечается символом просвечиваемого органа: палец, кисть, стопа, колено, бедро, грудная клетка, голова и т.д. Путем включения той или иной кнопки на трубку подается управляющее напряжение, обеспечивающее размер фокусного пятна, «соответствующий» просвечиваемому органу с точки зрения получения необходимого качества изображения за необходимое короткое время съемки.
Процедура выбора размеров фокусного пятна может осуществляться автоматически одновременно с выбором режимов рентгеновской съемки просвечиваемого органа.
Рентгеновская трубка с вращающимся анодом, включающая в себя вакуумный баллон, анодный узел на основе вращающегося анода с массивной или прострельной мишенью и катодный узел, содержащий держатель катода, прямонакальный катод, выполненный в виде винтовой спирали, выводы которой крепятся в держателе, и фокусирующий электрод, отличающаяся тем, что оба вывода спирали катода электрически изолированы от фокусирующего электрода посредствам установленных на их концах керамических изоляторов.
