Устройство, принцип действия и применение рентгеновских аппаратов

Введение
     Рентгеновское излучение играет большую роль во множестве направлений таких как, например: наука, производство и медицина.
Рентгеновское излучение находит широкое применение в таких областях как,
дифрактометрия, дефектоскопия и спектральный анализ. Основным направлением использования рентгеновского излучения в медицине является дефектоскопия. При прохождении сквозь ткани и органы, рентгеновский луч оставляет на светочувствительной пленке теневое изображение, позволяющее судить о форме, структуре, локализации и размере тех или иных органов. На основании этих данных специалист может поставить правильный диагноз или уточнить уже поставленный. 
	Целью данной работы является разработка схемы питания для стоматологического аппарата, представляющего собой схему умножения высокого напряжения и рентгеновскую трубку. При этом требуется рассчитать компоненты схемы умножения высокого напряжения и трансформатор для рентгеновской трубки со следующими параметрами:
 рабочее напряжение – 70 кВ;
 рабочий ток – 3 мА;
 врямя работы – до одной секунды.










1 Устройство, принцип действия и применение рентгеновских аппаратов.
     1.1 Устройство и принцип действия.
     Рентгеновский аппарат предназначается для преобразования электрической энергии в рентгеновское излучение. 
     Устройство рентгеновского аппарата зависит от его функциональных возможностей, но в целом можно выделить основные элементы присущие практически всем рентгеновским аппаратам. Рентгеновский аппарат состоит из источника излучения, устройства питания, системы управления и периферии. 
     Питание аппарата осуществляется обычно от промышленной электросети переменного тока в 126 или 220 В. Однако современные рентгеновские установки питаются от источников высокого напряжения при постоянном токе. Таким образом в состав современных устройств питания входят трансформатор (система трансформаторов) и выпрямитель тока. При достаточно низкой мощности аппарата выпрямитель может отсутствовать.
     Генератором излучения называется рентгеновская трубка. В зависимости от назначения рентгеновских трубок может быть несколько. 
     Система управления –  это распределительное устройство, то есть пульт управления, который регулирует 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.
     Принцип работы установки следующий: переменный ток от электросети поступает на первичную обмотку трансформатора. На его вторичной обмотки образуется более высокое напряжение, которое подается на излучатель непосредственно (полуволновые установки) или через выпрямитель –  кенотрон. Работа рентгеновской трубки регулируется путем изменения накала катодной нити.
     Сама рентгеновская трубка –  это достаточно простое устройство, представляющее из себя вакуумный диод (рисунок 1).
     
     Рисунок 1 – Рентгеновская трубка.
     На находящиеся в вакууме в запаянном сосуде катод и анод («антикатод») подается мощный постоянный электрический потенциал. В результате электроны эмитируются с катода, ускоряются в электрическом поле и резко тормозятся в результате соударении с анодом. При столкновении электронов с анодом образуется так называемое «тормозное излучение», то есть генерируется электромагнитное излучение рентгеновского диапазона. Одновременно с этим выбиваются электроны из внутренних частей электронных оболочек атомов металла, из которого состоит анод, а получившиеся пустые места заполняются электронами из внешних слоев электронных оболочек. В ходе этого процесса так же испускается характеристическое рентгеновское излучение, спектр которого различен для каждого материала.
     При подачи на трубку энергии, только очень малая ее часть (не более 1%) переходит в энергию рентгеновского излучения, остальная часть энергии переходит в тепло, которое прежде всего нагревает анод. Для того чтобы избежать повреждения анода от перегрева, анод изготавливают с использованием тугоплавких материалов, таких как вольфрам и молибден, 
либо конструируется специальные системы охлаждения такие как водное охлаждение и вращающийся анод.
     Современные рентгеновские установки снабжаются специальными устройствами для стабилизации тока и защиты излучателя от перегрузки. Кроме того, устанавливается системы защиты окружающих от избыточного излучения и также от тока высокого напряжения. 
     1.2 Применение рентгеновских аппаратов в медицине.
     В медицине применяется рентгеновское излучение с длинами волн в диапазоне 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 фотографии, применяется при исследование внутренней структуры объектов, изображение которых рентгеновскими лучами проецируется на пленку, фотобумагу и т.п. поверхности. Рентгеноскопия (просвечивание) – метод исследования, при котором изображение исследуемого 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 при таком методе исследования увеличивается доза облучения объекта. В зависимости от области применения конкретного рентгеновского аппарата, 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.
    1.3 Питающие устройства для рентгеновских трубок.
     Питающие устройство является одним из основных элементов рентгеновских аппаратов и комплексов. Главным назначением этого устройства является обеспечение питания рентгеновской трубки электрической энергией. Кроме того, оно выполняет целый ряд дополнительных функций, число которых особенно велико в рентгеновских диагностических аппаратах и комплексах.
     Устройством рентгеновским питающим (УРП) называется комплекс электрической, электромеханической и электронной аппаратуры, обеспечивающий питание рентгеновской трубки, выбор, регулирование и стабилизацию режимов ее работы, ее защиту от перегрузки при проведении различных видов диагностических исследований, а также согласованное взаимодействие всех узлов и блоков рентгеновского аппарата.
     Основными техническими параметрами УРП являются: диапазон регулирования анодного напряжения (кВ) и анодного тока (мА) рентгеновской трубки при снимках (рентгенографии) и просвечивании (рентгеноскопии); предельно допустимая мощность, выделяемая на аноде трубки (кВт) при снимках и просвечивании; диапазон длительностей включения рентгеновского излучения (с) или количества электричества, протекающего через трубку (мКл); точность выполнения установок анодного напряжения и тока, количества электричества или длительности включения излучения.
     Радиационными показателями качества работы УРП являются: стабильность дозы излучения, спектральный состав, удельный радиационный выход.
     Диапазон рабочих напряжений УРП медицинских рентгеновских аппаратов в зависимости от назначения меняться от 10 до 400кВ и более. Для рентгенодиагностических аппаратов это значение ограничивается 150кВ. Более высокие напряжения имеют УРП рентгеновских аппаратов предназначенных для глубокой терапии.
     Диапазон регулирования анодного тока составляет от десятых долей миллиампер в режиме просвечивания до 2-3А в режиме снимка.
    В зависимости от длительности включения рентгеновского излучения различают следующие режимы работы УРП: длительный, повторно-кратковременный и кратковременный. На длительный режим рассчитаны УРП аппаратов для лучевой терапии (до 30 мин). Повторно-кратковременный режим используется при рентгеноскопии до 5 минут с мощностью 100-500Вт. Кратковременный режим находит применение при рентгенографии с мощностью от 0,5 до 200кВт и длительностью от 0,001 до 10 секунд. При этом необходимы перерывы между включениями от десятков секунд до нескольких минут во избежание перегрева и выхода рентгеновской трубки из строя. Допустимые длительности рабочих циклов и перерывов определяются нагрузочной способностью рентгеновской трубки и рентгеновского излучателя.
    Системы УРП непрерывно совершенствуются в направлении улучшения их технических и эксплуатационных характеристик.
    Основная тенденция развития УРП на современном этапе это введение микропроцессорной техники для автоматизации управления аппаратом, повышения удобства обслуживания, расширение автоматики управления по исследуемым органам тела, технической диагностики, повышение надежности, уменьшения массы и габаритов, широкое использование преобразования напряжения на повышенной частоте для получения анодного напряжения рентгеновских трубок.
     Питающие устройства диагностических аппаратов и комплексов можно классифицировать по области применения, условиям эксплуатации, конструктивным и электрическим параметрам. Различают УРП аппаратов для общей диагностики и специального назначения.
     К первым относят: УРП стационарных аппаратов различной мощности (до 200кВт), предназначенные для типовых медицинских исследований внутренних органов человека (снимки, просвечивание, фото- и киносъемка с экрана усилителя рентгеновского изображения, линейная томография); УРП передвижных аппаратов, предназначенные для исследований нетранспортабельных больных в условиях стационара (палатные), в полевых условиях (разборные) и на дому (переносные). К указанной группе УРП, в зависимости от условий эксплуатации, предъявляются конструктивно-технические требования, а именно массогабаритные параметры, возможность автономного питания и т.д. В связи с этим мощность УРП передвижных аппаратов не превышает 15-25кВт, а излучатели часто выполняют в виде моноблока.
     Ко вторым относят УРП предназначенных для проведения специальных исследований (флюорография, маммография, ангиография), для работ в условиях хирургической операционной, для дентальных, урологических аппаратов и т.д.
     УРП для вычислительных томографов также относят к специализированным питающим устройствам. Однако к параметрам таких РПУ предъявляют значительно более высокие требования, чем в обычных рентгенодиагностических аппаратах, что обусловлено необходимостью получения высококачественного излучения – важного условия достоверности получаемых томографических изображений. К рентгеновским питающим устройствам, которые предназначены для систем вычислительной томографии, предъявляются исключительно высокие требования к стабильности выходных параметров. В частности, нестабильность напряжения на рентгеновской трубке не должна превышать 0,1-0,5%; тока – 0,5-1%.
     Рентгенотерапевтические аппараты используются для поверхностной, внутриполостной и глубокой терапии. УРП для поверхностной терапии обеспечивают питание трубки постоянным напряжением (10-60) кВ, для внутриполостной до 100кВ, для глубокой до 300-400кВ и более. Мощность порядка 1-3кВт, продолжительность непрерывной работы от секунд до десятков минут. В связи с продолжительным режимом работы предъявляются повышенные требования к системам защиты трубки и излучателя от перегрева.
     1.4 Схемы умножения напряжения.
     Схема удвоения с пульсирующим напряжением приведена на рисунке 2
     
     Рисунок 2 – Схема удвоения с пульсирующим напряжением.
     При холостом ходе конденсатор С, зарядившись через вентиль V до максимального напряжения трансформатора, находится под постоянным напряжением U_c=U_2M. Трубка включена последовательно с конденсатором и трансформатором , в следствие чего напряжение на трубке пульсирует от U_a=0 до U_a=?2U?_2M. При нагрузке работа схемы заключается в разрядке через трубку. Поскольку трубка работает в режиме насыщения и ток трубки не зависит от напряжения, разрядный ток в процессе зарядки остается постоянным и напряжение конденсаторов уменьшается равномерно. Уменьшение напряжения U_aM по сравнению с напряжением холостого хода будет тем больше, чем больший ток проходит через трубку и чем меньше емкость конденсатора. При зарядке конденсатора его напряжение увеличивается до u_c=U_CM=U_2M, после чего начинается разрядка. В установившемся режиме количество электричества, отданное конденсатором при разрядке, равно полученному им при зарядке. Чтобы напряжения U_aMне сильно отличалось от напряжения холостого хода, емкость конденсатора берут достаточно большой. Поэтому мгновенное значение зарядного тока намного больше тока трубки, и при зарядки происходит заметное падение напряжения в главной цепи УРП, вследствие чего максимальное значение напряжения конденсатора может заметно отличаться от максимального напряжения при холостом ходе.
    Выпрямители с удвоением напряжения (схема Латура) (рисунок 3) применяются в высоковольтных выпрямителях.
    
    Рисунок 3 – Схема Латура.
    При холостом ходе U_С1=U_С2=U_2M, а на выходе схемы действует постоянное напряжение, равное сумме напряжений конденсаторов: U_aM=?2U?_2M. Вентили находятся под пульсирующим обратным напряжением с максимумом, равным напряжению U_aM. При нагрузке каждый из конденсаторов заряжается через свой вентиль и разряжается через трубку. Зарядка одного конденсатора сдвинута во времени относительно зарядки второго конденсатора на половину периода. В промежутках между зарядками конденсаторы включены последовательно с рентгеновской трубкой, на которую они разряжаются. Напряжение на выходе схемы при нагрузке меньше удвоенной амплитуды напряжения трансформатора и имеет пульсации, определяемые током трубки и емкостью конденсаторов . Емкость следует выбирать так, чтобы при номинальном режиме пульсации не превышали 10% от U_aM. В данной схеме могут использоваться как полупроводниковые, так и кенотронные вентили. С полупроводниковыми вентилями выпрямители используются на напряжения 300–1000 В и ток нагрузки до 200 мА, с кенотронными вентилями – на напряжения более 1000 В и ток нагрузки до 100 мА. Выпрямители с удвоением напряжения обладают следующими преимуществами: повышенная частота пульсации, пониженное обратное напряжение, хорошее использование трансформатора, возможность работы без трансформатора. Недостатки – невозможность установки однотипных полупроводниковых вентилей на одном радиаторе без изоляции, возможность появления пульсации с частотой сети. 
    Выпрямители с умножением напряжения (рисунок 4) применяются в высоковольтных выпрямителях при напряжениях свыше 1000 В и выходных мощностях до 5–10 Вт, например, для питания электронно-лучевых трубок.
     
     Рисунок 4 – выпрямитель с умножением напряжения.
     



.......................