X-Ray Equipment: Radiation Physics - Week 3 PDF

 History Of X-Rays As with many of mankind's monumental discoveries, x-ray technology was invented completely by accident. In 1895 , a German physicist named Wilhelm Roentgen made the discovery while experimenting with electron beams in a gas discharge tube. Roe...

 History Of X-Rays As with many of mankind's monumental discoveries, x-ray technology was invented completely by accident. In 1895 , a German physicist named Wilhelm Roentgen made the discovery while experimenting with electron beams in a gas discharge tube. Roentgen noticed that a fluorescent screen in his lab started to glow when the electron beam was turned on. ‫ تم اختراع تقنية األشعة السينية تما ًما عن‬، ‫كما هو الحال مع العديد من االكتشافات البشرية الضخمة‬.‫طريق الصدفة‬ ‫ قام عالم فيزيائي ألماني يُدعى فيلهلم رونتجن بهذا االكتشاف أثناء تجربة أشعة‬، 1895 ‫في عام‬.‫ الحظ رونتجن أن شاشة فلورية في مختبره بدأت في التوهج عندما تم تشغيل شعاع اإللكترون‬.‫اإللكترون في أنبوب تفريغ الغاز‬ Dr.Roentgen refused to patent any of the apparatus associated with the production of x- rays believing that this new discovery should be used for " the good of man". ‫رفض الدكتور رونتجن تسجيل براءة اختراع ألي جهاز مرتبط بإنتاج األشعة السينية معتقدًا أن هذا االكتشاف الجديد يجب أن يستخدم من أجل‬."‫"خير اإلنسان‬ Uses For X-Ray Energy: Diagnostic: Methods used to determine the source or cause of a disease, disorder, or traumatic injury. ‫األساليب المستخدمة لتحديد مصدر أو سبب مرض أو اضطراب أو إصابة‬ Therapeutic: Methods used to treat and rehabilitate a disease, disorder, or traumatic injury. ‫األساليب المستخدمة في عالج وإعادة تأهيل مرض أو اضطراب أو إصابة‬ X-Ray Equipment: The Envelope: The primary functions of the envelope are to provide support and electrical insulation for the anode and cathode assemblies and to maintain a vacuum in the tube, and allows unimpeded electron flow across tube ‫تتمثل الوظائف األساسية لمغلف أنبوب االشعة في توفير الدعم والعزل الكهربائي لتجميعات األنود والكاثود‬.‫والحفاظ على فراغ في األنبوب‬ The presence of gases in the x ray tube would allow electricity to flow through the tube freely, rather than only in the electron beam. This would interfere with x ray production and possibly damage the circuit , Tube failure if it becomes Gassy ‫ليش بدنا يكون فراغ ؟ النه لما يكون في غازات رح تتصادم فيها االلكترونات وبالتالي بتعيق‬. ‫حركتها وبتقل كفاءة االشعة السينية الناتجة‬ The majority of x-ray tubes have glass envelopes, although tubes for some applications have metal and ceramic envelopes. ‫اغلب انابيب االشعه بتكون‬  Housing The x-ray tube housing provides several functions in addition to enclosing and supporting the other components..‫يوفر العديد من الوظائف باإلضافة إلى إحاطة ودعم المكونات األخرى‬ It functions as a shield and absorbs radiation, except for the radiation that passes through the window as the useful x-ray beam..‫ باستثناء اإلشعاع الذي يمر عبر النافذة باعتباره حزمة األشعة السينية المفيدة‬، ‫يعمل كدرع ويمتص اإلشعاع‬ Its relatively large exterior surface dissipates most of the heat created within the ‫يبدد سطحه الخارجي الكبير نسبيًا معظم الحرارة المتولدة داخل األنبوب‬tube The space between the housing and insert is filled with oil, which provides electrical insulation and transfers heat from the insert to the housing surface. ‫ مما يوفر العزل الكهربائي وينقل الحرارة من المدخل إلى سطحه‬، ‫تمتلئ المساحة بين الغالف والمدخل بالزيت‬ → The housing controls leakage and scatter radiation, isolates the high voltages, and provides a means to cool the tube..‫ ويوفر وسيلة لتبريد األنبوب‬، ‫ ويعزل الفولتية العالية‬، ‫يتحكم الغالف في تسرب وتناثر اإلشعاع‬ → Leakage Radiation : Any photons that escape from the housing except at the port. Leakage radiation must not exceed 100 mR/hr at 1 meter..‫ هو أي فوتونات تخرج من االنبوب باستثناء االشعاع الذي يمر عبر النافذه باعتباره االشعاع المستخدم في التصوير‬: ‫االشعاع المتسرب‬ Vacuum enclosure: → Vacuum enclosure pyrex glass or grounded Al ‫غالف مفرغ مكون من زجاج البايريكس وحبيبات االلمونيوم‬ → High vacuum no air molecules to impede or cause secondary ionizations ‫عالي التفريغ من الهواء بحيث التسبب جزيئات الهواء عرقلة لاللكترونات او أي تأين ثانوي‬ → insulator and or grounded for high voltage applications ‫يعمل كعازل عند تطبيق فرق جهد عالي‬ → able to handle high temperatures and thermal expansion ‫قادر على التعامل مع درجات الحرارة العالية والتمدد الحراري‬ ▪ Tubes for CT : ▪ Conventional Tube Design → Conventional anode cools down slowly after exposure ▪ Straton Tube → Straton anode never accumulates heat during exposure Tube requirements Needs DC (is in fact a vacuum tube diode) → Can only conduct in one direction: Need HV for X-ray production cathode negative with respect to anode → ½ mv 2 into hv and 110 Volts vs Because of thermionic emission Therefore 110 thousand volts need rectifiers; convert AC to DC → need transformers (changes voltage) the main x-ray circuit ‫ الجزء األزرق ( اللي من فوق ) هو‬.‫ بالرسمة اللي تحت موجوده األجزاء المهمة من الدائرة‬. ‫ مهم تعرفوا مكان كل اشي واسمه‬.the filament circuit ‫والجزء البني ( اللي من تحت ) هو‬ 1.Main Breaker: This is where the alternating current comes from to power the circuit. 2. Exposure Switch: When you push the button to start an exposure this switch closes to start the exposure. 3. Autotransformer: this is where you adjust the kVp for the exposure. 4. Timer Circuit: this part of the circuit stops the exposure. 5. High Voltage Step Up Transformer : This transformer bumps the voltage up so that the x ray tube has very high voltage to make the electrons have enough energy to form x rays. 6. Four Diode Rectification Circuit: This makes the current only go in one direction through the x ray tube. 7. Filament Circuit Variable Resistor: This variable resistor adjusts the current going to the filament. 8. Filament Step Down Transformer: This transformer steps the voltage down and therefore the current up. 9. X-Ray Tube: this is where the x rays are created. 10. Rotor Stator: this rotates the anode.  The Types Of Generators That Could Power The X Ray Machine: → Single Phase Generators : 1ф2P (Single phase, two pulse) Voltage ripple of 100% ‫ فولت و ودخل محول مصعد‬220 ‫من الشكل بنشوف انه التيار دخل‬ AC ‫ قامت بتحويل التيار من متردد‬diodes ‫وزاد فرق الجهد وال‬ %100 ‫ هون‬ripple ‫ وكانت نسبة ال‬DC ‫الى مباشر‬ → Three Phase Generators: 3ф 6 P (three phase, 6 pulse) The voltage ripple is about 13 % and an x ray ripple of about 50% 35%more average photon energy than full wave rectified, single phase. ‫ من‬%35 ‫هون طاقة الفوتون بتكون اكبر ب‬ single phase ‫ال‬ 3 ф 12 P (three-phase 12 pulse) Voltage ripple of 4 -10 %. 40% more average photon energy than full wave rectified single pulse. single phase‫ من ال‬%40 ‫هون طاقة الفوتون بتكون اكبر ب‬ With three phase, 12 pulse power the voltage ripple is about 3 % and the x-ray ripple is about 10 %. Remember that the less ripple the better ‫ وشو‬ripple ‫ المطلوب من هاي الرسمات كلها نعرف قيمة ال‬ ‫ عنا اربع أنواع من مولدات الطاقه (الرابعه‬. ‫نوع المولد اللي عملها‬ ) high frequency ‫ماحكينا عنها اللي هي طاقة التردد العالي‬ X-RAYS: Do occur naturally ‫تحدث بشكل طبيعي‬ All medical X ray generated by machine with X-ray Tube and High Voltage Generator ‫يتم إنشاء جميع األشعة السينية الطبية بواسطة الجهاز باستخدام أنبوب األشعة السينية ومولد الجهد العالي‬ Conversion of Electrical Energy to Electromagnetic Radiation ‫هي عملية تحويل الطاقة الكهربائية إلى إشعاع كهرومغناطيسي‬  Properties of X-rays: X-rays travel in straight lines. ‫تنتقل األشعة السينية في خطوط مستقيمة‬. X-rays cannot be deflected by electric field or magnetic field..‫ال يمكن أن تنحرف األشعة السينية عن طريق المجال الكهربائي أو المجال المغناطيسي‬ X-rays have a high penetrating power. ‫لألشعة السينية قدرة اختراق عالية‬. Photographic film is blackened by X-rays. ‫الفيلم الفوتوغرافي أسود بسبب األشعة السينية‬. Fluorescent materials glow when X-rays are directed at them. ‫تتوهج المواد الفلورية عند توجيه األشعة السينية إليها‬ Photoelectric emission can be produced by X-rays. ‫يمكن إنتاج االنبعاث الكهروضوئي بواسطة األشعة السينية‬ Ionization of a gas results when an X-ray beam is passed through it. ‫يتأين الغاز عند مرور شعاع من األشعة السينية من خالله‬ X-Ray Tubes: Vacuum Tube Diode: Cathode and anode in glass envelope (with protective housing) that produces x-rays when electrons from the filament ( cathode) are accelerated across a high voltage and strike target ( anode). ‫الكاثود واألنود في غالف زجاجي االشعة عندما يتم تسريع اإللكترونات من الفتيل (الكاثود) عبر جهد عالي واصتدامها باالنود‬ Objective: Provide electron flow of proper intensity ( tube current, mA) and proper energy ( tube voltage, kVp) to produce x-rays of desired quantity and quality penetrability). ‫) إلنتاج أشعة سينية بالكمية المطلوبة‬kVp /‫ مللي أمبير) وطاقة مناسبة (جهد أنبوب‬/‫يتم تأمين تدفق إلكترون بكثافة مناسبة (تيار أنبوب‬.)‫وقابلية االختراق المناسبه‬ Parts Of The X-Ray Tube: ➔ Cathode Assembly : (Negative) Consists of the filament, focusing cup, and associated wiring. A) Filament : 0.2 mm coiled tungsten wire The Filament is where the electrons for the production of X Rays are emitted. 1.Thermionic Emission (TE) if heated above 2200 o ‫يقوم باالنبعاث الحراري عند تسخينه اعلى من‬2200 ‫درجة‬ ‫مئوية‬ 2.High melting point ( 3370 o for Tungsten Z= 74) ‫ حسب نقاوة التنجستن‬3370 ‫ الى‬3340 ‫درجة انصهاره عالية تتراوح بين‬ 3.Low tendency to vaporize (melting point is much higher than thermionic emission temperature) ( ‫ميل منخفض للتبخر (نقطة االنصهار أعلى بكثير من درجة حرارة االنبعاث الحراري‬ 4.Alloy with 1-2 % Thorium ( Z= 90 ) increases TE efficiency ‫يخلط مع عنصر الثوريوم بنسبة قليلة لزيادة كفاءة االنبعاث الحراري‬ ➔ Thermionic Emission (TE) Filament Current (FC): → Controls filament heating, which controls TE ‫ والذي يتحكم في االنبعاث‬، ‫يتحكم في تسخين الفتيل‬ → Above TE temperature, small increase in Filament Current yields large increase in tube current (mA) )‫ تؤدي الزيادة الطفيفة في تيار الفتيل إلى زيادة كبيرة في تيار األنبوب (مللي أمبير‬،‫فوق درجة حرارة االنبعاث‬ Space Charge: → thermionic emission results in an Cloud of TE electrons surrounds filament ‫ تحيط بالفتيل‬TE ‫ينتج عن االنبعاث الحراري سحابة من إلكترونات‬ → As more and more electrons build up in the area of the filament, their negative charges begin to oppose the emission of additional electrons and inhibits further TE (electrostatic repulsion) ‫ تبدأ شحناتها السالبة في معارضة انبعاث إلكترونات إضافية وتثبط المزيد من‬، ‫مع تراكم المزيد والمزيد من اإللكترونات في منطقة الفتيل‬ )‫االنبعاث الحراري (التنافر الكهروستاتيكي‬ → High FC (filament current) with Low kVp may cause space charge limitation kvp ‫الحل لحتى نحد من هاي الشغله بنرفع تيار الفتيل وبنخفض ال‬ → sufficiently large cloud → repel further emissions ) ‫صد المزيد من االنبعاثات ( هاد االشي سلبي‬‫سحابة كبيرة بما فيه الكفاية‬ Saturation Current : (‫)تيار االشباع‬ As kVp increases, a greater percentage of the thermionically emitted electrons are driven toward the anode ‫ يتم دفع نسبة أكبر من اإللكترونات المنبعثة حراريًا نحو األنود ( الحد االقصى من التيار اللي بنطبقة على الفتيل لحتر‬، kVp ‫مع زيادة‬ ‫يعطينا اكبر كمية انبعاث حراري وبالتالي اكبر كمية الكترونات وبالتالي اكبر كمية اشعه ) (بس الزم نعمل حسابنا انه هاد التيار مايكون زيادة‬ )‫بحيث يحترق الفتيل‬ milliAmpere (mA) selector: The mA (milliAmpere) setting determines the amount of current that will flow through the filament in the cathode. This filament is very thin; it doesn’t take much current (voltage) to make it very hot. The higher the mA setting, the higher the filament temperature and the greater the number of electrons that are produced. ‫ كلما‬.‫ ال يتطلب الكثير من التيار (الجهد) لجعله شديد السخونة‬.‫ هذا الخيط رقيق جدا‬.‫يحدد مقدار التيار الذي سيتدفق عبر الفتيل في الكاثود‬.‫ زادت درجة حرارة الشعيرة وزاد عدد اإللكترونات التي يتم إنتاجها‬، mA ‫زاد إعداد‬ Dual Focus: A two filament arrangement within the x-ray tube. Some tubes have two filaments so that the tubes can have a greater variety of exposures. ‫زي م احنا شايفين بالصوره كل فتيل اله داره خاصه فيه‬ ‫ لهيك حسب الحاله اللي بدنا نصورها بتغلق‬، ‫والفتيل الكبير بيعطينا كمية اشعه اكبر من الفتيل الصغير‬ ‫دارة الفتيل اللي بدنا نستخدمه‬ the autotransformer is where you select the milliamps for the filament. The filament selector is where the different filaments are selected..‫المحول التلقائي هو المكان الذي تحدد فيه المللي أمبير للفتيل‬ ‫محدد الفتيل هو المكان الذي يتم فيه اختيار الفتيل حسب الحاله اللي بدنا نصورها طبعا‬ B) Focusing Cup : (Negative) A shallow depression in the cathode assembly designed to house the filament , The focusing cup is a place where the electrons are accumulating so that there are enough electrons to produce X Rays. The focusing cup is negatively charged so that when the electrons are emitted by the filament they will congregate by the filament and will surge across to the anode when the exposure begins.( focuses electrons onto small target area.) ‫ يكون مشحون سالبًا بحيث عندما تنبعث‬.‫هو مكان تتراكم فيه اإللكترونات بحيث يكون هناك ما يكفي من اإللكترونات إلنتاج األشعة السينية‬ ‫ فإنها سوف تتجمع وستندفع عبر القطب الموجب عند بدء التعرض (يركز اإللكترونات على منطقة صغيرة‬، ‫اإللكترونات من الفتيل‬ )‫مستهدفة‬ Some Important Notes : The basic function of the cathode is to expel the electrons from the electrical circuit and focus them into a well defined beam aimed at the anode..‫تتمثل الوظيفة األساسية للكاثود في طرد اإللكترونات من الدائرة الكهربائية وتركيزها في حزمة محددة جيدًا تستهدف االنود‬ The typical cathode consists of a small coil of wire (a filament) recessed within a cup shaped region ‫يتكون الكاثود النموذجي من ملف صغير من األسالك (خيوط) متداخلة داخل منطقة على شكل كوب‬ Electrons that flow through electrical circuits cannot generally escape from the conductor material and move into free space. ‫ال يمكن لإللكترونات التي تتدفق عبر الدوائر الكهربائية بشكل عام الهروب من مادة الموصل واالنتقال إلى الخارج‬ The filament of the cathode is heated in the same way as a light bulb filament by passing a current through it..‫يتم تسخين خيوط الكاثود بنفس طريقة تسخين خيوط المصباح الكهربائي عن طريق تمرير تيار من خالله‬ This heating current is not the same as the current flowing through the x ray tube (the MA) that produces the x radiation. ‫( تيار االنبوب بختلف عن تيار‬.‫) الذي ينتج اإلشعاع السيني‬MA( ‫تيار التسخين هذا يختلف عن التيار المتدفق عبر أنبوب األشعة السينية‬ ) ‫ رح نعرف لقدام انه عنا تيار االنبوب بكون فرق جهده علي وتيار الفتيل اله فرق جهد منخفض‬، ‫الفتيل‬ During tube operation, the cathode is heated to a glowing temperature, and the heat energy expels some of the electrons from the cathode. ‫ وتطرد الطاقة الحرارية بعض اإللكترونات من الكاثود‬، ‫ يتم تسخين الكاثود إلى درجة حرارة متوهجة‬، ‫أثناء تشغيل األنبوب‬ ➔ Anode Assembly :(positive) Consists of the anode, stator, and rotor. The anode is positively charged so that the electrons from the filament (cathode) are attracted to it to produce x rays. The rest of the anode assembly are there so that the anode can rotate and have a bigger target for the electrons. A) Stator : The stator is the stationary part of an electric motor or alternator. Depending on the configuration of the motor the stator may act as the field magnet, interacting with the armature to create motion. The stator may be either a permagnet or an electromagnet. ‫ قد‬، ‫ اعتمادًا على تكوين المحرك‬.‫هو الجزء الثابت من المحرك الكهربائي أو المولد‬ ‫سا‬ ً ‫سا ثابت ًا أو مغناطي‬ ً ‫ قد يكون الجزء الثابت إما مغناطي‬.‫ يتفاعل مع المحرك لتكوين الحركة‬، ‫يعمل الجزء الثابت كمغناطيس مجال‬ ‫كهربائيًا‬. Rotor : The rotor is the non stationary part of a rotary electric motor or alternator, which rotates because the wires and magnetic field of the motor are arranged so that a torque is developed about the rotor's axis. ‫ والذي يدور ألن‬، ‫الجزء المتحرك وغير الثابت من المحرك الكهربائي الدوار أو المولد‬.‫األسالك والحقل المغناطيسي للمحرك يتم ترتيبهما بحيث يتم تطوير عزم حول محور الدوران‬ Anode Types 1. Stationary: Small tungsten target (for x ray production) embedded in copper (for heat conduction ‫هدف صغير (إلنتاج األشعة السينية) في تحته طبقة من النحاس‬ )‫(للتوصيل‬ Limited to low output uses (e.g., dental) )‫يقتصر على استخدامات اإلنتاج المنخفض (تصويراألسنان‬ 2. Rotating Anode: Tungsten ring provides large total target area ‫توفر حلقة التنغستن مجال هدوف أوسع‬ 10 % rhenium alloy reduces thermal stress ‫إضافة الرنيوم تقلل من اإلجهاد الحراري‬ Molebdenum disk and (sometimes) graphite back to reduce weight, increase heat capacity ‫قرص الموليبدينوم و (أحيانًا) الجرافيت يعود لتقليل الوزن وزيادة السعة الحرارية‬ Rotor: part of induction motor ( 3600 -10,000 rpm) ‫عدد الدورات في الدقيقه‬ Must Provide: Electrical conduction (part of HV circuit) Target for electrons (i.e, x-rays produced) High thermal capacity (> 99 % of electrons energy will end up as heat in anode) Line Focus Principle: Small target angle relative to tube axis Yields smaller effective focal spot size To balance heat absorbtion and resolution ‫العالقة بين حجم‬focal spot ‫ وتحمل الحراره طردي وعكسي مع الدقه ( كلما كانت حجم ال‬focal spot ‫اكبر بتتحمل‬ ‫ والعكس صحيح ) ف احنا بنستخدم هاد المبدأ الل هو ال‬، ‫حراره اكبر بس الدقه بتكون اقل‬line focus principle ‫انو‬ ‫ بنميل االنود بزاويه بحيث نحصل على السعه الحرارية تبعت ال‬focal spot ‫ الكبيره والدقة تبعت ال‬focal spot ‫الصغيره‬ Angled anode face ( 12- 20 degrees) allows: ✓ larger actual focal spot size) ‫(وبالتالي سعة حرارية اكبر‬ ✓ smaller effective focal spot size)‫(وبالتالي دقة اكبر‬ ➔ Decreasing angle decreases heat capacity but increases resolution  ➔ Anode Construction: The base is made of graphite for a solid base. The target is made of a tungsten rhenium alloy. The parts holding the target are made of molybdenum. ➔ Anode Functions : → convert electronic energy into x radiation ‫تحويل الطاقة اإللكترونية إلى اشعة سينية‬ → to dissipate the heat created in this process(The material for the anode is selected to enhance these functions) ) ‫لتبديد الحرارة الناتجة عن هذه العملية (يتم اختيار مادة األنود مناسبة لهذه الوظيفة‬ Anode Heel Effect : Due to the geometry of the angled anode target, the radiation intensity is greater on the cathode side. ( Lower anode side x-ray output) ‫ بتكون كثافة اإلشعاع أكبر على جانب الكاثود‬،‫هاد اشي سلبي صار لما ميلنا االنود‬ As the figure below indicates the intensity of the x- ray beam is greater towards the cathode (filament) end of the tube.( Lower anode side x- ray output) ‫يعني انه االشعه بتكون من جهة االنود قليله‬ ‫‪ The reason that the Heel Effect occurs is illustrated.‬‬ ‫‪The letters represent interactions with electrons from the‬‬ ‫‪cathode and the lines coming from the interactions are x rays.‬‬ ‫‪More x rays will be able to get out of the anode on the right‬‬ ‫‪side (the angle side) than on the left side because of all the‬‬ ‫‪material the x rays must pass through to get out of the anode.‬‬ ‫تمثل األحرف التفاعالت مع اإللكترونات القادمه من الكاثود والخطوط الطالعه من االحرف هي األشعة‬ ‫السينية‪.‬األشعة السينية اللي بتطلع من األنود الموجود على الجانب األيمن (جانب الزاوية) اكبر‬ ‫مقارنة بالجزء األيسر بسبب كل المواد التي يجب أن تمر األشعة السينية من خاللها للخروج من‬ ‫األنود‪ (.‬يعني اللي بكونوا جهة الزاويه مافي مسافه كثير يخترقوها وكل مابعدوا عن الزاويه بتزيد‬ ‫المسافه اللي رح يقطعوها وبتقل الطاقه )‬ ‫( الجزء من حزمة االشعه اللي بكون باتجاه االنود بتكون كثافته قليلة نتيجة تفاعل االلكترونات مع مادة االنود وبالتالي كمية الفوتونات‬ ‫الناتجه من هاي الجهه رح تكون اقل ) دن ؟‬ ‫‪Heel Effect : reduction of the X-ray intensity at the anode side of an X-ray field.‬‬ ‫? ‪Why‬‬ ‫‪1. the anode angle will make the anode shade the part of the X-ray beam emitted in the‬‬ ‫‪anode side of the field‬‬ ‫ستجعل زاوية األنود ظل األنود جز ًءا من حزمة األشعة السينية المنبعثة في جانب األنود‬ ‫‪2. the focused electron beam from the cathode penetrates the anode surface slightly‬‬ ‫جزء من اإللكترونات القادمة من الكاثود تخترق سطح األنود قليالً‬ ‫‪3. The distance to penetrate on the cathode side is much shorter than the mean energy of‬‬ ‫‪the X-ray spectrum is higher at the edge of the field on the anode side than in the rest of‬‬ ‫‪the X-ray field.‬‬ ‫المسافة التي يجب اختراقها على جانب الكاثود أقصر بكثير ‪ ،‬حيث يكون متوسط طاقة طيف األشعة السينية أعلى عند حافة المجال على جانب‬ ‫األنود منه في بقية مجال األشعة السينية‪ (.‬يعني كل ما االلكترون اخترق مادة االنود اكثر حيفقد طاقه ويمكن لما يطلع تكون طاقته خالصه(‬