Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về tia X và máy phát tia X
1.1.5. Cấu tạo của ống phát tia X
Cathode là nguồn cung cấp electron để tạo ra chùm tia X. Cathode gồm cuộn dây tóc được bao quanh bởi chén hội tụ. Dòng electron phát xạ từ tim đèn sợi đốt trong cuộn dây tóc, được định hướng bởi chén hội tụ và gia tốc đến đúng bia dương cực để sinh ra tia X.
Hình 1.8. Cấu tạo ống phát tia X [4]
Cuộn dây tóc (Filament): Phần lớn trong các ống phát tia X, cuộn dây tóc là hệ hai tim đèn sợi đốt dạng lò xo có chiều dài khác nhau nằm song song trong chén hội tụ (Hình 1.9). Cuộn dây tóc thường dài 7-15 mm, rộng 1-2 mm, dày 0,1-0,2 mm [8].
Vật liệu sợi đốt thường là hợp kim Vonfram và Thorium. Vonfram là kim loại chuyên sử dụng làm sợi đốt do nhiệt độ nóng chảy cao 3370P0PC, dòng nung cỡ 10V- 7A. Nguyên tố Thorium thường được bổ sung vào sợi đốt Vonfram để tăng cường hiệu suất phát xạ electron và tăng tuổi thọ sợi đốt. Dòng electron sinh ra được gia tốc bằng nguồn cao thế cỡ 20-80 kVp và được định hướng bởi chén hội tụ.
Hình 1.9. Cấu tạo cathode trong ống phát tia X
Chén hội tụ (Focusing cup): Chén hội tụ được làm bằng nikel bọc bên ngoài sợi đốt có tác dụng nắn chỉnh và thu gọn dòng electron phát xạ.
1.1.5.2. Dương cực (Anode)
Dương cực là một bia hứng electron bằng kim loại có cấu trúc cứng và có mật độ phân tử cao, mang điện thế dương tương ứng với điện thế âm cực. Khi chùm electron đập vào anode, hơn 99% năng lượng của chùm electron được chuyển hóa thành nhiệt, chỉ dưới 1% năng lượng của chúng chuyển hóa thành tia X. Vì vậy, dương cực phải có khả năng chịu nhiệt cao. Tuy nhiên, dương cực cũng bị hao mòn theo thời gian và chỉ có thể chịu được va chạm ở nhiệt độ nhất định nên cần điều chỉnh hợp lý công suất phát tia X để đảm bảo an toàn và tuổi thọ dương cực.
Một số vật liệu được sử dụng làm dương cực như Vonfram (W, Z=74), Molybdenum (Mo, Z=42) hoặc Rhodinum (Rh, Z=45). Trong đó, Vonfram thường được sử dụng làm anode vì nhiệt độ nóng chảy cao và nguyên tử khối lớn cho tỉ lệ bức xạ hãm cao. Anode Vonfram có thể xử lý nhiệt mà không làm nứt hay rỗ bề mặt. Một hợp kim gồm 10% Rhenium và 90% Vonfram cung cấp thêm khả năng chống thương tổn bề mặt. Trong X quang chụp nhũ ảnh, cần nhiều bức xạ tia X đặc trưng nên thích hợp hơn với dương cực làm bằng các nguyên tố có khối lượng nguyên tử nhẹ.
Anode có hai cấu hình là anode tĩnh và anode quay.
- Kiểu đơn giản nhất là anode tĩnh bao gồm tungsten chèn trên một khối đồng. Đồng sẽ hỗ trợ và tải nhiệt từ bia tungsten. Tuy nhiên, diện tích tiếp xúc bia nhỏ nên giới hạn tốc độ tản nhiệt, do đó hạn chế dòng tối đa của ống và thông lượng tia X. Một số đơn vị X quang nha khoa sử dụng ống phát tia X có anode tĩnh.
- Trong cấu trúc ống phát tia X hiện đại, dương cực có cấu tạo dạng đĩa tròn và quay được với tốc độ hàng nghìn vòng mỗi phút khác với vị trí cố định của anode tĩnh. Chuyển động của dương cực yêu cầu một động cơ quay dương cực bằng cảm ứng điện từ. Mặc dù cấu trúc ống phát sẽ phức tạp hơn nhưng ống phát tia X với dương cực quay vẫn được áp dụng trong hầu hết trong các thiết bị X quang chẩn đoán bởi nhiều ưu điểm: tăng tuổi thọ dương cực, tản nhiệt tốt hơn và hiệu suất bức xạ tia X tốt hơn.
Hình 1.10. Hình dạng của anode xoay
Dương cực được thiết kế dạng đĩa vát một góc θ có tác dụng hướng tia X ló ra phía biên của ống phát. Đường phân giác của góc vát phải nằm trong vùng tia X ló.
Tùy vào mục đích sử dụng mà ta thiết kế và lựa chọn góc vát dương cực phù hợp.
Góc vát càng nhỏ thì độ phân giải không gian càng lớn nhưng lại làm giảm diện tích vùng tiêu điểm hiệu dụng và diện tích bao phủ của vùng tia X phát xạ (hình 1.11).
Dương cực với góc vát nhỏ (7-9P0P) thích hợp hơn với các thiết bị thu nhận cỡ nhỏ như máy chụp X quang động mạch, chụp dây thần kinh… Các máy X quang thường quy thông dụng yêu cầu vùng chụp lớn thì thường dùng dương cực có góc vát lớn (12 - 16P0P).
Hình 1.11. Diện tích bao phủ của vùng tia X và diện tích vùng tiêu điểm hiệu dụng thay đổi theo góc vát
1.1.5.3. Động cơ quay cảm ứng điện từ
Động cơ quay cảm ứng có ba bộ phận chính bao gồm rotor, stator và vòng bi.
Tổ hợp rotor, vòng bi và dương cực đặt bên trong lồng thủy tinh, stator đặt bên ngoài. Chuyển động quay này được thực hiện dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.
Vòng bi có tác dụng giảm ma sát và đảm bảo ổn định quá trình quay của rotor. Tốc độ quay của rotor thường khoảng 3000 vòng/phút (chậm) đến 10000 vòng/phút (nhanh). Tốc độ nhanh hay chậm tùy thuộc vào tần số nguồn cấp là một pha (50-60 Hz) hay là ba pha (170-180 Hz). Ống phát tia X được thiết kế sao cho ống sẽ không phát tia cho đến khi dương cực đạt tốc độ quay cần thiết, do đó độ lệch 1-2s giữa 2 thời điểm bấm nút và phát tia.
Vòng bi trong rotor và chân trung gian rotor-anode là hai bộ phận quan trọng và dễ gây hỏng hóc cho ống phát nhất. Chân trung gian rotor-anode cần đảm bảo ít truyền nhiệt nhất từ dương cực tới vòng bi. Do đó, có hai yêu cầu đối với vật liệu chế tạo các chi tiết này: môi trường làm việc là chân không; vật liệu không nhạy nhiệt, không biến dạng theo nhiệt. Molybdenum là vật liệu lý tưởng nhất để làm vòng bi và chân trung gian rotor-anode do có độ cứng cao (1500 HB), hệ số giãn nở tuyến tính do nhiệt thấp (4,8E-6/P0PC), truyền nhiệt kém.
1.1.5.4. Vỏ ống chân không, dung dịch dầu, khoang chứa và các bộ phận khác
Vỏ ống chân không thường được làm bằng thủy tinh với rotor, anode và cathode nằm trong một môi trường gần như chân không. Môi trường chân không có tác dụng làm giảm đi hầu hết các va chạm của không khí với electron được phát xạ và các linh kiện khác trong không gian ống, đồng thời ngăn cản quá trình oxy hóa của các linh kiện đặc biệt là dây tóc.
Khối ống phát được đặt trong khoang chứa kim loại với dung dịch dầu. Hộp chứa được tiếp mát với đất để ngăn electron chuyển động trong không gian chứa dầu. Dầu vừa có tác dụng cách ly hộp chứa với nguồn cao thế vừa giải nhiệt sinh ra do quá trình phát tia X. Buồng chứa dầu được bổ sung một hệ co giãn đảm bảo áp suất dầu không tăng khi dầu nở vì nhiệt.
Một số bộ phận khác được bổ sung trong cấu trúc tổ hợp ống phát nhằm phục vụ một số nhiệm vụ riêng khác: cảm biến nhiệt được dùng để dừng hoạt động của ống phát khi nhiệt độ dầu và buồng chứa vượt ngưỡng cho phép; lớp chì bọc ngoài khoang chứa nhằm hấp thụ tia ló bất thường bao gồm tia X chệch hướng từ dương cực và tia X sinh ra khi electron thứ cấp va chạm với các linh kiện kim loại khác trong ống phát; cửa ló tia có thêm lớp lọc tia X mềm bằng nhôm độ dày phổ biến cỡ 1mm mặc dù bản thân các vật liệu trên phương của tia ló như thủy tinh, dầu đã có tác dụng tương đương lớp lọc nhôm 0,5-1 mm; hai lối vào độc lập của hai nguồn cao áp cho âm cực và dương cực.