A röntgencső hűtése és fűtése

A RadiWiki wikiből

Ahhoz, hogy röntgensugárzást állítsunk elő, viszonylag nagy elektromos energiát kell a röntgencsőbe vinni. Ennek az energiának csak egy kis része (általában kevesebb mint 1%-a) fordítódik röntgensugarak előállítására, az elektromos energia nagy része pedig hővé alakul. Ez a körülmény a röntgenkészülék használatát bizonyos értelemben korlátozza. Ha a röntgencsőben túl sok hő keletkezik, akkor annak hőmérséklete kritikus értékek fölé emelkedhet, mely a röntgencső károsodásához vezethet. Ez a károsodás lehet az anód megolvadása vagy a burkolat (üvegbúra) sérülése. A röntgencső károsodása megelőzhető, ha a készüléket üzemeltető személy tudatában van a termelt hő mennyiségének és a röntgencső hőkapacitásának, illetve ezek viszonyának. Az 59. ábra demonstrálja azokat a tényezőket, melyek a röntgencső hőtermelésével és hőkapacitásával kapcsolatban állnak.

HŐTERMELÉS

A röntgencsőben a hő az anód fókuszterületén (gyújtópont) keletkezik, az oda becsapódó elektronok miatt. Mivel az elektromos energiának csak egy kis része alakul át röntgensugárzássá, ez a mennyiség a hőtermelés számításánál figyelmen kívül hagyható. Egy expozíciónál a fókuszterületen keletkezett hő mennyiségét az alábbi összefüggés adja meg: hő (J) = kVe • mAs vagy hő (J) = w • kVp • mAs Ebben az összefüggésben w a feszültséghullám tényezőnek felel meg és ennek értékét a röntgencsőre kapcsolt feszültséghullám formája adja meg. Ennek értéke az állandó feszültségű generátorok esetén 1, a háromfázisú 12 pulzusú hullám-forma esetén 0,99, a háromfázisú 6 pulzusú hullámforma esetén 0,96 és az egyfázisú hullámforma esetén 0,71. Az energia és a hő mértékegysége a Joule, a röntgencsöveknél történeti okok miatt nem mindig ezt a mértékegységet alkalmazták/alkalmazzák. Gyakorlati okok miatt az úgynevezett hőegység (HU) mértékegységet vezették be a röntgencsövek hőtermelésének jellemzése céljából. A hőegység és a J közötti összefüggés: hő (HU) = hő (J) • 1.4 Ennek az összefüggésnek az alapja valójában az egyfázisú generátorok feszültséghullám tényezője, hiszen ha ezt a tényezőt a két hőegység közötti konvenziós faktorral összeszorozzuk, akkor 1-et kapunk és az alábbi összefüggés is érvényes hő (HU) = kVp • mAs Ennek alapján tehát egyfázisú generátor esetén a hőegységben kifejezett hőt a kVp és a mAs szorzata adja. Régen, amikor minden röntgenkészüléket egyfázisú generátorral használtak, célszerű volt a képződő hőt minél egyszerűbben meghatározni, és ezért vezették be a hőegység mértékegységet. A hőtermelés sebességét az elektromos teljesítménnyel fejezhetjük ki, úgy mint teljesítmény (W) = w • kVp • mA Egy expozíció alatt termelt teljes hőmennyiséget a teljesítmény és az expozíciós idő szorzataként kapjuk meg.

HŐKAPACITÁS

A röntgencső fűtésének problémája csak akkor érthető meg, ha ismerjük három fizikai mennyiség, úgy mint, (1) a hő, (2) a hőmérséklet és (3) a hőkapacitás közötti összefüggést. A hő az energia egy formája, melyet energia-mértékegységekkel jellemezhetünk. A röntgenkészülékben a hőt J vagy hőegység mértékegységekkel jellemezzük. A hőmérséklet az a fizikai mennyiség, mely egy tárgy relatív hőtartalmát jellemzi. A hőmérséklet mértékegysége a kelvin (K). Egy tárgy állapotának fizikai változásai, mint például olvadás, forrás, párolgás közvetlen kapcsolatban az adott tárgy hőmérsékletével vannak, nem pedig annak hőtartalmával.

Egy adott tárgyra a hőmérséklet és a hőtartalom közötti összefüggés magában foglal egy harmadik mennyiséget is, a hőkapacitást , mely az adott tárgyra szintén jellemző. E három mennyiség közötti összefüggés tehát: hőmérséklet = hő/hőkapacitás.

Egy tárgy hőkapacitása többé-kevésbé arányos annak méretével, tömegével és a tárgy anyagának jellemzőjével, melyet úgy ismerünk, mint fajhő. Ahogy a tárggyal hőt közlünk, annak hőmérséklete a közölt hő arányában nőni fog. Ha egy adott mennyiségű hőt közlünk, a tárgy hőmérséklete a tárgy hőkapacitásával fordított arányban fog nőni. Ha egy tárgynak nagy a hőkapacitása, akkor adott hő közlése esetén hőmérséklete kisebb mértékben fog változni egy kis hőkapacitású tárggyal összehasonlítva. Összefoglalva tehát egy tárgy hőmérsékletét annak hőtartalma és hőkapacitása és ezek viszonya határozza meg (60. ábra).

A röntgencső üzemeltetése során az alapvető cél az, hogy a röntgencsövet károsító kritikus hőmérsékletet soha se érjük el. Ez úgy oldható meg, hogy a röntgencső hőtartalmát a kritikus értékek alatt tartjuk, mely a cső hőkapacitásával is összefügg.

A 61. ábra a röntgencső három különböző részét mutatja, melyek kritikus hőkapacitással bírnak. A legkisebb hőkapacitású terület a fókuszterület, illetve gyújtósáv és egyben ezen a területen képződik a röntgencsőben a hő. Erről a területről a hő az anódtest felé vezetéssel, a védőburkolat felé pedig sugárzással terjed. Sugárzással az anódtestről a burkolathoz szintén terjed hő. A védőburkolatról a hő környezete felé távozik. A röntgencső károsodása jöhet létre, ha a három terület közül bármelyik hőtartalma meghaladja a maximális hőkapacitást.

FÓKUSZTERÜLET

A fókuszterület, illetve fókuszsáv maximális hőkapacitása adja a cső használatának (egyetlen expozíció) felső korlátját. Hogyha egyetlen expozíció során keletkezett hő meghaladja a fókuszterület hőkapacitását, akkor az anód megolvad. A fókuszterület hőkapacitását a gyártó általában megadja egy görbe sorozat formájában, mely mutatja a maximális elérhető teljesítményt (kV és mA) egy adott expozíciós idő függvényében (62. ábra). Ezeket a görbéket hívják cső besorolási görbéknek, illetve táblázatoknak. Az ábráról leolvasható, hogy a leadható teljesítmény nagysága fordítottan arányos az expozíciós idővel. Ez nem meglepő, hiszen egy expozíció alatt termelt hőt a teljesítmény és az expozíciós idő szorzata adja meg. Valójában nemcsak a csőben termelődött hő teljes mennyisége a fontos, hanem az is, hogy ez a hő mennyi idő alatt szabadul fel.

A röntgencsöveket jellemezni lehet a leadható teljesítmény alapján is, melyet a gyakorlatban a 0,1 másodperces expozíciós idő alatt leadható teljesítmény szerint osztályoznak. A gyújtóterület hőkapacitását számos tényező befolyásolja. Ezek közül a legfontosabb a fókuszterület azon mérete, melybe az elektronok becsapódnak. Álló anódú csövekben ez egy igen kis terület (néhány mm). A forgóanódú csövekben a gyújtóterület lényegesen nagyobb, mely az anód mozgásának következménye (63. ábra).

Fókuszterület mérete

A geometriai leképezés szempontjából minimális elmosódást kis gyújtóterület esetén kapunk. Ugyanakkor kis fókuszterület koncentrálja a hőképződést, mely csökkenti a gyújtósáv hőkapacitását. A nagyobb fókuszterület egyetlen előnye a megnövekedett hőkapacitásban rejlik. A legtöbb röntgencsőben két fókuszterület van, melyet a kezelő személy megválaszthat. A kis fókuszterület általában viszonylag alacsony teljesítmény (kV, mA) beállításoknál kapcsolható be. A nagyobb fókuszterület általában akkor aktiválódik, ha a kis fókuszterület hőkapacitását meghaladó teljesítményt kell a csőnek leadni. A fókuszterület megadott mérete mindig az effektív vagy kivetített fókuszterület méretét jelenti. Az aktuális fókuszterület, melybe az elektronok becsapódnak, mindig nagyobb, mint az effektív fókuszterület. Egy adott anódszög esetén a gyújtósáv szélessége egyenesen arányos a kivetített fókuszterület méretével. A hőkapacitás és a fókuszterület mérete közötti összefüggés ennél kicsit összetettebb. A legtöbb csőben a fókuszterület méretének megkétszerezése a cső teljesítményét akár háromszorosra is növelheti.

Anódszög

A fókuszterület mérete és hőkapacitása, valamint a kivetített fókuszterület közötti összefüggést az anód dőlésszöge határozza meg. Az anódszög általában 7 és 20º között változik. Egy bizonyos effektív fókuszterület méret esetén a gyújtósáv szélessége és hőkapacitása fordítottan arányos az anódszöggel. A kis anódszög a kedvező geometriai tulajdonságok mellett nagy relatív hőterhelést jelent és a leképezhető terület nagysága is korlátozott az anódsarok effektus miatt.

A 64. ábra demonstrálja a röntgensugár intenzitásának változását, mely az anód felőli oldalon jelentősen csökken az imént említett effektus miatt. Az anódszög kiválasztása a röntgencső hőkapacitása és a vizsgálandó terület nagysága közötti kompromisszum keresése.

Anód forgási sebesség

A forgóanódos csövekben az anódszerkezet az elektromotor rotorjának részét képezi. A röntgencső körül elhelyezett tekercsek a motor állórészét alkotják, melyekbe ha áramot vezetünk, akkor a rotor forogni kezd. A rotor forgási sebességét az elektromos áram frekvenciája határozza meg. 50 Hz-es áram esetén a rotor, illetve anód forgási sebessége kb. 2.500-3.000 rpm lesz és nagyfrekvenciás (180 Hz) áram alkalmazása esetén a forgási sebesség akár a 10.000 rpm-et is elér-

heti. Ez utóbbi esetben nagysebességű forgóanódról beszélünk. A gyújtósáv effektív hossza az anód forgási sebességével arányos. Nagysebességű anódokban a keletkező hő egy hosszabb területen oszlik meg és ez különösen igaz rövid expozíciós idő alkalmazása esetén. A nagy forgási sebesség a röntgencső hőkapacitását akár 60%-kal is növelheti.

Feszültség hullám forma

A röntgencső, illetve fókuszterület hőkapacitását az alkalmazott feszültség hullámformája is befolyásolja. Egyfázisú generátor használatánál az anódra vitt energia pulzusszerűen érkezik (65. ábra). A háromfázisú és állandó feszültségű generátorok esetén a hőképződés praktikusan egyenletes. Az egyfázisú generátorokkal szerelt röntgenkészülékben az energia leadás, illetve hőképződés pulzusszerűen történik, ezért az anód bizonyos pontjain magasabb hőmérséklet alakul ki. Ezeken az úgynevezett forró pontokon tehát magasabb hőmérséklet alakul ki, mint a háromfázisú energiaátadás során. Ha a röntgencsövet egyfázisú generátorral használjuk, akkor a maximális teljesítményt alacsonyabb szinten kell tartani azért, hogy a forró pontokon a hőmérséklet ne haladja meg a kritikus mértéket. Más szóval, az állandó feszültségű energiaellátás alkalmazásával jobb az effektív fókuszterület hőkapacitása és ennek következtében a cső teljesítménye is.

A háromfázisú vagy állandó feszültségű és az egyfázisú üzemmód összehasonlításánál három fontos szempontot kell figyelembe venni:

1. állandó feszültség esetén magasabb teljesítményszint érhető el az egyenletes hőeloszlás miatt,
2. állandó feszültség esetén több röntgensugárzás keletkezik, melynek penetrációja (áthatoló képessége) jobb egy adott kVp és mAs beállításnál.
3. állandó feszültség esetén egy adott kVp és mAs beállításnál több hő keletkezik.

Az állandó feszültségű üzemeltetés igazi előnye az első két ponthoz kapcsolódik. A hatékonyabb röntgensugár előállítás és annak kedvezőbb penetrációs tulajdonsága miatt ugyanazon expozíciót alacsonyabb kVp és/vagy mAs beállítással teszi lehetővé. Ez az alacsonyabb kVp és mAs beállítás bőven kompenzálja a 3. pontban említett nagyobb hőtermelést. A nagyobb csőteljesítmény szintén fontos előny az állandó feszültségű üzemeltetés szempontjából. Háromfázisú vagy állandó feszültségű generátor alkalmazásával tehát a röntgencső magasabb teljesítményszinten üzemeltethető és a röntgensugár előállítás is hatékonyabb lesz.

A különböző feszültség hullámformák és anód forgási sebességek csőbesorolási táblázatát a 62. ábra mutatja. A fentiekből logikus, hogy legnagyobb teljesítmény a háromfázisú áram és nagysebességű anód esetén érhető el, mely legszembetűnőbb a rövid expozíciós idők használatánál. Ahogy az expozíciós idő nő, a fókuszterületen képződő hő „átfed” és ezáltal a hőelvezetés lelassul, mely a csőteljesítményt is korlátozza. A mai modern röntgenkészülékekbe megfelelő érzékelők és automatika kerül beépítésre, melyek megakadályozzák, hogy a röntgencsövet túlmelegítsük. Így az automatika figyeli, hogy egy adott beállítással egy expozíció elvégezhető és a cső túlterhelése esetén a csövet az automatika kikapcsolja. A legtöbb forgóanódú csőben két fókuszterület van, melyek nagysága jelentősen befolyásolja a cső hőkapacitását. A hőkapacitást befolyásoló különböző tényezők, úgy mint fókuszterület mérete, forgási sebesség, feszültség hullámforma hatását a 4. táblázat demonstrálja. 4. táblázat

ANÓD

A fókuszterület, illetve -sáv hőkapacitása jelenti egy adott expozíció korlátait. Olyan vizsgálatoknál, ahol sorozatfelvételek készülnek, úgy mint computer tomográfia vagy fluoroszkópia, az anódban keletkező hő mennyisége és felszabadulásának sebessége igen nagymértékű lehet. Ha az anód túlzott mértékben felmelegszik, az anódtányér torzulhat vagy akár el is törhet. Az anód hőkapacitását grafikusan a 66. ábra jeleníti meg.

Az ábrán megfigyelhető az anódon történő hő felépülés különböző energia bevitel esetén. Ezek a görbék elsősorban folyamatos csőhasználatnál érvényesek. Egy adott röntgencsőnél meghatározható az a kritikus energia beviteli sebesség, mely egy bizonyos idő után eléri az anód maximális hőkapacitását. Hogyha az energia bevitel sebessége ennél kisebb mértékű, a cső hűtése megakadályozza, hogy ezt a kritikus értéket elérjük. A hűlési görbe segítségével megbecsülhető, hogy az egyes vizsgálatsorozatok között mennyi időt kell várni azért, hogy újabb felvételsorozatot tudjunk indítani. Vegyünk például egy olyan felvételsorozatot, melynek hőtermelése 90.000 HU. Ez az érték az anód hőkapacitásának 50%-át jóval meghaladja, ezért ha egy ugyanilyen vizsgálatsorozatot kívánunk indítani, akkor az anódnak egy olyan szintre kell hűlni, ahol az újabb 90.000 HU hőenergia nem haladja meg az anód meghatározott maximális hőkapacitását. Ha tehát az első vizsgálatsorozat során 90.000 HU hőmennyiség szabadult fel, akkor az ábra szerint egy kb. 3-4 perc alatt az anód hőtartalma 30.000 HU-ra csökken. Ezen a ponton egy újabb 90.000 HU hőenergiát felszabadító vizsgálatsorozatot lehet indítani. Az anód hűlése nem lineáris. Ez azt jelenti, hogy nagyobb hőtartalomnál és magas hőmérsékleten az anód gyorsabban hűl. A computer tomográfiában, ahol az anód felmelegedése gyakran korlátozó tényező, egy adott vizsgálati beállításnál a készülék előre kiszámolja a felszabaduló hő mennyiségét és a vizsgálatot csak akkor engedi elvégezni, ha az anód megfelelő hőmérséklettel bír. A radiográfiai röntgenkészülékekben a röntgencsövet a természetes hősugárzás hűti. Ugyanakkor a nagyteljesítményű röntgencsöveket, mint például CT és angiográfiás készülékekben, aktív hűtéssel, illetve hőcserélővel látják el, melyekben általában olajkeringetéssel segítik elő a gyorsabb hőleadást. Az anód megsérülhet, hogyha hideg anódon nagy hőmennyiség szabadul fel. Ezért az anódokat is fel kell melegíteni, mely a készülékek bekapcsolásával együtt megtörténik.

VÉDŐBURKOLAT

A röntgencső hőkapacitása szempontjából a védőburkolat hőkapacitása is meghatározó. A védőburkolatban felszabaduló túl nagy hőmennyiség miatt a röntgencsövet körülvevő olaj hirtelen felmelegszik, mely a szigetelések, dugók sérüléséhez vezethet és ez a páciensen sérülést okozhat. (Lásd röntgencső baleset). Hasonlóan az anódhoz, a védőburkolat hőkapacitása is korlátozhatja a röntgencső használatát, mely korlátozás inkább tartós használat esetén jelentkezik. Mivel a védőburkolat hűtését az azt körülvevő levegő okozza, ezért a burkolat körül a forszírozott légáramlat növeli a burkolat, illetve a cső hűlését. A védőburkolat hőkapacitása az anód hőkapacitásánál lényegesen nagyobb, általában 1 millió HU fölött van . A védőburkolat hűlését, illetve hőkapacitását a csőbesorolási táblázatokhoz hasonlóan grafikusan is ábrázolni lehet.

vissza a tartalomhoz: KÉPALKOTÁS ESZKÖZEI - avagy az orvosi képalkotás fizikája