Röntgencső

A legfontosabb és leggyakrabban alkalmazott röntgenforrások a röntgencsövek. A szerkezetük egy olyan „cső” aminek belsejében vákuum van, és két elektróda helyezkedik el. Az elektródákra egyenfeszültséget kapcsolva a katódból elektronok lépnek ki, amelyek az elektromos térben gyorsulva elérik az anód felületét. Annak érdekében, hogy a katódból elegendően nagyszámú elektron lépjen ki, annak hőmérsékletét növelni kell (termikus emisszió). Ezt legegyszerűbben egy izzószál segítségével lehet elérni, amelyből kilépő elektronok száma annak hőmérsékletével növekszik.

11. ábra. Röntgencső által emittált nyaláb hullámhossz szerinti eloszlása különböző anód-katód feszültség esetén.

 
Az anódba csapódó, nagysebességű elektronok az anód anyagának atomjaival kölcsönhatásba lépnek. Az atomok elektromos terében az elektronok fékeződnek, azaz csökken a sebességük nagysága és iránya, aminek következtében fékezési sugárzást bocsátanak ki. A fékeződő elektronok több lépésben veszítik el a mozgási energiájukat, de az is előfordulhat, hogy már az első elemi kölcsönhatás során az összes mozgási energiát elviszi egyetlen foton. Ez azt jelenti, hogy a keletkező fékezési sugárzás (Bremsstrahlung) frekvencia-eloszlása folytonos és az adott szerkezetű és működési paraméterekkel rendelkező röntgencsőre jellemző eloszlást mutat (11. ábra). A spektrumokban megfigyelhető egy ú. n. rövidhullámú határ (Duane-Hunt határ 1915), ahol a nyaláb intenzitása zéró lesz 2. A rövidhullámú határt jellemző hullámhossz szoros kapcsolatban van a röntgencsőre kapcsolt katód-anód feszültség nagyságával. Az ehhez a hullámhosszhoz tartozó fotonok úgy keletkeznek, hogy az anódba csapódó elektronok egyetlen elemi kölcsönhatás során elvesztik a teljes energiájukat. Ezt az energiaértéket a röntgencsőre kapcsolt anód-katód feszültség határozza meg. A folytonos röntgenspektrum alakjának nagy jelentősége van a diagnosztikában, hiszen az átvilágított objektum abszorpciójától függően a röntgencső feszültségét változtatva a leképezés minőségét befolyásolni lehet.
Elvi jelentőségű az is, hogy a rövidhullámú határ egy közvetlen bizonyíték az elektromágneses kölcsönhatás kvantumos természetéről. A kísérleti tapasztalatok szerint a Duane-Hunt határ értékének inverze arányos az alkalmazott anód-katód feszültség nagyságával.

12. ábra. A röntgencső elvi, szerkezeti felépítése.

 
A cső-spektrum lényegesen egyszerűbb összefüggést mutat a katódból kilépő elektronok számával, azaz arányos a katód-anód árammal. A röntgencső áramát növelve a spektrum alakja marad az eredeti állapotában (hullámhossz szerinti eloszlása), csak nagysága növekszik az árammal egyenes arányban. A röntgencsövek ma is használatos szerkezeti felépítését az 1900-as évek elején dolgozták ki, de mára a különféle speciális alkalmazások igényeihez igazodva számos egyesi kialakítású szerkezet is ismert. Az első konstrukciót Coolidge-csőnek is nevezték a létrehozója után, amely röntgencső egy fűtött katódot tartalmazott, biztosítva a nagyfokú elektronemissziót annak magas hőmérséklete következtében. A katód általában egy wolfram izzószál, amelyhez képest az anód pozitív elektromos potenciálon van.
A diagnosztikai célokra alkalmazott röntgencsövekkel szemben az egyik fontos követelmény a nagy kimenő fluxus, amit csak az anódáram növelésével lehet biztosítani. Ennek viszont határt szab az anód nagy hőterhelése, mivel az abban lefékeződő elektronok az energiájuk 99.99 %-át hősugárzás formájában disszipálják a környezetükbe. Az anód anyagának túlzott melegedését intenzív folyadék-hűtéssel lehet csökkenteni a leghatásosabban (olaj vagy víz), de még ez a megoldás is csak bizonyos teljesítményhatárig alkalmazható. A vízhűtéses röntgencsövekkel 1-5 kW teljesítményt lehet elérni az anód anyagának tulajdonságaitól függően. Lényegesen nagyobb teljesítmény érhető el, ha az anód nagy szögsebességgel forog, aminek következtében a felmelegedett anódfelület kikerülve az elektronnyaláb útjából EM sugárzás révén lehűl, mielőtt újra találkozik az elektronnyalábbal. Ezzel a forgóanódos technikai megoldással a röntgencsövek elektromos teljesítményét akár 80 kW értékig is lehet növelni. A legnagyobb kimenő röntgenfluxust olyan anóddal lehet elérni, amely magasabb egyensúlyi hőmérsékleten sem károsodik (wolfram) és elegendően nagy a hővezető képessége. A röntgencsövek másik fontos jellemző tulajdonsága az anódba becsapódó elektronok által besugárzott folt, azaz az a terület, ahonnan a röntgensugárzás emittálódik. Amint az optikából ismert, minél kisebb a sugárforrás mérete, annál jobb térbeli felbontást lehet elérni az emittált nyalábbal végzett bármilyen leképzés során. Természetesen az elektronnyaláb méretét különösebb nehézség nélkül lehet csökkenteni különböző mágneses fókuszálási technikával, de ennek határt szab az anód felületét érő nagy teljesítménysűrűség, azaz az egységnyi felületre az elektronok által bevitt teljesítmény és az anód anyagának hővezető képessége. A kisebb elektromos teljesítmény természetesen kevesebb emittált röntgen-fotont fog eredményezni. Az ilyen tulajdonságú, ú. n. mikro-fókusz típusú röntgencsövekkel kisméretű biológiai objektumokat lehet igen jó térbeli felbontással leképezni, így ezt a technikai lehetőséget alkalmazzák a kis-állat CT berendezésekben is. Ma már gyártanak olyan röntgencsöveket (nano-fókusz) is, amelyekben az elektronnyaláb fókuszfoltjának átmérője kisebb, mint 1 µm. Ez utóbbiakkal mikrométer alatti térbeli felbontással rendelkező leképezéseket is lehet produkálni CT mérési elrendezésben. A mikro- és nano-fókusz röntgencsövek elektromos teljesítménye, a kis elektronfolt mérete miatt nem nagyobb, mint néhányszor 10 W. Az anódfelületet érő teljesítménysűrűség eléri a 0.2-0.4 W/ µm2 értéket. Ezeket a röntgencsöveket általában léghűtéses formában érdemes kialakítani, mivel az elektronnyaláb kis felületű fókuszfoltja miatt a folyadékkal történő hűtésnek kevésbé van jelentősége, inkább az anód hővezetési tulajdonsága határozza meg az energia-disszipáció mértékét.
A kisteljesítményű röntgencsövek egy másik csoportját az utóbbi 20 év során fejlesztették ki, amelyek anódja úgy van kialakítva, hogy az egyben a röntgencső kilépő ablakának a szerepét is betölti. Az elektronnyaláb közvetlenül ennek a vékony (50-300 μm vastag) ablaknak az anyagával lép kölcsönhatásba és a gerjesztett röntgensugárzás a kis rétegvastagság következtében képes a röntgencsövön kívülre is eljutni számottevő fluxust produkálva.

Léghűtéses röntgencső	Forgóanódos röntgencső
13. ábra. Fém-üveg felépítésű röntgencsövek.

 
Mivel az anód anyagmennyisége nem kevés az egyéb röntgencsövekhez képest, ezért ebben a szerkezeti kialakításban jóval kevesebb hő termelődik, mint a hagyományos, tömb alakú anóddal rendelkező röntgencsövek esetén. Az ilyen transzmissziós röntgencsövek ezért nem igényelnek külön folyadékos hűtőrendszert, mert a környező levegővel érintkezve, illetve sugárzás útján bekövetkező disszipációval az egyensúlyi hőmérsékletük kellően alacsony a folyamatos működéshez. A transzmissziós röntgencsövek elektromos teljesítménye mindössze 1-6 W, ami lehetővé teszi a kis geometriai méret kialakítását és így a hordozható változatok megépítését.
A diagnosztikában alkalmazott röntgencsövek anódjának anyaga wolfram, amely a nagy rendszám következtében elegendően nagy abszorpcióval bír ezért nagy intenzitással képes fékezési és karakterisztikus röntgensugárzást produkálni, illetve elegendően nagy olvadásponttal bír (3695°C). Az anyagvizsgálati célokra már gyakrabban szoktak használni Mo vagy Cu anódot, mivel a diffrakciós és röntgenfluoreszcens elemzésekhez elsősorban a ezen elemek karakterisztikus (azaz monoenergiás) röngensugárzása szükséges. Ezeken kívül az anód anyagának széles választéka található meg a különféle röntgenberendezéseket és csöveket gyártó cégek palettáján: Cr, Mn, Fe, Rh, Ag vagy ezek valamilyen ötvözete stb.