تم اكتشاف الأشعة السينية في عام 1895 أثناء دراسة أشعة الكاثود (تيار الإلكترونات) في أنبوب تفريغ الغاز، حيث لوحظ أن نوعًا آخر من الإشعاع قد تم إنتاجه (على الأرجح عن طريق تفاعل الإلكترونات مع الجدران الزجاجية للأنبوب)، والذي يمكن اكتشافه خارج الأنبوب، كما يمكن لهذا الإشعاع أن يخترق المواد المعتمة وينتج الفلورة ويسود لوحة فوتوغرافية ويؤين الغاز، كما أطلق على الأشعة السينية الجديدة اسم الأشعة السينية وبعد هذا الاكتشاف التاريخي، تمت دراسة طبيعة الأشعة السينية على نطاق واسع وتم الكشف عن العديد من الخصائص الأخرى.
أنبوب الأشعة السينية
يتكون الأنبوب من غلاف زجاجي تم إفراغه لتفريغ عالي، في أحد طرفيه يوجد قطب كاثود (قطب سالب) وفي الطرف الآخر أنود (قطب موجب)، محكم الإغلاق في الأنبوب.
الكاثود عبارة عن خيوط من التنجستن تنبعث منها الإلكترونات عند تسخينها، وهي ظاهرة تُعرف باسم الانبعاث الحراري، كما يتكون الأنود من قضيب نحاسي سميك، يتم وضع قطعة صغيرة من التنجستن في نهايته، عندما يتم تطبيق جهد عالي بين الأنود والكاثود، تتسارع الإلكترونات المنبعثة من الخيوط باتجاه الأنود وتحقق سرعات عالية قبل ضرب الهدف.
كما يتم إنتاج الأشعة السينية عن طريق الانحراف المفاجئ أو التسارع للإلكترون الناجم عن القوة الجاذبة لنواة التنغستن، تظهر شعاع الأشعة السينية من خلال نافذة زجاجية رفيعة في غلاف الأنبوب. في بعض الأنابيب، تُستخدم نوافذ البريليوم الرقيقة لتقليل الترشيح المتأصل في حزمة الأشعة السينية.
الأنود وأنابيب الأشعة السينية
يعتمد اختيار التنغستن كمادة مستهدفة في أنابيب الأشعة السينية التقليدية على معايير أن الهدف يجب أن يحتوي على عدد ذري مرتفع ونقطة انصهار عالية، كما تعتمد كفاءة إنتاج الأشعة السينية على العدد الذري، ولهذا السبب يعتبر التنغستن مع Z = 74 مادة مستهدفة جيدة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن التنغستن الذي تبلغ درجة انصهاره 3،370 درجة مئوية، هو العنصر المفضل لتحمل الحرارة الشديدة الناتجة عن القصف الإلكتروني في الهدف.
يعد الإزالة الفعالة للحرارة من الهدف مطلبًا مهمًا لتصميم الأنود، كما تم تحقيق ذلك في بعض الأنابيب عن طريق توصيل الحرارة عبر أنود نحاسي سميك إلى الخارج من الأنبوب، حيث يتم تبريده بالزيت أو الماء أو الهواء، كما تم استخدام الأنودات الدوارة أيضًا في الأشعة السينية التشخيصية لتقليل درجة حرارة الهدف في أي مكان.
كما يتم إشعاع الحرارة المتولدة في الأنود الدوار إلى خزان الزيت المحيط بالأنود، وتجدر الإشارة إلى أن وظيفة حمام الزيت المحيط بأنبوب الأشعة السينية هي عزل غلاف الأنبوب عن الجهد العالي المطبق على الأنبوب، وكذلك امتصاص الحرارة من الأنود، لمنع الإلكترونات الشاردة من ضرب الجدران أو غيرها من المكونات غير المستهدفة للأنبوب.
هذه إلكترونات ثانوية تنتج من الهدف عندما يتم قصفه بواسطة حزمة الإلكترون الأولية، بينما يمتص النحاس الموجود في غطاء المحرك الإلكترونات الثانوية، يمتص درع التنغستن المحيط بالدرع النحاسي الأشعة السينية غير المرغوب فيها الناتجة في النحاس، من المتطلبات المهمة لتصميم الأنود الحجم الأمثل للمنطقة المستهدفة التي تنبعث منها الأشعة السينية.
كما يجب أن تكون هذه المنطقة التي تسمى البقعة البؤرية صغيرة بقدر الإمكان لإنتاج صور إشعاعية حادة. ومع ذلك، فإن البقع البؤرية الأصغر تولد مزيدًا من الحرارة لكل وحدة مساحة الهدف، وبالتالي تحد من التيارات والتعرض. في أنابيب العلاج، تكون البؤر البؤرية الأكبر نسبيًا مقبولة لأن جودة الصورة الشعاعية ليست الشغل الشاغل.
يمكن تقليل الحجم الظاهر للبؤرة البؤرية من خلال مبدأ تركيز الخط، كما يتم تثبيت الهدف على سطح شديد الانحدار من الأنود. الجانب الظاهر a يساوي (A sin)، حيث A هو جانب النقطة البؤرية الفعلية بزاوية بالنسبة إلى الاتجاه العمودي لاتجاه حزمة الإلكترون، نظرًا لأن الجانب الآخر من (focalspot) الفعلي عمودي على الإلكترون، فإن طوله الظاهري يظل هو نفسه الأصلي، كما يتم اختيار أبعاد النقطة البؤرية الفعلية بحيث تظهر النقطة البؤرية الظاهرة في مربع تقريبي.
لذلك، بجعل الزاوية المستهدفة صغيرة يمكن تصغير الضلع a إلى الحجم المطلوب. في الأشعة التشخيصية، تكون الزوايا المستهدفة صغيرة جدًا (6 إلى 17 درجة) لإنتاج أحجام بؤرية واضحة تتراوح من (0.1 × 0.1) إلى 2 × 2 مم مربع) في معظم أنابيب العلاج، ومع ذلك تكون الزاوية المستهدفة أكبر (حوالي 30 درجة) و تتراوح البقعة البؤرية الظاهرة بين (5 × 5) و (7 × 7)مم مربع.
الكاثود
تتكون مجموعة الكاثود في أنبوب الأشعة السينية الحديث (أنبوب كوليدج) من خيوط سلكية ودائرة لتوفير تيار فتيل وكوب تركيز سالب الشحنة، كما تتمثل وظيفة كأس الكاثود في توجيه الإلكترونات نحو القطب الموجب، بحيث تضرب الهدف في منطقة محددة جيدًا، النقطة المحورية.
ونظرًا لأن حجم البقعة البؤرية يعتمد على حجم الفتيل، فإن الأنابيب التشخيصية عادةً ما تحتوي على خيطين منفصلين لتوفير تركيز مزدوج، أي نقطة بؤرية صغيرة وواحدة كبيرة، مادة الخيوط من التنجستن، والتي يتم اختيارها بسبب نقطة انصهارها العالية.
دائرة الأشعة السينية الأساسية
الدائرة الفعلية لآلة الأشعة السينية الحديثة معقدة للغاية، ومع ذلك، سيتم النظر فقط في الجوانب الأساسية لدائرة الأشعة السينية، كما يمكن تقسيم الدائرة إلى جزأين: دائرة الجهد العالي لتوفير الجهد المتسارع للإلكترونات ودائرة الجهد المنخفض لتزويد الشعيرة بتيار التسخين. ونظرًا لأن الجهد المطبق بين الكاثود والأنود مرتفع بما يكفي لتسريع جميع الإلكترونات عبر الهدف، تتحكم درجة حرارة الفتيل أو تيار الفتيل في تيار الأنبوب (التيار في الدائرة بسبب تدفق الإلكترونات عبر الأنبوب) ومن ثم شدة الأشعة السينية.
عادةً ما يتكون إمداد الفتيل لانبعاث الإلكترون من 10 فولت عند، يمكن تحقيق ذلك باستخدام محول تنحي في جهد خط التيار المتردد، كما يمكن ضبط تيار الفتيل عن طريق تغيير الجهد المطبق على الفتيل. نظرًا لأن تغييرًا طفيفًا في هذا الجهد أو التيار الخيطي ينتج تغيرًا كبيرًا في انبعاث الإلكترون أو التيار، يتم استخدام نوع خاص من المحولات الذي يلغي الاختلافات العادية في جهد الخط، كما يتم توفير الجهد العالي لأنبوب الأشعة السينية بواسطة محول تصعيد.
الأساسي من هذا المحول متصل بمحول ذاتي ومقاوم متغير، كما تتمثل وظيفة المحول التلقائي في توفير جهد تعديل متدرج، يتكون الجهاز من ملف سلك ملفوف على قلب حديدي ويعمل على مبدأ الحث. وعند تطبيق جهد الخط التحليلي على الملف، يتم تقسيم الإمكانات بين لفات الملف. باستخدام مفتاح الاختيار، يمكن إجراء اتصال بأي منعطف وبالتالي تغيير جهد الخرج الذي يتم قياسه بين أول منعطف للملف والتلامس المحدد.
وفي نهاية ذلك فإنه يمكن قراءة تيار الأنبوب على الملليمتر في جزء الجهد العالي من دائرة الأنبوب، يتم وضع العداد بالفعل في منتصف الملف الثانوي لمحول الأشعة السينية والذي يتم تأريضه، لذلك، يمكن وضع العداد بأمان في وحدة التحكم بالمشغل.
