Cấu trúc của máy X quang

iệt. Cửa sổ lối ra tia X trên vỏ, nới ghép với hộp chuẩn trực và vị trí các đầu nối Hình 3.1 Một loại bóng X quang Có hai loại bóng được ứng dụng trong thiết bị X quang là: Bóng X quang anôt cố định. Bóng X quang anôt quay. 3.1.2.1 Bóng X quang anôt cố định Cấu tạo: Hình 3.2 Cấu trúc bóng X quang Anôt cố định Hình 3.3 Cấu trúc ruột bóng và vỏ thuỷ tinh của một loại bóng X quang a-nốt cố định dùng cho máy chụp răng a) Catốt: bao gồm một sợi đốt và một điện cực phụ (điện cực Wehnelt) dùng làm giá đỡ sợi đốt và tạo khe hội tụ nhằm tập trung toàn bộ số lượng điện tử bức xạ từ catốt về phía anốt. Sợi đốt: làm bằng hợp kim Vôn-fram với Thô-ri. Vôn-fram (thường gọi là tung - sten) có nhiệt độ nóng chảy rất cao (3370oC) nên ít bị bốc hơi khi hoạt động ở nhiệt độ trên 2000oC. Nếu sợi đốt bị bốc hơi với một mức độ nào đó mỗi khi bị nung nóng thì lâu dần sẽ tạo ra các phần tử dẫn điện và tích luỹ chúng làm giảm độ chân không , gây ra sự phóng điện hồ quang trong bóng dẫn tới làm giảm tuổi thọ bóng. Để khắc phục hiện tượng này, một lượng nhỏ Thô-ri (1% - 2%) được hỗn hợp với tung - sten. Nhờ vậy có thể tạo ra cùng một lượng điện tử bức xạ với nhiệt độ sợi đốt giảm hơn nhiều so với khi sử dụng tung - sten nguyên chất. Sợi đốt có dạng hình xoắn ốc để tạo diện tích bức xạ điện tử rộng, đường kính khoảng 0,2 - 0,3 mm. Toàn bộ cuộn dây có kích thưứoc khoảng 2 - 5 mm theo chiều rộng và 1 - 2 cm theo chiều dài. Điện cực Wehnelt (có điện thế bằng điện thế catôt), các đường đẳng thế tại bề mặt anốt được phân bố để tạo ra điện trường hội tụ chùm tia điện tử hướng về một điểm có điện tích rất nhỏ tại bề mặt anốt - tiêu điểu, dùng làm giá đỡ sợi đốt và tạo khe hội tụ để Hội tụ chùm tia điện tử. Hình 3.4 Sự phân bố đường đẳng thế khi không (hình a) và có (hình b) điện cực Wehnelt. Sự hội tụ chùm tia điện tử (hình b) Hình 3.5 Hình ảnh của một ca-tốt sợi đốt kép, A và C - khe hội tụ lớn và nhỏ; B và D - sợi đốt lớn và nhỏ; E - ca-tốt Catốt có hai loại: Đơn và Kép Loại Catốt đơn chỉ gồm một sợi đốt và một khe bức xạ. Loại Catốt kép gồm có hai sợi đốt (thường gọi là tóc nhỏ và tóc lớn đặt trong hai khe bức xạ tương ứng với hai kích thước nhỏ và lớn. Hai khe này được bố trí kề nhau trong mặt phẳng. Các khe này tạo ra các điểm hội tụ nhỏ và lớn tại bề mặt Anốt. Nguồn điện cấp cho sợi đốt là nguồn điện áp thấp cỡ vài chục vôn với dòng điện khoảng vài Am-pe. Khi hoạt động, sợi đốt được nung nóng và bức xạ chùm tia điện tử có mật độ được xác định theo công thức: Trong đó: Je - mật độ dòng bức xạ W - hàm số phụ thuộc loại vật liệu. Với Tungsten W = 4,5 eV T - nhiệt độ k - hằng số Boltzmann A0 - hằng số vật liệu. Với Tungsten A0 xấp xỉ 60 Mật độ dòng bức xạ tỉ lệ với bình phương nhiệt độ. Quan hệ giữa Je và nhiệt độ được minh hoạ trên hình 3.6 Hình 3.6 Quan hệ giữa mật độ dòng bức xạ (Je) và nhiệt độ sợi Với mật độ dòng bức xạ từ 100 mA đến 1000mA nhiệt độ sợi đốt phải trong khoảng từ 2400 - 2700oK Để đảm bảo độ cách điện cao và tản nhiệt, biến thế cấp điện cho sợi đốt thường được đặt trong thùng cao thế cùng với biến áp cao thế b) Anốt: Có chức năng hứng chùm tia điện tử bắn ra từ Catốt, và bức xạ tia X. Anốt gồm một tấm tung-sten dày khoảng 2 mm, hình chữ nhật hoặc tròn có diện tích lớn hơn diện tích điểm hội tụ, được gắn vào một giá đỡ bằng đồng dầy giúp cho việc tản nhiệt được nhanh. Tung -sten được chọn làm vật liệu chế tạo tấm phát xạ vì có nhiệt độ nóng chảy rất cao (3370oC) so với các kim loaị khác (khoảng 1500oC) và có số lượng nguyên tử rất cao (Z=74). Những ưu điểm này bảo đảm tuổi thọ và hiệu suất phát xạ của bóng cao. Hiệu suất phát xạ tia X được tính theo công thức sau: Hiệu suất phát xạ = 0,9 x 10-9 ZUA x 100% Trong đó : Z: số lượng nguyên tử UA: điện áp bóng (Vôn ) Diện tích mà chùm tia điện tử hội tụ vào gọi là điểm hội tụ, đó chính là nguồn phát xạ tia X. Chấm hội tụ thường có dạng chữ nhật, chiều dài bằng (3-4) lần chiều rộng và diện tích khoảng 1 - 2 mm2 (tiêu điểm nhỏ) tới 5 - 10 mm2 (tiêu điểm lớn) Điểm hội tụ nhỏ được dùng khi yêu cầu công suất bức xạ thấp (dòng cao thế - mA thấp), được sử dụng để xét nghiệm những đối tượng có độ hấp thụ tia thấp, những bộ phận có kích thước nhỏ chẳng hạn người gày, trẻ em, hệ thống tuần hoàn v.v, trong trường hợp này người ta dùng mA thấp với thời gian chụp dài. Hình 3.7 Quan hệ giữa góc đích với điểm hội tụ thực và điểm hội tụ hiệu dụng Còn chấm hội tụ lớn ứng với công suất bức xạ cao (mA cao) được dùng chụp xương hoặc những bộ phận có kích thước lớn, độ hấp thụ tia cao. Khi đó người ta dùng mA cao với thời gian chụp ngắn. Bề mặt của Anốt nằm dốc chéo so với trục dọc của bóng nên chùm tia X bức xạ ra sẽ vuông góc với trục bóng. Góc giữa bề mặt chứa chấm hội tụ của Anốt với đường thẳng đứng gọi là góc vát (góc đích). Sự thay đổi góc đích sẽ làm thay đổi kích thước thực cũng như kích thước hiệu dụng của chấm hội tụ và do đó sẽ thay đổi vùng bức xạ hiệu dụng của bóng. Góc đích càng nhỏ, chấm hội tụ sẽ càng nhỏ, hình càng sắc nét tuy nhiên công suất bức xạ sẽ càng thấp. Góc đích có trị số từ 7o - 20o. c)Vỏ trong: (thường làm bằng thuỷ tinh) có dạng hình trụ và có các chức năng: Bao kính các bộ phận của bóng trong chân không Làm giá đỡ các điện cực Catốt và Anốt Cách điện giữa các điện cực Truyền nhiệt toả từ các điện cực ra ngoài Vỏ trong thường được chế tạo từ Pyrex - loại thuỷ tinh đặc biệt có khả năng chịu nhiệt cao, có độ cách điện cao, có hệ số dãn nở đồng nhất với sự giãn nở của các điện cực và chịu được áp lực chân không lớn. d) Vỏ ngoài: bao quanh bóng X quang, nó có ba nhiệm vụ: Chỉ cho tia X bức xạ qua cửa sổ bóng. Hấp thụ tia X theo các hướng có hại cho người bệnh và môi trường bao quanh. Cách điện cao, chống phóng điện hồ quang và phòng ngừa điện giật. Vỏ ngoài được chế tạo từ thép, nhôm, hoặc hợp kim nhôm, bề mặt trong của vỏ được lót một lớp chì có độ dày 3 - 4 mm để hấp thụ tia X, hạn chế sự phát xạ tia X ra chung quanh (trừ cửa sổ) tới mức cho phép không gây nguy hiểm cho bệnh nhân và cho môi trường xung quanh. Ví dụ theo tiêu chuẩn của nước Anh liều lượng bức xạ tia X qua vở không được vượt quá 100 mili Rơnghen tromg một giờ hoạt động tại vị trí cách bóng 1m. Để đảm bảo độ cách điện, người ta đổ đầy dầu cao thế vào khoang giữa hai lớp vỏ. Ngoài tác dụng cách điện, dầu còn có tác dụng tản nhiệt để làm mát bóng. Khi bóng hoạt dộng, nó sẽ nóng lên khiến cho dầu giãn nở nên một phía đầu vỏ phải có một khoang co giãn chế tạo bởi màng cao su hình lồng xếp. Để báo động tình trạng bóng quá nóng khi hoạt động liên tục, người ta gắn một bộ cảm nhận (ví dụ một công tắc điện cực nhỏ) vào một bề mặt khoang, khi khoang dãn ra tới mức nhất định, ví dụ với một loại bóng khi thể tích dầu tăng từ 1 dm3 đến 1,3 dm3 (tương ứng với nhiệt độ dầu là 70oC) thì công tắc tác động đóng mạch phát tín hiệu cảnh báo. Vấn đề loại bỏ tia mềm Khi phát xạ từ điểm hội tụ của Anốt, chùm tia X bao gồm nhiều bước sóng khác nhau, trong số này, những tia có năng lượng thấp nhất tương ứng với bước sóng dài nhất (còn gọi là tia mềm) sẽ bị hấp thụ bới da và các mô mềm ở phần nông của cơ thể nên chúng chỉ làm tăng liều lượng tia X trong cơ thể mà không cải thiện được chất lượng hình ảnh vì chúng không xâm nhập tới phim. Do vậy, cần phải lọc bỏ những bước sóng có hại này trước khi chùm tia X tới bệnh nhân. Trong thực tế chùm tia X sau khi truyền qua vỏ thuỷ tinh, qua lớp dầu bao quanh vỏ và cửa sổ bóng (được chế tạo bằng chất dẻo) các bước sóng dài đã bị lọc bớt. Việc lọc này được gọi là lọc nội bộ (tương đương với độ dày 1 mm nhôm). Khi cần thiết người ta có thể bổ sung thêm một lớp nhôm nữa tại cửa sổ bóng sao cho bề dày lớp lọc tổng cộng tương đương với lá nhôm có bề dày khoảng 1-2 mm. Dòng Anốt Dòng Anốt là dòng điện từ Catốt đến Anốt dưới tác dụng của điện áp Anốt UA UA + - Hình 3.8 Dòng Anốt Khi UA còn thấp chỉ có một số ít điện tử có đủ năng lượng tới được Anốt. Bao quanh bề mặt Catốt còn một đám mây điện tử gọi là điện tích không gian. Trạng thái này được gọi là trạng thái dưới bão hoà. Trị số dòng điện Anốt trong trạng thái này được tính như sau: Trong đó: IA - dòng a-nốt e - Hằng số điện môi e, m - điện tích và khối lượng điện tử UA - điện áp a-nốt d - khoảng cách giữa ca-tốt và a-nốt IA tỉ lệ với UA3/2 . Sự phụ thuộc của dòng Anốt vào điện áp Anốt được gọi là hiệu ứng điện tích không gian. Khi UA đủ cao, toàn bộ số lượng điện tử bức xạ từ Catốt được hút về Anốt. Trạng thái này được gọi là trạng thái bão hoà. Dòng Anốt được tính như sau: Trong đó: IAS - dòng a-nốt trong trạng thái bão hoà. Je - mật độ dòng điện tử bức xạ xác định. SE - diện tích bề mặt bức xạ của ca-tốt. Khi trị số dòng điện Anốt không phụ thuộc vào điện áp Anốt thì gọi là trạng thái bão hoà. Do vậy việc điều khiển điện áp và dòng Anốt độc lập với nhau. Trạng thái dưới bão hoà được khắc phục bằng một số biện pháp như mạch điện bù hiệu ứng điện tích không gian hoặc mạch tự động xác định liều lượng tia X. Phạm vi ứng dụng của bóng Anốt cố định Trong bóng X quang Anốt cố định, chùm tia điện tử luôn bắn vào một điểm cố định trên bề mặt Anốt, do vậy làm cho nhiệt độ tại điểm này tăng lên đáng kể. Điều này hạn chế công suất phát xạ của bóng. Vì vậy, hiện nay loại bóng X quang Anốt cố định chỉ còn được dùng trong các thiết bị X quang công suất nhỏ, thường là loại máy di động hoặc máy X quang răng với dòng cao thế tối đa khoảng 50 mA. 3.1.2.2 Bóng X quang Anốt quay Để khắc phục nhược điểm của bóng X quang Anốt cố định, người ta đã chế tạo ra loại bóng X quang Anốt quay. Loại bóng này đã được hãng Philips Medical System Hà Lan chế tạo lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1929. Khi Anốt quay với tốc độ lớn, chùm tia điện tử bắn vào Anốt không phải là một điểm cố định mà trên một diện tích hinh vành khăn, hơn nữa hình vành khăn này lại quay nhiều vòng trong suốt thời gian phát tia. Vì vậy diện tích điểm hội tụ - diện tích phát xạ tia X nhỏ hơn diện tích tản nhiệt rất nhiều. Đây là sự khác biệt cơ bản giữa hai loại bóng. Nhờ có diện tích tản nhiệt lớn, bóng X quang Anốt quay có thể hoạt động với dòng (mA) lớn do vậy làm tăng được công suất phát xạ tia X. Cấu tạo Hình 3.9 Cấu trúc bóng X quang a-nốt quay Ngoại trừ Anốt, các thành phần khác của bóng như Catốt, vỏ thuỷ tinh, vỏ ngoài đều có cấu trúc và chức năng tương tự như đối với loại bóng Anốt cố định. Sự khác nhau cơ bản giữa hai loại bóng là ở cấu trúc của Anốt bóng. Khi hoạt động Anốt quay với tốc độ lớn khoảng từ 3000 - 9000 vòng/phút (50 -150 vòng/giây), nghĩa là nếu thời gian chụp xảy ra trong vòng 0,1 giây thì Anốt quay ít nhất 5 vòng. Anốt gồm một đĩa được chế tạo bới tungsten hoặc bới Môlip đen phủ một lớp tungsten hoặc hợp kim tungsten. Lớp hợp kim này gồm 90 % tungsten và 10% rêni có tác dụng giảm sự thô nhám và rạn nứt bề mặt Anốt. Đĩa Anốt này được gắn vào một đế Môlip đen để cách nhiệt với Rôto. Mặt kia của đế Môlip đen được gắn với rôto của động cơ. Loại đĩa Anốt này thường được gọi là đĩa RTM (Rini, Tung-sten, Môlip đen). Tung-sten được chọn để chế tạo Anốt vì nó có nhiệt độ nóng chảy rất cao và nguyên tử lượng lớn. Còn Môlip đen được dùng vì nó có mật độ tương đối thấp (10,2 gr/cm3 so với 19,3 gr/cm3 đối với Tung-sten) nên sẽ làm giảm khối lượng Anốt khiến cho Anốt dễ đạt tốc độ quay mong muốn. Mặt khác Môlip đen dẫn nhiệt kém nên sẽ cách điện giữa đĩa Anốt và Roto của động cơ. Đường kính đĩa Anốt thường là từ 5 - 12,5 cm Hình 3.10 Ruột và vỏ thuỷ tinh một loại bóng anôt quay Mặt đĩa Anốt không phẳng mà vạt chéo ở rìa nơi chùm điện tử bắn vào, góc vát từ 7o - 20o tuỳ theo loại bóng. Kích thước điểm họi tụ nhỏ từ 0,6 - 0,8 mm và lớn từ 1-2 mm Động cơ Anốt là loại động cơ cảm ứng, trục của rôto có gắn một vòng bi, để bôi trơn vòng bi này được mạ bạc hoặc chì, không tra dầu vì sẽ làm hỏng độ chân không của bóng. Hình 3.11 Bề mặt a-nốt quay-điểm hội tụ Tốc độ quay của Anốt thường từ 3000 - 9000 vòng/phút. Với tốc độ thấp, nguồn điện cấp cho động cơ là nguồn AC 50 Hz, để đạt được tốc độ cao, phải sử dụng bộ đổi tần tạo nguồn AC có tần số tới 150 Hz. Anốt, Rôto, vòng bi được đặt trong vỏ thuỷ tinh. Bên ngoài vỏ, sát với Rôto là các cuộn dây và lõi sắt của Stato. Muốn bóng làm việc bình thường, Anốt phải quay và nhanh chóng đặt được tốc độ yêu cầu (ví dụ sau khoảng 1 s) do vậy trong thiết bị X quang người ta đã thiết kế các mạch bảo vệ và tăng tốc Anốt. Phạm vi ứng dụng Loại bóng X quang Anốt quay được dùng trong hầu hết các hệ thống máy X quang hiện đại, từ loại công xuất nhỏ như các máy di động (dòng cao thế khoảng 100mA) đến trung bình (dòng cao thế khoảng 300 - 600 mA) và lớn (dòng cao thế khoảng 800mA - 1000mA) 3.1.3 Tải của bóng X quang Tải của bóng được xác định bởi sự gia tăng nhiệt độ của điểm hội tụ đến giới hạn cho phép. Với thời gian phát tia ngắn < 0,05s, sự gia tăng nhiệt độ được tính như sau: Trong đó: P - công suất tải của bóng S - diện tích điểm hội tụ t - thời gian hoạt động l - độ dẫn nhiệt c - nhiệt đặc trưng r - mật độ Với thời gian phát tia dài: Trong đó: R – kích thước nhỏ nhất của điểm hội tụ thực (chiều rộng) Với các giá trị tương ứng với loại vật liệu làm a-nốt và nhiệt độ tối đa cho phép sẽ xác định được giá trị P – công suất tải của bóng. Khả năng tải nhiệt của bóng Khả năng tải nhiệt của bóng X quang là nhiệt lượng a-nốt của bóng có thể hấp thụ mà không bị hư hỏng.Bóng X quang có hoạt động an toàn hay không phụ thuộc vào hai yếu tố: Tốc độ gia tăng nhiệt lượng do chùm tia điện tử mang đến. Tốc độ tản nhiệt nhờ sự dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và sự đối lưu từ a-nốt sang các thành phần khác của bóng và môi trường xung quanh. Hai quá trình này xảy ra đồng thời và phải được tính tới khi thiết kế, chế tạo sao cho bóng hoạt động an toàn, không bị phá huỷ do quá nhiệt. Những tham số chủ yếu tác động tới hai yếu tố trên gồm: Loại bóng X quang: a-nốt quay hay cố định. Tốc độ quay a-nốt nếu là bóng a-nốt quay. Kích thước điểm hội tụ. Loại nguồn điện cao thế (1 pha, 3 pha, cao tần). Nhiệt độ môi trường xung quanh. Lượng nhiệt tạo ra tại Anốt còn phụ thuộc vào các tham số đặt như: kVp, mA, s và phụ thuộc vào dạng sóng chỉnh lưu cao thế và phương thức sử dụng: chụp từng ảnh hay chụp liên tục... Khả năng chịu nhiệt (H) đối với các loại mạch chỉnh lưu: 1pha : H = kVp ´ mA ´ sec (HU) 3 pha 6 xung : H = 1.35 ´ kVp ´ mA ´ s (HU) 3 pha 12 xung: H = 1.41 ´ kVp ´ mA ´ s (HU) Trong đó: HU = Heat Unit (đơn vị nhiệt) 1HU=1(kVp ´ mA ´ s) = 0,714 Joule (1J = 1,4HU) Khả năng tải nhiệt của bóng X quang là nhiệt lượng Anốt của bóng có thể hấp thụ mà không bị hư hỏng. Khả năng này được đánh giá bằng đơn vị nhiệt. Mỗi bóng X quang được đặc trưng bởi biểu đồ công suất, trong đó tập hợp các tham số ảnh hưởng tới khả năng chịu nhiệt của bóng như: kVp, mA, sec, kích thước chấm hội tụ, loại chỉnh lưu cao thế, tốc độ quay Anốt. Hình dưới miêu tả biểu đồ công suất của hai loại bóng X quang. Vùng hoạt động an toàn là vùng nằm phía dưới và bên trái đường biểu diễn. Hình 3.12 Biểu đồ công suất của hai loại bóng X quang 3.1.4 Một số loại bóng X quang chuyên dụng Bóng X quang có lưới điều khiển: Điện cực Wenelt trong loại bóng này đóng vai trò lưới điều khiển. Khi được cấp điện thế âm so với điện thể sợi đốt, lưới sẽ ngăn cản chùm tia điện tử và với điện thế âm đủ lớn (khoảng 1,5 - 3kV) lưới có thể ngăn chặn hoàn toàn chùm tia điện tử. Như vậy lưới đóng vai trò một công tắc. Ưu điểm của loại bóng X quang có lưới điều khiển là có thể cho phép chụp với thời gian rất ngắn cỡ 1ms nên bóng thường được ứng dụng trong máy X quang chụp mạch hoặc trong những ứng dụng đặc biệt khác Hình 3.13 Điện cực Wenelt có điện thế âm so với Catốt, đóng vai trò lưới điều khiển đóng và ngắt Bóng X quang vỏ kim loại Nhược điểm của loại bóng X quang có vỏ thuỷ tinh là sau một thời gian hoạt động dài, một lượng chất Tung-sten bốc hơi từ Catốt và Anốt tích tụ tại bề mặt trong vỏ thuỷ tinh làm giảm khả năng tản nhiệt của bóng. Ưu điểm của loại bóng X quang vỏ kim loại so với bóng X quang vỏ thuỷ tinh là: Chịu tải cơ học lớn nên có thể ứng dụng Anốt có khối lượng lớn hơn, ví dụ 2000 gr so với 700 gr ở loại bóng thông thường có cùng kích thước Chịu dòng tải lớn Khả năng tản nhiệt không bị suy giảm theo thời gian Bóng X quang vỏ kim loại thường được ứng dụng trong máy X quang thông thường cũng như máy X quang chuyên dụng - CT Scanner Bóng X quang trong máy X quang chụp vú Trong chẩn đoán các mô mềm như chụp vú, phải ứng dụng tia X có năng lượng thấp (không quá 50 keV) vì nếu tia X có năng lượng cao nó sẽ đâm xuyên hầu hết qua các mô bình thường và các mô bệnh lý và hầu như không thể phát hiện được sự khác biệt trên ảnh quang tuyến X. Ngoài việc hạ thấp kV, còn phải chọn loại vật liệu chế tạo Anốt sao cho có thể tạo được hiệu suất phát xạ tia X cao với kV thấp. Vì vậy các nhà chế tạo đã sử dụng Môlipđen để chế tạo Anốt chứ không dùng Tung-sten như trong bóng X quang thông thường. Với loại Anốt này, bức xạ tia X được sử dụng là loại bức xạ đặc trưng. Các chỉ tiêu kĩ thuật đánh giá bóng X quang Trị số điện áp cao thế tối đa, thông thường trong khoảng 125 kV - 150kV Trị số dòng điện áp cao thế tối đa, thường từ 100 -1000 mA Loại hội tụ: đơn, kép Tiết diện điểm hội tụ, thông thường trong khoảng 0,6 mm2 (hội tụ bé) - 1,5 mm2 (hội tụ lớn) Khả năng chịu nhiệt thường vào khoảng vài trăm nghìn đến vài MHU Khả năng tản nhiệt tới vài trăm kHU/phút Góc phát xạ của chùm tia Tốc độ quay của Anốt nếu là bóng Anốt quay, thông thường trong khoảng 3000 - 9000 vòng/phút 3.2 Khối cao thế 3.2.1 Nguyên lý hoạt động Khối cao thế trong máy X quang có chức năng cung cấp điện áp cao thế cho bóng X quang. Điện áp cao thế là điện áp một chiều, có trị số có thể điều khiển trong phạm vi từ 40-150 kVp. Dòng điện cao thế do khối cung cấp phải bảo đảm công suất lớn nhất tương ứng với từng loại máy. 3.2.2 Cấu tạo Khối cao thế bao gồm nguồn cấp điện, biến áp cao thế và chỉnh lưu cao thế, những linh kiện này được bố trí trong thùng cao thế để đảm bảo độ cách điện và toả nhiệt. Thanh chỉnh lưu gồm nhiều điốt ghép nối tiếp Hình 3.14 Các linh kiện bên trong thùng cao thế 3.2.2.1 Biến áp cao thế Nhiệm vụ: Biến đổi điện áp từ trị số điện áp nguồn (220V hoặc 380V) lên 40kV đến 150kV. Công suất của biến áp cao thế phải bảo đảm công suất thiết kế của máy. Cấu tạo: Là biến áp 1 pha hoặc 3 pha tuỳ nguồn. Biến áp cao thế gồm có các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp cuốn quanh lõi chế tạo bởi các lá tôn Silic. Hình 3.15 Hai kiểu biến thế cao áp và ký hiệu quy ước Bao quanh cuộn sơ cấp thường có một lớp vỏ bọc kim bằng đồng mỏng không khép kín. Lớp vỏ này dùng với mục đích an toàn phòng khi các lớp cách điện bị hỏng, điện thế cao sẽ phóng qua lớp đồng này xuống đất. Cuộn thứ cấp được chia làm hai nửa cân xứng. Điểm giữa của chúng được nối đất. Cách bố trí này làm giảm đi một nửa yêu cầu về cách điện, do vậy giảm được chi phí chế tạo biến thế và cáp cao thế. Giả sử hiệu điện thế giữa hai đầu cực cuộn dây thứ là 100 kV thì giữa một đầu với đất chỉ còn 50 kV, do vậy chỉ phải đảm bảo độ cách điện giữa hai đầu biến thế so với đất là 50 kV. Cuộn sơ cấp và thứ cấp biến áp có mối quan hệ: Cách điện trong khối cao thế Để đảm bảo cách điện giữa các linh kiện trong khối cao thế, giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, giữa biến thế với chỉnh lưu cao thế và giữa các linh kiện với đất có hai cách giải quyết sau: Đối với khối cao thế công suất lớn, toả nhiệt nhiều, toàn bộ linh kiện và cấu kiện của khối cao thế được nhúng vào trong thùng chứa dầu cao thế. Ngoài tác dụng cách điện, dầu còn có tác dụng làm mát những cấu kiện này bằng cách truyền nhiệt đối lưu từ bên trong biến thế ra ngoài môi trường xung quanh. Khi nạp dầu, phải hút hết khí trong thùng để dầu có thể thâm nhập vào toàn bộ các lỗ rỗng trong các linh kiện và cấu kiện sao cho không còn bọt khí. Sau đó thùng cao thế được đậy kín. ở các máy X quang loại nhỏ, di động, công suất tiêu hao không lớn, nhiệt lượng toả ra không nhiều, người ta có thể bố trí khối cao thế và bóng X quang vào chung trong một thùng. Để cách điện, người ta nhúng chúng vào chất dẻo khi đang ở dạng lỏng. Sau đó chất dẻo khô đi tạo thành vật liệu cách điện rắn bao quanh các cấu kiện. 3.2.2.2 Chỉnh lưu cao thế Bóng X quang chỉ dẫn dòng theo một chiều từ Anốt đến Catốt. Vì vậy, cần phải chỉnh lưu nguồn điện cao thế xoay chiều, dù là nguồn điện lưới tần số thấp hay là nguồn cao tần, thành nguồn một chiều để cung cấp cho bóng hoạt động: Các loại chỉnh lưu cao thế: 3 loại Chỉnh lưu một pha nửa sóng. Chỉnh lưu một pha cả sóng. Chỉnh lưu ba pha. Hình 3.16 Ba loại chỉnh lưu và các dạng sóng điện áp, cường độ bức xạ tia X a) Chỉnh lưu một pha nửa sóng Đây là loại chỉnh lưu đơn giản nhất sơ đồ mạch điện và các dạng sóng đặc trưng cho điện áp chỉnh lưu, dòng điện và năng lượng tia X được minh hoạ trên hình 3.16 a . Thực chất đây là loại tự chỉnh lưu - bóng X quang kiêm luôn chức năng điốt chỉnh lưu, chỉ có dòng điện trong nửa chu kì dương (nửa sóng) khi điện thế Anốt là dương so với Catốt, trong nửa chu kì âm còn lại, không có dòng qua bóng. Ưu điểm: Kích thước nhỏ Khối lượng nhỏ Dễ chế tạo Giá thành thấp Nhược điểm: Trị số điện áp tối đa kVp trong nửa chu kì dương nhỏ hơn trị số kVp trong nửa chu kì âm một lượng là ∆kV = IAR Trong đó IA là dòng cao thế, R là điện trở trong của các cuộn dây biến áp cao thế. Khi IA tăng thì ∆kV cũng tăng, ∆kV có thể lên tới 20-30kV. Do vậy công suất của bóng X quang phụ thuộc vào kVp trong nửa chu kì dương, còn các vấn đề cách điện kèm theo là kích thước, trọng lượng của khối cao thế lại liên quan đến nửa chu kì âm (không tải), điều này làm giảm hiệu suất của khối cao thế. Để giảm ∆kV phải giảm dòng cao thế vì vậy trị số dòng cao thế lớn nhất trong kiểu chỉnh lưu này bị giới hạn trong phạm vi dưới 50 mA. Trị số dòng đỉnh Iđ và trị số dòng trung bình Itb của bóng X quang chênh lệch lớn Id = 3 Itb Dòng trung bình là dòng quyết định công suất phát xạ tia X và nhiệt toả ra trong quá trình phát tia. Trong khi đó dòng đỉnh Iđ lại quyết định nhiệt độ của điểm hội tụ. Sự chênh lệch này đã hạn chế dòng Itb của bóng X quang để sao cho dòng đỉnh của nó không quá cao có thể làm cho điểm hội tụ quá nóng tới mức tạo ra bức xạ điện tử thứ cấp hoặc bị nóng chảy, nghĩa là phải giới hạn công suất phát xạ tia X. Nếu phải dùng cáp cao thế để nối giữa biến thế và bóng, thì điện áp giữa ruột và vỏ cáp ở giữa hai giá trị đỉnh, do vậy cáp cao thế phải có độ cách điện cao hơn so với cáp trong các kiểu chỉnh lưu khác. Để loại bỏ nhược điểm này, thường không dùng cáp cao thế mà bố trí biến thế cao thế và bóng liền kề nhau trong một thùng cao thế. Phạm vi ứng dụng: Trong các máy X quang công suất nhỏ (P<2kW), di động hoặc máy X quang răng. b) Chỉnh lưu cao thế một pha cả sóng. Loại chỉnh lưu một pha cả sóng được ứng dụng nhằm khắc phục những nhược điểm cơ bản của loại chỉnh lưu một pha nửa sóng. Sơ đồ mạch điện và các dạng sóng đặc trưng cho điện áp chỉnh lưu, dòng điện và năng lượng tia X được minh hoạ trên hình 3.17. Trong loại chỉnh lưu này, cả hai nửa chu kì dương và âm của dòng điện xoay chiều đều được sử dụng. Nhờ vậy đã tăng đáng kể công xuất phát xạ tia X, hiệu suất của khối cao thế và mở rộng phạm vi ứng dụng của thiết bị. Hình 3.17 Nguyên lý hoạt động của loại chỉnh lưu 1 pha cả sóng Các đặc trưng cơ bản: Bóng X quang dẫn dòng trong cả hai nửa sóng do vậy kVp trong cả hai nửa sóng biến thiên như nhau và trị số sụt áp ∆kV cũng giống nhau. Sự chênh lệch giữa trị số dòng cao thế đỉnh Iđ trị số dòng cao thế Itb giảm đi 2 lần so với sự khác biệt trong kiểu chỉnh lưu nửa sóng. Iđ = 1,5 Itb nên có thể tăng công suất phát xạ tia X. Giảm yêu cầu về độ cách điện giữa ruột và vỏ cáp cao thế, nên có thể dùng cáp cao thế nối giữa nguồn cao thế và bóng. Ưu điểm: Công suất phát xạ tia X cao hơn. Hiệu suất sử dụng bóng X quang lớn hơn. Nhược điểm: Cấu tạo phức tạp hơn. Kích thước và trọng lượng lớn hơn. Giá thành cao hơn. Ưng dụng: Trong các máy X quang loại công suất thấp và trung bình (PÊ 50 kW). Dòng điện cao thế cực đại của máy X quang trong kiểu chỉnh lưu này đạt tới khoảng 500 mA với 80 kVp. c) Chỉnh lưu cao thế ba pha Liều lượng tia X tỷ lệ với mAs. Trong hai loại chỉnh lưu trên vì dòng cao thế (mA) còn thấp nên phải kéo dài thời gian chụp dẫn tới nhoè ảnh trong những trường hợp có sự cử động tự nhiên của một số bộ phận cơ thể như tim, phổi đặc biệt đối với trẻ em. Hơn nữa trong những thủ thuật xét nghiệm quang tuyến X đặc biệt như chụp mạch số lượng ảnh cần thiết có thể lên tới vài chục ảnh trong một giây. do vậy cần phải rút ngắn thời gian chụp và tăng cường độ dòng chụp. Hình 3.18 Dạng sóng nguồn 3 pha và sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu 3 pha Nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu cao thế 3 pha 6 xung. Trong nguồn cấp điện ba pha, điện áp tại các pha biến đổi không đồng bộ. Giả sử trong nửa chu kì dương khi điện áp trên pha A đạt giá trị cực đại, thì điện áp trên pha B mới đạt giá trị lớn nhất, rồi sau đó tới điện áp trên pha C (pha C chậm 120o so với pha B và chậm 240o so với pha A). Trong nửa chu kì âm s