Studiebot antwoord

Vraag gesteld door: CHANTAL23032004 - 1 jaar geleden

In situaties waarin geen materie wordt gevormd of materie verdwijnt, geldt de wet van behoud van energie. Dat wil zeggen dat er geen energie verloren gaat of bij komt, maar dat de veranderingen zich afspelen in de zin van energieomzettingen. Chemische energie kan worden omgezet in mechanische energie (denk aan een verbrandingsmotor). De kinetische energie van elektronen die materie treffen, kan worden omgezet in andere energievormen, zoals remstraling en karakteristieke straling. Het overgrote deel van de kinetische energie van elektronen in een rntgenbuis wordt echter omgezet in warmte (9999,5 %).
2.1.1 Opwekken van straling
Bij de opwekking van rntgenstraling is het goed om uit te gaan van de ruimtelijke verhoudingen binnen het atoommodel volgens Bohr. Een atoom bestaat uit een kern met daarin alle protonen en neutronen en daaromheen een aantal schillen waarin de elektronen zich bevinden.
Bekijken we de atomen van een wolfraamanode in een rntgenbuis op deze manier, dan bevinden zich in de kern 74 protonen en 110 neutronen (fig. 2.1). De 74 elektronen, noodzakelijk om het atoom elektrisch neutraal te houden, zijn verdeeld over de K-L-M-N-O-P-schillen. Het maximale aantal elektronen dat zich in een schil kan bevinden, kan worden berekend met de formule 2n2. Hierin staat n voor het schilnummer. Dat wil echter niet zeggen dat elke schil per se het maximumaantal elektronen zal bevatten. De elektronenconfiguratie van wolfraam is bijvoorbeeld 2-8-18-32-12-2.
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig1_HTML.png
Figuur 2.1
Schema van een wolfraamatoom
De ruimtelijke verdeling van een atoom op schaal is onmogelijk weer te geven op papier. De afstand tussen de opeenvolgende schillen wordt van binnen naar buiten steeds groter. Ruimtelijk gezien is een atoom daarom nagenoeg leeg. Hier en daar bevindt zich een kern en daartussendoor bewegen de schil-elektronen. Vergelijk het met de sterrenhemel: elke ster (= zon) staat voor een kern en de diverse planeten vertegenwoordigen de schil-elektronen. Vanwege deze vergelijking wordt het atoommodel van Bohr ook wel het planetenmodel genoemd.
In de rntgenbuis wordt de gloeidraad van de kathode (negatieve elektrode) via een elektrische stroom verhit. Hierbij zullen elektronen uit de gloeidraad ontsnappen (thermische emissie). Rond de gloeidraad zal een wolk ontstaan van vrije elektronen.
Onder invloed van de buisspanning zullen de vrije elektronen vanuit de wolk in de richting van de anode (positieve elektrode) worden versneld. Hierdoor krijgen ze een aanzienlijke kinetische energie. Bij een buisspanning van bijvoorbeeld 80 kV is dit 80 keV per elektron (= 1,281014 joule).
Met deze kinetische energie bereiken de gloeidraadelektronen de anode en verdwijnen ze in de wolfraamatoomruimte. Zoals aangegeven is deze ruimte grotendeels leeg, waardoor de kans op botsingen tussen gloeidraad-elektronen en schil-elektronen en/of kernmateriaal van het anodemateriaal uiterst klein is. De kinetische energie van de elektronen zal grotendeels in warmte worden omgezet (99 % of meer) en slechts een klein deel zal in de tweede energievorm, rntgenstraling, worden getransformeerd.
Remstraling
Voor de interactie tussen de gloeidraad-elektronen en het wolfraammateriaal zijn botsingen niet per se noodzakelijk. Wanneer het (negatieve) elektron een (positieve) wolfraamkern passeert, wordt het elektron aangetrokken door de kern. Nu werken er twee krachten op het elektron:
a.
de kinetische energie van het elektron, waardoor het rechtdoor wil gaan;

b.
de aantrekkingskracht van de kern, waardoor het elektron naar de kern wil bewegen.

Het gevolg van dit krachtenspel is dat de baan van het elektron wordt afgebogen en dat het elektron een deel van zijn kinetische energie verliest; het wordt dus gedeeltelijk afgeremd. Het verlies van kinetische energie wordt omgezet in elektromagnetische straling (wet van behoud van energie) en vormt zodoende een foton. Omdat dit foton ontstaat ten gevolge van het afremmen van elektronen, wordt het een remstralingsfoton genoemd.
Hoe dichter het gloeidraad-elektron bij de kern komt, des te sterker wordt het afgebogen en afgeremd en zal de foton-energie van het remstralingsfoton relatief hoog zijn. Bij afremming verder weg van een kern zijn de afbuiging en de afremming minder en zal een lager energetisch remstralingsfoton ontstaan ontstaan (fig. 2.2).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig2_HTML.png
Figuur 2.2
Remstraling ontstaat doordat elektronen worden afgeremd door de kernen. Dit afremmen gebeurt in verschillende mate en hierdoor ontstaat een continu spectrum
Ruimtelijk gezien liggen de kernen in materie relatief ver uit elkaar. Daarom is de kans op matig afremmen, ver weg van een kern (lage foton-energie), veel groter dan sterk afremmen dicht bij een kern (hoge foton-energie). Het remstralingsspectrum dat ter plaatse van de anode ontstaat, bevat dus veel laagenergetische fotonen en heel weinig hoogenergetische fotonen. De bovengrens van het remstralingsspectrum wordt bepaald door de hoogte van de buispanning. Bij een buisspanning van 80 kV (kilovolt) krijgt het elektron een kinetische energie van 80 keV (kilo-elektronvolt) en wanneer deze energie in n enkel remproces wordt afgestaan, ontstaat een remstralingsfoton van 80 keV. De ondergrens van de foton-energie is niet exact aan te geven omdat het een statistisch proces betreft en bovendien is het sterk afhankelijk van de (eigen) filterwaarde van de rntgenbuis.
Na een remproces gaat het elektron in de nieuwe richting verder met de restenergie. Verderop kunnen dan weer remprocessen ontstaan, tot de kinetische energie van het elektron verbruikt is en het elektron stilstaat. De diepte waarin elektronen in een materiaal kunnen binnendringen, wordt de dracht van elektronen in materie genoemd en kan worden berekend met de volgende vuistregel.

Waarbij:
R = dracht (cm)
E = kinetische energie van het elektron (keV)
= dichtheid van het afremmend materiaal (g/cm3)
Bij een buisspanning van 80 kV is de dracht van de elektronen in de wolfraamanode ongeveer 20 m.
Om een rntgenbundel te kunnen gebruiken moet de opgewekte remstraling de rntgenbuis verlaten. Op het pad van anode naar buiten zullen de fotonen door een aantal lagen materie moeten dringen (zie ook fig. 2.7 en 2.24b):
het eigen anodemateriaal, afhankelijk van diepte en richting waarin het remstralingsfoton ontstaat;
wandmateriaal van de inzetbuis;
olie tussen inzetbuis en buisomhulling die zorgt voor elektrische isolatie en voor een thermische buffer;
buisvenster, bestaande uit een dikke laag perspex in de overigens loden buisomhulling;
spiegeltje in het diafragma voor het projecteren van het lichtveld;
dun laagje perspex dat het diafragmablok afsluit.
Al deze materialen samen vormen de eigen of inherente filterwaarde van een rntgenbuis. Het inherente buisfilter zorgt voor een afname van de stralingsintensiteit, omdat hierin een deel van de remstralingsfotonen wordt verzwakt. Hoogenergetische fotonen worden minder verzwakt dan laagenergetische fotonen.
De interactie met het inherente buisfilter en de eerder beschreven verdeling van foton-energien in het remstralingsspectrum zorgen voor de uiteindelijke vorm van het uittredende remspectrum:
weinig laagenergetische fotonen, omdat deze nagenoeg niet door het inherente filter kunnen dringen;
relatief veel foton-energien uit het middengebied, met een piek op ongeveer een derde van het maximum;
weinig hoogenergetische fotonen, omdat er weinig worden gevormd.
Omdat dit remspectrum alle foton-energien bevat tussen bijna nul en maximaal, vormt het een continu spectrum (fig. 2.3).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig3_HTML.png
Figuur 2.3
Verschil tussen opgewekt en uittredend remspectrum
Karakteristieke straling
Behalve de zeer vele remprocessen die optreden als snelle elektronen de wolfraamanode binnendringen, zullen er af en toe botsingen plaatsvinden tussen de gloeidraadelektronen en de schil-elektronen van de wolfraamatomen. Wanneer de kinetische energie van de gloeidraadelektronen groter is dan de bindingsenergie van de schil-elektronen kunnen de laatste uit hun baan worden gestoten, waardoor de wolfraamatomen worden geoniseerd. Hierbij ontstaan open plaatsen in de elektronenschillen, die in de meeste gevallen worden opgevuld door elektronen uit een verder weg gelegen schil. Het verschil in bindingsenergie tussen die schillen komt dan vrij in de vorm van elektromagnetische straling. Deze fotonen bezitten precies het energieverschil dat past bij het verschil in bindingsenergie van de betreffende elektronenschillen van wolfraam. De foton-energie is dus zeer karakteristiek voor het materiaal waarin ze ontstaan. Om die reden wordt deze straling ook wel karakteristieke straling genoemd (fig. 2.4).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig4_HTML.png
Figuur 2.4
Karakteristieke straling
Een primair gloeidraadelektron stoot een K-schil-elektron uit zijn baan waardoor een open plaats ontstaat. Deze plaats wordt opgevuld door een elektron uit een verder weg gelegen schil, waarbij een rntgenfoton ontstaat. De energie van dit foton is karakteristiek voor de betreffende schilovergang.
Voor wolfraam zijn de bindingsenergien in de diverse schillen weergegeven in tab. 2.1.
Tabel 2.1Bindingsenergien van wolfraam
schil
bindingsenergie (keV)
K
69,5
L
11,3
M
2,8
N
0,6
O en P
bijna 0 (mogen eigenlijk als vrije elektronen worden gezien)
Met deze energieniveaus zijn de volgende karakteristieke wolfraamfotonen te verklaren (tab. 2.2).
Tabel 2.2Karakteristieke straling vanuit wolfraam
schilovergang
karakteristieke foton-energie (keV)
L-K
11,3 (69,5) = 58,2
K-straling
M-K
2,8 (69,5) = 66,7
K-straling
N-K
0,6 (69,5) = 68,9
M-L
2,8 (11,3) = 8,57
niet van belang binnen de radiologie
N-L
0,6 (11,3) = 10,7
N-M
0,6 (2,8) = 2,2
Het karakteristieke spectrum kent uitsluitend discrete foton-energien, passend bij het materiaal, en vormt zodoende een lijnenspectrum (fig. 2.5).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig5_HTML.png
Figuur 2.5
Karakteristiek lijnenspectrum van wolfraam
Aangezien beide processen (afremmen en botsen) gelijktijdig plaatsvinden in de wolfraamanode, zullen beide spectra ook samen uit de buis komen. De laagenergetische karakteristieke straling (circa 10 keV) zal nagenoeg geheel door het inherente buisfilter worden geabsorbeerd. Omdat deze foton-energie binnen de radiodiagnostiek verder niet interessant is, worden meestal uitsluitend de lijnen van de K- en K-straling weergegeven. Het complete uittredende spectrum ziet er dan uit zoals weergegeven in fig. 2.6.
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig6_HTML.png
Figuur 2.6
Remspectrum en karakteristiek spectrum bij een buisspanning van 80 kV
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig7_HTML.png
Figuur 2.7
Schematische weergave van de bouw van een rntgenbuis
2.1.2 Rntgensysteem
Het rntgensysteem is een verzameling van systeemdelen die gezamenlijk tot doel hebben een rntgenopname te maken. Het systeem is opgebouwd uit drie hoofddelen: rntgenbuis, generator en statief. De rntgenbuis vormt het hart van de installatie (fig. 2.7). Hier wordt de rntgenstraling opgewekt die wordt gebruikt voor de uiteindelijke beeldvorming. De generator levert aan de rntgenbuis de elektrische energie die noodzakelijk is om de rntgenstraling te kunnen opwekken. Het statief ten slotte kan uit twee delen bestaan: het buisstatief en het patintenstatief (rntgentafel). Het buisstatief wordt gebruikt om de rntgenbuis en eventueel de detector (beeldversterker, fosforplaat of flat-panel detector) ten opzichte van de patint te positioneren, het patintenstatief dient om de patint ten opzichte van de rntgenbundel en de detector te positioneren.
2.2 Bouw rntgenbuis
De rntgenbuis vormt het centrale deel van elke rntgeninstallatie. Hier wordt elektrische energie omgezet in stralingsenergie. Het rendement is echter laag: slechts 1 % of minder wordt omgezet in rntgenstraling, 99 % of meer wordt omgezet in warmte. Van de opgewekte hoeveelheid rntgenstraling wordt vervolgens slechts circa 10 % nuttig gebruikt.
De hoge elektrische spanningen, de rntgenstraling, de hoge temperaturen en de diverse mechanische belastingen stellen hoge eisen aan de constructie van de rntgenbuis en zijn omhulling. De rntgenbuis is in principe een diode met daarin een elektronenbron (kathode) en het target (anode). De anode heeft een positieve, elektrische potentiaal ten opzichte van de kathode. De (negatief geladen) elektronen die in de kathode worden vrijgemaakt, worden door de (positieve) anode aangetrokken. Hierdoor ontstaat een elektronenstroom van kathode naar anode, de buisstroom.
2.2.1 Kathode
De elektronenbron of kathode wordt gevormd door een spiraalvormige gloeidraad, zoals in een elektrische lamp. Het materiaal van de gloeispiraal is wolfraam, vanwege de zeer hoge smelttemperatuur. De spiraal is ingebouwd in de focusseringscup. In een dubbelfocusbuis is sprake van een dubbele gloeidraad: een voor de grote en een voor de kleine focus. Door het aanleggen van een gloeispanning zal een elektrische stroom door de gloeidraad worden gestuurd, die de draad verhit. De elektronen die in de atomaire structuur van de gloeidraad voorkomen, zullen zo snel gaan bewegen dat ze vrijkomen van hun eigen atoom en de gloeidraad verlaten. Dat is hiervoor al aangeduid als thermische emissie. Door het ontsnappen van elektronen ontstaat in de gloeidraad een relatief tekort aan elektronen en de draad zal dan ook weer een aantal elektronen aantrekken. Zolang de gloeidraad wordt verwarmd, zullen elektronen de draad verlaten en weer terugkeren. Op die manier ontstaat een evenwichtssituatie met een min of meer constant aantal elektronen in de wolk, ook wel ruimtelading genoemd (fig. 2.8).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig8_HTML.png
Figuur 2.8
Wolk van vrije elektronen rond de gloeidraad
Als tussen de kathode en het target of de anode een spanning wordt aangelegd (buisspanning) waarbij de anode positief is ten opzichte van de kathode, dan zullen de negatief geladen elektronen door de anode worden aangetrokken en zal een elektronenstroom door de buis gaan lopen tussen de kathode en de anode (buisstroom). De buis en vooral de focusseringscup zijn zodanig geconstrueerd dat de elektronen zich langs veldlijnen gaan bewegen naar een zo klein mogelijk oppervlak op de anode. Dat oppervlak is het focus. In het focus zullen de elektronen met een hoge kinetische energie het anodemateriaal bereiken en zal rntgenstraling worden opgewekt (fig. 2.9).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig9_HTML.png
Figuur 2.9
Schematische weergave van een rntgenbuis
Bij buizen met een zeer kleine focus (bijvoorbeeld voor mammografie) wordt, ten opzichte van de gloeidraad, een kleine negatieve spanning op de focusseringscup geplaatst, waardoor de elektronenbundel verder wordt versmald. De vorm en grootte van het focus worden dus zowel door de lengte van de gloeidraad (groot en klein focus) als door de vorm en spanning van de focusseringscup bepaald (fig. 2.10 en 2.11).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig10_HTML.jpg
Figuur 2.10
Kathode van een dubbelfocusbuis
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig11_HTML.jpg
Figuur 2.11
Veldlijnen en vorm van de elektronenbundel in een dubbelfocusbuis
2.2.2 Anode
Aangezien het anodemateriaal wordt gebombardeerd met zeer snelle elektronen en deze kinetische energie moet worden omgezet in stralingsenergie, worden specifieke eisen gesteld aan dit materiaal. Om een zo groot mogelijke hoeveelheid remstraling te kunnen opwekken, moet worden gekozen voor targetmateriaal met een zo hoog mogelijk atoomnummer. Doordat een hoger atoomnummer de kern sterker positief maakt, verloopt het remproces van negatief geladen elektronen efficinter. Lood zou wat dat betreft ideaal zijn (Z = 82), maar zou direct wegsmelten omdat het een lage smelttemperatuur heeft (327 C). Daarom kiest men veelal voor wolfraam (Z = 74, met een smelttemperatuur van 3.380 C). Buizen die met een lage buisstroom werken, zullen met een vaste anode van wolfraam zijn uitgevoerd, zoals de rntgenbuis die bij de tandarts wordt gebruikt. Zodra er echter hogere buisstromen door de buis gaan, is ook een hoge smelttemperatuur onvoldoende om te voorkomen dat de anode smelt. Door de anode uit te voeren in de vorm van een draaiende schijf, wordt de warmte over een groter oppervlak verdeeld (fig. 2.12).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig12_HTML.png
Figuur 2.12
Anodeschotel; weergegeven zijn de focusbaan (b) en de plaats en de grootte van het focus (a)
Door warmtegeleiding van het anodemateriaal zal de warmte van het focus snel naar diepere lagen moeten worden afgevoerd voordat de anode een keer is rondgedraaid en een bepaald punt op de anode opnieuw wordt verhit. Daarom bestaat de diepere laag van een anodeschotel uit een materiaal met een hoge warmtecapaciteit, zoals molybdeen of grafiet. In de anode ontstaan extreme temperatuurverschillen en samen met een toerental van 3.000 of 9.000 toeren per minuut (tpm) zorgt dit voor grote mechanische spanningen. Om die reden worden veelal legeringen gebruikt die een grotere mechanische sterkte hebben.
2.2.3 Rotor
Er zijn buizen met een vaste en buizen met een roterende anode. Buizen met een vaste anode hebben een betrekkelijk lage belastbaarheid. Bij de roterende anode wordt de anodeschijf aangedreven met behulp van een rotor. Deze rotor vormt een deel van een soort elektromotor waarvan de stator zich buiten de vacumomhulling bevindt. De roterende anode is bevestigd in een lager. Bij het kogellager wordt gebruikgemaakt van kogels die anode en rotor dragen.
Bij een vloeistoflager (V-groeflagering) bevindt zich een vloeibare metaallegering in een zeer nauwe spleet tussen een vast en een draaibaar deel van het lager. Als gevolg van het roteren zal een aquaplaningeffect ontstaan, waardoor het lager nagenoeg zonder weerstand zweeft op de vloeistof. Omdat er bij een vloeistoflager sprake is van een groter (metallisch) geleidend oppervlak, kan de warmte van de anode sneller worden afgevoerd naar de omhullende behuizing van de buis, waardoor een grotere belastbaarheid van de buis mogelijk is dan bij een kogellager.
2.2.4 Vacumomhulling
De vacum- of inzetbuis bestaat uit een glazen of metalen omhulling waarbinnen de kathode en anode zijn aangebracht. Binnen in de inzetbuis is hoogvacum aangebracht. Dat is niet alleen noodzakelijk om de elektronenstroom ongehinderd in de buis te laten lopen, maar het voorkomt tevens dat de gloeispiraal binnen enkele uren geheel opbrandt wanneer deze in contact zou komen met zuurstof. Tijdens de fabricage van de buis wordt deze leeggepompt en wordt er gettermateriaal in aangebracht. Dit materiaal is poreus en heeft de eigenschap losse gasmoleculen te adsorberen (binding van een gas aan een vaste stof). Eventueel achtergebleven gasmoleculen of later vrijkomende moleculen worden door de getter vastgehouden.
2.2.5 Buisomhulling
De inzetbuis wordt geplaatst in een buisomhulling. Deze heeft diverse functies. De buisomhulling dient als mechanische bescherming van de kwetsbare inzetbuis voor invloeden van buitenaf en biedt mechanische bescherming voor de omgeving tegen rondvliegende onderdelen ingeval de inzetbuis onverhoopt zou imploderen.
Aan de binnenkant is de buisomhulling bekleed met lood om de opgewekte straling in ongewenste richtingen af te schermen. Straling die toch door het loden deel van de buisomhulling dringt, wordt lekstraling genoemd. Door de wetgever zijn eisen gesteld aan het maximale equivalente dosistempo dat door de lekstraling mag worden veroorzaakt. Zo geldt er voor radiodiagnostiekapparatuur op een afstand van 1 meter van het focus een dosistempolimiet van maximaal 1 mSv/h (millisievert/uur), buiten de primaire bundel met gesloten diafragma en bij maximale belasting van de rntgenbuis. Slechts op n plaats is een onderbreking gemaakt in het normale omhullingsmateriaal en is het vervangen door een vast diafragma waarvan de opening is opgevuld met perspex. Dit wordt het buisvenster genoemd. Hier kan de rntgenstraling de buis verlaten om te worden gebruikt voor een opname.
De ruimte tussen de inzetbuis en de buisomhulling is verder gevuld met olie, die dient voor een extra opslagmogelijkheid van warmte en zorgt voor elektrische isolatie van het hoge spanningsverschil tussen de inzetbuis en de buitenwereld. Door het opwarmen van de olie bij gebruik van de buis zal deze uitzetten. Om te voorkomen dat bij een te hoge oliedruk de inzetbuis wordt beschadigd, is aan een zijde in de buisomhulling een expansievat aangebracht (fig. 2.7).
2.2.6 Hoogspanningsaansluitingen
De rntgenbuis is met hoogspanningskabels aangesloten op de generator. Het toepassen van een spanning tot 150.000 volt stelt ten aanzien van de elektrische isolatie en veiligheid speciale eisen aan buisaansluitingen en kabels. De hoogspanningskabels bevatten in de regel drie geleidende kernen. Binnen de anodekabel wordt slechts n kern gebruikt voor het aanvoeren van de anodehoogspanning. Bij de kathodekabel zijn twee aders nodig, een voor het aanvoeren van de kathodehoogspanning en een voor het aanleggen van een klein spanningsverschil met de eerste kern ten behoeve van de gloeispanning. Voor de maximale buisspanning van 150.000 volt zal de anodekabel +75.000 volt aanleggen en de kathodekabel 75.000 volt. Wanneer daarbij de tweede kern van de kathodekabel wordt voorzien van een potentiaal van 74.990 volt, ontstaat een gloeispanning van 10 volt (fig. 2.13).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig13_HTML.png
Figuur 2.13
Doorsnede van een hoogspanningskabel
Om bij een eventuele doorslag van de kabel te voorkomen dat de doorslag buiten de kabel komt, is de gehele kabel omwonden met een gevlochten kopermantel die met de aarde is doorverbonden. De hoogspanningskabel werkt behalve als elektrische geleider ook als condensator. Hierdoor wordt een eventuele rimpel op de hoogspanning enigszins afgevlakt. Door deze condensatorwerking van de kabel bestaat het gevaar dat de kabel nog enige lading bezit als die van de buis of hoogspanningstransformator wordt losgemaakt. Dit kan ernstige verwondingen tot gevolg hebben.
2.3 Rntgenbundel
2.3.1 Focus
Als een rntgenopname wordt gemaakt, wordt door het indrukken van de voorbereidingsknop de rotorsturing van de buis ingeschakeld. Ook gaat er een grote stroom door de gloeidraad lopen, zodat die in korte tijd (< 1 s) op temperatuur wordt gebracht. Deze booststroom is zelfs iets groter dan de benodigde gloeistroom voor de opname. Zodra de gloeidraad in de kathode op temperatuur is en er voldoende elektronen vrijkomen, kan de opnameknop worden doorgedrukt naar de opnamestand en zal de hoogspanning tussen kathode en anode worden ingeschakeld. Er zal nu een buisstroom gaan lopen.
Rntgenstraling ontstaat op het punt waar de elektronenbundel de anode raakt. Dat punt heet het werkelijk, reel, belastbaar of thermisch focus, ook wel lijnfocus genoemd vanwege de langwerpige vorm. De rntgenstraling die in dit punt ontstaat, zal zich in de buis naar alle kanten verspreiden. Aan de kant van de anode zal de anode echter zelf een belangrijk deel van de straling absorberen. Via het buisvenster kan de straling de buis verlaten, zodat die voor de opname kan worden gebruikt. Vanuit het focus zal er een divergerende stralenbundel ontstaan.
In 1918 heeft Gtze gevonden dat een anode die onder een hoek wordt geplaatst een schijnbaar kleiner focus oplevert, waardoor de opnamekwaliteit aanzienlijk verbetert. Dit wordt het optisch, geometrisch, geprojecteerd of effectief focus genoemd.
Het toepassen van een anodehoek heeft echter nog een voordeel. Bij een buis met een kleine anodehoek kan de elektronenbundel over een groter oppervlak worden verspreid. De buis met de kleine anodehoek kan zwaarder worden belast (fig. 2.14).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig14_HTML.png
Figuur 2.14
Anodehoek in relatie tot optisch focus en belastbaarheid
Tijdens het elektronenbombardement op de anode ontstaan secundaire elektronen. Deze elektronen komen op andere plaatsen op de anode terecht en hebben nog voldoende energie om opnieuw secundaire rntgenstraling op te wekken. Men noemt dit ook wel extrafocale straling. Extrafocale straling heeft weliswaar een lagere energie, maar is nog voldoende om een storende bijdrage te leveren aan de beeldvorming. Door een gedeelte van de vacumomhulling te voorzien van metaal kunnen deze secundaire elektronen worden gevangen, zodat ze geen extrafocale straling veroorzaken op een plaats waar ze de beeldvorming kunnen verstoren. Daarnaast kan extrafocale straling, vanwege de afwijkende richting ten opzichte van de primaire bundel, buiten het belichtingsveld terechtkomen. Hierdoor kan ze bijdragen aan onnodige patintendosis.
Als over de grootte van het focus wordt gesproken, heeft men het altijd over het optisch focus. De grootte van het optisch focus wordt aangegeven in millimeters. Een focus van 1,5 mm wil zeggen dat het focus een grootte heeft van 1,51,5 mm2. In werkelijkheid is het focus echter zelden vierkant. De International Electrotechnical Commission (IEC) heeft in een internationale norm waarden vastgelegd waaraan een focus moet voldoen. tab. 2.3 geeft de afmetingen volgens de norm IEC 336/1982 weer.
Tabel 2.3Afmetingen van het focus in mm volgens de norm IEC 336/1982
nominale focus
breedte in mm
lengte in mm
0,1
0,10,15
0,10,15
0,15
0,150,23
0,150,23
0,2
0,20,3
0,20,3
0,3
0,30,45
0,450,65
0,4
0,40,6
0,60,85
0,5
0,50,75
0,71,1
0,6
0,60,9
0,91,3
0,7
0,71,1
1,01,5
0,8
0,81,2
1,11,6
0,9
0,91,3
1,31,8
1,0
1,01,4
1,42,0
1,1
1,11,5
1,62,2
1,2
1,21,7
1,72,4
1,3
1,31,8
1,92,6
1,4
1,41,9
2,02,8
1,5
1,52,0
2,13,0
1,6
1,62,1
2,33,1
1,7
1,72,2
2,43,2
1,8
1,82,3
2,63,3
1,9
1,92,4
2,73,5
2,0
2,02,6
2,93,7
2,2
2,22,9
3,14,0
2,4
2,43,1
3,44,4
2,6
2,63,4
3,74,8
2,8
2,83,6
4,05,2
3,0
3,03,9
4,35,6
Afhankelijk van de hoek waaronder naar het focus wordt gekeken, zullen de afmetingen van het focus eveneens verschillend zijn (fig. 2.15). Dit verschijnsel noemt men astigmatisme. Met dit verschijnsel moet rekening worden gehouden als men hoge eisen stelt aan de spatile resolutie van een deel van de opname. Door dit verschijnsel zal de geometrische onscherpte aan de zijde van de kathode immers groter zijn dan aan de anodezijde.
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig15_HTML.png
Figuur 2.15
Focus F zal vanuit verschillende hoeken gezien verschillende optische afmetingen hebben
2.3.2 Afmetingen van de bundel
In de buisomhulling is ter plaatse van het buisvenster door de fabrikant een vast diafragma geplaatst. Door de bouw van dit diafragma wordt op geometrische wijze de hoeveelheid uittredende extrafocale straling nog verder beperkt. Bovendien begrenst dit diafragma de rntgenbundel dusdanig dat de bundelhoek maximaal ongeveer tweemaal de anodehoek is (fig. 2.16).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig16_HTML.png
Figuur 2.16
Relatie tussen de anodehoek en de maximale bundeldiameter
Bij een gegeven anodehoek bepaalt de gekozen focus-detectorafstand de maximale veldgrootte die belicht kan worden.
2.3.3 Dosis van een rntgenbundel
Het aantal elektronen dat per seconde oversteekt van kathode naar anode komt overeen met een hoeveelheid lading in coulomb (C) die per seconde de oversteek maakt. Het aantal elektronen dat per seconde bij de anode aankomt, wordt de buisstroomsterkte of kortweg de buisstroom (mA) genoemd. In de praktijk kan de buisstroom variren van enkele milliampres tot een paar honderd milliampres.

FEn aangezien de lading van n elektron 1,61019 C bedraagt, geldt:




Vermenigvuldigt men de buisstroomwaarde met de belichtingstijd, dan is dit product (mA s) een maat voor het aantal elektronen dat bij een bepaalde opname de anode heeft bereikt. Omdat dit aantal elektronen op zijn beurt samen een bepaalde hoeveelheid lading vertegenwoordigt, wordt de mAs-waarde ook wel buislading genoemd.

Zowel de hoogte van de buisstroom als de lengte van de belichtingstijd is rechtevenredig met de dosis van de opgewekte straling. Bij een hogere mAs-waarde zal het aantal elektronen dat de anode treft, evenredig groter zijn. Alle rem- en botsingsprocessen in de anode zullen in gelijke mate toenemen en zodoende zullen er van elke foton-energie evenredig meer fotonen ontstaan (fig. 2.17).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig17_HTML.png
Figuur 2.17
Rntgenspectrum bij 80 kV en diverse mAs-waarden
De gloeistroom is bepalend voor het aantal elektronen dat in de kathode vrijkomt via thermische emissie, en is dus indirect ook bepalend voor de hoogte van de buisstroom (fig. 2.18).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig18_HTML.png
Figuur 2.18
Relatie tussen gloeistroom (Ig) en buisstroom(Ib) in een rntgenbuis bij 40 en 60 kV buisspanning
In moderne rntgenbuizen is de hoogte van de buisspanning niet van invloed op de hoogte van de buisstroom. Een hogere buisspanning leidt dus niet tot een stijging van het aantal elektronen per seconde dat oversteekt van kathode naar anode, maar zorgt wel voor een toename van de kinetische energie van die elektronen. In de anode wordt deze kinetische energie van de elektronen via rem- en/of botsingsprocessen omgezet in foton-energien.
Bij een verhoging van de buispanning van 50 naar 100 kV stijgt de kinetische energie van de elektronen van 50 naar 100 keV. En elektron van 50 keV kan via een aantal opeenvolgende remprocessen diverse fotonenenergien opwekken: bijvoorbeeld 5 fotonen van 10 keV of 2 fotonen van 25 keV. Analoog hieraan kan een elektron van 100 keV bijvoorbeeld de volgende foton-energien opwekken: 10 fotonen van 10 keV of 4 fotonen van 25 keV. Daarnaast kan een elektron van 100 keV ook nog remstralingsfotonen opwekken met een energie hoger dan 50 keV. Het remspectrum wordt dus hoger n breder.
Ook kan een hoger energetisch elektron meer botsingsprocessen veroorzaken en daarmee meer open plaatsen in de elektronenschillen van de wolfraamatomen. Op die manier zullen er ook meer karakteristieke wolfraamfotonen ontstaan. Aangezien de energie van deze karakteristieke fotonen afhankelijk is van het atoomnummer van wolfraam zal hun energie niet benvloed worden door de hoogte van de buisspanning (fig. 2.19).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig19_HTML.png
Figuur 2.19
Rntgenspectrum bij 20 mAs en diverse waarden van het kV
2.3.4 Dosisverdeling in de bundel
De intensiteit van de straling is niet homogeen verdeeld in het vlak loodrecht op de bundel. Wanneer we de intensiteit van de straling ter plaatse van de centraalstraal op 100 % stellen, zal er vanuit centraal naar de bundelranden een afname optreden van de intensiteit vanwege de grotere afstand tot het focus. Daarnaast zorgt de anode zelf ook nog voor een extra intensiteitsafname. Ogenschijnlijk is het oppervlak van de anodeschijf glad, maar microscopisch gezien heeft deze een zeer onregelmatig oppervlak, zeker als de anodeschijf door intensief gebruik is opgeruwd. Aan de zijde van de anode is hierdoor de intensiteit van de straling aanzienlijk lager dan aan de kathodezijde. De oorzaak hiervan ligt in de gedeeltelijke absorptie van de straling in het oppervlak van de anodeschijf zelf. Dat wordt het hieleffect genoemd.
We kunnen ook gebruikmaken van dit effect, bijvoorbeeld bij een AP-opname van de thoracale wervelkolom. Door de buis met de anodezijde aan de bovenkant van de patint te positioneren zal tijdens de opname de straling met de hoogste intensiteit (aan de kathodezijde) het dikste deel van de patint doorstralen. De opname zal hierdoor gelijkmatiger worden belicht (fig. 2.20 en 2.21).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig20_HTML.png
Figuur 2.20
Absorptie in de anode door het (sterk vergroot weergegeven) oppervlak van de anode
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig21_HTML.png
Figuur 2.21
Procentuele dosisverdeling in de bundel, veroorzaakt door het hieleffect en de afstand tot het focus
2.3.5 Stralenkwaliteit van de bundel
Het energiespectrum van een rntgenbuis is van belang voor de kwaliteit van de afbeelding en de huiddosis van de patint. Zachte straling van 60 kV heeft een geringer doordringend vermogen dan harde straling van 120 kV. De afbeelding van weke delen zal met zachte straling een groter contrast te zien geven dan met harde straling. Zachte straling zal echter een hogere dosis veroorzaken doordat er meer straling aan de intreezijde van de patint wordt geabsorbeerd. Het ideaal is mono-energetische straling. Daarmee kan de gebruiker exact de juiste energie kiezen die voor een optimale afbeelding nodig is. Helaas bestaat in de rntgendiagnostiek nog geen bruikbare mono-energetische bron. Door de aanwezigheid van remstraling zal de rntgenbuis een heterogeen stralingsspectrum afgeven waarin meerdere energiecomponenten voorkomen.
De kwaliteit van de straling kan worden uitgedrukt in de halfwaardedikte (HWD) of halveringsdikte (HVD). De HVD is de dikte van het filter dat in de bundel moet worden geplaatst om de intensiteit van de straling tot de helft terug te brengen. Aangezien de zachte fotonen meer in een filter worden geabsorbeerd dan de harde fotonen, wordt het stralenmengsel na n HVD gemiddeld harder. Hierdoor zal de tweede HVD groter worden dan de eerste HVD. Hoe heterogener de bundel is, des te groter zal het verschil tussen de eerste en de tweede HVD worden.
Door de twee HVDs op elkaar te delen, ontstaan twee manieren om de homogeniteit c.q. de heterogeniteit van een fotonenbundel uit te drukken.


Een homogene fotonenbundel heeft een homogeniteitsgraad van 1. Naarmate de bundel meer heterogeen wordt, zal de homogeniteitsgraad kleiner worden.
Bij mono-energetische straling is de heterogeniteitsgraad 1. Bij straling met een breder stralingsspectrum zal deze waarde aanzienlijk groter zijn dan 1 (fig. 2.22).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig22_HTML.png
Figuur 2.22
Verzwakkingscurve van mono-energetische (a) en van heterogene straling (b)
2.3.6 Filtering
Bij opnamen met hogere buisspanningen zullen de zachtere stralingscomponenten niet of nauwelijks meewerken aan de beeldvorming en vooral bijdragen aan de oppervlakkige dosis aan de intreezijde van de patint. Door de stralenbundel door een filter te sturen zullen zachte stralingscomponenten in het filtermateriaal worden geabsorbeerd en zal de hardere straling relatief beter worden doorgelaten (fig. 2.23).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig23_HTML.png
Figuur 2.23
Rntgenspectrum met en zonder filtering
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig24_HTML.png
Figuur 2.24
Schema van het lichtvizier
Bij een rntgenbuis spreekt men van inherente of eigen filtering als het filter bestaat uit materialen die onlosmakelijk verbonden zijn aan de bouw van de buis (ook par. 2.1.1 Remstraling).
Boven op het inherente filter kunnen extra of toegevoegde filters worden gebruikt; dat is filtermateriaal dat optioneel in de uittredende bundel kan worden geplaatst. Voor medische toepassingen is men wettelijk verplicht de uittredende bundel te filteren om zodoende de patintendosis te verlagen. Afhankelijk van de bouw van een rntgenbuis bedraagt de gebruikelijke inherente filterwaarde 22,5 mm Aleq. Als extra filtermateriaal wordt tegenwoordig meestal gebruikgemaakt van koper (Cu). Hierbij dient dan aan patintzijde een laagje aluminium te worden aangebracht teneinde de karakteristieke Cu-straling te absorberen. Karakteristieke Al-straling heeft vervolgens geen verdere afscherming nodig (ook par. 4.4).
2.3.7 Bundelbeperking
Aan de omhulling van de rntgenbuis is een diafragma bevestigd waarmee de afmetingen van de stralenbundel, door middel van verstelbare loodlamellen, kunnen worden beperkt. Dit diafragmeren heeft tot doel de patint geen straling te laten ontvangen die niet voor de opname noodzakelijk is. Tevens wordt door deze bundelbeperking de hoeveelheid strooistraling die uit de patint treedt verminderd en daarmee de kwaliteit van de opname verbeterd.
Een vast diafragma bestaat uit een loodplaatje met daarin een vaste opening. De vorm en de afmetingen van de opening zijn afhankelijk van de toepassing van de buis. Zo wordt bijvoorbeeld bij een tandstatief een instelconus gebruikt waarin zich een loodplaatje met een rechthoekig gat bevindt. De afmetingen zijn zo gekozen dat altijd een volledige film in n keer kan worden belicht. Bij het verstelbare diafragma kan de gebruiker zelf de grootte van de opening instellen (fig. 2.24). In het verstelbare diafragma is een lichtvizier ingebouwd waarmee de gebruiker de diafragmaopening kan instellen voor het opnameveld. Het lichtvizier bestaat uit een spiegel en een lamp die zodanig zijn geconstrueerd dat de licht- en de rntgenbundel met elkaar overeenkomen.
Verstelbare diafragmas komen voor in een handbediende uitvoering en in een automatische uitvoering. Bij de automatische uitvoering wordt de opening van het diafragma, met behulp van servomotorsturing, bepaald door de grootte van de gebruikte detector en de focus-detectorafstand.
2.4 Belastbaarheid van de rntgenbuis
2.4.1 Buisbelasting
Tijdens een rntgenopname zal ongeveer 1 % van de elektrische energie die aan de buis wordt toegevoerd, worden omgezet in rntgenstraling. De overige 99 % wordt in thermische energie omgezet. Tijdens een opname kan de anode ter plaatse van het focus dan ook extreem heet worden. De warmte van de anode en van het omringende buismateriaal kan zo groot worden dat de anode of zelfs de hele buis ernstig wordt beschadigd. De fabrikant van een rntgenbuis zal bij het ontwerpen van de buis maatregelen nemen om de belastbaarheid van de buis zo groot mogelijk te maken. Wel maakt hij daarbij onderscheid tussen buizen die voor een lage belasting worden gebruikt, bijvoorbeeld voor een tandstatief, en buizen die een extreem hoge belasting moeten kunnen verwerken, zoals bij een cardiologisch statief of computertomografie.
De belasting van een rntgenbuis is evenredig met het elektrisch vermogen en de tijdsduur van de belasting. Dat wil zeggen dat de belasting hoger wordt als de buisspanning, de buisstroom en de tijd toenemen.
Waarbij:
I = buisstroom (mA)
U = buisspanning (kV)
t = tijd (s)
P = vermogen (W) = I U
De eenheid van de buisbelasting is:
2.4.2 Buisnomogram
De belastbaarheid van een buis is vastgelegd in de belastingskarakteristiek of het buisnomogram. Daarin is de relatie tussen het elektrisch vermogen (buisstroom en buisspanning) en de tijdsduur vastgelegd (fig. 2.25).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig25_HTML.png
Figuur 2.25
Buisnomogram
Het buisnomogram kan worden gebruikt om de belastbaarheid van de buis te berekenen. De buisleveranciers hebben afgesproken dat de belastbaarheid van een buis met een roterende anode gedefinieerd is als het vermogen dat de buis gedurende 0,1 seconde kan leveren bij een buisspanning van 100 kV. Bij een buis met een vaste anode is de belastbaarheid gedefinieerd als het vermogen dat de buis kan leveren gedurende 1 seconde, eveneens bij een buisspanning van 100 kV. Het nomogram van fig. 2.25 geldt voor een buis met roterende anode en de maximale buisstroom bij 100 kV en 0,1 s is gelijk aan 350 mA.
2.4.3 Belastbaarheid van de anode
De kortetermijnbelastbaarheid van een buis wordt bepaald door de anode. De smelttemperatuur van de anode is daarbij een belangrijke factor. Vaak wordt wolfraam toegepast vanwege de hoge smelttemperatuur; dit is echter niet voldoende. De temperatuur ter plaatse van het focus kan tijdens een opname zo hoog worden dat het anodemateriaal dreigt te smelten.
Bij een buis met een vaste anode kan bijvoorbeeld langs de achterzijde van de anode een koelvloeistof worden gevoerd. Door een roterende anode te gebruiken kan de warmte over een groter oppervlak worden verspreid. De anodeschijf draait met een hoog toerental rond, terwijl de elektronenbundel de anode ruimtelijk gezien in hetzelfde punt treft. De anode draait, maar het focus staat stil. De belastbaarheid kan worden verhoogd door een hoger toerental of door een grotere diameter van de anodeschijf. In de praktijk worden roterende anodes gebruikt met snelheden tussen 3.000 en 9.000 tpm. De grootste anodes hebben een diameter van 20 cm.
De langetermijnbelastbaarheid wordt vooral bepaald door het warmteafvoerend vermogen van een buis. Als de warmte niet snel genoeg wordt afgevoerd, zal de gemiddelde temperatuur van de anode alsnog boven het smeltpunt komen of andere delen van de buis beschadigen. De warmtecapaciteit van de anode is het vermogen van de anodeschotel om de warmte van het focus zo snel mogelijk af te voeren en tijdelijk in het schotelmateriaal op te slaan. Als kernmateriaal wordt soms molybdeen gebruikt. Molybdeen zorgt voor een snelle geleiding van de warmte naar een groter volume, zodat de warmte van het focus zich snel kan verspreiden. Bij hoogvermogenbuizen wordt tevens grafiet aan de achterzijde van de anodeschotel aangebracht, zodat behalve de warmtecapaciteit ook het thermisch emissievermogen van de anode wordt vergroot (fig. 2.26). De anode kan dan vanaf de achterzijde de warmte in de vorm van straling aan de omgeving van de buis (de buisomhulling) afgeven.
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig26_HTML.png
Figuur 2.26
Doorsnede van anodes voor diverse belastingen
De ruimte tussen de buis en de buisomhulling is doorgaans gevuld met olie. De olie neemt de warmte op die door de anode wordt uitgestraald. Via de buisomhulling wordt de warmte geleidelijk aan de omgeving afgegeven. Voor hoogvermogenbuizen wordt oliekoeling van de buisomhulling toegepast door de olie voortdurend rond te pompen tussen de buisomhulling en een warmtewisselaar.
Warmteafvoer via geleiding is veel efficinter dan via straling, maar het geleidend vermogen van de lagering van de buis is zo klein dat er slechts sprake is van een geringe afvoer. Om die reden is een buis ontwikkeld die is voorzien van een vloeistoflager, dat via vloeibaar metaal over een groot oppervlak zijn warmte kan afvoeren naar de buisomhulling.
2.4.4 Beveiliging tegen overbelasting
Het maken van een opname met een korte belichtingstijd kan met een hogere buisstroom en buisspanning gebeuren dan een opname met een langere belichtingstijd.
Tijdens de opname zal de temperatuur van de anode toenemen totdat de smelttemperatuur bereikt is. Wordt een opname gemaakt met een lagere buisstroom en -spanning, dan zal de opnameduur langer kunnen zijn. In een generator wordt rekening gehouden met de toegestane buisbelasting. De fabrikant zal, afhankelijk van de toegepaste buis, een nomogrambewaking instellen. Dat betekent dat de generator zelf bewaakt dat de gebruiker geen buisinstelling kiest die boven de grenzen van het nomogram uitgaat. Men ziet daarom dat er in de praktijk grenzen zijn aan de te kiezen buisspanning, buisstroom en opnametijd.
Behalve een bewaking op de instelling van de buis kan de generator ook worden ingesteld op een vallende-lastregeling (par. 3.4.4). Een opname begint dan met een zo hoog mogelijke stroomsterkte, maar na korte tijd zal de stroomsterkte door de generator geleidelijk worden verlaagd. Deze regeling is zodanig ingesteld dat de generator steeds zo goed mogelijk de curve van het nomogram zal volgen, en dat steeds de kortst mogelijke opnametijd wordt bereikt (fig. 2.27). Om niet continu op het randje van het toelaatbare te balanceren, zijn veel buizen ook uitgerust met een 70 %-vallende-lastregeling.
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig27_HTML.png
Figuur 2.27
Vallende-lastregeling
Worden meer opnamen snel achter elkaar gemaakt, dan is het bewaken van het nomogram onvoldoende omdat de anode steeds warmer zal worden als gevolg van de restwarmte van de vorige opname. Met behulp van een warmte-integrator kan de generator zelf bijhouden in welke mate cumulatieve warmtetoevoer een onacceptabele waarde zal bereiken. De generator geeft bij een dreigende overbelasting een waarschuwing dat enige wachttijd vereist is voordat met een volgende opname(serie) kan worden begonnen.
De warmte die vrijkomt zal de olie in de buisomhulling doen uitzetten, waardoor de druk oploopt. Als de olie te veel uitzet, kan de buisomhulling olie gaan lekken of de buis inwendig beschadigen. Bovendien betekent een te hoge olietemperatuur dat de temperatuur van de buis te hoog is. Door de buis van een expansieruimte en een microschakelaar te voorzien, wordt een te hoge druk voorkomen en kan een overtemperatuur worden gesignaleerd. Het thermisch overbelasten van een buis kan de levensduur ervan aanzienlijk bekorten. De beveiligingssystemen zijn niet bedoeld om opnamen af te breken, maar om de gebruiker te waarschuwen. Het is de verantwoording van de gebruiker om overbelasting te voorkomen.
2.5 Buistypen
2.5.1 Specificaties
De beeldvorming in de rntgendiagnostiek kent een veelheid aan onderzoeken. Het toestel bij de tandarts ziet er niet alleen anders uit dan een computertomograaf (CT), ook de buizen zijn totaal verschillend. Elke toepassing stelt haar eigen eisen aan de rntgenbuis. Buizen kunnen worden onderscheiden op de volgende kenmerken:
belastbaarheid;
focus;
anodehoek;
maximale buisspanning;
anodemateriaal.
2.5.2 Belastbaarheid
Bij kortdurende belasting
Men spreekt van kortdurende belastingen indien de opnameduur beperkt blijft tot maximaal 0,1 seconde. Bij kortdurende belastingen is vooral de maximaal toelaatbare belasting van het focus van belang. Voor standaard bucky-opnamen is dit dan ook bepalend bij de keuze van de buis.
Bij langdurende belasting
Langdurende belastingen komen voor bij een opnametijd langer dan 0,1 seconde en bij serieopnamen, zoals angiografieseries en CT-buizen. In dit verband zijn vooral de warmtecapaciteit en de koelcapaciteit van de buis belangrijk.
2.5.3 Focus
De hoge spatile resolutie bij mammografie vereist een buis met een kleine focus om daarmee de geometrische onscherpte zo klein mogelijk te maken. Stelt men echter minder hoge eisen aan de spatile resolutie en is een korte opnametijd belangrijker, dan is een grotere focus vereist. Bij de thorax past men veelal een grote focus-detectorafstand toe. Daarmee is het systeem minder kritisch voor geometrische onscherpte (onscherpte in een opname die onder andere wordt veroorzaakt door de afmeting van het focus) en kan een buis met een grotere focus worden toegepast.
2.5.4 Anodehoek
Zoals eerder aangegeven bepaalt de anodehoek de verhouding tussen de werkelijke focusgrootte en de geprojecteerde focusgrootte. Uitgaande van een bepaalde werkelijke focusgrootte zal de geprojecteerde focusgrootte kleiner worden bij een kleinere anodehoek. Ook de daarbij behorende maximale veldgrootte wordt dan kleiner (fig. 2.16). De maximale veldgrootte van 3543 cm2 bij een bucky-opname moet bij een minimale focus-detectorafstand van 70 cm belicht kunnen worden. Om dit te verwezenlijken mag de anodehoek in rntgenbuizen voor bucky-opnamen niet veel kleiner zijn dan 20 graden.
2.5.5 Mammografie
Mammografie is het zichtbaar maken van verzwakkingsverschillen tussen het vetweefsel en klierweefsel in de borst. Omdat beide weefsels tot de weke delen behoren, is echter sprake van een nagenoeg gelijke verzwakking van rntgenstraling, opgewekt bij buisspanningen van 40 kV en hoger, waardoor het verkrijgen van voldoende contrast lastig is. Bij gebruik van conventionele film-schermcombinaties is dit dus uitsluitend mogelijk met veel lagere buisspanningen dan gebruikelijk. Lagere foton-energien worden immers beter verzwakt, waardoor er ook grotere verzwakkingsverschillen ontstaan en dus grotere contrasten. Vooral foton-energien tussen 17 en 20 keV zijn bij conventionele film-schermcombinaties ideaal. Daarom wordt er bij mammografie gekozen voor molybdeen als anodemateriaal.
Molybdeen wordt bij andere rntgenbuizen ook toegepast achter de wolfraamlaag vanwege de hoge warmtecapaciteit. Bij een mammografiebuis wordt molybdeen echter gekozen als daadwerkelijk targetmateriaal vanwege de foton-energie van de karakteristieke straling van dit element. Molybdeen kent namelijk twee karakteristieke pieken, bij 17,6 en 19,7 keV. Vanwege het lagere atoomnummer (ZMo = 42) is de remstralingsproductie duidelijk minder, waardoor een rntgenspectrum ontstaat waarin de twee karakteristieke pieken prominent zijn. Wanneer daarnaast gebruik wordt gemaakt van een extra filter van molybdeen, zullen met name de foton-energien boven de 20 keV aanzienlijk worden verzwakt. Ook bij foton-energien lager dan 15 keV is sprake van een sterke verzwakking door de combinatie van het inherente buisfilter en het extra molybdeenfilter. Vanwege de bindingsenergie van de K-schil-elektronen in molybdeen ligt de K-sprong van de lineeke verzwakkingscofficint bij dit materiaal bij ongeveer 20 keV. Dit wordt ook wel selectieve absorptie genoemd.
Hierdoor is de absorptie van foton-energien in molybdeen tussen 15 en 20 keV duidelijk lager dan van de overige foton-energien. Er wordt daarom ook wel gesproken van een gat in het filter voor fotonen tussen de 15 keV en 20 keV (fig. 2.28).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig28_HTML.png
Figuur 2.28
(a) Rntgenspectrum van een molybdeenanode bij een buisspanning van 28 kV. (b) Verzwakking in een molybdeenfilter bij een buisspanning van 28 kV
Afhankelijk van de objectsamenstelling en objectdikte kiest een MBBer de belichtingsgegevens kV en mAs. Aangezien de gekozen buisspanning in bovenstaande situatie weinig invloed heeft op de hoogte van de foton-energie wordt hiervoor een andere methode gebruikt. Om de hoogte van de uittredende foton-energie enigszins te verhogen kan bij een molybdeenanode worden gekozen voor een rhodiumfilter. Samen met het inherente buisfilter heeft het rhodiumfilter een gat voor foton-energien tussen de 15 keV en 23 keV. Daardoor zullen iets hogere foton-energien uittreden (fig. 2.29).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig29_HTML.png
Figuur 2.29
(a) Rntgenspectrum van een molybdeenanode bij een buisspanning van 28 kV. (b) verzwakking in een rhodiumfilter bij een buisspanning van 28 kV
Om de foton-energie nog verder te verhogen, zou men gebruik kunnen maken van rhodium als anodemateriaal in combinatie met een rhodiumfilter (fig. 2.30).
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig30_HTML.png
Figuur 2.30
(a) Rntgenspectrum van een rhodiumanode bij een buisspanning van 30 kV. (b) Verzwakking in een rhodiumfilter bij een buisspanning van 30 kV
Veel mammografieapparatuur voor toepassing met conventionele film-schermcombinaties had een anodeschijf met dubbele focusbaan. Door de elektronenbundel vanuit de kathode elektronisch te sturen kon men op die manier kiezen tussen de molybdeenbaan of de rhodiumbaan. Daarnaast had men de keuze om molybdeen of rhodium te gebruiken als extra filter.
Tegenwoordig wordt er ook voor mammografie steeds vaker gebruikgemaakt van digitale detectoren. In vergelijking met de conventionele film-schermcombinaties bezitten de digitale detectoren een veel groter dynamisch bereik, waardoor het gebruik van hogere foton-energien ook mogelijk wordt met behoud van contrast. Als targetmateriaal binnen een mammografiebuis is dan wolfraam weer te verkiezen boven molybdeen of rhodium. Het rntgenspectrum dat hierbij wordt opgewekt is uitsluitend opgebouwd uit remstraling omdat karakteristieke wolfraamstraling immers pas ontstaat bij buisspanningen boven de 70 kV. Door dit spectrum te filteren met een rhodium- of zilverfilter ontstaan de rntgenspectra zoals weergegeven in fig. 2.31 en 2.32. Omdat de hogere foton-energien gepaard kunnen gaan met lagere mAs-waarden zal de patintdosis lager worden. Deze dosisverlaging kan oplopen tot 20 % of meer.
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig31_HTML.png
Figuur 2.31
(a) Rntgenspectrum van een wolfraamanode bij een buisspanning van 31 kV. (b) Verzwakking in een rhodiumfilter bij een buisspanning van 31 kV
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-90-368-2913-7_2/MediaObjects/372127_4_Nl_2_Fig32_HTML.png
Figuur 2.32
(a) Rntgenspectrum van een wolfraamanode bij een buisspanning van 31 kV. (b) Verzwakking in een zilverfilter bij een buisspanning van 31 kV De uitleg moet geschreven zijn op het niveau van de Hogeschool.

Antwoord rapporteren