एक्स-रे ट्यूब

एक्स-रे ट्यूब एक निर्वात नली है जो विद्युत इनपुट शक्ति को एक्स-रे में परिवर्तित करती है। एक्स-रे के इस नियंत्रित स्रोत की उपलब्धता ने रेडियोग्राफ़ के क्षेत्र का निर्माण किया, मर्मज्ञ विकिरण के साथ आंशिक रूप से अपारदर्शी वस्तुओं की इमेजिंग है। आयनीकरण विकिरण के अन्य स्रोतों के विपरीत, एक्स-रे केवल तब तक उत्पन्न होते हैं जब तक एक्स-रे ट्यूब सक्रिय रहती है। एक्स-रे ट्यूब का उपयोग सीटी स्कैन, एयरपोर्ट सामान स्कैनर, एक्स - रे क्रिस्टलोग्राफी, सामग्री और संरचना विश्लेषण और औद्योगिक निरीक्षण के लिए भी किया जाता है।

उच्च-प्रदर्शन परिकलित टोमोग्राफी (सीटी) स्कैनिंग और एंजियोग्राफी सिस्टम की बढ़ती मांग ने बहुत उच्च प्रदर्शन वाले मेडिकल एक्स-रे ट्यूबों के विकास को प्रेरित किया है।

इतिहास
एक्स-रे ट्यूब प्रायोगिक क्रूक्स ट्यूब से विकसित हुए, जिसके साथ पहली बार 8 नवंबर, 1895 को जर्मन भौतिक विज्ञानी विल्हेम कॉनराड रॉन्टगन द्वारा एक्स-रे की खोज की गई थी। 1920 के दशक तक ये पहली पीढ़ी के ठंडे कैथोड या क्रुक्स एक्स-रे ट्यूब का उपयोग किया जाता था। इन ट्यूबों को इस तरह से काम किया जाता है कि ट्यूब के भीतर अवशिष्ट गैस के आयनीकरण से एक्स-रे उत्सर्जित होती हैं। सकारात्मक आयनों ने एक्स-रे उत्पादन के लिए एनोड की ओर इलेक्ट्रॉनों को छोड़ने के लिए ट्यूब के कैथोड पर बमबारी की। 1913 में विलियम डेविड कूलिज द्वारा क्रुक्स ट्यूब में सुधार किया गया था। कूलिज ट्यूब, जिसे हॉट कैथोड ट्यूब भी कहा जाता है, थर्मिओनिक उत्सर्जन का उपयोग करता है जहां टंगस्टन से बने कैथोड को उच्च तापमान पर उच्च गति से इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करने के लिए गर्म किया जाता है और एनोड पर लगभग सही निर्वात नली में बमबारी की जाती है, इस प्रकार क्रुक्स ट्यूब की तुलना में एक्स-रे की कूलिज ट्यूब को उत्पादन के लिए अधिक विश्वसनीय प्रणाली बनाया जाता है।

1980 के दशक के अंत तक, एक्स-रे जनरेटर केवल उच्च-वोल्टेज, एसी से डीसी चर(वेरिएबल) बिजली की आपूर्ति थे। 1980 के दशक के उत्तरार्ध में नियंत्रण की अलग विधि उभर रही थी, जिसे हाई स्पीड स्विचिंग कहा जाता था। इसने स्विचिंग बिजली आपूर्ति (उपनाम स्विच मोड बिजली की आपूर्ति ) की इलेक्ट्रॉनिक्स विधि का अनुसरण किया, और एक्स-रे यूनिट के अधिक त्रुटिहीन नियंत्रण, उच्च गुणवत्ता वाले परिणामों और एक्स-रे एक्सपोज़र को कम करने की अनुमति दी।

भौतिकी
किसी भी निर्वात नली की तरह, कैथोड होता है, जो वैक्यूम में इलेक्ट्रॉनों को उत्सर्जित करता है और इलेक्ट्रॉनों को इकट्ठा करने के लिए एनोड होता है, इस प्रकार ट्यूब के माध्यम से विद्युत प्रवाह का प्रवाह स्थापित होता है, जिसे आवेशित कण बीम के रूप में जाना जाता है। उच्च वोल्टेज शक्ति स्रोत, उदाहरण के लिए 30 से 150 किलोवोल्ट (केवी), जिसे ट्यूब वोल्टेज कहा जाता है, इलेक्ट्रॉनों को गति देने के लिए कैथोड और एनोड से जुड़ा होता है। एक्स-रे स्पेक्ट्रम एनोड सामग्री और त्वरित वोल्टेज पर निर्भर करता है। कैथोड से इलेक्ट्रॉन एनोड सामग्री, सामान्यतः टंगस्टन, मोलिब्डेनम या तांबे से टकराते हैं, और एनोड सामग्री के भीतर अन्य इलेक्ट्रॉनों, आयनों और नाभिक को गति देते हैं। उत्पन्न ऊर्जा का लगभग 1% एक्स-रे के रूप में उत्सर्जित/विकिरित होता है, सामान्यतः इलेक्ट्रॉन बीम के पथ के लंबवत होता है। शेष ऊर्जा ऊष्मा के रूप में मुक्त होती है। समय के साथ, टंगस्टन को कांच की सतह सहित ट्यूब की आंतरिक सतह पर लक्ष्य से जमा किया जाएगा। यह धीरे-धीरे ट्यूब को काला कर देगा और एक्स-रे बीम की गुणवत्ता को कम करने के लिए सोचा गया था। वाष्पीकृत टंगस्टन खिड़की के ऊपर लिफाफे के अंदर संघनित होता है और इस प्रकार अतिरिक्त फिल्टर के रूप में कार्य करता है और ट्यूब की गर्मी को विकीर्ण करने की क्षमता को कम करता है। आखिरकार, टंगस्टन जमा पर्याप्त रूप से प्रवाहकीय हो सकता है कि पर्याप्त उच्च वोल्टेज पर, आर्किंग होता है। चाप कैथोड से टंगस्टन जमा तक और फिर एनोड पर जाएगा। यह आर्किंग एक्स-रे विंडो के आंतरिक कांच पर क्रेज़िंग नामक प्रभाव का कारण बनता है। जैसे-जैसे समय बीतता है, ट्यूब कम वोल्टेज पर भी अस्थिर हो जाती है, और उसे बदल देना चाहिए। इस बिंदु पर, ट्यूब असेंबली (जिसे ट्यूब हेड भी कहा जाता है) को एक्स-रे सिस्टम से हटा दिया जाता है, और नई ट्यूब असेंबली के साथ बदल दिया जाता है। पुरानी ट्यूब असेंबली को उस कंपनी को भेज दिया जाता है जो इसे नई एक्स-रे ट्यूब के साथ पुनः लोड करती है।

एक्स-रे फोटॉन उत्पन्न करने वाले प्रभाव को सामान्यतः ब्रेम्सस्ट्रालुंग प्रभाव कहा जाता है, जर्मन ब्रेमसेन का यौगिक जिसका अर्थ ब्रेक है, और स्ट्रालंग का अर्थ विकिरण है।

सिस्टम द्वारा उत्सर्जित फोटोनिक ऊर्जा की सीमा को प्रयुक्त वोल्टेज को बदलकर और अलग-अलग मोटाई के एल्यूमीनियम फिल्टर स्थापित करके समायोजित किया जा सकता है। नरम (गैर-मर्मज्ञ) विकिरण को हटाने के लिए एक्स-रे बीम के मार्ग में एल्यूमीनियम फिल्टर लगाए जाते हैं। उत्सर्जित एक्स-रे फोटोन या मात्रा की संख्या को धारा प्रवाह और एक्सपोजर समय को नियंत्रित करके समायोजित किया जाता है।

जारी गर्मी
एनोड के फोकल स्पॉट में हीट उत्पन्न होती है। चूंकि इलेक्ट्रॉन ऊर्जा का छोटा अंश (1% से कम या उसके समरूप) एक्स-रे में परिवर्तित हो जाता है, इसे गर्मी की गणना में अनदेखा किया जा सकता है।

फोकल स्पॉट में उत्पादित गर्मी की मात्रा (जूल में) द्वारा दी जाती है:


 * $$E_\mathrm{heat} = w \mathrm{V_p} \mathrm{I} \mathrm{t}$$
 * $$w$$ मूल माध्य वर्ग होना
 * $$\mathrm{V_p}$$= पीक एसी वोल्टेज (वोल्ट में)
 * $$\mathrm{I}$$ = ट्यूब करंट (मिली एम्पीयर में)
 * $$\mathrm{t}$$ = एक्सपोजर समय (सेकंड में)

जूल के विकल्प के रूप में हीट यूनिट (एचयू) का उपयोग अतीत में किया गया था। यह सुविधाजनक इकाई है जब एकल-चरण शक्ति स्रोत एक्स-रे ट्यूब से जुड़ा होता है। साइन तरंग के फुल-वेव रेक्टिफिकेशन के साथ, $$w$$=$$\frac{1}{\sqrt{2}} \approx 0.707$$, इस प्रकार ताप इकाई:


 * 1 HU = 0.707 जे
 * 1.4 HU = 1 J

क्रूक्स ट्यूब (कोल्ड कैथोड ट्यूब)
क्रूक्स ट्यूब ने गर्म गर्म कैथोड के अतिरिक्त ट्यूब में अवशिष्ट हवा के आयनीकरण द्वारा एक्स-रे बनाने के लिए आवश्यक इलेक्ट्रॉनों को उत्पन्न किया, इसलिए वे आंशिक रूप से किन्तु पूरी तरह से खाली नहीं हुए । उनमें लगभग 10 के साथ एक कांच बल्ब सम्मिलित था-6 से 5×10−8 हवा का वायु मंडलीय दबाव (0.1 से 0.005 पास्कल (यूनिट) )। उनके पास ट्यूब के छोर पर अल्युमीनियम कैथोड प्लेट थी, और दूसरे छोर पर प्लैटिनम एनोड लक्ष्य था। एनोड की सतह को कोण दिया गया था जिससे एक्स-रे ट्यूब के किनारे से निकल सकें। कैथोड अवतल था जिससे इलेक्ट्रॉनों को एनोड पर छोटे (~1 मिमी) स्थान पर केंद्रित किया जा सके, एक्स-रे के बिंदु स्रोत का अनुमान लगाया जा सके, जिसके परिणामस्वरूप तेज छवियां प्राप्त हुईं। ट्यूब में तीसरा इलेक्ट्रोड था, जो एनोड से जुड़ा एंटीकैथोड था। इसने एक्स-रे आउटपुट में सुधार किया, किन्तु जिस तरीके से इसे प्राप्त किया वह समझ में नहीं आया। अधिक सामान्य व्यवस्था में एनोड के अनुरूप कॉपर प्लेट एंटीकैथोड (कैथोड के निर्माण के समान) का उपयोग किया गया था, जैसे कि एनोड कैथोड और एंटीकैथोड के बीच था।

संचालित करने के लिए, एनोड्स और कैथोड के बीच कुछ किलोवोल्ट से लेकर 100 केवी तक का एकदिश धारा वोल्टेज प्रयुक्त किया गया था, जो सामान्यतः प्रेरण कुंडली द्वारा उत्पन्न होता है, या बड़े ट्यूबों के लिए, इलेक्ट्रोस्टैटिक मशीन नली।

क्रूक्स ट्यूब अविश्वसनीय थे। जैसे-जैसे समय बीतता गया, अवशिष्ट हवा ट्यूब की दीवारों द्वारा अवशोषित हो जाती, जिससे दबाव कम हो जाता। इसने पूरे ट्यूब में वोल्टेज बढ़ा दिया, 'कठोर' एक्स-रे उत्पन्न किया, जब तक कि अंततः ट्यूब ने काम करना बंद नहीं कर दिया। इसे रोकने के लिए 'सॉफ्टनर' उपकरणों का उपयोग किया गया (चित्र देखें)। मुख्य ट्यूब के किनारे से जुड़ी छोटी ट्यूब में अभ्रक आस्तीन या रसायन होता है जो गर्म होने पर थोड़ी मात्रा में गैस छोड़ता है, जिससे सही दबाव फिर से आरंभ होता है।

एक्स-रे की संरचना को प्रभावित करने के कारण ट्यूब का कांच का आवरण उपयोग में काला हो जाएगा।

कूलिज ट्यूब (हॉट कैथोड ट्यूब)
कूलिज ट्यूब में, विद्युत प्रवाह द्वारा गर्म किए गए टंगस्टन विद्युत फिलामेंट से थर्मिओनिक उत्सर्जन द्वारा इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन किया जाता है। फिलामेंट ट्यूब का कैथोड है। उच्च वोल्टेज क्षमता कैथोड और एनोड के बीच होती है, इलेक्ट्रॉन इस प्रकार त्वरण करते हैं, और फिर एनोड से टकराते हैं।

दो डिज़ाइन हैं: एंड-विंडो ट्यूब और साइड-विंडो ट्यूब। एंड विंडो ट्यूब में सामान्यतः ट्रांसमिशन टारगेट होता है जो इतना पतला होता है कि एक्स-रे को लक्ष्य से गुजरने की अनुमति देता है (एक्स-रे उसी दिशा में उत्सर्जित होते हैं जैसे इलेक्ट्रॉन चल रहे होते हैं।) सामान्य प्रकार की एंड-विंडो ट्यूब में, फिलामेंट एनोड (कुंडलाकार या वलय के आकार का) के आसपास है, इलेक्ट्रॉनों का घुमावदार पथ (एक टोरॉयड का आधा) होता है।

साइड-विंडो ट्यूबों के बारे में विशेष बात यह है कि इलेक्ट्रोस्टैटिक लेंस का उपयोग बीम को एनोड पर बहुत छोटे स्थान पर केंद्रित करने के लिए किया जाता है। एनोड को विशेष रूप से इलेक्ट्रॉनों के इस गहन केंद्रित बंधन से उत्पन्न गर्मी और पहनने को नष्ट करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एनोड को इलेक्ट्रॉन धारा के लम्बवत् 1-20 डिग्री पर त्रुटिहीन कोण दिया जाता है जिससे कुछ एक्स-रे फोटॉनों से बचने की अनुमति मिल सके जो इलेक्ट्रॉन प्रवाह की दिशा के लंबवत उत्सर्जित होते हैं। एनोड सामान्यतः टंगस्टन या मोलिब्डेनम से बना होता है। ट्यूब में उत्पन्न एक्स-रे फोटॉनों से बचने के लिए डिज़ाइन की गई खिड़की है।

कूलिज ट्यूब की शक्ति सामान्यतः 0.1 से 18 किलोवाट तक होती है।

घूर्णन एनोड ट्यूब
एक स्थिर एनोड के फोकल स्पॉट (वह क्षेत्र जहां कैथोड से आने वाले इलेक्ट्रॉनों की किरणें आती हैं) में अधिक मात्रा में गर्मी उत्पन्न होती है। इसके अतिरिक्त, घूर्णन एनोड इलेक्ट्रॉन बीम को एनोड के बड़े क्षेत्र को स्वीप करने देता है, इस प्रकार उत्सर्जित विकिरण की उच्च तीव्रता के लाभ को भुनाता है, साथ ही इसके स्थिर अवस्था की तुलना में एनोड को कम हानि होता है। फोकल स्पॉट का तापमान पहुंच सकता है 2,500 C एक्सपोजर के समय, और एनोड असेंबली पहुंच सकती है 1,000 C बड़े खुलासों की एक श्रृंखला के बाद। विशिष्ट एनोड मोलिब्डेनम कोर पर टंगस्टन- रेनीयाम लक्ष्य होते हैं, जो सीसा के साथ समर्थित होते हैं। रेनियम टंगस्टन को इलेक्ट्रॉन बीम के प्रभाव से पहनने के लिए अधिक लचीला और प्रतिरोधी बनाता है। मोलिब्डेनम लक्ष्य से गर्मी का संचालन करता है। ग्रेफाइट एनोड के लिए थर्मल स्टोरेज प्रदान करता है, और एनोड के घूर्णन द्रव्यमान को कम करता है।

माइक्रोफोकस एक्स-रे ट्यूब
कुछ एक्स-रे परीक्षाएं (जैसे, उदाहरण के लिए, गैर-विनाशकारी परीक्षण | गैर-विनाशकारी परीक्षण और माइक्रोटोमोग्राफी | 3-डी माइक्रोटोमोग्राफी) को बहुत उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली छवियों की आवश्यकता होती है और इसलिए एक्स-रे ट्यूबों की आवश्यकता होती है जो बहुत छोटे फोकल स्पॉट आकार उत्पन्न कर सकते हैं, सामान्यतः नीचे व्यास में 50 माइक्रोमीटर। इन ट्यूबों को माइक्रोफोकस एक्स-रे ट्यूब कहा जाता है।

माइक्रोफोकस एक्स-रे ट्यूब दो बुनियादी प्रकार के होते हैं: सॉलिड-एनोड ट्यूब और मेटल-जेट-एनोड ट्यूब।

सॉलिड-एनोड माइक्रोफोकस एक्स-रे ट्यूब सैद्धांतिक रूप से कूलिज ट्यूब के समान हैं, किन्तु महत्वपूर्ण अंतर के साथ ध्यान रखा गया है कि इलेक्ट्रॉन बीम को एनोड पर बहुत छोटे स्थान पर केंद्रित करने में सक्षम हो। कई माइक्रोफोकस एक्स-रे स्रोत 5-20 μm की सीमा में फ़ोकस स्पॉट के साथ काम करते हैं, किन्तु चरम स्थितियों में 1 μm से छोटे धब्बे उत्पन्न हो सकते हैं।

ठोस-एनोड माइक्रोफोकस एक्स-रे ट्यूबों की बड़ी कमी यह है कि वे बहुत कम शक्ति पर काम करते हैं। एनोड के पिघलने से बचने के लिए इलेक्ट्रॉन-बीम शक्ति घनत्व अधिकतम मान से कम होना चाहिए। एनोड सामग्री के आधार पर यह मान कहीं 0.4-0.8 W/μm की सीमा में है। इसका अर्थ यह है कि 10 माइक्रोन इलेक्ट्रॉन-बीम फोकस वाला ठोस-एनोड माइक्रोफोकस स्रोत 4-8 डब्ल्यू की सीमा में शक्ति पर काम कर सकता है।

मेटल-जेट-एनोड माइक्रोफोकस एक्स-रे ट्यूब में ठोस धातु एनोड को तरल धातु के जेट से बदल दिया जाता है, जो इलेक्ट्रॉन-बीम लक्ष्य के रूप में कार्य करता है। मेटल-जेट एनोड का लाभ यह है कि अधिकतम इलेक्ट्रॉन-बीम पावर घनत्व अधिक बढ़ जाता है। विभिन्न एनोड सामग्री (गैलियम और टिन) के लिए 3-6 W/μm की सीमा में मान बताए गए हैं। 10 माइक्रोन इलेक्ट्रॉन-बीम फोकस के स्थितिे में धातु-जेट-एनोड माइक्रोफोकस एक्स-रे स्रोत 30-60 W पर काम कर सकता है।

मेटल-जेट एक्स-रे ट्यूब के लिए बढ़े हुए पावर डेंसिटी लेवल का प्रमुख लाभ छोटे फोकल स्पॉट के साथ काम करने की संभावना है, जैसे कि 5 μm, इमेज रेजोल्यूशन बढ़ाने के लिए और साथ ही इमेज को तेजी से प्राप्त करने के लिए, क्योंकि पावर 10 μm फोकल स्पॉट वाली ठोस-एनोड ट्यूबों की तुलना में अधिक (15-30 W) है।

निर्वात नलीों से एक्स-रे उत्पादन के खतरे
कोई भी निर्वात नली कई हजार वोल्ट या उससे अधिक पर काम कर रही है, जो अवांछित उप-उत्पाद के रूप में एक्स-रे का उत्पादन कर सकती है, जिससे सुरक्षा संबंधी समस्याएं उत्पन्न हो सकती हैं। उच्च वोल्टेज, परिणामी विकिरण जितना अधिक मर्मज्ञ होता है और उतना ही अधिक खतरा होता है। कैथोड रे ट्यूब प्रदर्शित करता है, एक बार रंगीन टीवी और कंप्यूटर डिस्प्ले में आम है, पर काम करता है 3-40 किलोवोल्ट्स आकार के आधार पर, उन्हें घरेलू उपकरणों के बीच मुख्य चिंता का विषय बनाते हैं। ऐतिहासिक रूप से, चिंता ने कैथोड रे ट्यूब पर कम ध्यान केंद्रित किया है, क्योंकि इसके मोटे कांच के लिफाफे को पहले के टीवी के अंदर उच्च वोल्टेज (HV) सही करनेवाला और विद्युत् दाब नियामक ट्यूब की तुलना में परिरक्षण के लिए कई पाउंड सीसे के साथ लगाया जाता है। 1960 के दशक के अंत में यह पाया गया कि कुछ जनरल इलेक्ट्रिक टीवी के एचवी आपूर्ति सर्किट में विफलता नियामक ट्यूब पर अत्यधिक वोल्टेज छोड़ सकती है, जिससे एक्स-रे का उत्सर्जन होता है। मॉडलों को वापस बुला लिया गया और आगामी घोटाले के कारण इस खतरे को नियंत्रित करने के लिए जिम्मेदार अमेरिकी एजेंसी, उपकरण और रेडियोलॉजिकल स्वास्थ्य केंद्र ऑफ द खाद्य एवं औषधि प्रशासन (एफडीए) को आवश्यकता हुई कि सभी टीवी में अत्यधिक वोल्टेज को रोकने के लिए सर्किट सम्मिलित हों। असफलता। अत्यधिक वोल्टेज से जुड़े खतरे को ऑल-सॉलिड स्टेट (इलेक्ट्रॉनिक्स) | सॉलिड-स्टेट टीवी के आगमन के साथ समाप्त कर दिया गया, जिसमें सीआरटी के अतिरिक्त कोई ट्यूब नहीं है। 1969 से, एफडीए ने टीवी एक्स-रे उत्सर्जन को 0.5 mR ( मिरोएन्त्गेन  ) प्रति घंटे तक सीमित कर दिया है। 1990 के दशक में सीआरटी से बड़े स्क्रीन वाली टेलीविजन विधि पर स्विच के साथ, एक्स-रे उत्सर्जित करने में सक्षम कोई निर्वात नली नहीं हैं।

यह भी देखें

 * इलेक्ट्रॉन बीम टोमोग्राफी
 * कोरोनरी एंजियोग्राफी
 * सिंक्रोट्रॉन विकिरण
 * एक्स-रे प्रतिदीप्ति
 * एक्स-रे जनरेटर
 * ग्लास-टू-मेटल सील

पेटेंट

 * विलियम डेविड कूलिज,, एक्स-रे ट्यूब
 * इरविंग लैंगमुइर, , एक्स-रे ट्यूबों को नियंत्रित करने की विधि और उपकरण
 * कूलिज,, एक्स-रे ट्यूब
 * कूलिज,, एक्स-रे ट्यूब

बाहरी कड़ियाँ

 * X-ray Tube - A Radiograph of an X-ray Tube
 * The Cathode Ray Tube site
 * NY State Society of Radiologic Sciences
 * Collection of X-ray tubes by Grzegorz Jezierski of Poland
 * Excillum AB, a manufacturer of metal-jet-anode microfocus x-ray tubes
 * example of how X-ray tubes work.