X RAY TUBE CONSTRUCTION

 

X RAY TUBE CONSTRUCTION

एक्सरे ट्यूब के निम्न भाग होते हैं 

 ट्यूब आवरण  (Tube Envelope)  

एक्स-रे ट्यूब मे एनोड तथा कैथोड एक एयर टाइट (air tight ) एनवलप में बंद रहते हैं इस एनवलप तथा इसके अन्दर के भाग सम्मिलित रूप से ट्यूब इन्सर्ट (Tube Insert ) कहलाते हैं |अधिकांश एक्सरे ट्यूब में यह एनवलप पायरेक्स ग्लास (Pyrex Glass) का बना  होता हैं लेकिन कुछ आधुनिक एक्सरे ट्यूब में यह मेटल या सिरेमिक का भी बना होता हैं |

     एक्सरे ट्यूब एनवलप के कार्य-

      (i) यह एनोड व कैथोड को इंसुलेशन (Insulation ) व सपोर्ट (Support) प्रदान करता हैं |

      (ii) यह एक्सरे ट्यूब में निर्वात (Vacuum) बनाये रखता हैं |

Question : X-ray Tube में निर्वात उत्पन्न क्यों किया जाता है |

Answer :अगर x-ray tube में गैस होगी तो कैथोड से आने वाले इलेक्ट्रान एनोड से टकराने से पहले इन गैस मॉलिक्यूल से टकराएंगे, जिससे इन गैस मॉलिक्यूल के आयनन से कम ऊर्जा के और अधिक इलेक्ट्रान निकलेंगे | इन काम ऊर्जा के इलेक्ट्रान को secondary electron कहते है | अतः x-ray tube में इलेक्ट्रान की संख्या पर नियंत्रण नहीं होता है X-ray beam के फोटोन की quality व quantity में बहुत अधिक अंतर आ जाता है | अतः X-ray tube में सेकेंडरी इलेक्ट्रान के उत्सर्जन को रोकने के लिए निर्वात उत्पन्न किया जाता है |

 कैथोड (Cathode ) 

कैथोड  एक्सरे ट्यूब का ऋणात्मक टर्मिनल होता हैं | इसके निम्न भाग होते है -

• Connecting wire
• Filament 
• Focusing cup

Connecting Wire

यह फिलामेंट को voltage (लगभग 10V) तथा amperage (3 to 10A) प्रदान करता करता है | X-ray tube operation के दौरान glass तथा wire दोनों high temperature तक गर्म होते है |  Glass wall तथा connecting wire दोनों के प्रसार गुणांक (expension cofficient) अलग अलग होते है | जिस कारण दोनों अलग अलग दर से फैलते है, अतः glass-wire seal के break होने की संभावना अधिक होती है | इस glass-wire seal को break होने से रोकने के लिए connecting wire को ऐसे metal का बनाया जाता है जिसका प्रसार गुणांक (expension cofficient), pyrex glass के समान हो | 

Filament 

        यह X-ray tube के लिए इलेक्ट्रान का स्त्रोत होता है | Filament  टंगस्टन धातु का बना होता हैं |  यह एक तार के रूप में होता हैं जिसका व्यास लगभग 0.2 mm होता हैं | यह 0.2 cm की  कुंडली के रूप में लपेटा हुआ होता हैं जिसे फिलामेंट (कैथोड ) कहते हैं | Filament की लम्बाई 1cm या इस से कम होती है | 

STATIONARY ANODE X RAY TUBE CATHODE ASSEMBLEY

        फिलामेंट की आयु व क्षमता बढ़ाने के लिए इसमें थोडा सा थोरियम मिलाया जाता हैं| इसे एक फोक्सिंग कप (Focusing Cup ) घेरे रहता हैं | फिलामेंट में 10 V का विभवान्तर व 3-6 Amp की धारा प्रवाहित की जाती हैं, जिससे इलेक्ट्रान के प्रवाह में प्रतिरोध के कारण फिलामेंट गर्म होता हैं तथा तापीय उत्सर्जन (Thermionic Emission ) प्रभाव के कारण इलेक्ट्रान का उत्सर्जन होता हैं | इलेक्ट्रान का उत्सर्जन ताप पर निर्भर करता हैं तथा एक्सरे ट्यूब से उत्सर्जित एक्सरे फोटोन की संख्या कैथोड से उत्सर्जित इलेक्ट्रान की संख्या के समानुपाती होती हैं |

Question : Tungsten metal को ही फिलामेंट के रूप में उपयोग में क्यों लिया जाता है |

Answer :

1. इसका गलनांक (melting point) बहुत अधिक ( 3370 °C) होता है |
2. इसे एक पतले तार के रूप में ढाला जा सकता है |
3. इसके वाष्पीकृत (vaporization) होने की प्रवृति कम होती है |

ROTATING ANODE X RAY TUBE CATHODE ASSEMBLEY

          सामान्यतः एक्सरे ट्यूब में दो फिलामेंट होते हैं जो फोक्सिंग कप में side by side या क्षैतिज लगे होते हैं  |  ये स्माल फोकल स्पॉट व लार्ज फोकल स्पॉट फिलामेंट कहलाते हैं |

    (a) स्माल फोकल स्पॉट- यह उन रेडियोग्राफिक प्रोजेक्शन में कम आता हैं जिनमे बहुत ज्यादा डिटेल  की आवश्यकता हो जैसे - Chest Xray, Abdomen Xray |

  (b) लार्ज फोकल स्पॉट - जिन बॉडी एनाटोमी रेडियोग्राफ मेंज्यादा डिटेल की आवश्यकता नहीं होती वहा किये जाते हैं जैसे- Upper and Lower Extrimities | kuchh आधुनिक एंजियोग्राफी मशीन में तीन फिलामेंट भी होते हैं | कैथोड को हाई वोल्टेज के ऋणात्मक भाग से जोड़ा जाता हैं |Focusing Cup 

            Cathode से anode की और जाने वाली इलेक्ट्रान स्ट्रीम का electron-electron mutual repulsion के कारन प्रसार होता है | जिससे यह एनोड पर एक बहुत बड़े क्षेत्र पर आकर गिरती है | Electron stream के इस प्रसार को रोकने के लिए filament के चारो और फोकसिंग कप लगाया जाता है | यह फिलामेंट को चारो और से घेरे रहता है | फोकसिंग कप को फिलामेंट जितने ही ऋणात्मक विभव पर रखा जाता है | Focusing cup, electron stream पर एक electrical force लगाता है, जिससे उसे आवश्यक size तथा shape में फोकस किया जा सकता है | 

 Anode 

यह X-ray tube का positive terminal होता है | X-ray tube का एनोड 2 प्रकार का होता है -

• Stationary anode
• Rotating anode

 Stationary anode X-ray Tube 

Stationary anode X-ray Tube  में एक छोटी 2 से 3 mm मोटी टंगस्टन की प्लेट होती है, जो की कॉपर के एक बड़े ब्लॉक में धसी होती है | इस टंगस्टन प्लेट की विमा square या rectangle shape की होती है, तथा प्रत्येक विमा 1 cm या उस से अधिक होती है | एनोड एंगल 15 - 20° का होता है | 

Question : टंगस्टन को ही टारगेट मटेरियल के रूप में क्यों चुना जाता है | Answer :

1. इसका परमाणु क्रमांक उच्च (74) होता है, जो इसे X-ray production के लिए ज्यादा दक्ष धातु बनाता है |
2. इसका गलनांक बिंदु उच्च (3370℃) होता है, जिससे यह एक्सरे प्रोडक्शन के दौरान उत्पन्न होने वाले उच्च तापमान को सहन कर सकती है |
3. टंगस्टन एक्सरे प्रोडक्शन के दौरान उत्पन्न होने वाले उच्च तापमान को अवशोषण करने के लिए एक अच्छा पदार्थ होता है |
4. टंगस्टन अवशोषित ऊष्मा ऊर्जा को टारगेट से दूर तेजी से विकिरित (dissipiate) करता है |

 

अच्छी thermal characteristics होने के बाद भी टंगस्टन बार बार होने वाले एक्सपोज़र (repeated exposure) से उत्पन्न ऊर्जा को dissipiate नहीं कर पाता है | कॉपर, टंगस्टन के बजाय ज्यादा अच्छा ऊष्मा का चालक (heat conductor) होता है |  अतः इस कारण टंगस्टन की एक छोटी प्लेट को एक बड़े कॉपर के  धँसा (embedded) दिया जाता है, जिससे एनोड की thermal capacity व इसकी rate of cooling बढ़ जाती है | X-ray production के दौरान कॉपर तथा टंगस्टन दोनों गर्म होके अलग अलग दर से फलते है | अतः कॉपर तथा टंगस्टन के मध्य जोड़ को मजबूत रखा जाता है, वरना टंगस्टन टारगेट कॉपर ब्लॉक से निकल कर बहार गिर सकता है | 

Rotating anode X-ray Tube

X-ray production के दौरान large exposure से उत्पन्न ऊष्मा ऊर्जा को सहन करने की क्षमता को बढ़ाने के लिए rotating anode principle का उपयोग किया जाता है | Rotating anode X-ray tube का anode, tungsten या tungsten alloy की एक बड़ी डिस्क का बना होता है | सैद्धांतिक रूप से एक्सपोज़र के दौरान यह डिस्क 3600rpm पर घूमती है | लेकिन mechanical fraction के कारण एनोड कभी भी इतनी उच्च गति नहीं प्राप्त कर पाता है, यह केवल  3000rpm तक ही पहुंच पाता है | टंगस्टन डिस्क का किनारा कुछ कोण पर झुका (beveled edge) हुआ होता है | एनोड एंगल 6-20° के मध्य होता है | डिस्क का किनारा line focus principle का फायदा  लेने के लिए झुकाया जाता है | 

        Rotating anode बनाए का मुख्य उदेश्य एक्सपोज़र के दौरान उत्पन्न ऊष्मा को एनोड डिस्क के किनारो के बड़े क्षेत्र पर फ़ैलाने का होता है | 

        एनोड, stator coil के द्वारा उत्पन्न मैग्नेटिक फील्ड के द्वारा घूमता है | यह स्टाटर कोइल एक्सरे ट्यूब के neck के चारो और glass envelope के बाहर लिपटी होती है | इस से उतपन्न मैग्नेटिक फील्ड इंडक्शन मोटर के कॉपर रोटर में एक धारा प्रेरित करता है | यह प्रेरित धारा एनोड को घूमने के लिए पावर प्रदान करती है | एनोड को आसानी से घूमने के लिए ball bearings का उपयोग किया जाता है | आसानी से घूमने के लिए इन बियरिंग्स को लुब्रिकेट किया जाता है | 

• Oil lubricate - would vaporize and destroy the vacuum
• Dry lubricate (graphite) - Would wear off as a powder and destroy the vacuum
• Metallic lubricate (silver metal) - used in high vacuum.

           X-ray production के दौरान उत्पन्न उच्च ऊष्मा के कारण बिअरिंग फ़ैल कर जाम हो सकते है | इसके लिए ऊष्मा एनोड डिस्क से बिअरिंग तक न पहुंचे इसके लिए rotating anode का stem मोलीब्डेनम (Mo) का बनाया जाता है | Mo का गलनांक बिंदु उच्च  (2600 ℃)  होता है तथा यहाँ एक poor heat conductor material होता है | यह Mo stem टंगस्टन डिस्क तथा बेअरिंग के मध्य एकऊष्मा अवरोध की तरह कार्य करता है | 

            जड़त्व को कम करने के लिए इस एनोड स्टेम को जितना हो सके उतना छोटा काम में लिया जाता है | इस जड़त्व के कारण बल लगाने तथा एनोड डिस्क को अपने पूरी गति से घूमने में एक छोटा सा समयांतराल (short delay of time) होता है | यह समयांतराल लगभग 0.5 से 1 sec के मध्य होता है | रोटर को पूरी गति से घूमने से पहले एक्सपोज़र को रोकने के लिए एक सेफ्टी सर्किट का उपयोग किया जाता है |  यह सर्किट तब तक एक्सपोज़र नहीं होने देता है जब तक rotar अपनी full speed पर ना घूमने लग जाये | 

        X-ray tube की life, roughening and pitting के कारण कम होती है | इसके लिए एक मिश्र धातु काम में ली जाती है जिसमे 90% टंगस्टन तथा 10% rhenium (Re) धातु होती है |  यह मिश्र धातु एनोड सतह को roughening and pitting के प्रति और ज्यादा प्रतिरोधी बनती है |