miniatura|376x376px|Tubul Coolidge de raze X. Catodul încălzit este în partea stângă iar anodul în partea dreaptă. Razele X sunt emise în jos. Un tub cu raze X este un tub vidat care convertește puterea electrică de intrare în raze X. Tuburile cu raze X au evoluat din tuburi experimentale Crookes, cu ajutorul cărora razele X au fost descoperite pentru prima oară pe 8 noiembrie 1895 de către fizicianul german Wilhelm Conrad Röntgen. Disponibilitatea acestei surse controlate de raze X a creat domeniul radiografiei, imagistica obiectelor parțial opace cu radiații penetrante. Spre deosebire de alte surse de radiații ionizante, razele X sunt produse numai atâta timp cât tubul cu raze X este energizat. Tuburile cu raze X sunt de asemenea utilizate în scanerele CT, scanerele pentru bagajele aeroportuare, cristalografia cu raze X, analiza materialelor și a structurilor și pentru inspecția industrială.
Tipuri Tub anodic rotativ miniatura|375x375px|Tub anodic rotativ simplificat. Anodul este susținut pe rulmenți vidați și poate fi rotit prin inducție electromagnetică dintr-o serie de înfășurări statorice în afara tubului evacuat. De obicei, curenții turbionari sunt induși într-un cilindru metalic rotativ, rotorul. Suprapunerea inducției magnetice externe și inducția de la curenții turbionari, care schimbă direcția în timp, creează un impuls mecanic mecanic în rotor.
Deoarece întregul ansamblu de anozi trebuie să fie cuprins în tubul evacuat, îndepărtarea căldurii este o problemă gravă. Datorită generării ridicate de căldură este necesară o dilatare termică corespunzătoare a sticlei și a materialului anodic. Pentru aceasta, este adesea folosită sticla borosilicată înaltă borată, brevetata de Otto Schott. Răcirea directă prin conducție sau convecție, ca în tubul Coolidge, este dificilă. În majoritatea tuburilor, anodul este suspendat pe rulmenți cu lubrifiere cu pulbere de argint, ceea ce asigură o răcire aproape neglijabilă prin conducție.
O dezvoltare recentă a fost rulmenții dinamici lichizi cu lubrifiant lichid de galliu, care pot rezista la temperaturi foarte ridicate fără a afecta vidul tubului. Suprafața mare de contact a lagărului și lubrifiantul metalic asigură o metodă eficientă pentru conducerea căldurii din anod.
Anodul trebuie să fie construit din materiale cu temperatură ridicată. Temperatura focală poate ajunge la 2.500 ° C (4.530 ° F) în timpul expunerii, iar ansamblul anodului poate ajunge la 1.000 ° C (1830 ° F) în urma unei serii de expuneri mari. Materialele tipice sunt o țintă de wolfram-reniu pe un miez de molibden, susținută cu grafit. Reniul face ca wolfamul să fie mai ductil și rezistent la uzură de impactul fasciculelor electronice. Molibdenul conduce căldură din țintă. Grafitul asigură stocarea termică a anodului și minimizează masa rotativă a anodului.
Creșterea cererii pentru sisteme de scanare computerizată cu tomografie computerizată (CT) și angiografie a condus la dezvoltarea unor tuburi medicale cu raze X de înaltă performanță. Tuburile CT contemporane au o putere de până la 100 kW și o capacitate de căldură anodică de 6 MJ, păstrând totuși o suprafață focală efectivă mai mică de 1 mm2.
Microfocus cu tub de raze X Unele examinări cu raze X (cum ar fi, de exemplu, testarea nedistructivă și microtomografia 3-D) necesită imagini cu rezoluție foarte ridicată și, prin urmare, necesită tuburi cu raze X care pot genera dimensiuni focale foarte mici, de obicei sub diametrul de 50 μm. Aceste tuburi se numesc tuburi cu raze X de microfocus.
Există două tipuri de bază pentru tuburile cu raze X de microfocus: tuburi anodice solide și tuburi anodice cu jet de metal. miniatura|377x377px|Tub rotativ cu anod rotativ Analizele cu raze X de microfocusuri cu anodă solidă sunt, în principiu, foarte asemănătoare cu tubul Coolidge, dar cu distincția importantă a fost luată o atenție deosebită pentru a putea focaliza fasciculul de electroni într-un loc foarte mic pe anod. Multe surse de raze X de microfocus funcționează cu puncte de focalizare în intervalul 5-20 μm, dar în cazuri extreme pot fi produse spoturi mai mici de 1 μm.
Dezavantajul major al tuburilor cu raze X de microfocusuri cu anoduri solide este puterea foarte scăzută la care lucrează. Pentru a evita topirea anodului, densitatea de putere a fasciculului de electroni trebuie să fie sub valoarea maximă. Această valoare este undeva în intervalul 0,4-0,8 W / μm în funcție de materialul anodului.D. E. Grider, A Wright, and P. K. Ausburn (1986), “Electron beam melting in microfocus x-ray tubes”, J. Phys. D: Appl. Phys. 19: 2281-2292 Aceasta înseamnă că o sursă microfocală solidă anodică cu focalizare de 10 μm cu fascicul de electroni poate funcționa la o putere cuprinsă între 4-8 W.
În tuburile cu raze X de microfocus cu anod cu jet de metal lichid, anodul metalic solid este înlocuit cu un jet de metal lichid, care acționează ca țintă cu fascicul de electroni. Avantajul anodului cu jet de metal este că densitatea maximă a puterii fasciculului de electroni crește semnificativ. Valorile cuprinse în intervalul 3-6 W / μm au fost raportate pentru diferite materiale anodice (galiu și staniu).M. Otendal, T. Tuohimaa, U. Vogt, and H. M. Hertz (2008), “A 9 keV electron-impact liquid-gallium-jet x-ray source”, Rev. Sci. Instrum. 79: 016102T. Tuohimaa, M. Otendal, and H. M. Hertz (2007), “Phase-contrast x-ray imaging with a liquid-metal-jet-anode microfocus source”, Appl. Phys. Lett. 91: 074104 În cazul unui focalizat cu fascicul de electroni de 10 μm, o sursă de raze X de microfoc de anod metalic poate funcționa la 30-60 W.
Beneficiul major al nivelului de densitate crescută a puterii pentru tubul cu raze X cu jet de metal este posibilitatea de a opera cu un focal mai mic, de exemplu 5 μm, pentru a mări rezoluția imaginii și, în același timp, pentru a obține imaginea mai rapidă, este mai mare (15-30 W) decât pentru tuburile anodice solide cu puncte focale de 10 μm.
Fizica miniatura|378x378px|Spectrul de raze X emise de un tub de raze X cu o țintă de rodiu, care funcționează la 60 kV. Ca și în cazul oricărui tub de vid, există un catod care emite electroni în vid și un anod pentru colectarea electronilor, stabilind astfel un curent electric, cunoscut sub numele de fascicul prin tub. O sursă de tensiune de înaltă tensiune, de exemplu 30 până la 150 kilovolți (kV), numită tensiunea tubului, este conectată între catod și anod pentru a accelera electronii. Spectrul de raze X depinde de materialul anodic și de tensiunea de accelerare.Diagram of continuum and characteristic lines
În multe aplicații, curentul (de obicei în intervalul 1 mA până la 1 A) poate fi sub formă de impuls, cu o durată de 1 ms – 1 s. Acest lucru permite doze consecvente de raze X. Până la sfârșitul anilor 1980, generatoarele de raze X erau doar surse de alimentare variabile de înaltă tensiune, AC la DC. La sfârșitul anilor 1980 a apărut o altă metodă de control, numită comutare de mare viteză. Aceasta a urmat tehnologia electronică a comutării surselor de alimentare și a permis controlul mai precis al unității cu raze X, rezultate de calitate superioară și expuneri cu raze X reduse.
Electronii de la catod se ciocnesc cu materialul anodic, de obicei, wolfram, molibden sau cupru, și accelerează alți electroni, ioni și nuclei din materialul anodic. Aproximativ 1% din energia generată este emisă / radiată, de obicei perpendiculară pe calea fasciculului de electroni, ca raze X. Restul energiei este eliberat sub formă de căldură. În timp, wolframul va fi depus din țintă pe suprafața interioară a tubului, inclusiv pe suprafața sticlei. Acest lucru va încetini încet tubul și s-a crezut că va degrada calitatea fasciculului de raze X. Wlframul vaporizat se condensează în interiorul plicului peste "fereastră" și astfel acționează ca un filtru suplimentar și scade capacitatea tuburilor de a radia căldura. În cele din urmă, depozitul de wolfram poate deveni suficient de conductiv încât, la tensiuni destul de ridicate, apare arc. Arcul va sari de la catod la depozitul de wolfram, apoi la anod. Acest arcing provoacă un efect numit "nebun" pe paharul interior al ferestrei cu raze X. Odată cu trecerea timpului, tubul devine instabil chiar și la tensiuni mai mici și trebuie înlocuit. În acest moment, ansamblul tubular (numit și "capul tubului") este îndepărtat de la sistemul de raze X și înlocuit cu un nou ansamblu tub. Ansamblul tub vechi este livrat către o companie care îl reîncarcă cu un nou tub de raze X.
Efectul generării fotonilor cu raze X se numește, în general, efectul bremsstrahlung și strahlung pentru radiații. Gama de energii fotonice emise de sistem poate fi reglată prin schimbarea tensiunii aplicate și prin instalarea unor filtre de aluminiu cu grosimi diferite. Filtrele de aluminiu sunt instalate pe calea fasciculului de raze X pentru a îndepărta radiația "moale" (nepenetrabilă). Numărul de fotoni expuși cu raze X sau doze sunt ajustați prin controlul debitului curent și a timpului de expunere. Curentul tubului și timpul de expunere afectează doza și, prin urmare, contrastul imaginii.
Unitatea de încălzire De la introducerea capcanelor de electroni împrăștiate, lagărelor anodice cu răcire directă din metal, a tuburilor cu cadru rotativ și a altor tehnologii moderne, termenul a devenit înșelător atunci când este folosit pentru compararea obiectivă a performanțelor tuburilor cu raze X anodice rotative. În consecință, standardul IEC 60613 a fost revizuit în 2010. Capacitatea de stocare a căldurii anodice și implicit "unitățile de încălzire" au fost abandonate și înlocuite cu termeni de relevanță practică, de ex. NOMINAL CT ANODE INPUT POWER. Din punct de vedere istoric, unitățile de căldură se refereau la cantitatea de căldură stocată într-un anod răcit numai prin radiații, în interiorul unui plic de sticlă care reflectă electronii. În radiografie, în special în radiologie, o unitate de căldură era o unitate uzuală derivată din Joule și măsurarea cantității de căldură dintr-un dispozitiv, în special energia termică pe care un tub de raze X trebuie să îl poată susține și disipa în timpul și după un examen. Din punct de vedere istoric, această unitate provine din necesitatea de a exprima o cantitate de energie indiferent de forma de undă a sursei de energie electrică (directă sau pulsantă). Căldura produsă în aceste dispozitive este (în Joule):
Eheat = Veff Ieff t
În radiografie, tensiunea este de obicei exprimată în kVp (mii de volți de vârf), curentul efectiv în mA și timpul în s (secunde):
Eheat = w * kVp * mA * t , unde w este raportul de undă.
Cu o rectificare completă a valului sinusoidal, 1 HU = 0.707 J sau 1.4 HU = 1 J.Perry Sprawls, Ph.D. X-Ray Tube Heating and Cooling, from The web-based edition of The Physical Principles of Medical Imaging, 2nd Ed.
Istorie Tuburile Crookes miniatura|376x376px|Tub de raze X Crookes, de la începutul anilor 1900. Catodul este pe partea dreaptă, anodul este în centru cu chiuveta atașată la stânga. Electrodul la poziția 10 este anticatonul. Dispozitivul de sus este un "balsam" folosit pentru reglarea presiunii gazului. Din punct de vedere istoric, radiațiile X au fost descoperite radiind din tuburi experimentale de descărcare de gestiune numite tuburi Crookes, inventate de fizicianul britanic William Crookes și alții. Pe măsură ce utilizările medicale și cele ale altor raze X au devenit vizibile, atelierele au început să producă tuburi specializate Crookes pentru a produce raze X. Acestea au fost primele tuburi cu raze X. Aceste tuburi de raze X cu catod rece sau de tip Crookes au fost folosite până în anii 1920.