방사선 기기학 정리
|
방사선 기기학 |
■X선 발생장치의 필요조건
- 자유전자의 공급(가열변압기에 의해)
- 고속도의 운동에너지(고전압변압기 or 주변압기에 의해)
- 고진공도 유지(105～107mmHg)
- 저지물(Target) : Tungsten
■관전압[kv]
- X선이 발생할 때의 X선관 양단전압을 파고치로 표시
- 고전위(＋)에서 저전위(－)로 열전자가 이동하여 X선 방출
- 단권변압기 출력측에서 조절
- X선질(quality), 투과력을 좌우
- 관전류 일정, 관전압 증가시 초점이 작아짐
- 관전압계 : 고압변압기 1차측 , 단권변압기 2차측(출력측)에 병렬로 접속 가동철편형
- 전시식 관전압계의 전압은 1차 전압보다 적고, 단권변압기의 출력전압보다 적다. 그 차 이는 관전류 선택이 클수록 커진다. 그 이유는 관전압계는 X선이 발생하기 전에 미리 나타내고 있기 때문에 X선이 발생하면 관전류의 크기에 비례해서 전압강하가 발생하므 로 이를 보정하기 위함
■관전류[mA]
- X선관의 양단에 흐르는 전류, 평균치로 나타냄
- 음극의 필라멘트에서 양극으로 이동하는 전자수에 의해 좌우됨
- 가열변압기 입력측에서 조절
- X선량(quantity) 좌우
- 관전압 일정, 관전류 증가시 초점이 커짐
- 관전류계 : 고압변압기 2차 코일의 중성점에 직렬로 접속
가동코일형, 탄동검류계, 평등눈금으로 되어 있음
0.5sec 이하에서는 큰 관성의 mAs계 사용
■전자의 발생
- 가열에 의한 전자 방출 : 열전자 방출(진단용 X선 장치)
- 이온의 충돌에 의한 전자 방출 : 2차 전자 방출(gas X선관)
- 광에너지에 의한 전자 방출 : 광전자 방출(scintillator)
- 고전계에 의한 전자 방출 : 냉전자 방출
- 원자붕괴에 의한 전자 방출 : β선 방출
- 1차 전압, 전류 -> 실효치 / 2차 전압 -> 최대치 , 2차 전류 -> 평균치
■열전자 방출(2극 진공관)
- 초고속 영역 : 양극전압이 없는 상태에서도 열전자의 흐름을 나타내는 영역
- 공간전하 영역 : 양극전압이 증가하면 양극전류도 함께 증가하는 영역
(40keV 이하, 불감영역)
저전압, 대전류, 소초점에서 동작
☞양극전압 V의 3/2승에 비례, d의 자승에 반비례
- 포화영역 : 양극전압이 증가해도 양극전류가 일정한, 즉 포화되는 영역
포화전류
☞Φ(일함수)가 적을수록 열전자를 많이 방출한다. (Richardsen 식에 좌우)
☞X선관은 포화영역을 이용한다.
■관전압에 따른 열전자의 속도
∴ 광속이 30만 [㎞/sec]이므로 광속의 약 20 %
■저지 X선의 최단파장(Duane-Hunt's law)
■X선의 강도와 발생효율(η)
K : 1.1×10-9 V : 관전압 Z : target(W)의 원자번호(74) I : 관전류
- 발생효율은 60㎸ ≒ 0.5%
100㎸ ≒ 0.8% 이고 나머지는 열로 변한다
- 연속 X선의 에너지 총량은 관전압과 target의 원자번호에 비례
- 강도는 최단파장의 1.5배에서 최대, 파장이 길어지면 다시 감소
- 최단 파장은 관전압과 반비례
- 최강 파장은 최단파장의 1.3 ~ 1.5 배
- 발생효율 = KVZ ( 60KV = 0.5% , 100KV = 0.8 % X 선 )
- 강도 = K2ZI (투과한 사진효과 = 관전압 4 ~ 6승 비례)
■X선관 구조
1)고정양극 X선관
①진공도 : 10-6～10-7mmHg의 고진공상태
②관체(glass bulb) : 규산(SiO2), 붕산(B2O3)의 주성분인 경질의 glass
▷구비조건: 절연내력이 클 것 , 고진공도(10-5 ~ -7mmHg)를 유지할 수 있을 것
가공이 용이할 것 , X선 흡수가 적을 것 , 화학적 내성이 클 것
기계적 강도가 클 것 , 열팽창 계수가 적을 것
③ cathod
․ filament : 가열에 의한 열전자 방출
직경이 0.1～0.3mm의 텅스텐 wire를 coil 모양으로 만들어 선형으로 배치
filament의 폭과 길이는 초점형성의 결정 인자임
․focusing cap : filament에서 발생된 전자를 target의 일정위치에 집속시킴
(전자의 확산 방지) - 초점형성
filament와 같은 전위 - 저(-) 전위
④anode
․target : filament에서 발생한 열전자가 충돌하여 초점을 형성하는 부분
▷구비조건 : 원자번호가 클 것 - X선 발생효율 증가
용융점이 높을 것 , 증기압이 낮을 것 , 괴산성이 적을 것
열전도․전기전도가 높을 것 , 가공․입수가 용이할 것
▷재료 : Pure tungsten
Tungsten - molibudenum 합금(비중↓, 회전특성향상, 허용부하↑)
Rhenium - tungsten(초점의 거칠어짐을 방지)
․target angle : X-ray tube axis의 수직면과 target의 전자충돌면과의 각도(20°)
2)회전양극 X선관 : 유도전동기, 고정자(stator coil), 회전자계 발생, Fleming 왼손 법칙
①cathod
②anode
․ target : 구리로 된 양극 끝 부분에 tungsten disc가 투입되어 있으며 전자충돌에 의해
X선 발생
․ rotor : 회전자계에 의해 target을 회전
▷회전양극 X선관의 양극 회전속도
∴보통회전형 : 50～60㎐, 2700～3200 rpm ,
고속회전형 : 150～180㎐, 8100～9700 rpm
▷회전양극 X선관의 회전시 가동전압 : 100～125V
․ ball bearing : 금속 윤활제(Ag로 도포) → 고진공, 고온에서 효율이 증대
- 양극 회전 가속인자 : 직경, 두께, 고정자 형태, 인가 주파수, 회전 초기 전압
③회전양극의 전자충돌 궤도면적 〓 2πrd 【㎟】
r : 회전중심에서 충돌면의 중앙선까지의 거리 , d : 전자충돌면의 폭
④회전양극 X선관의 특성
․장점 : 열용량이 크다 , 부하량을 크게 할 수 있다.
실초점이 크다 → 전자충돌면적↑ → 부하량↑ → 단시간 조사가능
냉각의 필요성 감소(고정양극의 7～8배)
․단점: 복잡, 비쌈, 수명이 짧음, 베어링 마모, 소음, 고가
■이중 초점에서의 대소 초점
|
대초점 |
소초점 |
|
열전자, 관전류, 부하량이 많다. |
열전자, 관전류, 부하량이 적다. |
|
100㎃이상, 두꺼운 부위, 움직이는 부위 |
50㎃, 얇은 부위, 고선예도 |
■초점
1)정의 : X선관의 음극선이 집중되는 곳
2)종류
①실초점(Actual focus) : 음극에서 방출된 전자가 target에 충돌되는 면적
(실효초점보다 크다) → 커야 좋다 - 부하량이 커짐
▷실초점 크기와 형태 좌우 인자
․ filament 크기와 형태
․ focusing cup크기와 filament 위치
․ 음극과 양극과의 거리
②실효초점(effective focus) : X선 관측에 대하여 직각방향에서 본 초점의 크기.
Image형성에 관여하는 초점
작아야 좋다 - 선예도가 좋아짐
양극 경사도가 작아지면 실효초점이 적어진다
실효초점 = 실초점 × sinθ
▷ 실효초점 검사 - pin hole camera법 , 해상력법
- 초점 크기, 초점 형태, 파괴 상태, 초점외 X 선 검사등
③정초점 : filament전면에서 직접 방출된 전자가 만드는 초점
④부초점 : 집속전극에서 반사되거나 filament측면, 후면에서 방출된 전자가 만드는 초점
|
정초점 |
부초점 | |
|
집속력 |
약함 |
강함 |
|
밀도 |
낮다 |
높다 |
․ filament 깊이가 깊을수록 부초점은 커지고, 정초점은 작아짐
3)target angle에 따른 초점의 변화
․경사각도가 커지면 허용부하는 작아진다(실효초점↑)
․경사각도가 작아지면 실초점↑, 실효초점↓, 유효선속↓, 거리에 의한 field size에 제한,
heel effect 영향, 좋은 선예도를 얻을 수 있다.
․target angle 10°, 15°, 17°, 20°, 45°일 때 실초점은 실효초점의
6, 4, 3.5, 3, 1.4 배로 된다.
4)관전압, 관전류에 따른 초점의 변화
․kV 일정, mA 증가 : 저전압, 대전류 → 초점이 커짐(반음영이 커짐)
․mA 일정, kV 증가 : 고전압, 소전류 → 초점이 작아짐
▷unsharpness의 원인
① 기하학적 인자
penumbra = f (b/a) (f : focus size, a : FOD, b : OFD)
∴ sharpness를 증가시키기 위해선 focus↓, FOD↑, OFD↓.
② motion factor
③ sensitive material
5)X선 방사강도 분포
: Target으로부터 발생하는 X선의 강도분포는 약간씩 달라지며 관전압, target 물질의
재질과 두께에 좌우된다.
▷ Anode heel effect
- 초점에서 발생한 X선은 중심선으로부터 음극측으로 갈수록 강도는 강하며 실효초점은
커지고, 양극 측으로 갈수록 강도는 약하며, 실효초점도 작아진다.
- 양극경사각도↓ → heel effect↑
- 대비책 : 두꺼운 부위는 음극쪽으로, 얇은 부위는 양극쪽으로 이동 촬영한다.
FFD를 늘린다. , Film을 작은 것을 쓴다.
6)초점외 X선 - 관전압이 높을수록 증가 ( 회전 > 고정 )
①초점이외의 target 표면에서 2차 전자에 의해 발생되는 X선을 말하여 고정양극관에서는
영향이 없으나 회전양극관에서는 contrast가 저하
②초점외 X선의 강도분포 : 초점 부근이 가장 강하고 초점에서 멀어질수록 감소한다.
선질은 초점부근이 연질이고, 초점에서 멀어질수록 경질이 된다.
③초점외 X선의 제거
․ X선관 내에 차폐관 설치
․ X선관의 방사콘을 초점 가까이 설치하고 개구도 가능한 작게 함(다중조리개)
7)초점파손과 영향
①정격을 초과하였을 때 target 일부분이 용해되어 X선 흡수가 증가하고 X선 출력이
감소함
②초점 파손이 심한 경우 출력의 50%저하
③현재 X선관 target으로 사용 : Re+W, Fe+W
■3극 X선관의 동작특성
- 콘덴서 방전식은 격자전압을 조정해서 조사시간을 제한하며, X선을 발생한다.
- 2극 X선관에 비해 격자가 있어 허용부하는 80%로 제한한다.
- 관전류 차단(격자전압 〓 -2000～3000V)
- 1/1000 sec까지 폭사 가능
- 암류 X선 방지 : Shutter 부착
- 단시간 조사 가능 , condensor 방전식 , 간접 촬영에 이용 , x 선 연속적 발생
■X선관 장치
- X선을 수용하는 용기로 방전격형으로 하여 규정의 X선 차폐를 하고 X선 고압cable의
접속부 기타 X선관을 작동하는데 필요한 부속물을 포함한 용기에 X선관을 투입한 것
■X선관 용기(Tube housing) - 이용 선추의 1/1000
1)역할
- X선관 보호․지지 , 방전격 역할 : 관용기 외벽을 접지 , 절연과 냉각 , 초점외 X선흡수
- 방선역할 : X선 차폐(유효 선속외 차폐)
▷진단용 X선관의 누설 선량 (치료용 = 1R/h)
: 초점으로부터 1m거리에서 적산 선량이 115mR/hr이하
2)구성물
①X선관
②팽창조절통 : 열에 의한 절연유의 부피팽창으로 인한 관용기의 내부 압력증가를
조절하여 X선관이나 관용기를 보호, 누유방지
③Micro switch
④절연유(고유여과 = 0.07mmAl)
▷필요조건 - 절연내력이 높을 것 , 파괴전압이 높을 것 , 점도가 낮을 것
냉각효율이 클 것 , 인화점이 높을 것(130℃이상)
불순물이 없을 것 , 화학적으로 안정할 것
먼지, 습기, 가스, 기타 불순물 x , 파괴전압 특성 (30kv , 2.5mm)
⑤부가여과판(Al)
⑥Pb plate
⑦Stator core & coil
⑧Cable receptor
■여과(filtration) 【㎜Al】
1)총여과 - 알루미늄 당량 (mmAl) (차폐 = 연당량 mmPb)
|
최고정격관전압 |
총여과의 최소치 |
|
60kVp 미만 60～100kVp 100kVp 이상 |
1.5mmAl 2.0mmAl 2.5mmAl |
2)고유여과 (관체 0.78mmAl , 절연유 0.07mmAl , 방사구 0.05mmAl)
: 관체, 절연유, 방사구 등 X선관 장치 그 자체가 가지고 있는 구성물에 의한 X선흡수
→ 0.5～1 mmAl정도
3)부가여과
: X선속 내에 인위적으로 흡수체를 삽입하여 장파장의 X선(연선)을 흡수하기 위한 여과
→ 1～2 mmAl정도
▷X선관 총여과의 최소치 cf) mammography = 총여과 0.5mmAl
■X선관의 정격
- 열단위 HU (최대 양극 축적 열용량)
- 부하 열량율 HU/sec(연속 최대 입력) : 투시시 사용
- X선관 용량 (최대 전기적 입력)
- 촬영 정격표 (단시간 부하 정격표) : ms-s 단위의 일반촬영시의 부하
초점면의 온도에 의해 결정
- 투시 정격표 (장시간 부하 정격표) : 투시 때의 부하, 양극전체의 온도에 의해 결정
- 혼합부하 정격부 (spot촬영, 집단검진 촬영, 연속촬영 정격표)
* 촬영 정격
(조사시간 ↑ -> 허용 mAs양 ↑ , 혀용 관전류 ↓)
■양극 축적 열용량(Q)
Q 〓 CMT 「 C : 비열(cal/g/℃)
M : 양극의 질량(g)
T : 온도(℃) 」
■X선관 입력 (단시간 부하의 최대 정격)
「 P : X선관 입력[W] v : 관전압[kVp] A: 관전류[mA] f : 정수 」
f = 1 : 맥동률 10% 이하 - 3상 12피크 정류(3.4%)
f = 0.95 : 맥동률 11 ～ 25% - 3상 6피크 정류(13.4%)
단상전파 10mA이하, cable 길이 6m
f = 0.75 : 맥동률 25% 초과
- 단상 반파(최대 관전류 3배). 단상전파(최대 관전류 1.5배),
자기정류(최대 관전류 3배)
- 최대 입력이란 실효초점크기, 관전압 파형, 양극회전수 등으로 결정되는 x 선관
입력의 최대 허용치를 말한다
■열단위 Heat unit [HU]
HU 〓 n․ V․ I․ T (V=kV, I=mA, T=sec)
n〓1 >> 단상전파, 자기정류, 단상반파정류
n〓1.35 >> 3상 전파 정류회로
관전류가 10mA이고 케이블 1극의 길이가 6m를 넘을 때
n〓1.4 >> 정전압 회로
■부하 열량률 [HU/sec]
- 투시시에 사용 가능
HU/sec = 관전압 x 관전류 -> 단상장치
HU/sec = 관전압 x 관전류 x 1.35 -> 3상장치 , 단상장치에서 케이블 길이 6m이상
HU/sec = 0.71Ws = 0.71J = 0.17㎈ (1J = 0.24cal0
■최대 냉각율
- W = KV ․ mA
- 최고 허용 온도시의 방열 비율을 나타내는 것
■초점 비부하
1)정의 : 실초점의 단위 면적 당 허용입력 [W/㎟]
2)고정양극 : 1sec부하 ⇒ 200W/㎟
3)회전양극
∴ 양극의 회전수와 초점궤도직경의 제곱근에 비례
∴ 1초 이하에서는 회전양극의 비부하가 고정양극에 비해 10배 이상의 부하를 가짐
■단시간 허용부하
- 양극의 회전수↑, 양극의 경사도↓ , 맥동률↓, 초점면 크게(실초점↑,실효초점↓
-> 단시간 허용부하↑
- 0.5sec (단상=3상) , 0.5sec↑(단상>3상) , 0.5sec↓(단상<3상)
■저속중복촬영
- 집단검진촬영에 해당됨
- 1회당 부하는 단시간 정격의 80%이하로 함
- 연속부하로 환산한 평균입력
t: 부하시간 T: 사용간격(sec)
■X선 장치의 기본회로
- 단권변압기 -> 전압안정기 -> 주파수보상기 -> 관전류조정기 -> 공간전하보상회로 ->
가열변압기 -> x 선관
1)고전압 발생장치(고압회로)
- X선을 발생하는데 필요한 고전압을 발생시켜 X선관에 공급하는 장치