Production and use of X-rays · Production et utilisation des rayons X
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|---|---|
| tungsten/ˈtʌŋstn/ | tungstène |
| target/ˈtɑːɡɪt/ | cible |
| anode/ˈænəʊd/ | anode |
| cathode/ˈkæθəʊd/ | cathode |
| thermionic emission/ˌθɜːmɪˈɒnɪk ɪˈmɪʃn/ | émission thermoionique |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | énergie cinétique |
| photons/ˈfəʊtɒnz/ | photons |
| Bremsstrahlung/ˈbremʃtrɑːlʊŋ/ | rayonnement de freinage |
| hardness/ˈhɑːdnəs/ | dureté |
| characteristic/ˌkærɪktəˈrɪstɪk/ | caractéristique |
| sharpness/ˈʃɑːpnəs/ | netteté |
| contrast/ˈkɒntræst/ | contraste |
| attenuation/əˌtenjuːˈeɪʃn/ | atténuation |
| contrast medium/ˈkɒntræst ˈmiːdɪəm/ | agent de contraste |
| half-value thickness/hɑːf ˈvæljuː ˈθɪknəs/ | épaisseur à valeur demi |
| computed tomography/kəmˈpjuːtɪd təˈmɒɡrəfi/ | tomographie par ordinateur |
A machine that wastes ninety-nine per cent of its power
- An X-ray tube run at $75\ \text{kV}$ and $30\ \text{mA}$ takes in $2250\ \text{W}$. About $99\%$ of that becomes heat in a lump of tungsten the size of a coin.
- Left alone, the target's temperature would climb at over $1000\ \text{K}$ per second and melt in a few seconds.
- That is why exposures are brief and the anode spins. The remaining one per cent is the picture.
- This lesson is how X-rays are produced, what sets their penetrating power, and how they make an image.
Une machine qui gaspille quatre-vingt-dix-neuf pour cent de sa puissance
- Un tube à rayons X fonctionnant à $75\ \text{kV}$ et $30\ \text{mA}$ consomme $2250\ \text{W}$. Environ $99\%$ de cette énergie devient de la chaleur dans un morceau de tungstène de la taille d'une pièce.
- Si l'on ne faisait rien, la température de la cible augmenterait de plus de $1000\ \text{K}$ par seconde et fondrait en quelques secondes.
- C'est pourquoi les expositions sont brèves et l'anode tourne. Le pourcentage restant d'un pour cent constitue l'image.
- Cette leçon explique comment les rayons X sont produits, ce qui détermine leur pouvoir pénétrant et comment ils forment une image.
Production
- The four-mark answer runs in four moves, and each is a mark.
- One. Electrons are emitted from a heated filament (the cathode 阴极) by thermionic emission 热电子发射.
- Two. They are accelerated through a high p.d., tens of kV, across an evacuated tube towards a metal target 靶, the anode 阳极, usually tungsten 钨.
- Three. They decelerate rapidly when they strike the target.
- Four. The kinetic energy 动能 lost is emitted as X-ray photons 光子, this is Bremsstrahlung 轫致辐射 or braking radiation, with most of it becoming heat.
Heat one end, brake at the other
Production
- La réponse aux quatre points se déroule en quatre étapes, chaque étape valant un point.
- Un. Des électrons sont émis par un filament chauffé (la cathode 阴极) par émission thermoionique 热电子发射.
- Deux. Ils sont accélérés par une haute tension, de l'ordre de dizaines de kV, à travers un tube sous vide vers une cible métallique target 靶, l'anode 阳极, généralement en tungstène 钨.
- Trois. Ils décélèrent brusquement lorsqu'ils frappent la cible.
- Quatre. L'énergie cinétique 动能 perdue est émise sous forme de photons de rayons X 光子 ; c'est le Bremsstrahlung 轫致辐射 ou rayonnement de freinage, dont la plupart devient de la chaleur.
Chauffer une extrémité, freiner à l'autre
X-rays are produced when fast electrons: · Les rayons X sont produits lorsque des électrons rapides :
The sudden deceleration on the target gives out X-ray photons (Bremsstrahlung). · Le décélération soudaine sur la cible émet des photons de rayons X (Bremsstrahlung).
Most of the electrons' kinetic energy in an X-ray tube becomes heat, not X-rays. · La majeure partie de l'énergie cinétique des électrons dans un tube à rayons X devient de la chaleur, pas des rayons X.
Only a small fraction becomes X-rays — which is why the target must be cooled. · Seule une petite fraction devient des rayons X — c'est pourquoi la cible doit être refroidie.
Two controls, two different jobs
- Intensity, the energy per unit area per second, is set by the number of electrons hitting the target per second, so it is controlled by the filament current. A hotter filament emits more electrons.
- Hardness 硬度, the penetrating power, is set by the photon energies, so it is controlled by the accelerating p.d. A larger p.d. gives higher-energy, shorter-wavelength, more penetrating X-rays.
- Keep them apart. A question asking how to make the beam more penetrating is not answered by turning up the current.
- A metal filter removes the softest X-rays, which would be absorbed in the patient's skin without ever reaching the detector.
Deux commandes, deux tâches distinctes
- L'intensité, l'énergie par unité de surface et par seconde, est déterminée par le nombre d'électrons frappant la cible par seconde, elle est donc contrôlée par le courant du filament. Un filament plus chaud émet plus d'électrons.
- La dureté 硬度, le pouvoir pénétrant, est déterminé par les énergies des photons, elle est donc contrôlée par la tension d'accélération. Une tension plus élevée produit des rayons X plus énergétiques, de longueur d'onde plus courte et plus pénétrants.
- Gardez-les séparés. Une question demandant comment rendre le faisceau plus pénétrant ne doit pas être répondue en augmentant le courant.
- Un filtre métallique supprime les rayons X les plus mous, qui seraient absorbés par la peau du patient sans jamais atteindre le détecteur.
Match each control to what it changes. · Reliez chaque commande à ce qu'elle modifie.
A question asking how to make the beam more penetrating is not answered by turning up the current. · Une question demandant comment rendre le faisceau plus pénétrant ne se résout pas en augmentant le courant.
The minimum wavelength
- The most energy one photon can carry is the whole kinetic energy of one electron, lost in a single event:
- This is the short-wavelength cut-off, and it depends only on the accelerating p.d., never on the target metal or the current.
- Doubling the p.d. halves the minimum wavelength.
La longueur d'onde minimale
- L'énergie maximale qu'un photon peut transporter correspond à l'énergie cinétique totale d'un électron, perdue en un seul événement :
- C'est la coupe à courte longueur d'onde, elle dépend uniquement de la tension d'accélération, jamais du métal cible ou du courant.
- Doubler la tension divise par deux la longueur d'onde minimale.
The minimum X-ray wavelength from a tube at accelerating voltage $V$ is: · La longueur d'onde minimale des rayons X provenant d'un tube sous tension d'accélération $V$ est :
From $hf_{\max} = eV$ and · et $c = f\lambda$: $\lambda_{\min} = \dfrac{hc}{eV}$. · À partir de $hf_{\max} = eV$ et $c = f\lambda$ : $\lambda_{\min} = \dfrac{hc}{eV}$.
A higher accelerating voltage gives a ____ minimum wavelength. · Une tension d'accélération plus élevée donne une longueur d'onde minimale ____.
$\lambda_{\min} = \dfrac{hc}{eV}$, so a larger $V$ gives a smaller $\lambda_{\min}$ (more energetic X-rays). · $\lambda_{\min} = \dfrac{hc}{eV}$, donc une $V$ plus grande donne une $\lambda_{\min}$ plus petite (rayons X plus énergétiques).
Worked example: the cut-off at 75 kV
- Electrons are accelerated through $75\ \text{kV}$. Find the maximum photon energy and the minimum wavelength.
- Maximum energy $= eV = 75\ \text{keV} = 75000 \times 1.60\times10^{-19} = 1.2\times10^{-14}\ \text{J}$.
- $\lambda_{\text{min}} = \dfrac{hc}{eV} = \dfrac{(6.63\times10^{-34})(3.00\times10^{8})}{1.2\times10^{-14}} = 1.7\times10^{-11}\ \text{m}$.
- The maximum photon momentum is $p = E/c = 4.0\times10^{-23}\ \text{N s}$.
- Note that $eV$ in joules needs the p.d. in volts, not kilovolts. That factor of a thousand is the usual casualty.
Exemple résolu : la coupe à 75 kV
- Les électrons sont accélérés à travers $75\ \text{kV}$. Trouvez l'énergie photonique maximale et la longueur d'onde minimale.
- Énergie maximale $= eV = 75\ \text{keV} = 75000 \times 1.60\times10^{-19} = 1.2\times10^{-14}\ \text{J}$.
- $\lambda_{\text{min}} = \dfrac{hc}{eV} = \dfrac{(6.63\times10^{-34})(3.00\times10^{8})}{1.2\times10^{-14}} = 1.7\times10^{-11}\ \text{m}$.
- La quantité de mouvement maximum du photon est $p = E/c = 4.0\times10^{-23}\ \text{N s}$.
- Notez que $eV$ en joules nécessite que la tension soit en volts, pas en kilovolts. Ce facteur mille est l'erreur classique.
Electrons are accelerated through 75 kV. What is the minimum X-ray wavelength, in units of 1e-11 m? · Des électrons sont accélérés à travers 75 kV. Quelle est la longueur d'onde minimale des rayons X, en unités de 1e-11 m ?
lambda_min = hc/(eV) = 1.7e-11 m. Use volts, not kilovolts. Doubling the p.d. halves the minimum wavelength, and the target metal makes no difference to it. · lambda_min = hc/(eV) = 1.7e-11 m. Utilisez des volts, pas des kilovolts. En doubler la tension divise par deux la longueur d'onde minimale, et le métal de la cible n'a aucune incidence sur celle-ci.
Reading the spectrum
- The spectrum is continuous because each electron may lose any fraction of its energy, in one deceleration or several, so photons of every energy up to the maximum appear.
- It has a sharp cut-off at $\lambda_{\text{min}}$ because no photon can carry more than one electron's energy, $eV$.
- The sharp peaks are characteristic 特征 of the target metal: an incoming electron knocks out an inner electron, an outer one falls into the vacancy, and the photon carries the difference between those two levels.
- So the curve's shape has three separate causes, and a question about it wants all three named.
A cliff, a hump, and two spikes
Lecture du spectre
- Le spectre est continu car chaque électron peut perdre n'importe quelle fraction de son énergie, en un seul freinage ou plusieurs, produisant ainsi des photons de toute énergie jusqu'au maximum.
- Il présente une coupe nette à $\lambda_{\text{min}}$ car aucun photon ne peut transporter plus d'énergie qu'un électron, $eV$.
- Les pics aigus sont caractéristiques 特征 du métal cible : un électron incident expulse un électron interne, un électron externe comble la vacance, et le photon transporte la différence entre ces deux niveaux.
- Ainsi, la forme de la courbe a trois causes distinctes, et une question à ce sujet demande de nommer les trois.
Un escarpement, une bosse et deux pointes
X-ray production route · chemin de production des rayons X
Follow electrons from cathode to X-ray photons. · Suivez les électrons de la cathode aux photons de rayons X.
Why does an X-ray spectrum have the shape it does? Select all · tout that apply. · Pourquoi le spectre des rayons X a-t-il cette forme ? Cochez toutes les réponses applicables.
The peaks belong to the target's energy levels, so only changing the target moves them. The p.d. moves the cut-off. · Les pics appartiennent aux niveaux d'énergie de la cible, donc seuls le changement de cible les déplace. La p.d. déplace la coupure.
Sharpness and contrast are different things
- Sharpness 清晰度 is how well defined the edges are. It improves with a small source spot, a still patient, and the detector close to the patient.
- Contrast 对比度 is the difference in degree of blackening between neighbouring regions, produced by a difference in attenuation 衰减.
- The two are independent: an image can be sharp with poor contrast, or blurred with strong contrast.
- Where two soft tissues attenuate similarly, a contrast medium 造影剂 such as barium is swallowed or injected to outline one of them.
Same beam, very different shadows
La netteté et le contraste sont des choses différentes
- La netteté 清晰度 est la précision des contours. Elle s'améliore avec une petite tache source, un patient immobile et le détecteur proche du patient.
- Le contraste 对比度 est la différence de noircissement entre régions voisines, produite par une différence d'atténuation 衰减.
- Les deux sont indépendants : une image peut être nette avec un mauvais contraste, ou floue avec un fort contraste.
- Lorsque deux tissus mous s'atténuent de manière similaire, un produit de contraste 造影剂 comme le baryum est avalé ou injecté pour délimiter l'un d'eux.
Le même faisceau, des ombres très différentes
An X-ray image with excellent sharpness must also have good contrast. · Une image radiographique avec une excellente netteté doit aussi avoir un bon contraste.
They are independent. Sharpness is edge definition, set by the source size and geometry; contrast is a difference in attenuation between tissues. · Ils sont indépendants. La netteté est la définition des bords, déterminée par la taille de la source et la géométrie ; le contraste est une différence d'atténuation entre les tissus.
Worked example: why bone shows white
- X-rays cross $3.0\ \text{cm}$ of soft tissue ($\mu = 0.20\ \text{cm}^{-1}$) in one region and $3.0\ \text{cm}$ of bone ($\mu = 0.60\ \text{cm}^{-1}$) in another. Compare the transmitted intensities.
- Soft tissue: $I/I_0 = e^{-0.20\times3.0} = e^{-0.60} = 0.55$.
- Bone: $I/I_0 = e^{-0.60\times3.0} = e^{-1.80} = 0.17$.
- The tissue region receives more than three times the exposure, so bone appears white and tissue dark.
- The exposure ratio is $e^{(\mu_{\text{bone}} - \mu_{\text{tissue}})x}$, which grows with thickness: contrast improves for thicker structures, though the total attenuation grows too.
Exemple résolu : pourquoi l'os apparaît blanc
- Les rayons X traversent $3.0\ \text{cm}$ de tissu mou ($\mu = 0.20\ \text{cm}^{-1}$) dans une région et $3.0\ \text{cm}$ d'os ($\mu = 0.60\ \text{cm}^{-1}$) dans une autre. Comparez les intensités transmises.
- Tissu mou : $I/I_0 = e^{-0.20\times3.0} = e^{-0.60} = 0.55$.
- Os : $I/I_0 = e^{-0.60\times3.0} = e^{-1.80} = 0.17$.
- La région de tissu reçoit plus de trois fois l'exposition, donc l'os apparaît blanc et le tissu sombre.
- Le rapport d'exposition est $e^{(\mu_{\text{bone}} - \mu_{\text{tissue}})x}$, ce qui augmente avec l'épaisseur : le contraste s'améliore pour les structures épaisses, bien que l'atténuation totale augmente aussi.
The attenuation law
- Higher-energy X-rays penetrate further, meaning a smaller $\mu$; bone has a much larger $\mu$ than soft tissue.
- For a thickness, take logs: $x = \dfrac{1}{\mu}\ln\dfrac{I_0}{I}$. The half-value thickness 半值厚度 is $x_{1/2} = \ln 2/\mu$, exactly like a half-life.
- Through two layers the exponentials multiply, so add the exponents: $I = I_0 e^{-(\mu_1 x_1 + \mu_2 x_2)}$. Never add the thicknesses or the coefficients, and note the order of the layers makes no difference.
- Read the question: "what fraction is absorbed" is $1 - e^{-\mu x}$, not $e^{-\mu x}$.
La loi d'atténuation
- Les rayons X de haute énergie pénètrent plus profondément, ce qui signifie une $\mu$ plus petite ; l'os a une $\mu$ beaucoup plus grande que les tissus mous.
- Pour une épaisseur donnée, on prend les logarithmes : $x = \dfrac{1}{\mu}\ln\dfrac{I_0}{I}$. L'épaisseur à demi-value 半值厚度 est $x_{1/2} = \ln 2/\mu$, exactement comme une demi-vie.
- À travers deux couches, les exponentielles se multiplient, donc on additionne les exposants : $I = I_0 e^{-(\mu_1 x_1 + \mu_2 x_2)}$. N'ajoutez jamais les épaisseurs ni les coefficients, et notez que l'ordre des couches n'a aucune importance.
- Lisez attentivement la question : « quelle fraction est absorbée » correspond à $1 - e^{-\mu x}$, pas à $e^{-\mu x}$.
Bone looks white on an X-ray image because it: · L'os apparaît blanc sur une image radiographique car il :
Dense, high-$Z$ bone absorbs more ($I = I_0 e^{-\mu x}$ with large $\mu$), casting a stronger shadow. · L'os dense, à haute $Z$ absorbe davantage ($I = I_0 e^{-\mu x}$ avec un grand $\mu$), projetant une ombre plus forte.
A beam crosses 2.0 cm of P (mu = 0.35 /cm) then 1.5 cm of Q (mu = 0.90 /cm). What fraction of the intensity is transmitted? · Un faisceau traverse 2.0 cm de P (mu = 0.35 /cm) puis 1.5 cm de Q (mu = 0.90 /cm). Quelle fraction de l'intensité est transmise ?
The exponentials multiply, so add the exponents: e^-(0.70 + 1.35) = e^-2.05 = 0.13. Never add the thicknesses or the coefficients, and the order of the layers makes no difference. · Les exponentielles se multiplient, donc on additionne les exposants : e^-(0.70 + 1.35) = e^-2.05 = 0.13. N'ajoutez jamais les épaisseurs ni les coefficients, et l'ordre des couches n'a aucune importance.
Computed tomography
- A computed tomography 计算机断层扫描 (CT) scan builds a three-dimensional image, and the syllabus wants the construction described in order.
- One. Many X-ray images of the same section are taken from different angles around the patient.
- Two. A computer combines them into one two-dimensional image of that section.
- Three. The process is repeated for many sections along an axis.
- Four. The two-dimensional sections are combined into a three-dimensional image, which can be rotated or sliced on screen. The dose is far higher than a single radiograph, which is the trade-off.
Tomographie计算机断层扫描 assistée par ordinateur
- Une tomographie计算机断层扫描 assistée par ordinateur (CT) reconstruit une image tridimensionnelle, et le programme exige que la construction soit décrite dans l'ordre.
- Un. De nombreuses images de rayons X de la même coupe sont prises sous différents angles autour du patient.
- Deux. Un ordinateur les combine en une seule image bidimensionnelle de cette coupe.
- Trois. Le processus est répété pour de nombreuses coupes le long d'un axe.
- Quatre. Les coupes bidimensionnelles sont combinées en une image tridimensionnelle, qui peut être rotative ou tranchée sur écran. La dose est bien supérieure à celle d'une radiographie simple, c'est le compromis.
A CT scan takes X-ray images from many angles to build a 3-D image. · Un scanner TDM prend des images radiographiques sous de nombreux angles pour construire une image 3D.
Rotating the tube and detectors and reconstructing the slices separates overlapping tissues into a 3-D picture. · Faire tourner le tube et les détecteurs ainsi que reconstruire les coupes sépare les tissus superposés en une image 3D.
Put the construction of a CT image in order. · Mettez en ordre la construction d'une image TDM.
Angles first, then sections. The dose is far higher than a single radiograph, which is the trade-off for the 3-D view. · Angles d'abord, puis sections. La dose est bien supérieure à celle d'une radiographie simple, c'est le compromis pour la vue 3D.
Marks that slip away
- Filament current sets intensity, accelerating p.d. sets penetrating power. Do not swap them.
- $\lambda_{\text{min}}$ depends only on the p.d., not on the target or the current.
- Sharpness and contrast are independent. A question about blurred edges is not answered by talking about attenuation.
- Two layers: add the exponents $\mu_1 x_1 + \mu_2 x_2$.
- Match the units of $\mu$ and $x$, and check whether the question wants what gets through or what is absorbed.
Pièges qui font perdre des points
- Le courant du filament règle l'intensité, la tension d'accélération règle le pouvoir pénétrant. Ne les échangez pas.
- $\lambda_{\text{min}}$ dépend uniquement de la tension, pas de la cible ou du courant.
- La netteté et le contraste sont indépendants. Une question sur des contours flous ne se解答 pas en parlant d'atténuation.
- Deux couches : additionnez les exposants $\mu_1 x_1 + \mu_2 x_2$.
- Faites correspondre les unités de $\mu$ et $x$, et vérifiez si la question demande ce qui passe à travers ou ce qui est absorbé.
You've got it
- X-rays are produced when electrons from a heated cathode, accelerated through a high p.d., decelerate rapidly in a metal target, mostly as heat
- $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV)$ is the cut-off set by the accelerating p.d. alone, with characteristic peaks from the target metal on a continuous curve
- sharpness is edge definition, contrast is the difference in attenuation, and they are independent
- $I = I_0 e^{-\mu x}$, with half-value thickness $\ln 2/\mu$ and exponents that add through successive layers; CT combines many angles into a section and many sections into a 3-D image
Vous avez compris
- Les rayons X sont produits lorsque des électrons provenant d'une cathode chauffée, accélérés par une haute tension, décélèrent brusquement dans une cible métallique, principalement sous forme de chaleur.
- $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV)$ est la coupe fixée par la tension d'accélération seule, avec des pics caractéristiques du métal cible sur une courbe continue.
- La netteté est la définition des contours, le contraste est la différence d'atténuation, et ils sont indépendants.
- $I = I_0 e^{-\mu x}$, avec une épaisseur à demi-value $\ln 2/\mu$ et des exposants qui s'additionnent à travers des couches successives ; la tomographie combine de nombreux angles en une coupe et de nombreuses coupes en une image 3D.