أنبوب الأشعة السينية

تتولد الحرارة في البؤرة الأنودية. وبما أن جزءًا صغيرًا (أقل من أو يساوي 1%) من طاقة الإلكترون يتحول إلى أشعة سينية، فيمكن إهماله في حسابات الحرارة. ^{[ 7 ]} تُعطى كمية الحرارة المتولدة (بالجول) في البؤرة بالعلاقة التالية  :

${\displaystyle E_{\mathrm {heat} }=w\mathrm {V_{p}} \mathrm {I} \mathrm {t} }$

${\displaystyle w}$عامل شكل الموجة

${\displaystyle \mathrm {V_{p}} }$= ذروة جهد التيار المتردد (بالكيلو فولت)

${\displaystyle \mathrm {I} }$= تيار الأنبوب (بالمللي أمبير)

${\displaystyle \mathrm {t} }$= مدة التعريض (بالثواني)

استُخدمت وحدة الحرارة (HU) في الماضي كبديل للجول. وهي وحدة ملائمة عند توصيل مصدر طاقة أحادي الطور بأنبوب الأشعة السينية. ^{[ 7 ]} مع تقويم كامل للموجة الجيبية ،${\displaystyle w}$=${\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}\approx 0.707}$وبالتالي وحدة الحرارة:

1 وحدة هاونسفيلد = 0.707 جول

1.4 وحدة هاونسفيلد = 1 جول ^{[ 8 ]}

كانت أنابيب كروكس تولد الإلكترونات اللازمة لإنتاج الأشعة السينية عن طريق تأيين الهواء المتبقي داخل الأنبوب، بدلاً من استخدام سلك ساخن ، لذا كانت مفرغة جزئيًا لا كليًا . تتكون هذه الأنابيب من غلاف زجاجي مضغوط بضغط هواء يتراوح بين 0.1 و0.005 باسكال (10⁻⁶ ^إلى 5×10⁻⁸ ^ضغط جوي ). تحتوي على صفيحة كاثود من الألومنيوم في أحد طرفي الأنبوب، وهدف أنود من البلاتين في الطرف الآخر. كان سطح الأنود مائلاً بحيث تشع الأشعة السينية من خلال جدار الأنبوب. كان الكاثود مقعرًا بحيث تتركز الإلكترونات على بقعة صغيرة (حوالي 1 مم) على الأنود، مما يُقارب مصدرًا نقطيًا للأشعة السينية، وهو ما ينتج عنه صور أكثر وضوحًا. يحتوي الأنبوب على قطب ثالث، وهو قطب مضاد للكاثود متصل بالأنود. وقد حسّن هذا القطب من إنتاج الأشعة السينية، لكن آلية عمله لا تزال غير مفهومة. كان الترتيب الأكثر شيوعًا يستخدم صفيحة نحاسية مضادة للكاثود (مماثلة في تركيبها للكاثود) في خط واحد مع الأنود بحيث يكون الأنود بين الكاثود ومضاد الكاثود. 

ولتشغيلها، يتم تطبيق جهد تيار مستمر يتراوح من بضعة كيلوفولتات إلى 100 كيلوفولت بين الأنودات والكاثود، وعادة ما يتم توليده بواسطة ملف حث ، أو بالنسبة للأنابيب الأكبر حجماً، بواسطة آلة كهروستاتيكية .

كانت أنابيب كروكس غير موثوقة. فمع مرور الوقت، كانت جدران الأنبوب تمتص الهواء المتبقي، مما يقلل الضغط. وهذا بدوره يزيد الجهد الكهربائي عبر الأنبوب، مولدًا أشعة سينية "أكثر صلابة"، إلى أن يتوقف الأنبوب عن العمل في النهاية. ولمنع ذلك، استُخدمت أجهزة "تليين" (انظر الصورة). يحتوي أنبوب صغير مُثبَّت على جانب الأنبوب الرئيسي على غلاف من الميكا أو مادة كيميائية تُطلق كمية صغيرة من الغاز عند تسخينها، مما يُعيد الضغط إلى وضعه الصحيح.

سيسود الغلاف الزجاجي للأنبوب مع الاستخدام بسبب تأثير الأشعة السينية على بنيته.

في أنبوب كوليدج، تُنتَج الإلكترونات بفعل التأثير الحراري الناتج عن تسخين سلك من التنجستن بواسطة تيار كهربائي. هذا السلك هو المهبط (الكاثود) في الأنبوب. يوجد فرق جهد عالٍ بين المهبط والمصعد، مما يؤدي إلى تسريع الإلكترونات ثم اصطدامها بالمصعد.

يوجد نوعان من التصميم: أنابيب ذات نافذة طرفية وأنابيب ذات نافذة جانبية. عادةً ما تحتوي الأنابيب ذات النافذة الطرفية على "هدف ناقل" رقيق بما يكفي للسماح للأشعة السينية بالمرور عبره (تنبعث الأشعة السينية في نفس اتجاه حركة الإلكترونات). في أحد الأنواع الشائعة من الأنابيب ذات النافذة الطرفية، يكون الخيط حول المصعد ("حلقي" أو على شكل حلقة)، وتسلك الإلكترونات مسارًا منحنيًا (نصف شكل حلقي).

ما يُميز أنابيب النافذة الجانبية هو استخدام عدسة كهروستاتيكية لتركيز الشعاع على بقعة صغيرة جدًا على المصعد. صُمم المصعد خصيصًا لتبديد الحرارة والتآكل الناتجين عن هذا التدفق المركز المكثف من الإلكترونات. يُضبط المصعد بزاوية دقيقة تتراوح بين 1 و20 درجة عن العمودي على تيار الإلكترونات للسماح بخروج بعض فوتونات الأشعة السينية المنبعثة عموديًا على اتجاه تيار الإلكترونات. عادةً ما يُصنع المصعد من التنجستن أو الموليبدينوم. يحتوي الأنبوب على نافذة مصممة لخروج فوتونات الأشعة السينية المتولدة.

تتراوح قدرة أنبوب كوليدج عادةً من 0.1 إلى 18 كيلوواط .

تتولد كمية كبيرة من الحرارة في البؤرة (المنطقة التي يصطدم بها شعاع الإلكترونات القادم من المهبط) للمصعد الثابت. في المقابل، يسمح المصعد الدوار لشعاع الإلكترونات بمسح مساحة أكبر من المصعد، مما يوفر ميزة زيادة شدة الإشعاع المنبعث، إلى جانب تقليل الضرر الذي يلحق بالمصعد مقارنةً بحالته الثابتة. ^{[ 9 ]}

قد تصل درجة حرارة البؤرة إلى 2500 درجة مئوية (4530 درجة فهرنهايت) أثناء التعريض، وقد تصل درجة حرارة مجموعة الأنود إلى 1000 درجة مئوية (1830 درجة فهرنهايت) بعد سلسلة من التعريضات الكبيرة. تتكون الأنودات النموذجية من هدف من التنجستن والرينيوم على قلب من الموليبدينوم، مدعومًا بالجرافيت. يُكسب الرينيوم التنجستن مرونةً ومقاومةً للتآكل الناتج عن تأثير حزم الإلكترونات. ينقل الموليبدينوم الحرارة من الهدف. يوفر الجرافيت تخزينًا حراريًا للأنود، ويقلل من كتلته الدوارة.    

تتطلب بعض فحوصات الأشعة السينية (مثل الفحص غير المتلف والتصوير المقطعي ثلاثي الأبعاد ) صورًا عالية الدقة للغاية، وبالتالي تتطلب أنابيب أشعة سينية قادرة على توليد بؤر صغيرة جدًا، عادةً ما يقل  قطرها عن 50 ميكرومترًا. تُسمى هذه الأنابيب بأنابيب الأشعة السينية ذات البؤرة الدقيقة.

يوجد نوعان أساسيان من أنابيب الأشعة السينية ذات التركيز الدقيق: أنابيب ذات مصعد صلب وأنابيب ذات مصعد معدني نفاث.

تتشابه أنابيب الأشعة السينية ذات التركيز الدقيق والمصعد الصلب من حيث المبدأ مع أنبوب كوليدج، ولكن مع اختلاف جوهري يتمثل في الحرص على تركيز حزمة الإلكترونات في بقعة صغيرة جدًا على المصعد. تعمل العديد من مصادر الأشعة السينية ذات التركيز الدقيق ببقع تركيز تتراوح بين 5 و20  ميكرومترًا، ولكن في الحالات القصوى،  قد تُنتج بقع أصغر من 1 ميكرومتر.

تتمثل أبرز عيوب أنابيب الأشعة السينية ذات البؤرة الدقيقة ذات المصعد الصلب في انخفاض استهلاكها للطاقة. ولتجنب انصهار المصعد، يجب أن تكون كثافة طاقة حزمة الإلكترونات أقل من قيمة قصوى. تتراوح هذه القيمة بين 0.4 و0.8 واط/ميكرومتر، وذلك تبعًا لمادة المصعد. ^{[ 10 ]} وهذا يعني أن مصدر الأشعة السينية ذي البؤرة الدقيقة والمصعد الصلب، والذي يبلغ  قطر بؤرة حزمة الإلكترونات فيه 10 ميكرومتر، يمكن أن يعمل بقدرة تتراوح بين 4 و8 واط.

في أنابيب الأشعة السينية ذات البؤرة الدقيقة المزودة بأنود معدني نفاث، يُستبدل الأنود المعدني الصلب بنفث من المعدن السائل، والذي يعمل كهدف لحزمة الإلكترونات. وتكمن ميزة الأنود المعدني النفاث في زيادة كثافة طاقة حزمة الإلكترونات القصوى بشكل ملحوظ. وقد سُجلت قيم تتراوح بين 3 و6 واط/ميكرومتر لمواد أنود مختلفة (الغاليوم والقصدير). ^{[ 11 ] [ 12 ]} وفي حالة  بؤرة حزمة الإلكترونات التي يبلغ قطرها 10 ميكرومتر، يمكن لمصدر الأشعة السينية ذي البؤرة الدقيقة المزود بأنود معدني نفاث أن يعمل بقدرة تتراوح بين 30 و60 واط.

تتمثل الفائدة الرئيسية لزيادة مستوى كثافة الطاقة لأنبوب الأشعة السينية ذي النفاث المعدني في إمكانية التشغيل ببقعة بؤرية أصغر، على سبيل المثال 5  ميكرومتر، لزيادة دقة الصورة وفي نفس الوقت الحصول على الصورة بشكل أسرع، نظرًا لأن الطاقة أعلى (15-30 واط) من أنابيب الأنود الصلب ذات  البقع البؤرية 10 ميكرومتر.