X-ray Production

Ho Kyung Kimhokyung@pusan.ac.kr

Pusan National University

Introduction to Medical Engineering

Outline

• X‐ray source = x‐ray tube ( cathode ray tube) + generator ( DC power supply)

• X‐ray spectrum = bremsstrahlung + characteristic x‐rays

• Focal spot

• Heel effect

2

3

General projection radiography system Fluoroscopy system(C‐arm system) Mammography system

Instrumentation

• X‐ray tube• Filters/collimators• Grids• Detectors

4

• Overall imaging conditions of projection radiographic system– Exposure time ~0.1 sec– Image size 14  17 in.– Exposure level 3–4 mR of a chest radiograph (= 1/100 of the annual background dose)

X‐ray generation

• X‐ray source = x‐ray tube + generator

5

Crookes tube

6Wikipedia

X‐ray tube

7

• Cathode assembly– Filament

• Thin thoriated* tungsten wire(*thoriate: add thorium or thorium dioxide to increase thermionic flow)• Typ. filament current = 3–5 A at 6–12 V• Thermionic emission of e–‘s, accelerated toward the anode producing tube current, referred to as the mA

(typ. 50–1,200 mA)• Filament current  heat (resistance)  # of discharged e–‘s  tube current

– Focusing cup• Small depression in the cathode containing the filament• To help focus the e– beam toward a particular spot on the anode Focal point: a bevelled edge of the anode disk

8

• Anode

– Made from molybdenum on which a rhenium‐alloyed tungsten target is coated– Mo in the target area for mammography x‐ray tube– Tube voltage kVp (typ. 30–150 kVp) b/w the anode & cathode

• Generated by transforming AC voltage to high voltage & rectifying this HV• kVp = peak kilovoltage

– Generating “characteristic” & “bremsstrahlung” x rays– ~1% of conversion efficiency (~99%  heat)

– Stator electromagnets induce the rotors to rotate the anode• To avoid melting the anode target area• 3,200–3,600 rpm

9

Generator

• DC power supply– Desirable as steady & ripple‐free as possible– Transformer + rectifier + filter + regulator

10

• Voltage ripple– higher effective energy & greater output with lower voltage ripple

11

• Exposure mA (tube current)  s (exposure time) = mAs during the applied kVp

– Controlled by fixed timer circuit or automatic exposure control (AEC) timer• Controlling the overall exposure determined by the duration of the applied kVp

– Fixed timer circuit• Silicon‐controlled rectifier (SCR) switch timed by a microprocessor• Timing accuracy ~ 0.001 s• Radiologists control the “mA” & the exposure “time” directly, hence determining the “mAs”

– AEC timer• 5‐mm‐thick parallel plate ionization chamber placed btwn the patient table & the imager• Voltage signal from ion chamber triggers the SCR, which shuts off the tube voltage• Radiologists control the “mAs” & the exposure time is determined automatically by the AEC• Set max. time to prevent accidental overdose due to that AEC circuit malfunctions or the ion chamber is 

missing or incorrectly positioned

12

Electron‐interaction‐induced x‐rays & spectrum

• Bremsstrahlung x‐ray– Kinetic energy loss of electrons due to Coulomb interaction w/ nucleus– X‐ray energy depends on the interaction distance– Average energy = 1/3 ~ 1/2 of 𝐸

13

Kramers spectrum𝑆 𝐸 𝑐𝑁 𝑍 𝐸 𝐸𝑦 𝑎 𝑥 𝑥 𝑎𝑥 𝑎𝑥 𝑎𝑥 𝑏

𝑏 ∼ 𝑁 𝑍𝐸

• Characteristic x‐ray– 𝐸 𝐵𝐸 𝐵𝐸 = 59.3 keV for W– 𝐸 𝐵𝐸 𝐵𝐸

– 𝐸 𝐸 ; more probable 𝐾 x‐rays than 𝐾 ones 

14

Quantum mechanical selection rules𝐸 𝐵𝐸 𝐵𝐸 = 59.625 – 10.204 = 59.321 keV𝐸 𝐵𝐸 𝐵𝐸 = 59.625 – 11.541 = 57.984 keV𝐸 𝐵𝐸 𝐵𝐸 = 59.625 – 2.281 = 67.244 keV

15

𝑏 ∼ 𝑁 𝑍𝐸

𝐸

• Tube voltage– Increasing the energy & fluence– Output intensity (area) ~ kV2

• Tube current– Increasing the fluence– Output intensity (area) ~ mAs

Focal spot

• Anode angle– field coverage

• Focal spot– power loading vs. penumbra effect

16

• Focal spot size variation

17

Heel effect

• Loss of intensity on the anode side of the x‐ray field of view due to self‐attenuation of x‐ray beam within the anode

18

Inverse square law

19

Wrap‐up

• X‐ray source = x‐ray tube ( cathode ray tube) + generator ( DC power supply)

• X‐ray spectrum = bremsstrahlung + characteristic x‐rays

• Focal spot

• Heel effect

20