X线发生装置总结.ppt

第二章X线发生装置 第一节X射线产生原理及性质第二节X线管第三节高压发生器第四节控制台 第一节X射线产生原理及性质 X射线产生原理 电子源 高压电场及真空 适当的阻挡物 金属靶面 来承受高速电子的能量 使高速电子所带的动能转变成X线 X射线的基本性质 波长很短的不可见电磁波穿透作用能量大 能穿透一般光线不能穿透的物质 包括人体荧光作用荧光屏 增感屏 影像增强器的输入屏感光作用电离作用电离室 正比计数管 盖革弥勒计数管 X射线的质 X射线的质是指X射线能量的大小 可用X线管的管电压来描述X射线的质 单位为kV 不同质的X射线的用途 X射线的量 X射线的量是指单位时间内通过X射线入射方向的垂直的单位面积内的X射线光子数的多少 通常用管电流I mA 和曝光时间t s 的乘积来描述 即毫安秒 mAs X Ray质 由KV决定 高KV质高 低KV质低 代表X线的穿透力 对比度 X Ray量 由mA X线量 和s 曝光时间 决定表明曝光总量 黑化度 质和量对胶片曝光的影响 X射线与物质相互作用 A 光电吸收 物质原子完全吸收光子能量 原子中的电子被高速轰出 原子被电离 B 康普顿散射 物质原子部分吸收光子能量 入射X射线以较低的能量射出 同时还有高速电子 原子同样被电离 X射线与人体相互作用 X射线强度随入射深度呈指数衰减 与物质密度有关 密度越大 对X射线衰减越多 如骨骼中的钙和磷等 对X射线吸收较多 而肌肉中含有的氢 碳和氧等对X射线吸收较少 碘 钡通常用作造影剂 与X射线能量有关 能量越大 被吸收和散射的越少 穿透力越强 能量不同 70 000V 110 000V 当X射线穿出人体 拍胸片时 只有约1 的X射线穿出人体 散射射线的危害 形成噪声并显著降低图像对比度 胶片感光 为什么到达胶片的射线越多 冲洗之后的胶片越黑 加与不加滤线栅 返回 什么使胶片发黑 X射线对人体的影响 剂量与危害 X射线对人体 X射线撞击原子 使其电离 被轰电子又有可能撞击其他原子 单个光子可能造成成百上千个生物分子电离 被电离的分子 处于不稳定状态 可能发生化学反应 DNA是细胞增殖 遗传的物质基础 是引起细胞生化 生理改变的关键性物质 若受损DNA还能自我复制 则可能形成肿瘤或白血病 若卵细胞或精子受损 则他们的后代可能异常 若胎儿的DNA受损 则发育畸形 第二节X线管 固定阳极X线管旋转阳极X线管特殊X线管球管参数管套 固定阳极X线管 阳极靶面 一般用钨制成 优点 熔点高 3370度 高温下 蒸汽压低 蒸发少 可延长X线管的使用寿命 缺点 导热率小 热量不能很快传导 需通过真空熔焊把钨靶焊接在无氧铜体上 以增强靶面的散热 固定阳极X线管的靶面静止不动 高速运动的电子流总是轰击在靶面固定的同一位置上 由于单位面积上所承受的最大功率是一定的 200W mm2 所以固定阳极 线管的功率是有限的 二次电子 高速运动的电子流轰击靶面时 会有少量的电子从靶面反射和释放出来 这部分电子称为二次电子 二次电子有害无益 其能量较大 约为原能量的99 轰击到玻璃壳内壁上 将使玻璃壳温度升高而释放气体 降低管内真空度或使玻璃壳击穿 二次电子再次被阳极吸引轰击到靶面上时 由于没有经过聚焦 将辐射出非焦点散射 线 使 线影像质量下降 阳极帽 阳极帽固定在阳极上 并罩在靶面的四周 与阳极同电位 故可吸收50 60 的二次电子 并可吸收一部分散射 线 从而保护 线管并提高影像质量 阳极柄 阳极柄固定 线管并将曝光时产生的热量传导出去 它与阳极头的铜体相连 其管外部分浸在油中 通过与油之间的热传导 将靶面的热量传导出去 灯丝 由钨制成 发射电子能力强 高温下不易蒸发 良好的延展性 容易加工成细丝 其作用是辐射热电子 灯丝通电后 温度逐渐升高 到一定温度 约2100K 后开始辐射热电子 灯丝发射电流与温度有关 温度低于2400K时 随着温度升高 发射电流增加较慢 温度高于2400K时 灯丝温度稍提高一点 发射电流即增加很多 阴极 固定阳极X线管的阴极结构 灯丝点燃时间越长 工作温度越高 钨的蒸发越快 灯丝寿命越短 缩短灯丝的点燃时间可延长灯丝的寿命 如果灯丝电流比额定值升高5 灯丝寿命缩短一半 所以灯丝加热电流应严格限制在额定值以下 同时应尽量缩短高温点燃时间 阴极头 对灯丝发射电子进行聚焦 将灯丝装入一个用镍或铁镍合金等制成的长方形罩中 该罩称集射罩 集射罩具有与灯丝相同的负电位 并借其几何形状 达到聚焦目的 实际焦点与有效焦点 对X线成像质量影响最大的因素之一就是X线管的焦点 实际焦点 灯丝辐射的热电子在靶面上的轰击面积 有效焦点 实际焦点在X线投照方向上的投影 实际焦点与有效焦点的关系 设实际焦点宽为a 长为b 则投影后宽度不变 长度为bsin 即有效焦点 实际焦点 sin表示阳极靶面与 线投照方向的夹角 一般固定阳极 线管的靶角为15 20度减小有效焦点面积可通过减小靶角来实现 但靶角太小 由于 线辐射强度分布的变化 投照方向的 线量将大大减少 焦点大小对影像清晰度的影响 X Ray焦点 有效焦点愈小 影像清晰度越高 图像锐利度越好 有效焦点与成像质量 有效焦点尺寸越小 影像清晰度越高 减小有效焦点 势必减小实际焦点 线管的功率随之减小 要达到相同的曝光程度 则曝光时间需增加 这将会引起运动模糊 可见 对于固定阳极 线管 减小焦点面积以提高清晰度和增大 线管功率以缩短曝光时间 减小运动模糊是一对矛盾 小焦点 影像清晰 但是焦点越小 在焦点上集聚的能量越高 产生的热量也就越高 因为只有约 的电能转化为X射线的能量 99 以上的能量转化为热能 最终将导致焦点面熔化 解决办法 双焦点技术 旋转阳极技术和水或油循环冷却技术 焦点小会产生什么问题 双焦点技术 功率较大的 线管为了协调不同功率与焦点的关系 阴极装有两根长短和粗细都不同的灯丝 长的灯丝加热电压高 辐射热电子多 形成大焦点 短的灯丝加热电压低 辐射热电子少 形成小焦点 这种 线管称为双焦点 线管 在透视时使用小焦点在摄影时使用大焦点 双焦点技术 透视管电流小 5mA 时间长 几分钟 图像追求动态特性 观察活动脏器 对图像分辨率要求低摄影管电流30 1000mA 时间短 1S 固定阳极 线管优缺点 优点结构简单 价格低缺点焦点尺寸大 瞬时负载功率小在小型 线发生装置中仍被采用 旋转阳极技术 通过阳极旋转来扩大焦点面积 提高球管的散热率 从而提高球管的功率 旋转阳极球管 旋转阳极球管的靶面 旋转速率有2700rpm 8500rpm 3倍频 甚至16000rpm 6倍频 旋转阳极 线管较好地解决了提高功率和缩小焦点之间的矛盾 其最大优点是瞬时负载功率大 焦点小 功率多为20 50kW 高者可达150kW 是固定阳极 线管的5 9倍 有效焦点为1 2mm 从而大大提高了影像清晰度 旋转阳极实验装置 金属壳旋转阳极球管 靶面与靶盘 靶盘直径70 150mm钨制成 表面龟裂 粗糙 辐射 线能力下降表面与内层间温差产生热应力 靶面产生裂纹 钨在1100度以上发生再结晶 表面龟裂铼钨合金靶面 钼或石墨靶基 表面龟裂 粗糙减轻 热容量大 有效提高 线管连续负荷能力 50kW 1 1mm焦点 铼钨合金靶面晶粒变细 抗热胀性提高 再结晶温度上升靶面上开细膨胀缝 消除机械应力 减轻龟裂 散热与温度保护 旋转阳极 线管与固定阳极 线管的散热方式不同 靶面受高速运动电子流轰击所产生的巨大热量主要依靠热辐射进行散热 散热效率低 连续负载后阳极热量急剧增加 靶盘温度不断上升 为防止由此造成的 线管损坏 有些 线机的 线管装置内设有温度限制保护装置 以保护 线管 水或油循环冷却技术 真空油 在CT中使用油循环X线管在心血管造影X线机中使用水循环X线球管 特殊 线管 金属陶瓷大功率 线管三极 线管软 线管 用 线管 金属陶瓷大功率 线管 玻璃球壳 线管缺点 用硬质玻璃制成的 线管 随着 线管使用时间增长 由于灯丝蒸发和阳极靶面龟裂处钨蒸发 会使玻璃壳内壁附着一层金属钨的沉积物 沉积层与阳极相连形成第二阳极 致使一部分高速运动电子轰击玻璃壳使其侵蚀 最终导致玻璃壳击穿 线管损坏 金属陶瓷大功率 线管将玻璃壳改为由金属和陶瓷组合而成 金属部分位于 线管中间并接地 以吸收二次电子 焦点处开有铍窗以使 线通过 金属靠近阴极一端嵌入陶瓷内 金属靠近阳极一端嵌入玻璃壳中 玻璃与陶瓷部分起绝缘作用 解决了普通 线管由于管壁击穿而损坏的问题 可将灯丝加热到较高温度 以提高 线管的负荷 栅控 线管 栅控 线管是在普通 线管的阳极和阴极之间加了一个控制栅极 栅控X线管的阴极结构 栅控X线管控制原理 当栅极对阴极加一个负电压 2 5kV 或负脉冲电压时 阴极发射的热电子完全飞不到阳极上 不产生 线 负电压或负脉冲电压消失时 产生 线 由于脉冲电压信号无机械惯性延时 控制灵敏 因此可实现快速连续 线摄影 摄影频率可达200帧 秒 栅控X线管可制成没有实体栅极而有特殊形状的聚焦杯 负偏压较低时 一部分电子飞向阳极 聚焦形成窄电子流 获得很小的焦点 即微焦点 可获得0 1 0 1mm的微焦点 微焦点 线管常用于放大 线摄影 栅控X线管瞬时曝光时间临界值为1ms 灯丝发射特性差 不能产生大的管电流 不适用于大功率 线机 主要应用于 线电影摄影 线电视 0 2mm焦点 腹部血管造影放大2倍 0 1mm焦点 手 足血管造影放大3倍 软 线管 对乳房等软组织 线摄影时 普通 线管得不到满意效果 为提高 线影像的对比度 须用大剂量软 线 软组织摄影最适宜波长为0 06 0 09nm 软 线管可辐射出波长为0 063nm和0 07nm的特征 线 摄影时主要利用钼靶辐射的特征 线 钼靶辐射 线波谱 软 线管特点 线输出窗的固有过滤小 铍窗 低管电压时能产生大管电流 焦点小0 03mm钼片过滤对0 063nm以下 线强烈选择吸收 吸收0 07nm以上较软 线 用 线管 管电流100 600mA管电压100 140kV扫描时间0 5 7S 主要参数 通常 扫描一层图像需数百mAS 为了满足诊断需要 要连续数十层扫描 故 用 线管要有大的热容量 所以 管结构 靶面材料 灯丝热变形系数 旋转轴承的自由膨胀系数 高温下的真空保持等 都要求有特殊的工艺措施才能保证在上述严格条件下正常运转 靶面采用新型复合靶结构 大体积石墨基以增大热容量 外壳多为金属或陶瓷材料 配有油循环系统以尽快散热 管电压 KV 管电流 mA 曝光时间 S 热容量 X线管的参数 热容量 曝光时阳极靶面产生大量的热 同时伴随冷却 如果生热快 散热慢 则阳极将积累热量 阳极积累的热量越多 冷却速度越大 X线管处于最大冷却率时 允许承受的最大热量称为热容量 热容量的单位除了焦耳 J 外 还使用热单位 heatunit HU 1J 1kV 有效值 1mA 有效值 1s1HU 1kV 峰值 1mA 平均值 1s单相全波整流情况下 换算关系 1HU 0 77J 热容量1 功率 热量 热容量 散热率 热容量2 功率 每次曝光产生的热量 热容量 散热率 球管参数举例 线管真空度检验 冷高压试验 线管灯丝不加热 两极间加高压如有辉光 且强度随管电压增加而增强 说明该 线管的真空度不良 如在较低千伏试验时 管内就充满辉光 说明此管已严重含气 不能使用 影响 线管寿命的因素 灯丝灯丝电压升高5 发射量增大50 寿命减少一半 电压降低5 寿命延长一倍 当灯丝截面积由于蒸发减少10 灯丝就有烧断可能 阳极靶面被打得凹凸不平或局部融化均会造成输出量急剧下降 即报废 超负荷使用会缩短 线管的寿命 负荷为正常的110 时 线管寿命只有60 如果负荷只用到80 线管寿命可能达到300 图像质量 受X线管的管电压影响 电压越高 X射线能量越大 对比度越低 受滤线栅影响 不加滤线栅 则对比度低 受胶片盒里荧光物质厚度影响 越厚 则分辨率越低 病人移动 则 分辨率低 图像模糊 X射线焦点越大 则 分辨率低 图像越模糊 三大权衡 trade off X线管电压低 则对比度好 但病人吃线多 高 则对比度差 病人吃线少 使用滤线栅 则去除散射 图像对比度高 但病人吃线多 不使用 则图像对比度差 病人吃线少 胶片盒中荧光物质越厚 则吸收的X射线越多 需要的剂量越少 但对比度越差 越薄 则吸收的X射线越少 需要的剂量多 但对比度好 在允许的条件下 以降低剂量为优先 第三节高压发生器 高压变压器灯丝变压器高压整流器高压电缆 高压插头及插座高压交换闸 高压发生器 高压发生器外形 高压发生器内部结构 高压变压器结构 灯丝变压器结构 高压整流器 将高压变压器输出的交流高压变为直流高压的电子元件 现代 线机的高压整流器都采用半导体整流器 应用最广泛的是高压硅堆 由许多单晶硅做成的二极管用银丝串联而成 它具有体积小 机械强度高 绝缘性好 寿命长 性能稳定等优点 使用时要浸入油中 油温不超过70度 高压电缆的构造 高压电缆的构造 高压电缆的插头 插座 高压交换闸 在大 中型诊断 线机中 多备有两个或两个以上 线管 以一机多用 多个 线管共用一个高压发生器 需高压交换闸切换 继电器式 电动机式 第四节控制台 控制台必须满足 线管产生 线的下列基本要求可调管电流 调节灯丝加热电压 可调管电压 控制 线质 可调曝光时间 X线管空间电荷补偿 灯丝发射的部分热电子滞留于灯丝表面 称空间电荷 随管电压增加 由于空间电荷管电流也增加 称为空间电荷效应 P81图为保证管电流的准确性 随着管电压增加 适当降低灯丝加热电压 使管电流保持不变 称X线管空间电荷补偿 自动曝光控时 在 线通过被照物体后 以达到胶片上所需的感光剂量来决定曝光时间 感光剂量满足后 自动切断高压 结束曝光 分光电和电离室自动曝光控时 电离室自动曝光控时 电离室在两个金属板平行电极上加直流高压 中间为气体 线照射时 气体被电离 离子在强电场作用下形成电流 电流大小与 线辐射强度成正比 当 线辐射强度大时 电离电流大 曝光时间短 线辐射强度小时