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X线管原理 X线发生装置 用于产生X线的装置称为X线发生装置 它由X线管 高压发生器和控制台三部分组成 它是X线机 X线CT的主要组成部分一直 X线管 它的作用就是产生X线 自1895年伦琴发现X线以来 X线管逐步向大功率 小焦点和专用化方向发展 其结构不断改进 先后出现了固定阳极X线管 旋转阳极X线管以及各种特殊X线管 X射线的产生装置主要包括三部分 X射线管 高压电源及低压电源 如图所示 X线是一种波长很短的电磁波 波长范围为0 0006 50nm 目前X线诊断常用的X线波长范围为0 008 0 031nm 相当于40 150kV时 在电磁辐射谱中 居 射线与紫外线之间 比可见光的波长要短得多 肉眼看不见 靶面材料 1 钨靶Z 74 40 150kv电压 2 铑靶Z 453 钼靶Z 42 用40KV以下电压 窗口材料 铍Z 4 X线管分类 1 固定阳极X线管2 旋转阳极X线管3 特殊X线管4 特性与参数5 管套 第一节 固定阳极X线管 一 结构 阳极 阴极 玻璃壳 第一节 固定阳极X线管 一 阳极 阳极的主要作用 阻挡高速运动的电子流而产生X线 同时将曝光时产生的热量辐射或传导出去 其次是吸收二次电子和散乱射线 1 阳极头 靶面和阳极体组成 1 靶面 作用是承受高速运动的电子流轰击 产生X线 曝光 靶面材料一般都选用钨 Z 74 辐射 线的强度与靶面材料的原子序数有关 钨的特点 熔点高 3370 蒸发率低 原子序数大 又有一定的机械强度 钨的缺点 导热率小 受电子轰击后产生的热量不能很快地传导出去 焊接到导热率较大的无氧铜制成的阳极体上 转化效率低 2 阳极体 导热率大的无氧铜 把靶面的热量传导出去 2 阳极帽 吸收二次电子 并可吸收部分散乱X线 结构 头部圆口面对阴极 是高速运动的电子流轰击靶面的通道 侧下部圆口向外 是X线的辐射通道 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 危害 其能量较大 约为原来的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X线 使X线影像质量降低 二次电子还会附着在玻璃壁上 造成整个管壁电位分布极不均匀 产生纵向应力 易致玻璃壁损坏 3 玻璃圈 封接4 阳极柄 热量传导 无氧铜 二 阴极 1 灯丝 钨 发射电子 诊断用 线管的灯丝绕成螺旋管状 1 灯丝电压一般为交流5 10V 50Hz 2 灯丝电流一般为2 9A 3 6A的占多数 3 灯丝寿命 调节灯丝的加热电压即可改变灯丝发射的电子数量 灯丝温度与发射电子的数量关系是呈指数的非线性关系 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 2 阴极头 聚焦罩 带负电 借其形状使电子流聚焦 阴极一般有三根引线 一根为公用线 其余两根分别为大 小焦点灯丝的引线 阴极套 玻璃芯 三 玻璃壳 用来固定 支撑阴 阳两极并保持管内的真空度为防止X线管管内气体放电 保证阴极发射的电子能畅通无阻挡地高速飞向阳极 管内的真空度应保持在133 3 10 7Pa 10 7mmHg 以下 X线管寿命影像因素 灯丝 变细真空度 阻力靶面 粗糙 二 X线管的焦点 一 实际焦点是指灯丝发射的电子经聚焦后在靶面上的瞬间轰击面积 实际焦点的大小 宽度与聚焦罩的形状 宽度和深度有关 实际焦点与X线管的容量关系 实际焦点大 可承受功率大 容量就大 可以缩短曝光时间 二 有效焦点有效焦点 指实际焦点在X线投照方向上的投影 不止一个 标称焦点 实际焦点在垂直于X线管长轴方向的投影 例2 0mm 2 0mm 符合 有效焦点 实际焦点 sin 靶角 X线投照方向与X线管长轴方向垂直时的 不能太小 否则投照方向的 大量减少 一般15 20 三 有效焦点与成像质量1 有效焦点尺寸越小 影像清晰度就越高2 减小有效焦点 势必减小实际焦点 X线管的功率随之减小 曝光时间需增加 这将会引起运动模糊 几何模糊 四 焦点的方位性 使用时保证实际焦点中心 X线输出窗中心 与摄影中心一致 五 焦点增涨管电压 kV 一定时 随着管电流的增大 焦点增涨的程度变大 管电压的变化对焦点增涨大小的影响远较管电流的变化影响小 总结 固定阳极X线管的缺点 靶面静止不动 所以功率小 焦点大 第二节旋转阳极X线管 一 特点瞬时负载功率大 焦点小 二 结构 由阳极 阴极和玻璃壳三部分组成 阳极 靶面 转子 转轴 轴承 阴极 灯丝 转子 定子 旋转阳极 X线球管的结构 焦点 伴影越小 图像 越锐利 1 靶盘与靶面 钨靶的缺点 由于表面与内层之间温差所产生的热应力 容易使靶面产生裂纹 另外 钨在1100 以上会发生再结晶 将使靶面使用不久就会出现表面龟裂 粗糙现象 致使X线管辐射X线的能力下降 铼钨合金优点 靶面晶粒细 在相同使用条件下 曝光2万次 铼钨合金靶与纯钨靶进行比较 输出剂量分别下降13 和45 2 转子 转速 单相异步电动机原理 旋转磁场 N 60F P 额定转速暴光 旋转阳极X线管的X线机均设有旋转阳极启动 延时 保护电路 制动 惯性导致净转 磨损 缩短X线管的寿命 3 轴承与轴承的润滑少量由阳极靶面传导过来的热量则大部分通过转子表面辐射出去 旋转阳极X线管 依靠热辐射进行散热 散热效率低 连续负荷后阳极热量急剧增加 靶盘温度不断上升 先进X线机的X线管装置内设有温度限制保护装置 对X线管给予相应的保护 固定阳极X线管的散热方式 热传导 第三节特殊X线管 一 金属陶瓷大功率X线管二 三极X线管三 软X线管四 CT用X线管 X线管的特性和参数因型号不同而不同 只有熟悉 掌握各种X线管的特性曲线 电参数以及构造参数后 才能正确地使用X线管 并在参数允许范围内 充分发挥X线管的最大效能 第四节X线管的特性与参数 一 特性 一 阳极特性曲线阳极特性曲线 Ia Ua 是在一定的灯丝加热电流下 管电压 Ua 与管电流 Ia 之间的关系 灯丝前端发射出来的电子 它们在静电场作用下飞往阳极 这部分电子的运动不受阻力 灯丝侧面发射出来的电子 这部分电子的运动特点是在空间发生交叉后飞向阳极 因此它们的运动要受到一定的阻力 灯丝后端发射出来的电子 由于电子之间相互排斥和灯丝的屏蔽作用 致使电场作用力很微弱 因此这部分电子滞留在灯丝后面的空间 形成 空间电荷 空间电荷只能随着管电压的升高而逐渐飞向阳极 二 灯丝发射特性曲线灯丝发射特性曲线 Ia If 是在一定的管电压下 管电流 Ia 与灯丝加热电流 If 的关系 1 空间电荷 补偿 由于管电压增加 导致管电流变大 需要补偿抵消 2 补偿的原则是 当管电压变高时 适当减小灯丝加热电流 以使管电流不随管电压的变化而变化 反之 当管电压变低时 则适当增加灯丝加热电流 二 电参数X线管常见的电参数有灯丝加热电压 灯丝加热电流 最高管电压 最大管电流 最长曝光时间 容量 标称功率 热容量等 这些数据在使用 调试和维护X线机时必须清楚 并严格遵守 一 最高管电压它是可加于X线管两极间的最高管电压峰值 单位是千伏 kV 它由X线管的长度 形状 绝缘介质的种类以及管套的形式决定 二 最大管电流它是在某一管电压和某一曝光时间条件下 X线管所允许的最大平均管电流 单位是毫安 mA 三 最长曝光时间它是在某一管电压和某一管电流条件下 X线管所允许的最长曝光时间值 四 X线管的容量容量 X线管在安全使用条件下 单次曝光或连续曝光而无任何损坏时所能承受的最大负荷量 1 容量与影响因素增大容量的途径 通常有五个 增大焦点面积 减小靶面倾角 增加阳极转速 增大焦点轨道半径 减小管电压波形的纹波系数 2 负荷量的计算负荷量常用输入的电功率表示 其计算式为P UI 1000 kW UI均为有效值不同的波形 峰值与有效值 平均值与有效值的转换关系不同 举例 假设ua 60kV 峰值 Ia 100mA 平均值 则P UI 1000 60 0 707 1 1 100 4 67KW 3 X线管的标称功率 容量还与曝光时间有关 曝光时间增长 容量将相应地减小 这是因为单次曝光时间越长 阳极所产生的热量就越多 X线管的容量就越小 多次连续摄影因阳极热量的积累 要求每次摄影X线管的容量就更小 由于透视时间一般较长 且必要时还需点片 所以透视 点片用X线管的容量最小 同一支X线管的容量是不确定的 为了便于比较 将一定整流方式和一定曝光时间下X线管的最大负荷称为X线管的标称功率 也称额定容量或代表容量固定阳极X线管的标称功率 固定阳极X线管的标称功率是指在单相全波整流电路中 曝光时间为1s时的容量 例如 XD4 2 9 100型X线管的标称功率为 小焦点 1 8mm 1 8mm 2kW 大焦点 4 3mm 4 3mm 9kW 旋转阳极X线管的标称功率 旋转阳极X线管的标称功率是指在三相全波整流电路中 曝光时间为0 1s时的容量 例如 XD51 20 40 125型旋转阳极X线管的标称功率为 小焦点 1 0mm 1 0mm 20kW 大焦点 2 0mm 2 0mm 40kW 4 瞬时负荷与连续负荷的容量表示方法曝光时间为数毫秒到数秒的单次摄影称为瞬时负荷 瞬时负荷的容量常用瞬时负荷特性曲线表示 曝光时间为10s以上的透视称为连续负荷 连续负荷举例 1 连续使用时的容量 例如 某X线管的容量为200W连续使用 2 限定管电压 管电流和透视时间 例如 某X线管的容量为100kV 3 5mA连续使用 五 X线管的热容量 X线管的热容量连续多次摄影或透视与点片摄影交替进行的曝光称为混合负荷 单位时间内传导给介质的热量称为散热率 又称冷却率 热容量 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 heatunit HU 热容量的单位是焦耳 J 即1J 1kV 有效值 1mA 有效值 1s热容量的单位目前还使用HU来表示 即1HU 1kV 峰值 1mA 平均值 1s 生热与冷却特性曲线生热特性曲线 表示在热量增加速率一定时 热量积累和曝光时间的关系 作用 可确定X线管在不同热量增加速率下 可连续与断续工作的时间 冷却特性曲线 表示曝光结束后 阳极上的热量散发与冷却时间的关系 即热量与冷却时间的关系 作用 根据此曲线可确定X线管的最短休息时间 X线管装入管套后的热容量约为130万HU 是原来的12倍 但冷却速率却下降了 三构造参数凡由X线管的结构所决定的非电性能的参数或数据都属于构造参数 例如 阳极靶面的靶角 有效焦点尺