第三章 诊断用X线管-1

1第三章诊断用X线管2主要内容固定阳极X线管旋转阳极X线管特殊X线管3基本要求熟悉诊断用X线管的分类；掌握固定阳极X线管的结构，尤其是阳极和阴极的具体结构及作用；掌握X线管焦点相关的知识点。掌握旋转阳极X线管的特点，重点掌握其阳极结构。熟悉几种特殊X线管的分类及特点。4X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：5产生条件：有高速运动的电子流；有适当的障碍物—金属靶（钨或钼）。阻止电子的运动，将电子动能转化为X射线的能量，就像子弹打在坦克上会发出声音和火花一样。管电压：阴阳极间直流电压，使电子具有较大动能。管电流：阴极发射的电子在电场作用下高速流向阳极形成电流。管电流越大，产生的Ｘ光子就越多。6第一节固定阳极X线管一、结构诊断用X线管中最简单的一种，其结构主要有阳极、阴极、玻璃壳三部分组成。7（一）阳极（annode）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。组成：阳极头、阳极帽、可伐圈、阳极柄。81.阳极头组成：靶面、阳极体靶面作用：承受高速运动的电子束轰击，产生X线（曝光）靶面材料：一般都选用钨（Z=74），辐射Ｘ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，产生X线效率高。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，为了便于散热，常将厚度为1.5~3mm的钨用真空熔焊的方法焊接到导热率较大的无氧铜制成的阳极体上。阳极体:导热率大的无氧铜，把靶面的热量传导出去9固定阳极X线管的靶面静止不动，高速运动的电子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），因此固定阳极X线管的功率是有限的。高速运动电子轰击靶面时，会有少量的电子从靶面反射和释放出来，这部分电子成为二次电子。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。102.阳极帽（阳极罩或反跳罩）位置：固定在阳极头上，并罩在靶面的周围作用：因它与阳极同电位，故可吸收50%~60%的二次电子，并可吸收一部分散乱射线，从而保护X线管玻璃壳并提高影响清晰度。周围结构：阳极帽的头部圆口面对阴极，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。有的X线管在此圆口处加上了一层金属铍片，其作用是吸收软X线，降低病人皮肤剂量。113.可伐圈是阳极和玻璃壳的过渡连接部分，由4J29膨胀合金（镍29%，钴17%，余为铁）圈与玻璃喇叭两部分封焊而成。其中玻璃端与玻璃壳封接，膨胀合金端与阳极头焊接在一起。4.阳极柄作用：固定X线管并将曝光时产生的热量传导出去。结构：与阳极头的铜极相连，其管外部分浸在管套内的变压器油中，通过与油之间的热传导，将靶面的热量传导出去。12（二）阴极（cathode）作用：发射电子并使电子束聚焦，使轰击在靶面上的电子束具有一定的大小、形状。结构：主要由灯丝、阴极头、阴极套和玻璃芯柱等四部分组成。131、灯丝（filament）作用：发射电子，诊断用Ｘ线管的灯丝绕成螺旋管状。材料：钨。在高温下具有一定的电子发射能力、熔点较高、延展性好、便于拉丝成形、抗张力性好、且在强电场下不易变形。灯丝电压：一般为交流5~10mV、50Hz。灯丝电流：一般为2～9A，3～6A的占多数。14发射电子数量：灯丝通电后，温度逐渐上升，到一定温度（约2100K）后开始发射电子。对于给定的灯丝，在一定范围内，灯丝电压越高，灯丝加热电流越大，灯丝温度就越高，灯丝发射的电子数量就越大。灯丝温度与发射电子的数量是呈指数的非线性关系。15灯丝寿命：灯丝加热电压越高，灯丝温度越高，钨的升华越快，灯丝寿命越短。当灯丝加热电压比额定值高5%时，灯丝寿命将缩短一倍。在一定的灯丝加热电压下，灯丝点燃时间越长，钨的升华越多。为延长X线管灯丝寿命，在实际工作中，需尽可能缩短灯丝的点燃时间。如在摄影准备时才让灯丝由常温加热到摄影管电流所要求的温度，曝光结束时，灯丝应立即停止加热。16灯丝结构X线管阴极常装有2根长短、粗细不同的灯丝：长灯丝：发射较多热电子，形成大焦点；短灯丝：发射较少热电子，形成小焦点。阴极一般由三根阴线：1根为公用线，其余两根分别为大、小灯丝的引线。172、阴极头又称作聚焦槽、聚焦罩或集射罩，由纯镍或铁镍合金制成长方形槽，其作用是对灯丝发射的电子进行聚焦。原理：灯丝发射的大量电子，在电场的作用下，高速飞向阳极，由于电子之间的相互排斥，致使电子束呈散射状。为使电子聚焦成束状飞向阳极，将灯丝装入被加工成圆弧直槽或阶梯直槽的阴极头内，灯丝的一端与其相连，两者获得相同的负电位，借其几何形状，形成一定的电位分布曲线，迫使电子呈一定的形状和尺寸飞向阳极，达到聚焦的目的。18（三）玻璃壳又称管壳，用来用来固定，支撑阴、阳两极并保持管内的真空度。材料：熔点高、绝缘强度大、膨胀系数小的钼组硬质玻璃。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；另外，装入管内的所有零件都必须经过严格清洗去油和彻底除气。19X线管寿命影像因素：灯丝：变细真空度：阻力靶面：粗糙20二、X线管的焦点（一）实际焦点定义：指灯丝发射的电子经聚焦后在靶面上的瞬间轰击面积。呈细长方形，也称为线焦点。实际焦点的宽度：主要取决于聚焦罩的形状、宽度和深度。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。21主焦点与副焦点从灯丝正面发射出的电子撞击阳极靶面形成主焦点；从灯丝侧面发射出的电子撞击阳极靶面形成副焦点；主焦点与副焦点共同形成实际焦点。22在电场作用下，实际焦点面上的电子密度分布不同，其X线辐射强度的分布呈单峰、双峰甚至多峰型。在同样焦点尺寸下，焦点中央辐射强度越强（呈高斯分布），其影像分辨力越高；其次为矩形分布；最差为双峰分布。医学诊断用X线管的焦点一般是双峰分布。23（二）有效焦点定义：指实际焦点在X线投照方向上的投影。它对影像的清晰度影响很大，也称为作用焦点。在不同X线投照方向上的大小、形状不同。（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。用来描述焦点的大小，描述方式，如：2.0mm×2.0mm。2425有效焦点与实际焦点的关系设实际焦点宽度为a，长度为b，则投影后的长度为bsinθ，宽度不变，即：

有效焦点=实际焦点×sinθ靶角（阳极倾角）θ：当X线投照方向与X线管长轴方向垂直时，阳极靶面与X线投照方向上的夹角。θ不能太小，否则投照方向的Ｘ大量减少，一般为15°~20°。26（三）有效焦点与成像质量有效焦点尺寸越小，影像清晰度就越高。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。一对矛盾：减小焦点面积以减小几何模糊，同时产生运动模糊。解决方法：固定阳极X线管采用双焦点才折中；采用旋转阳极X线管。27（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、与摄影中心三点一线。28（五）焦点增胀定义：当管电流增大时，电子束的电子数量增多，由于电子之间库伦斥力的作用，致使焦点尺寸出现增大的现象。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29总结优点：结构简单、价格低。在小型X线机、治疗X线机中仍有使用。缺点：靶面静止不动，所以焦点尺寸大、瞬时功率小，逐渐被旋转阳极X线管取代。30第二节旋转阳极X线管（一）特点结构：阴极、阳极、玻璃壳比较：与固定阳极X线管相比，阳极结构明显不同，其余差别不大313233原理：高速运动的电子束由偏离X线管中心轴线的阴极射出，轰击到转动的靶面上。高速运动的电子束轰击靶面所产生的热量，被均匀的分布在转动的圆环面上，承受电子束轰击的面积因阳极旋转而大大增加，使热量分布面积大大增加，因此可有效地提高X线管功率，并通过适当减小实际焦点尺寸和靶角，以使有效焦点减小成为可能。特点：瞬时负载功率大、焦点小。34焦点是一个有一定面积的发光源。由于X线影像是由物体吸收X线后产生的本影和几何原因形成的半影共同组成的。焦点尺寸越小，半影越小，大大提高了影像的清晰度。35（二）阳极结构结构主要组成：靶面、转子、转轴和轴承。361.靶盘与靶面结构与要求：靶盘为直径70~150mm之间的单凸状圆盘，其中心固定在转轴（钼杆）上，转轴另一端与转子相连。要求靶盘具有良好的运动平衡性；靶面具有一定的靶角，一般为6°~17.5°。纯钨制成的靶盘和靶面：热容量较小、散热性和抗热涨性都比较差。其缺点：在交变热负荷使用条件下，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；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。37铼钨合金做靶面，钼或石墨做靶基，制成复合靶优点：靶面晶粒细，抗热涨性高，再结晶温度高，使靶面龟裂、粗糙情况减轻。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%。钼和石墨与金属钨相比，具有密度小、热容量大、散热率好等特点，使铼钨合金靶重量轻、热容量大、散热快，有效地提高了X线管连续负荷能力，使X线管达到了50kW大功率和1.0×1.0mm小焦点。382.转子结构：由无氧铜制成，通过钼杆与靶盘靶面连为一体，转子转动时，靶盘靶面随之转动。其表面黑化，热辐射能力较强。旋转阳极X线管的启动电机与小型单向异步电机的结构和原理相似，只是转子装在X线管的玻璃壳内，而定子线圈装在X线管玻璃壳的外面。转轴装入无氧铜或纯铁制成的轴承套中，两端各装一只轴承。39+-转子定子旋转阳极40转速：N=60F/P，低速（2700r/min,f=50Hz）,高速（8500r/min,f=150Hz）阳极转速越高，单位时间内承受高速运动的电子束轰击的圆环面积越大，X线管的功率就越大。额定转速曝光：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：惯性导致静转（静转时间：从切断启动电机电子电源开始到转子停止转动所用的时间），制造噪声且磨损轴承，缩短X线管的寿命。在曝光结束后对旋转阳极进行制动。413.轴承与轴承的润滑轴承由耐热合金钢制成，可以承受较高的工作温度（约400℃），但不能超过460℃。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。轴承的润滑剂大都选用固体润滑材料，如二氧化钼、银、铅等。42第三节特殊X线管金属陶瓷大功率X线管三极X线管软X线管CT用X线管43一、金属陶瓷大功率X线管问题：用玻璃壳制成的普通X线管，在进行连续大负载摄影时，随着X线管使用时间的增长，灯丝和阳极靶面龟裂边缘处的钨升华，会使玻璃壳内壁形成黑色的钨沉积层，钨沉积层可与阳极相连形成第二阳极，致使一部分高速运动的电子轰击玻璃壳而使其击穿。44结构：金属陶瓷大功率X线管的灯丝和阳极靶面与普通旋转阳极X线管相似，只是玻璃壳改为金属和陶瓷组合而成。金属部分位于X线管中间部位并接地，以吸收二次电子，对准焦点处开有铍窗以使X线通过。金属靠近阴极一端嵌入陶瓷内，采用铌过度，用铜焊接。金属靠近阳极一端嵌入玻璃壳中。玻璃与陶瓷部分起到绝缘作用。4546二、三极管结构：三级X线管在普通X线管的阳极与阴极之间加了一个控制栅极，故又称栅控X线管。三级X线管的其他部分与普通X线管类似，只是阴极的结构比较特殊。在聚焦槽中装有灯丝，灯丝前面有栅极，灯丝与聚焦极之间相互绝缘，栅极电位就加在灯丝和聚焦极之间。47聚焦极48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，可使阴极发射的热电子完全飞不到阳极上，形不成管电流，不会产生X线。当负电压或负脉冲消失时，阴极发射的热电子在阳极与阴极的强电场作用下飞向阳极，形成管电流，产生X线。由于脉冲电压信号无机械惯性延迟，控制灵敏，因此可实现快速连续X线摄影，摄影频率可达200帧/秒。49微焦点X线管的工作原理：三级X线管有时还可以