CT球管基礎(chǔ)知識(shí)

1、CT 球管基礎(chǔ)知識(shí)2011-03-05 14:31:47|分類： 專業(yè)交流 | 舉報(bào) |字號(hào) 訂閱自從十九世紀(jì)第一個(gè)球管誕生以來(lái)，球管的家族也迅速地發(fā)展壯大。根據(jù)其醫(yī)學(xué)用途，我們把他們分成 診斷用 X 線球管和治療用 X 線球管兩大類。一、診斷用 X 射線管診斷用 X 射線管用于透視和攝影。 雖然兩種工作狀態(tài)的功率相差很大，但攝影時(shí)曝光時(shí)間極為能耗很小，所以管子的陽(yáng)極在兩種工作狀態(tài)下的總能量是相近的。因此，現(xiàn)代診斷用 X 射線管通散熱器冷卻。為了能獲得清晰的 X 射線影像，對(duì)診斷用 X 射線管的基本要求是：它應(yīng)具有小的焦點(diǎn)和大的功焦點(diǎn)小可以減小幾何模糊度，而輸出功率大，曝光時(shí)間可以縮短，減小了

2、移動(dòng)模糊度。當(dāng)然，由于受陽(yáng)極靶面所能承受的最大容許熱量的限制，要同時(shí)滿足焦點(diǎn)小、功率大的要求是困能的。旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極 X 射線管能較好的解決這一矛盾，因而得到廣泛的使用。（一）診斷X 射線管的類型1固定陽(yáng)極X 射線這種X 射線的陽(yáng)極是固定不動(dòng)的。其功率較小，焦點(diǎn)較大，一般用于小斷 X 射線機(jī)。（北京醫(yī)用射線機(jī)廠生產(chǎn)的診斷X 線機(jī)球管）（1）陰極： X 射線管幾乎都是由燈絲、聚焦罩等組在，它的作用是發(fā)射電子，并使電子聚焦陽(yáng)極。燈絲：目前 X 射線管幾乎都是選用鎢作為燈絲材料。因?yàn)殒u在高溫下有一定的發(fā)射能力；具高的熔點(diǎn)（ 3370），在高溫下也不易蒸發(fā)成氣體；其延展性和抗張性較好，便于加工，能拉成細(xì)制成

3、一定形狀；在強(qiáng)電場(chǎng)吸引下不易變形。由于受陽(yáng)極靶面的比容量（ 1mm2的焦點(diǎn)面積上所散耗的功率）的限制，燈絲不能做得過小，定陽(yáng)極的 X 射線管的實(shí)際焦點(diǎn)面積很小，焦點(diǎn)過小會(huì)使發(fā)射的 X 射線量減少。為了獲得大量的 X燈絲必須加粗。這樣雖然焦點(diǎn)增大，使幾何模糊度提高，但X 射線量增大強(qiáng)縮短曝光時(shí)間，避免因物的移動(dòng)，而引的模糊度。目前很多 X 射線管在同一陰極上配制大小不同的兩上燈絲而獲得大小焦點(diǎn)，稱為雙焦點(diǎn)X 射其燈絲有三根引線，一根為公用引線，其余二根分別為大、小焦點(diǎn)燈絲引線。燈絲溫度上升至一定值后，開始發(fā)射電子、發(fā)射電子的數(shù)量取決于燈絲溫度的高低。從圖中可以看出：燈絲溫度較低時(shí)，發(fā)射電子流密度

4、較少，但當(dāng)溫度升至一定值（ 2600K）發(fā)射電流密度增加極快，故在調(diào)整 X 射線管電流時(shí)應(yīng)特別注意這一特點(diǎn)，即當(dāng)燈絲電壓增至接近最時(shí)，稍微改變燈絲電壓，管電流將得到很大的變化。聚焦罩：當(dāng)燈絲發(fā)射電子后，如陽(yáng)極接通高壓，在正電場(chǎng)的作用下電子高速飛向陽(yáng)極。但由子之間的相互排斥作用，致使電子呈散射狀，特別在陽(yáng)極電壓較低時(shí)，散射更為顯著。為了能使電中成束狀飛向陽(yáng)極， 因此將燈絲裝入一個(gè)用鎳或鐵鎳合金制成提長(zhǎng)方形槽中，稱聚焦罩。聚焦罩除了形成電子束外， 還可防止二次電子造成的危害。二次電子是指從陽(yáng)極靶面反射郵來(lái)的電子。 在自整流電路或陽(yáng)極過熱時(shí)， 都會(huì)產(chǎn)生這種二次電子。它將會(huì)使燈絲被轟擊而斷開；或玻璃被

5、轟而造成孔洞，以至破裂。有了聚焦罩就能將大部分二次電子吸引到槽上， 以保護(hù)燈絲和玻璃殼的安全。（二）陽(yáng)極：陽(yáng)極靶的作用接受電子轟擊輻射 X 射線，同時(shí)將熱量散發(fā)出去。一般采用鎢作為靶面的材料，它具的原子序數(shù)高、熔點(diǎn)高、高溫時(shí)蒸汽壓力低等優(yōu)點(diǎn)。鎢靶面一般為正方形或長(zhǎng)方形，厚度為 1.5mm3mm，鑲在導(dǎo)熱性能良好的無(wú)氧銅柱上。這樣不較高的輻射性能，而且又能將熱量及時(shí)傳導(dǎo)出去。陽(yáng)極靶被電子束轟擊的面積叫實(shí)際焦點(diǎn)。為幾何模糊度以便獲得清晰的圖像， 要求縮小 X 射效焦點(diǎn)，這可通過減小陽(yáng)極靶面傾角達(dá)到這一目然，從投照需要的角度出發(fā)要求有效焦點(diǎn)面越小這樣必然要求實(shí)際焦點(diǎn)面積縮小。 但在一定的陽(yáng)功率情況下

6、，提高了靶面的比容量，不利于熱量因此傾角不宜小太。 但也不能過大，陽(yáng)極傾角過增大有效焦點(diǎn)面積，使圖像模糊不清。陽(yáng)極靶面產(chǎn)生的二次電子， 除對(duì)燈絲和玻殼害外，還向各方散射，使陽(yáng)極靶面外的地方產(chǎn)生 X 射線，這種非焦點(diǎn) X 射線會(huì)影響影像的清晰度。在陽(yáng)極端加上一個(gè)用無(wú)氧銅制成的金屬罩，稱為反跳罩。罩的軸向有一開口是讓陰極電子速通過的面上的開口是 X 射線出口。這樣就使陽(yáng)極的鎢靶面銅柱體、反跳罩組成一體，通過與玻璃膨脹系數(shù)相近的鐵鎳鉆合金和玻接后通至管外。（3）玻璃外殼： X 射線玻璃外殼是用來(lái)支撐陰、陽(yáng)極和保持管內(nèi)真空度的。通常多采用能耐絕緣強(qiáng)度高、膨脹系數(shù)小的以硅作為主要成分的硼酸硬質(zhì)玻璃。 X

7、 射線管內(nèi)的真空度應(yīng)保持在 133.322 10-7Pa（10-7mmHg）以下，以保證燈絲的正常加熱和電子飛向陽(yáng)極的速度。2旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極 X 射線管固定陽(yáng)極 X 射線管因陽(yáng)極焦點(diǎn)面受溫度的影響限制了它的功率。要提高功率，焦點(diǎn)面就必須增大。但焦點(diǎn)面增大又影響了影像清晰度，兩者不能兼顧。旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極 X 射線管能夠較好地解決這一矛盾。在短時(shí)間（約0.1s ）運(yùn)用時(shí)，它可以同樣大小的有效焦點(diǎn)之下將負(fù)載增大到幾倍之多。其結(jié)構(gòu)如圖所示。厚重的陽(yáng)極圓盤牢裝在軸承中旋轉(zhuǎn)的軸上，在同一軸上還裝有一個(gè)銅質(zhì)圓柱，作為感應(yīng)電子動(dòng)的轉(zhuǎn)子，電動(dòng)機(jī)的定子則套在 X 射線管玻殼的外面，流經(jīng)定子繞組的電流建立起一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， 帶動(dòng)

8、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)， 也就帶動(dòng)了陽(yáng)極旋轉(zhuǎn)， 管子的陰極裝有卷成螺旋管狀的鎢燈絲， 其位置偏離管子中心軸線。 因此，在陽(yáng)極旋轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)際焦點(diǎn)沿著它的表面旋轉(zhuǎn)著， 其軌跡為一圓環(huán)， 這就使得所產(chǎn)生的熱量分布在一個(gè)連續(xù)運(yùn)動(dòng)著的環(huán)狀面上。 焦點(diǎn)上單位面積所承受的熱量變小， 就明顯提高了 X 射線管的功率， 雖然實(shí)際焦點(diǎn)面積較大， 但有效焦點(diǎn)卻很小， 提高了 X 射線影像的清晰度。旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極的實(shí)際焦點(diǎn)與有效焦點(diǎn)如圖所示。根據(jù)上述原理，旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極 X 射線管的功率比固定陽(yáng)極 X 射線管大 25 倍，目前用在 500mA 以下診斷 X 射線機(jī)組的管子功率為 20kW50kW ，有效焦點(diǎn)面積只有 1mm22 mm2.旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極

9、X 射線管一般在透視時(shí)由于功率很小無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)，但在攝影時(shí)必須轉(zhuǎn)動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速以后才能接通高壓，否則有引起焦點(diǎn)熔化的危險(xiǎn)。（ 1）陰極：旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極 X 射線管的陰極由聚焦槽、螺旋管狀燈絲、陰極盤、陰極罩等組成。其作用與固定陽(yáng)極 X射線管相同，就是用來(lái)發(fā)射電子并使其聚焦去轟擊陽(yáng)極靶面。一般燈絲有大小兩個(gè)。陰極固定在陰極盤上，外面有陰極罩保護(hù)，阻礙焦點(diǎn)尺寸不同聚焦槽的寬度，燈絲尺寸也不相同。（2）陽(yáng)極：旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管的陽(yáng)極是由靶面、轉(zhuǎn)子、軸承、陽(yáng)極轉(zhuǎn)軸組成。靶面一般由圓盤狀鎢或復(fù)合材料制成，圓盤中心固定一鉬桿上鉬桿的另一端一個(gè)稱為轉(zhuǎn)子的銅管相連接。近代，為了增加陽(yáng)極功率采取如下技術(shù)措施：陽(yáng)極靶盤的黑化

10、：陽(yáng)極靶盤經(jīng)黑化后使它的熱輻射系數(shù)接近1，在同樣靶溫度下所散發(fā)的熱量比未黑化的靶盤增加1 倍，從而提高了透視功率，縮短冷卻時(shí)間，加速了單片和系列的攝影。采用石墨靶基： 60 年代出現(xiàn)了能延長(zhǎng)劑是下降率和散熱能力的錸鎢合金加鉬基的金屬?gòu)?fù)合靶旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極 X 射線管，達(dá)到了 1mm2 焦 點(diǎn) 50kW 的功率，圖 1-7 為錸鎢靶與純鎢靶劑量對(duì)比曲線， 后來(lái)又出現(xiàn)了金屬石墨旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極 X 射線管，這是因?yàn)槭谋葻岜孺u大 10 倍左右，輻射系數(shù)接近 1，透熱系數(shù)與鎢鉬又相近，所以作為靶基更為優(yōu)越。增加旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極的速度：旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射管的轉(zhuǎn)速一般是2800 r/min 。旋轉(zhuǎn)速度越高意味著電子束在某一點(diǎn)停留

11、的時(shí)間越短，靶盤可以承受的熱量也就是功率越大。因?yàn)?p=K ？（ n 為轉(zhuǎn)速， d 為焦點(diǎn)軌道直徑），即陽(yáng)極所能承受的功率與其旋轉(zhuǎn)速度的平方根成正比，當(dāng)速度增加2 倍時(shí)允許功率增加1.40 倍左右。因速度與啟動(dòng)電壓的頻率成正比：n=120f/p式中：n 陽(yáng)極轉(zhuǎn)速（r/min ） f電源頻率 （Hz）p 定子極數(shù)（一般為 2）若電源頻率為 150Hz 即三倍頻時(shí)，其轉(zhuǎn)速可達(dá) 900r/min ，但因轉(zhuǎn)子有轉(zhuǎn)差率，所以實(shí)際轉(zhuǎn)速比公式計(jì)算數(shù)約低 10% 。現(xiàn)在已經(jīng)有 300Hz 的陽(yáng)極啟動(dòng)電源裝置，可使旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到 17000 r/min ，在焦點(diǎn)面積相同的情況下比普通旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極 X 射線管的功率提高

12、 2.5 倍左右。增大陽(yáng)極靶盤直徑： 陽(yáng)極靶盤直徑越大容量越大， 散熱速度也越快。 然而由于機(jī)械強(qiáng)度和動(dòng)平衡所帶來(lái)的困難直徑的增加受到一定的限制。 目前一般直徑從 75mm80mm 增加到 100mm150mm 左右。消除旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極的機(jī)械應(yīng)力： 陽(yáng)極材料鎢和鉬在冷卻狀態(tài)下都是很脆的。在X 射線管冷卻了很長(zhǎng)時(shí)間的狀戊下突然加上大負(fù)載，在冷熱交界的區(qū)域里溫差極大，因此產(chǎn)生了機(jī)械應(yīng)力，往往形成裂縫而損壞。為此有些X 射線管在陽(yáng)極靶簽署上開了幾條徑向的細(xì)縫，使得陽(yáng)極材料在膨脹時(shí)相應(yīng)地減小機(jī)械應(yīng)力。減小陽(yáng)極傾斜角度 （短時(shí)曝光）：由于功率 p1/sin ，所以減小陽(yáng)極傾角不僅能提高圖像清晰度（因此時(shí)有效焦

13、點(diǎn)變小），而且可以提高瞬間功率。但由于傾斜角減小，相應(yīng)的照射野也縮小了，所以不能選得過小，目前一般都在 617.5 之間。旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極 X 射線管的優(yōu)點(diǎn)是在焦點(diǎn)很小時(shí)容許的短時(shí)間功率很大，但其陽(yáng)極散熱主要靠熱輻射，因此，使用時(shí)兩次曝光之間必須要有充分的間歇時(shí)間。3金屬陶瓷 X 射線管 X 射線管的燈絲在大負(fù)載時(shí)溫度甚高， 會(huì)逐漸蒸發(fā)。這不僅使燈變細(xì)，而且會(huì)導(dǎo)致 X 射線管玻璃殼內(nèi)表面形成薄薄的鎢層，易受到由陰極發(fā)射電子的轟擊而損壞。 同時(shí)這種鎢層相當(dāng)于第三電仍， 形成一個(gè)負(fù)電場(chǎng)，抑制電子的發(fā)射，限制了 X 射線管的最大管電流。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，近代研制成金屬陶瓷X 射線管。這種管子有一部分鋼制管殼

14、，位于 X 射線管的中間部分，靠近陽(yáng)極一端與玻璃殼相接；而靠近陰極一端與陶資相接。玻璃與陶瓷部分起電絕緣作用；X 射線管的金屬部分接地，以接收雜散電子。 X 射線則從鈹制成的窗口射出（因鈹對(duì)原發(fā)射線的吸收極少）。由于金屬陶瓷 X 射線管沒有玻璃殼， 便于因鎢發(fā)導(dǎo)致X 射線管損壞的危險(xiǎn)，所以可將燈絲加熱到較高溫度。這樣便可以提高X 射線管的允許負(fù)荷，并在低kV 情況下可使用較高的mA 值。為了進(jìn)一步提高 X 射線管的功率，近代還研制成一種具有極短曝光能力并可承受晚大負(fù)載有大功率 X 射線管（圖 1-11 ）。這種 X 射線管的陽(yáng)極是在兩端有軸承支撐的軸上旋轉(zhuǎn)。 它有一個(gè)直徑為 120mm 的大直

15、戲復(fù)合陽(yáng)極靶盤用錸鎢合金制成，以外面有接地的金屬殼。 焦點(diǎn)尺寸為 0.6mm2 和 1.3mm2 或 0.5mm2 和 1.8mm2 。前者靶角為 13，后者為 9。陽(yáng)極轉(zhuǎn)速為 8000r/min 。X 射線管工作時(shí)，需要使用一個(gè)外接的熱交換裝置。這種大功率 X 射線管主要用于連續(xù)射線攝影、體層攝影和電影攝影等。X（東芝旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極球管）4柵控 X 射線管 柵控 X 射線管兼有高壓開關(guān)和 X 射線管的作用。其外形與普通 X 射線管相似（圖 1-12 ），實(shí)際上并沒有一個(gè)實(shí)體的柵極。其基本原理是利用一特殊形狀的集射罩，當(dāng)集射罩加一上負(fù)偏壓（負(fù)電場(chǎng)）時(shí) ，能排斥由燈絲發(fā)射的電子，阻止電子流向靶面沖擊。

16、當(dāng)這一負(fù)電場(chǎng)消失后（加正脈沖），電子流就能向靶面沖擊，產(chǎn)生 X 射線。如果再加上負(fù)電場(chǎng)曝光即終止。負(fù)偏壓的形成和消除由限時(shí)電路控制，曝光時(shí)間長(zhǎng)短取決于除去負(fù)偏壓的時(shí)間。柵控 X 射線管可以獲得快速連續(xù)曝光，通常采用三相高壓整流電路供電。它最適用于 X 射線電影攝影，此時(shí)柵控 X 射線管所產(chǎn)生的輻射脈沖與電影攝影機(jī)中膠片的移動(dòng)同步。在電容放電式 X 射線機(jī)中，也使用柵控旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管。柵控 X 射線管通過負(fù)偏壓可以控制 X 射線管的電子流，當(dāng)負(fù)偏壓較小時(shí)，則將有部分電子飛向陽(yáng)極， 并能聚焦起來(lái)形成很窄的電子束， 以獲得很小的焦點(diǎn)，即微焦點(diǎn) X 射線管。如施加 400V 的負(fù)偏壓時(shí)可獲得 0.

17、1mm 0.1mm 的焦點(diǎn)。具有這種特殊的微焦點(diǎn) X 射線管對(duì)放大攝影來(lái)說是十分理想的。使用0.2mm 0.2mm 的焦點(diǎn)可放大 2 倍用于腹部血管造影；而用0.1mm 0.1mm 的焦點(diǎn)可放大 3 倍，可用于手足血管造影。腹部血管造影時(shí)，陽(yáng)極轉(zhuǎn)速可達(dá)17000r/min 。5軟射線鉬靶旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管在專門用來(lái)拍攝乳腺和其他軟組織的X射線機(jī)組織里，使軟射線鉬靶旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極 X 射線管。這種管子的靶用鉬制成鉬的輻射能量較低，所輻射的 X 射線波長(zhǎng)較長(zhǎng)，故稱軟 X 射線。，因此種管子的燈絲比普通 X 射線管更接近陽(yáng)極，在較低陽(yáng)極溫度時(shí)就可獲得較大的 mA 值。這是十分重要的，因在高溫時(shí)，鉬容易蒸發(fā)

18、至玻殼內(nèi)壁，吸收大量的低能 X 射線（普通鎢靶 X 射線管因 X 射線的能量較高，吸收較少，影響不大）。為了減少吸收，還采用鈹窗口。這種管子使用時(shí)加于陽(yáng)極的管電壓較低，約20kV50kV ，最大管電流約200mA 。（二）有效焦點(diǎn)與等效焦點(diǎn)從前人們一直認(rèn)為X 射線的清晰度主要取決于X 射線管有效焦點(diǎn)尺寸的大小，焦點(diǎn)越小影像越清晰。實(shí)際上，除此之外還與焦點(diǎn)面上 X 射線的輻射強(qiáng)度分布有關(guān)。在同樣有效焦點(diǎn)尺寸的情況下，高斯分布所形成的焦點(diǎn)尺寸小于有效焦點(diǎn)尺寸， 使影像顯得更清晰， 而矩形分布所形成的焦點(diǎn)尺寸一有效焦點(diǎn)尺寸相等；雙峰分布所形成的焦點(diǎn)尺寸則大于有效焦點(diǎn)尺寸，如圖 1-13 所示。這個(gè)實(shí)

19、際上起作用的焦點(diǎn)稱為 “等效焦點(diǎn) ”。它不僅包含了有效焦點(diǎn)尺寸對(duì)成像影響的信息，同時(shí)也包含焦點(diǎn)面上 X 射線輻線強(qiáng)度分布對(duì)成像影響的信息。顯然，為了減少等效焦點(diǎn)尺寸，應(yīng)當(dāng)選用高斯分布。設(shè)計(jì) X 射線管時(shí)應(yīng)注意到這一點(diǎn)。（三）焦點(diǎn)增長(zhǎng)在低 kV 高mA 時(shí)由于電子密度增大，電子間的庫(kù)侖斥力加大，使打在靶面上的實(shí)際焦點(diǎn)面積增大，即有效焦點(diǎn)面積加大， 這種現(xiàn)象稱為 “焦點(diǎn)增長(zhǎng) ”。在 40kV 情況下， mA 值由20 mA 增到 400 mA 時(shí)，焦點(diǎn)幾乎增長(zhǎng) 1.5 倍，但在 80kV 條件下基本不變化。對(duì)于 1mm2 的焦點(diǎn)，即使在 80kV 條件下， mA 值由 20 mA 增到 300 mA ，焦點(diǎn)了能增長(zhǎng) 2 倍。由此可知：（ 1）低 kV 時(shí)增長(zhǎng)快，高 kV 時(shí)增長(zhǎng)慢；（ 2）小焦點(diǎn)增長(zhǎng)快，大焦點(diǎn)增長(zhǎng)慢； （ 3）kV 值對(duì)焦點(diǎn)尺寸的增長(zhǎng)，遠(yuǎn)較