X線發(fā)生裝置和基本性質

1、X線發(fā)生裝置和基本性質 第一節(jié) X射線產(chǎn)生原理及性質 第二節(jié) X線管 第三節(jié) 高壓發(fā)生器 第四節(jié) 控制臺 第一節(jié) X射線產(chǎn)生原理及性質X射線產(chǎn)生原理電子源；高壓電場及真空；適當?shù)淖钃跷?金屬靶面)來承受高速電子的能量，使高速電子所帶的動能轉變成X線。X射線的基本性質波長很短的不可見電磁波穿透作用 能量大，能穿透一般光線不能穿透的物質，包括人體熒光作用 熒光屏、增感屏、影像增強器的輸入屏感光作用電離作用 電離室、正比計數(shù)管、蓋革彌勒計數(shù)管X射線的質 X射線的質是指X射線能量的大小，可用X線管的管電壓來描述X射線的質，單位為kV。X射線的量 X射線的量是指單位時間內通過X射線入射方向的垂直的單位面

2、積內的X射線光子數(shù)的多少。通常用管電流 I (mA)和曝光時間t(s)的乘積來描述。即毫安秒(mAs)。 X-Ray質- 由KV 決定，高KV質高，低KV質低， 代表X線的穿透力(對比度)。 X-Ray量 - 由mA(X線量)和s(曝光時間) 決定 表明曝光總量(黑化度)。質和量對膠片曝光的影響X射線與物質相互作用A) 光電吸收：物質原子完全吸收光子能量，原子中的電子被高速轟出，原子被電離；B) 康普頓散射：物質原子部分吸收光子能量，入射X射線以較低的能量射出，同時還有高速電子，原子同樣被電離；X射線與人體相互作用X射線強度隨入射深度呈指數(shù)衰減；與物質密度有關，密度越大，對X射線衰減越多，如骨

3、骼中的鈣和磷等，對X射線吸收較多，而肌肉中含有的氫、碳和氧等對X射線吸收較少。碘、鋇通常用作造影劑。與X射線能量有關，能量越大，被吸收和散射的越少，穿透力越強。能量不同70,000 V110,000 V當X射線穿出人體。拍胸片時，只有約1%的X射線穿出人體；散射射線的危害：形成噪聲并顯著降低圖像對比度；膠片感光，為什么到達膠片的射線越多，沖洗之后的膠片越黑？加與不加濾線柵返回什么使膠片發(fā)黑？X射線對人體的影響劑量與危害X射線對人體X射線撞擊原子，使其電離，被轟電子又有可能撞擊其他原子，單個光子可能造成成百上千個生物分子電離；被電離的分子，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能發(fā)生化學反應；DNA是細胞增殖、遺傳

4、的物質基礎，是引起細胞生化、生理改變的關鍵性物質； 若受損DNA還能自我復制，則可能形成腫瘤或白血??；若卵細胞或精子受損，則他們的后代可能異常；若胎兒的DNA受損，則發(fā)育畸形。第二節(jié) X線管固定陽極X線管旋轉陽極X線管特殊X線管球管參數(shù)管套陽極柄陰極燈絲真空玻璃管焦點固定陽極X線管陽極靶面 一般用鎢制成。 優(yōu)點：熔點高3370度；高溫下，蒸汽壓低，蒸發(fā)少，可延長X線管的使用壽命。 缺點：導熱率小，熱量不能很快傳導。需通過真空熔焊把鎢靶焊接在無氧銅體上，以增強靶面的散熱。 固定陽極X線管的靶面靜止不動，高速運動的電子流總是轟擊在靶面固定的同一位置上。由于單位面積上所承受的最大功率是一定的（200

5、W/mm2），所以固定陽極線管的功率是有限的。二次電子高速運動的電子流轟擊靶面時，會有少量的電子從靶面反射和釋放出來，這部分電子稱為二次電子。二次電子有害無益，其能量較大（約為原能量的99%），轟擊到玻璃殼內壁上，將使玻璃殼溫度升高而釋放氣體，降低管內真空度或使玻璃殼擊穿；二次電子再次被陽極吸引轟擊到靶面上時，由于沒有經(jīng)過聚焦，將輻射出非焦點散射線，使線影像質量下降。陽極帽陽極帽固定在陽極上，并罩在靶面的四周，與陽極同電位，故可吸收50%60%的二次電子，并可吸收一部分散射線，從而保護線管并提高影像質量。陽極柄陽極柄固定線管并將曝光時產(chǎn)生的熱量傳導出去。它與陽極頭的銅體相連，其管外部分浸在油中

6、，通過與油之間的熱傳導，將靶面的熱量傳導出去。燈絲由鎢制成（發(fā)射電子能力強、高溫下不易蒸發(fā)、良好的延展性、容易加工成細絲），其作用是輻射熱電子。燈絲通電后，溫度逐漸升高，到一定溫度（約2100K）后開始輻射熱電子。 燈絲發(fā)射電流與溫度有關，溫度低于2400K時，隨著溫度升高，發(fā)射電流增加較慢；溫度高于2400K時，燈絲溫度稍提高一點，發(fā)射電流即增加很多。陰極固定陽極X線管的陰極結構 燈絲點燃時間越長，工作溫度越高，鎢的蒸發(fā)越快，燈絲壽命越短?？s短燈絲的點燃時間可延長燈絲的壽命。如果燈絲電流比額定值升高5%，燈絲壽命縮短一半，所以燈絲加熱電流應嚴格限制在額定值以下，同時應盡量縮短高溫點燃時間。陰

7、極頭 對燈絲發(fā)射電子進行聚焦。將燈絲裝入一個用鎳或鐵鎳合金等制成的長方形罩中，該罩稱集射罩。集射罩具有與燈絲相同的負電位，并借其幾何形狀，達到聚焦目的。實際焦點與有效焦點對X線成像質量影響最大的因素之一就是X線管的焦點。實際焦點-燈絲輻射的熱電子在靶面上的轟擊面積。有效焦點-實際焦點在X線投照方向上的投影。實際焦點與有效焦點的關系 設實際焦點寬為a，長為b，則投影后寬度不變，長度為bsin ，即有效焦點實際焦點sin 表示陽極靶面與線投照方向的夾角。一般固定陽極線管的靶角為1520度減小有效焦點面積可通過減小靶角來實現(xiàn)，但靶角太小，由于線輻射強度分布的變化，投照方向的線量將大大減少。焦點大小對

8、影像清晰度的影響 X-Ray焦點- 有效焦點愈小, 影像清晰度越高，圖像銳利度越好。有效焦點與成像質量 有效焦點尺寸越小，影像清晰度越高。減小有效焦點，勢必減小實際焦點，線管的功率隨之減小，要達到相同的曝光程度，則曝光時間需增加，這將會引起運動模糊?？梢?，對于固定陽極線管，減小焦點面積以提高清晰度和增大線管功率以縮短曝光時間、減小運動模糊是一對矛盾。小焦點-影像清晰。但是焦點越小，在焦點上集聚的能量越高，產(chǎn)生的熱量也就越高。因為只有約%的電能轉化為X射線的能量，99%以上的能量轉化為熱能。最終將導致焦點面熔化。解決辦法：雙焦點技術、旋轉陽極技術和水或油循環(huán)冷卻技術焦點小會產(chǎn)生什么問題？雙焦點技

9、術功率較大的線管為了協(xié)調不同功率與焦點的關系，陰極裝有兩根長短和粗細都不同的燈絲，長的燈絲加熱電壓高，輻射熱電子多，形成大焦點；短的燈絲加熱電壓低，輻射熱電子少，形成小焦點，這種線管稱為雙焦點線管。在透視時使用小焦點在攝影時使用大焦點高 壓正KV負KV大焦燈絲小焦燈絲大焦燈絲變壓器小焦燈絲變壓器CLCCS陽極雙焦點技術透視 管電流小，5mA，時間長（幾分鐘），圖像追求動態(tài)特性，觀察活動臟器，對圖像分辨率要求低攝影管電流301000mA，時間短，1S固定陽極線管優(yōu)缺點優(yōu)點結構簡單、價格低缺點焦點尺寸大、瞬時負載功率小在小型線發(fā)生裝置中仍被采用旋轉陽極技術 通過陽極旋轉來擴大焦點面積，提高球管的散

10、熱率，從而提高球管的功率。旋轉陽極球管旋轉陽極球管的靶面旋轉速率有2700rpm、8500rpm(3倍頻)，甚至16000rpm(6倍頻)。旋轉陽極線管較好地解決了提高功率和縮小焦點之間的矛盾，其最大優(yōu)點是瞬時負載功率大、焦點小。功率多為2050kW，高者可達150kW，是固定陽極線管的59倍。有效焦點為12mm，從而大大提高了影像清晰度。旋轉陽極實驗裝置金屬殼旋轉陽極球管靶面與靶盤靶盤直徑70150mm鎢制成表面龜裂、粗糙，輻射線能力下降 表面與內層間溫差產(chǎn)生熱應力，靶面產(chǎn)生裂紋；鎢在1100度以上發(fā)生再結晶，表面龜裂錸鎢合金靶面，鉬或石墨靶基表面龜裂、粗糙減輕，熱容量大，有效提高線管連續(xù)負

11、荷能力（50kW，1*1mm焦點） 錸鎢合金靶面晶粒變細，抗熱脹性提高，再結晶溫度上升靶面上開細膨脹縫，消除機械應力，減輕龜裂散熱與溫度保護旋轉陽極線管與固定陽極線管的散熱方式不同，靶面受高速運動電子流轟擊所產(chǎn)生的巨大熱量主要依靠熱輻射進行散熱，散熱效率低，連續(xù)負載后陽極熱量急劇增加，靶盤溫度不斷上升。為防止由此造成的線管損壞，有些線機的線管裝置內設有溫度限制保護裝置，以保護線管。水或油循環(huán)冷卻技術真空 油在CT中使用油循環(huán)X線管在心血管造影X線機中使用水循環(huán)X線球管特殊線管金屬陶瓷大功率線管三極線管軟線管用線管金屬陶瓷大功率線管玻璃球殼線管缺點用硬質玻璃制成的線管，隨著線管使用時間增長，由于

12、燈絲蒸發(fā)和陽極靶面龜裂處鎢蒸發(fā)，會使玻璃殼內壁附著一層金屬鎢的沉積物，沉積層與陽極相連形成第二陽極，致使一部分高速運動電子轟擊玻璃殼使其侵蝕，最終導致玻璃殼擊穿，線管損壞。金屬陶瓷大功率線管將玻璃殼改為由金屬和陶瓷組合而成。金屬部分位于線管中間并接地，以吸收二次電子，焦點處開有鈹窗以使線通過。金屬靠近陰極一端嵌入陶瓷內，金屬靠近陽極一端嵌入玻璃殼中。玻璃與陶瓷部分起絕緣作用解決了普通線管由于管壁擊穿而損壞的問題，可將燈絲加熱到較高溫度，以提高線管的負荷。柵控線管柵控線管是在普通線管的陽極和陰極之間加了一個控制柵極。柵控X線管的陰極結構柵控X線管控制原理 當柵極對陰極加一個負電壓（-2-5kV）

13、或負脈沖電壓時，陰極發(fā)射的熱電子完全飛不到陽極上，不產(chǎn)生線。負電壓或負脈沖電壓消失時，產(chǎn)生線。由于脈沖電壓信號無機械慣性延時，控制靈敏，因此可實現(xiàn)快速連續(xù)線攝影，攝影頻率可達200幀/秒。柵控X線管可制成沒有實體柵極而有特殊形狀的聚焦杯。負偏壓較低時，一部分電子飛向陽極，聚焦形成窄電子流，獲得很小的焦點，即微焦點（可獲得的微焦點）。微焦點線管常用于放大線攝影。柵控X線管瞬時曝光時間臨界值為1ms，燈絲發(fā)射特性差，不能產(chǎn)生大的管電流，不適用于大功率線機，主要應用于線電影攝影、線電視。焦點，腹部血管造影放大2倍；焦點，手、足血管造影放大3倍軟線管對乳房等軟組織線攝影時，普通線管得不到滿意效果。為提

14、高線影像的對比度，須用大劑量軟線。軟組織攝影最適宜波長為，軟線管可輻射出波長為和的特征線。攝影時主要利用鉬靶輻射的特征線。鉬靶輻射線波譜軟線管特點線輸出窗的固有過濾?。ㄢ敶埃?；低管電壓時能產(chǎn)生大管電流；焦點小鉬片過濾 對以下線強烈選擇吸收，吸收以上較軟線用線管管電流100600 mA管電壓100140 kV掃描時間0.57 S主要參數(shù)通常掃描一層圖像需數(shù)百mAS，為了滿足診斷需要，要連續(xù)數(shù)十層掃描，故用線管要有大的熱容量。所以管結構、靶面材料、燈絲熱變形系數(shù)、旋轉軸承的自由膨脹系數(shù)、高溫下的真空保持等，都要求有特殊的工藝措施才能保證在上述嚴格條件下正常運轉。靶面采用新型復合靶結構，大體積石墨基

15、以增大熱容量，外殼多為金屬或陶瓷材料，配有油循環(huán)系統(tǒng)以盡快散熱。管電壓(KV)管電流(mA)曝光時間(S)熱容量X射線陽極陰極燈絲變壓器高壓變壓器管電壓管電流X線管的參數(shù)熱容量 曝光時陽極靶面產(chǎn)生大量的熱，同時伴隨冷卻，如果生熱快，散熱慢，則陽極將積累熱量。陽極積累的熱量越多，冷卻速度越大。X線管處于最大冷卻率時，允許承受的最大熱量稱為熱容量。 熱容量的單位除了焦耳（J）外，還使用熱單位（heat unit, HU）。1J=1kV(有效值)*1mA (有效值) *1s 1HU=1kV(峰值)*1mA (平均值) *1s單相全波整流情況下，換算關系：熱容量1功率熱量熱容量散熱率熱容量2功率每次曝

16、光產(chǎn)生的熱量熱容量散熱率線管真空度檢驗冷高壓試驗線管燈絲不加熱，兩極間加高壓如有輝光，且強度隨管電壓增加而增強，說明該線管的真空度不良；如在較低千伏試驗時，管內就充滿輝光，說明此管已嚴重含氣，不能使用。影響線管壽命的因素燈絲燈絲電壓升高5%，發(fā)射量增大50%，壽命減少一半；電壓降低5%，壽命延長一倍。當燈絲截面積由于蒸發(fā)減少10%，燈絲就有燒斷可能。陽極靶面被打得凹凸不平或局部融化均會造成輸出量急劇下降，即報廢。超負荷使用會縮短線管的壽命。負荷為正常的110%時，線管壽命只有60%，如果負荷只用到80%，線管壽命可能達到300%。圖像質量受X線管的管電壓影響，電壓越高，X射線能量越大，對比度越

17、低；受濾線柵影響，不加濾線柵，則對比度低；受膠片盒里熒光物質厚度影響，越厚，則分辨率越低；病人移動，則（分辨率低）圖像模糊；X射線焦點越大，則（分辨率低）圖像越模糊。三大權衡（trade-off）X線管電壓低，則對比度好，但病人吃線多；高，則對比度差，病人吃線少；使用濾線柵，則去除散射，圖像對比度高，但病人吃線多；不使用，則圖像對比度差，病人吃線少；膠片盒中熒光物質越厚，則吸收的X射線越多，需要的劑量越少，但對比度越差；越薄，則吸收的X射線越少，需要的劑量多，但對比度好；在允許的條件下，以降低劑量為優(yōu)先。第三節(jié) 高壓發(fā)生器高壓變壓器燈絲變壓器高壓整流器高壓電纜、高壓插頭及插座高壓交換閘高壓發(fā)生

18、器高壓發(fā)生器外形高壓發(fā)生器內部結構高壓變壓器結構燈絲變壓器結構高壓整流器 將高壓變壓器輸出的交流高壓變?yōu)橹绷鞲邏旱碾娮釉，F(xiàn)代線機的高壓整流器都采用半導體整流器，應用最廣泛的是高壓硅堆。由許多單晶硅做成的二極管用銀絲串聯(lián)而成。它具有體積小、機械強度高、絕緣性好、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。使用時要浸入油中，油溫不超過70度。高壓電纜的構造高壓電纜的構造高壓電纜的插頭、插座高壓交換閘在大、中型診斷線機中，多備有兩個或兩個以上線管，以一機多用。多個線管共用一個高壓發(fā)生器，需高壓交換閘切換。繼電器式、電動機式第四節(jié) 控制臺控制臺必須滿足線管產(chǎn)生線的下列基本要求可調管電流（調節(jié)燈絲加熱電壓）可調管電壓（

19、控制線質）可調曝光時間X線管空間電荷補償燈絲發(fā)射的部分熱電子滯留于燈絲表面，稱空間電荷。隨管電壓增加，由于空間電荷管電流也增加，稱為空間電荷效應。 P81圖為保證管電流的準確性，隨著管電壓增加，適當降低燈絲加熱電壓，使管電流保持不變，稱X線管空間電荷補償。自動曝光控時在線通過被照物體后，以達到膠片上所需的感光劑量來決定曝光時間。感光劑量滿足后，自動切斷高壓，結束曝光。分光電和電離室自動曝光控時。電離室自動曝光控時電離室在兩個金屬板平行電極上加直流高壓，中間為氣體。線照射時，氣體被電離，離子在強電場作用下形成電流，電流大小與線輻射強度成正比。當線輻射強度大時，電離電流大，曝光時間短；線輻射強度小時，電離電流小，曝光時間自動延長。旋轉陽極啟動、延時與保護旋轉陽極線管的功率是基于陽極轉速達到額定值時的功率。如在未達到轉速時曝光，將會造成線管的靶面融化損壞。(旋轉速度檢測電路)中、大型線機一般均配備旋轉陽極剎車裝置，剎車裝置一旦損壞，絕對不能啟動線機?？焖賳?。曝光前幾秒內將轉動慣量很大的轉子系統(tǒng)由靜止達到額定轉速。要求機械強度好，能承受大的角加速度。大的啟動電流。延時裝置。在陽極達到額定轉速后