第三章 診斷用X線管-1

1第三章診斷用X線管2主要內(nèi)容固定陽極X線管旋轉(zhuǎn)陽極X線管特殊X線管3基本要求熟悉診斷用X線管的分類；掌握固定陽極X線管的結(jié)構(gòu)，尤其是陽極和陰極的具體結(jié)構(gòu)及作用；掌握X線管焦點(diǎn)相關(guān)的知識點(diǎn)。掌握旋轉(zhuǎn)陽極X線管的特點(diǎn)，重點(diǎn)掌握其陽極結(jié)構(gòu)。熟悉幾種特殊X線管的分類及特點(diǎn)。4X射線的產(chǎn)生裝置主要包括三部分：X射線管、高壓電源及低壓電源，如圖所示：5產(chǎn)生條件：有高速運(yùn)動(dòng)的電子流；有適當(dāng)?shù)恼系K物—金屬靶（鎢或鉬）。阻止電子的運(yùn)動(dòng)，將電子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為X射線的能量，就像子彈打在坦克上會發(fā)出聲音和火花一樣。管電壓：陰陽極間直流電壓，使電子具有較大動(dòng)能。管電流：陰極發(fā)射的電子在電場作用下高速流向陽極形成電流。管電流越大，產(chǎn)生的Ｘ光子就越多。6第一節(jié)固定陽極X線管一、結(jié)構(gòu)診斷用X線管中最簡單的一種，其結(jié)構(gòu)主要有陽極、陰極、玻璃殼三部分組成。7（一）陽極（annode）主要作用：阻擋高速運(yùn)動(dòng)的電子流而產(chǎn)生X線，同時(shí)將曝光時(shí)產(chǎn)生的熱量輻射或傳導(dǎo)出去；其次是吸收二次電子和散亂射線。組成：陽極頭、陽極帽、可伐圈、陽極柄。81.陽極頭組成：靶面、陽極體靶面作用：承受高速運(yùn)動(dòng)的電子束轟擊，產(chǎn)生X線（曝光）靶面材料：一般都選用鎢（Z=74），輻射Ｘ線的強(qiáng)度與靶面材料的原子序數(shù)有關(guān)。鎢的特點(diǎn)：熔點(diǎn)高（3370℃），蒸發(fā)率低，原子序數(shù)大，又有一定的機(jī)械強(qiáng)度，產(chǎn)生X線效率高。鎢的缺點(diǎn)：導(dǎo)熱率小，受電子轟擊后產(chǎn)生的熱量不能很快地傳導(dǎo)出去，為了便于散熱，常將厚度為1.5~3mm的鎢用真空熔焊的方法焊接到導(dǎo)熱率較大的無氧銅制成的陽極體上。陽極體:導(dǎo)熱率大的無氧銅，把靶面的熱量傳導(dǎo)出去9固定陽極X線管的靶面靜止不動(dòng)，高速運(yùn)動(dòng)的電子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（200W/mm2），因此固定陽極X線管的功率是有限的。高速運(yùn)動(dòng)電子轟擊靶面時(shí)，會有少量的電子從靶面反射和釋放出來，這部分電子成為二次電子。二次電子危害：其能量較大（約為原來的99%），轟擊到玻璃殼內(nèi)壁上，將使玻璃殼溫度升高而釋放氣體，降低管內(nèi)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(shí)，由于沒有經(jīng)過聚焦，將輻射出非焦點(diǎn)散射X線，使X線影像質(zhì)量降低；二次電子還會附著在玻璃壁上，造成整個(gè)管壁電位分布極不均勻，產(chǎn)生縱向應(yīng)力，易致玻璃壁損壞。102.陽極帽（陽極罩或反跳罩）位置：固定在陽極頭上，并罩在靶面的周圍作用：因它與陽極同電位，故可吸收50%~60%的二次電子，并可吸收一部分散亂射線，從而保護(hù)X線管玻璃殼并提高影響清晰度。周圍結(jié)構(gòu)：陽極帽的頭部圓口面對陰極，是高速運(yùn)動(dòng)的電子流轟擊靶面的通道；側(cè)下部圓口向外，是X線的輻射通道。有的X線管在此圓口處加上了一層金屬鈹片，其作用是吸收軟X線，降低病人皮膚劑量。113.可伐圈是陽極和玻璃殼的過渡連接部分，由4J29膨脹合金（鎳29%，鈷17%，余為鐵）圈與玻璃喇叭兩部分封焊而成。其中玻璃端與玻璃殼封接，膨脹合金端與陽極頭焊接在一起。4.陽極柄作用：固定X線管并將曝光時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去。結(jié)構(gòu)：與陽極頭的銅極相連，其管外部分浸在管套內(nèi)的變壓器油中，通過與油之間的熱傳導(dǎo)，將靶面的熱量傳導(dǎo)出去。12（二）陰極（cathode）作用：發(fā)射電子并使電子束聚焦，使轟擊在靶面上的電子束具有一定的大小、形狀。結(jié)構(gòu)：主要由燈絲、陰極頭、陰極套和玻璃芯柱等四部分組成。131、燈絲（filament）作用：發(fā)射電子，診斷用Ｘ線管的燈絲繞成螺旋管狀。材料：鎢。在高溫下具有一定的電子發(fā)射能力、熔點(diǎn)較高、延展性好、便于拉絲成形、抗張力性好、且在強(qiáng)電場下不易變形。燈絲電壓：一般為交流5~10mV、50Hz。燈絲電流：一般為2～9A，3～6A的占多數(shù)。14發(fā)射電子數(shù)量：燈絲通電后，溫度逐漸上升，到一定溫度（約2100K）后開始發(fā)射電子。對于給定的燈絲，在一定范圍內(nèi)，燈絲電壓越高，燈絲加熱電流越大，燈絲溫度就越高，燈絲發(fā)射的電子數(shù)量就越大。燈絲溫度與發(fā)射電子的數(shù)量是呈指數(shù)的非線性關(guān)系。15燈絲壽命：燈絲加熱電壓越高，燈絲溫度越高，鎢的升華越快，燈絲壽命越短。當(dāng)燈絲加熱電壓比額定值高5%時(shí)，燈絲壽命將縮短一倍。在一定的燈絲加熱電壓下，燈絲點(diǎn)燃時(shí)間越長，鎢的升華越多。為延長X線管燈絲壽命，在實(shí)際工作中，需盡可能縮短燈絲的點(diǎn)燃時(shí)間。如在攝影準(zhǔn)備時(shí)才讓燈絲由常溫加熱到攝影管電流所要求的溫度，曝光結(jié)束時(shí)，燈絲應(yīng)立即停止加熱。16燈絲結(jié)構(gòu)X線管陰極常裝有2根長短、粗細(xì)不同的燈絲：長燈絲：發(fā)射較多熱電子，形成大焦點(diǎn)；短燈絲：發(fā)射較少熱電子，形成小焦點(diǎn)。陰極一般由三根陰線：1根為公用線，其余兩根分別為大、小燈絲的引線。172、陰極頭又稱作聚焦槽、聚焦罩或集射罩，由純鎳或鐵鎳合金制成長方形槽，其作用是對燈絲發(fā)射的電子進(jìn)行聚焦。原理：燈絲發(fā)射的大量電子，在電場的作用下，高速飛向陽極，由于電子之間的相互排斥，致使電子束呈散射狀。為使電子聚焦成束狀飛向陽極，將燈絲裝入被加工成圓弧直槽或階梯直槽的陰極頭內(nèi)，燈絲的一端與其相連，兩者獲得相同的負(fù)電位，借其幾何形狀，形成一定的電位分布曲線，迫使電子呈一定的形狀和尺寸飛向陽極，達(dá)到聚焦的目的。18（三）玻璃殼又稱管殼，用來用來固定，支撐陰、陽兩極并保持管內(nèi)的真空度。材料：熔點(diǎn)高、絕緣強(qiáng)度大、膨脹系數(shù)小的鉬組硬質(zhì)玻璃。為防止X線管管內(nèi)氣體放電，保證陰極發(fā)射的電子能暢通無阻擋地高速飛向陽極，管內(nèi)的真空度應(yīng)保持在133.3×10-7Pa(10-7mmHg)以下；另外，裝入管內(nèi)的所有零件都必須經(jīng)過嚴(yán)格清洗去油和徹底除氣。19X線管壽命影像因素：燈絲：變細(xì)真空度：阻力靶面：粗糙20二、X線管的焦點(diǎn)（一）實(shí)際焦點(diǎn)定義：指燈絲發(fā)射的電子經(jīng)聚焦后在靶面上的瞬間轟擊面積。呈細(xì)長方形，也稱為線焦點(diǎn)。實(shí)際焦點(diǎn)的寬度：主要取決于聚焦罩的形狀、寬度和深度。實(shí)際焦點(diǎn)與X線管的容量關(guān)系：實(shí)際焦點(diǎn)大，可承受功率大，容量就大，可以縮短曝光時(shí)間。21主焦點(diǎn)與副焦點(diǎn)從燈絲正面發(fā)射出的電子撞擊陽極靶面形成主焦點(diǎn)；從燈絲側(cè)面發(fā)射出的電子撞擊陽極靶面形成副焦點(diǎn)；主焦點(diǎn)與副焦點(diǎn)共同形成實(shí)際焦點(diǎn)。22在電場作用下，實(shí)際焦點(diǎn)面上的電子密度分布不同，其X線輻射強(qiáng)度的分布呈單峰、雙峰甚至多峰型。在同樣焦點(diǎn)尺寸下，焦點(diǎn)中央輻射強(qiáng)度越強(qiáng)（呈高斯分布），其影像分辨力越高；其次為矩形分布；最差為雙峰分布。醫(yī)學(xué)診斷用X線管的焦點(diǎn)一般是雙峰分布。23（二）有效焦點(diǎn)定義：指實(shí)際焦點(diǎn)在X線投照方向上的投影。它對影像的清晰度影響很大，也稱為作用焦點(diǎn)。在不同X線投照方向上的大小、形狀不同。（不止一個(gè)）標(biāo)稱焦點(diǎn)：實(shí)際焦點(diǎn)在垂直于X線管長軸方向的投影。用來描述焦點(diǎn)的大小，描述方式，如：2.0mm×2.0mm。2425有效焦點(diǎn)與實(shí)際焦點(diǎn)的關(guān)系設(shè)實(shí)際焦點(diǎn)寬度為a，長度為b，則投影后的長度為bsinθ，寬度不變，即：

有效焦點(diǎn)=實(shí)際焦點(diǎn)×sinθ靶角（陽極傾角）θ：當(dāng)X線投照方向與X線管長軸方向垂直時(shí)，陽極靶面與X線投照方向上的夾角。θ不能太小，否則投照方向的Ｘ大量減少，一般為15°~20°。26（三）有效焦點(diǎn)與成像質(zhì)量有效焦點(diǎn)尺寸越小，影像清晰度就越高。減小有效焦點(diǎn)，勢必減小實(shí)際焦點(diǎn)，X線管的功率隨之減小，曝光時(shí)間需增加，這將會引起運(yùn)動(dòng)模糊。一對矛盾：減小焦點(diǎn)面積以減小幾何模糊，同時(shí)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊。解決方法：固定陽極X線管采用雙焦點(diǎn)才折中；采用旋轉(zhuǎn)陽極X線管。27（四）焦點(diǎn)的方位性使用時(shí)保證實(shí)際焦點(diǎn)中心、X線輸出窗中心、與攝影中心三點(diǎn)一線。28（五）焦點(diǎn)增脹定義：當(dāng)管電流增大時(shí)，電子束的電子數(shù)量增多，由于電子之間庫倫斥力的作用，致使焦點(diǎn)尺寸出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。管電壓的變化對焦點(diǎn)增漲大小的影響遠(yuǎn)較管電流的變化影響小29總結(jié)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低。在小型X線機(jī)、治療X線機(jī)中仍有使用。缺點(diǎn)：靶面靜止不動(dòng)，所以焦點(diǎn)尺寸大、瞬時(shí)功率小，逐漸被旋轉(zhuǎn)陽極X線管取代。30第二節(jié)旋轉(zhuǎn)陽極X線管（一）特點(diǎn)結(jié)構(gòu)：陰極、陽極、玻璃殼比較：與固定陽極X線管相比，陽極結(jié)構(gòu)明顯不同，其余差別不大313233原理：高速運(yùn)動(dòng)的電子束由偏離X線管中心軸線的陰極射出，轟擊到轉(zhuǎn)動(dòng)的靶面上。高速運(yùn)動(dòng)的電子束轟擊靶面所產(chǎn)生的熱量，被均勻的分布在轉(zhuǎn)動(dòng)的圓環(huán)面上，承受電子束轟擊的面積因陽極旋轉(zhuǎn)而大大增加，使熱量分布面積大大增加，因此可有效地提高X線管功率，并通過適當(dāng)減小實(shí)際焦點(diǎn)尺寸和靶角，以使有效焦點(diǎn)減小成為可能。特點(diǎn)：瞬時(shí)負(fù)載功率大、焦點(diǎn)小。34焦點(diǎn)是一個(gè)有一定面積的發(fā)光源。由于X線影像是由物體吸收X線后產(chǎn)生的本影和幾何原因形成的半影共同組成的。焦點(diǎn)尺寸越小，半影越小，大大提高了影像的清晰度。35（二）陽極結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)主要組成：靶面、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸和軸承。361.靶盤與靶面結(jié)構(gòu)與要求：靶盤為直徑70~150mm之間的單凸?fàn)顖A盤，其中心固定在轉(zhuǎn)軸（鉬桿）上，轉(zhuǎn)軸另一端與轉(zhuǎn)子相連。要求靶盤具有良好的運(yùn)動(dòng)平衡性；靶面具有一定的靶角，一般為6°~17.5°。純鎢制成的靶盤和靶面：熱容量較小、散熱性和抗熱漲性都比較差。其缺點(diǎn)：在交變熱負(fù)荷使用條件下，由于表面與內(nèi)層之間溫差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，容易使靶面產(chǎn)生裂紋；鎢在1100℃以上會發(fā)生再結(jié)晶，將使靶面使用不久就會出現(xiàn)表面龜裂、粗糙現(xiàn)象，致使X線管輻射X線的能力下降。37錸鎢合金做靶面，鉬或石墨做靶基，制成復(fù)合靶優(yōu)點(diǎn)：靶面晶粒細(xì)，抗熱漲性高，再結(jié)晶溫度高，使靶面龜裂、粗糙情況減輕。在相同使用條件下，曝光2萬次，錸鎢合金靶與純鎢靶進(jìn)行比較，輸出劑量分別下降13%和45%。鉬和石墨與金屬鎢相比，具有密度小、熱容量大、散熱率好等特點(diǎn)，使錸鎢合金靶重量輕、熱容量大、散熱快，有效地提高了X線管連續(xù)負(fù)荷能力，使X線管達(dá)到了50kW大功率和1.0×1.0mm小焦點(diǎn)。382.轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：由無氧銅制成，通過鉬桿與靶盤靶面連為一體，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，靶盤靶面隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。其表面黑化，熱輻射能力較強(qiáng)。旋轉(zhuǎn)陽極X線管的啟動(dòng)電機(jī)與小型單向異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理相似，只是轉(zhuǎn)子裝在X線管的玻璃殼內(nèi)，而定子線圈裝在X線管玻璃殼的外面。轉(zhuǎn)軸裝入無氧銅或純鐵制成的軸承套中，兩端各裝一只軸承。39+-轉(zhuǎn)子定子旋轉(zhuǎn)陽極40轉(zhuǎn)速：N=60F/P，低速（2700r/min,f=50Hz）,高速（8500r/min,f=150Hz）陽極轉(zhuǎn)速越高，單位時(shí)間內(nèi)承受高速運(yùn)動(dòng)的電子束轟擊的圓環(huán)面積越大，X線管的功率就越大。額定轉(zhuǎn)速曝光：旋轉(zhuǎn)陽極X線管的X線機(jī)均設(shè)有旋轉(zhuǎn)陽極啟動(dòng)、延時(shí)、保護(hù)電路。制動(dòng)：慣性導(dǎo)致靜轉(zhuǎn)（靜轉(zhuǎn)時(shí)間：從切斷啟動(dòng)電機(jī)電子電源開始到轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)所用的時(shí)間），制造噪聲且磨損軸承，縮短X線管的壽命。在曝光結(jié)束后對旋轉(zhuǎn)陽極進(jìn)行制動(dòng)。413.軸承與軸承的潤滑軸承由耐熱合金鋼制成，可以承受較高的工作溫度（約400℃），但不能超過460℃。少量由陽極靶面?zhèn)鲗?dǎo)過來的熱量則大部分通過轉(zhuǎn)子表面輻射出去。旋轉(zhuǎn)陽極X線管，依靠熱輻射進(jìn)行散熱，散熱效率低，連續(xù)負(fù)荷后陽極熱量急劇增加，靶盤溫度不斷上升，先進(jìn)X線機(jī)的X線管裝置內(nèi)設(shè)有溫度限制保護(hù)裝置，對X線管給予相應(yīng)的保護(hù)。固定陽極X線管的散熱方式：熱傳導(dǎo)。軸承的潤滑劑大都選用固體潤滑材料，如二氧化鉬、銀、鉛等。42第三節(jié)特殊X線管金屬陶瓷大功率X線管三極X線管軟X線管CT用X線管43一、金屬陶瓷大功率X線管問題：用玻璃殼制成的普通X線管，在進(jìn)行連續(xù)大負(fù)載攝影時(shí)，隨著X線管使用時(shí)間的增長，燈絲和陽極靶面龜裂邊緣處的鎢升華，會使玻璃殼內(nèi)壁形成黑色的鎢沉積層，鎢沉積層可與陽極相連形成第二陽極，致使一部分高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊玻璃殼而使其擊穿。44結(jié)構(gòu)：金屬陶瓷大功率X線管的燈絲和陽極靶面與普通旋轉(zhuǎn)陽極X線管相似，只是玻璃殼改為金屬和陶瓷組合而成。金屬部分位于X線管中間部位并接地，以吸收二次電子，對準(zhǔn)焦點(diǎn)處開有鈹窗以使X線通過。金屬靠近陰極一端嵌入陶瓷內(nèi)，采用鈮過度，用銅焊接。金屬靠近陽極一端嵌入玻璃殼中。玻璃與陶瓷部分起到絕緣作用。4546二、三極管結(jié)構(gòu)：三級X線管在普通X線管的陽極與陰極之間加了一個(gè)控制柵極，故又稱柵控X線管。三級X線管的其他部分與普通X線管類似，只是陰極的結(jié)構(gòu)比較特殊。在聚焦槽中裝有燈絲，燈絲前面有柵極，燈絲與聚焦極之間相互絕緣，柵極電位就加在燈絲和聚焦極之間。47聚焦極48控制原理：當(dāng)柵極對陰極加一個(gè)負(fù)電壓（-2~-5kV）或負(fù)脈沖電壓時(shí)，可使陰極發(fā)射的熱電子完全飛不到陽極上，形不成管電流，不會產(chǎn)生X線。當(dāng)負(fù)電壓或負(fù)脈沖消失時(shí)，陰極發(fā)射的熱電子在陽極與陰極的強(qiáng)電場作用下飛向陽極，形成管電流，產(chǎn)生X線。由于脈沖電壓信號無機(jī)械慣性延遲，控制靈敏，因此可實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)X線攝影，攝影頻率可達(dá)200幀/秒。49微焦點(diǎn)X線管的工作原理：三級X線管有時(shí)還可以