X线管

1第三章医用诊断X线管2前文回顾X射线谱连续Ｘ射线谱韧致辐射标识X射线谱原子内层出现空位3前文回顾X射线技术的发展射线管、高压发生、检测部分；X射线机系统的构成与原理发生装置、成像装置、辅助装置；主要参数和性能指标管电压电流、焦点、热容量、分辨率…发展趋势数字化、高频化…4主要内容1、X线管的作用和分类2、固定阳极球管的结构、特点和功能3、旋转阳极球管的结构、特点和功能4、特殊X线管的结构特点和应用5、X线管的基本特性6、X线管的检验和使用5一、X线管的作用与分类X线管的作用：产生并输出X射线X线机的心脏6分类：诊断用X线管：–透视、摄影–焦点小，功率大、散热器散热治疗用X线管：–浅表治疗、深层治疗–大焦点、长时间曝光、风冷水冷或油冷一、X线管的作用与分类阳极柄阴极灯丝真空玻璃管焦点二、固定阳极射线管7阳极靶面一般用钨制成。优点：熔点高—3370度；高温下，蒸汽压低，蒸发少，可延长X线管的使用寿命。缺点：导热率小，热量不能很快传导。需通过真空熔焊把钨靶焊接在无氧铜体上，以增强靶面的散热。8固定阳极X线管的靶面静止不动，高速运动的电子流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），所以固定阳极Ｘ线管的功率是有限的。9二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。二次电子有害无益，其能量较大（约为原能量的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线影像质量下降。10阳极帽阳极帽固定在阳极上，并罩在靶面的四周，与阳极同电位，故可吸收50%~60%的二次电子，并可吸收一部分散射Ｘ线，从而保护Ｘ线管并提高影像质量。11阳极柄阳极柄固定Ｘ线管并将曝光时产生的热量传导出去。它与阳极头的铜体相连，其管外部分浸在油中，通过与油之间的热传导，将靶面的热量传导出去。12阴极固定阳极X线管的阴极结构13灯丝由钨制成（发射电子能力强、高温下不易蒸发、良好的延展性、容易加工成细丝），其作用是辐射热电子。灯丝通电后，温度逐渐升高，到一定温度（约2100K）后开始辐射热电子。灯丝发射电流与温度有关，温度低于2400K时，随着温度升高，发射电流增加较慢；温度高于2400K时，灯丝温度稍提高一点，发射电流即增加很多。14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。缩短灯丝的点燃时间可延长灯丝的寿命。如果灯丝电流比额定值升高5%，灯丝寿命缩短一半，所以灯丝加热电流应严格限制在额定值以下，同时应尽量缩短高温点燃时间。15阴极头对灯丝发射电子进行聚焦。将灯丝装入一个用镍或铁镍合金等制成的长方形罩中，该罩称集射罩。集射罩具有与灯丝相同的负电位，并借其几何形状，达到聚焦目的。16实际焦点与有效焦点对X线成像质量影响最大的因素之一就是X线管的焦点。实际焦点---灯丝辐射的热电子在靶面上的轰击面积。有效焦点---实际焦点在X线投照方向上的投影。17实际焦点与有效焦点的关系设实际焦点宽为a，长为b，则投影后宽度不变，长度为bsin，即有效焦点＝实际焦点＊sin表示阳极靶面与Ｘ线投照方向的夹角。一般固定阳极Ｘ线管的靶角为15～20度减小有效焦点面积可通过减小靶角来实现，但靶角太小，由于Ｘ线辐射强度分布的变化，投照方向的Ｘ线量将大大减少。18焦点大小对影像清晰度的影响X-Ray焦点---有效焦点愈小,影像清晰度越高，图像锐利度越好。1920焦点的方向性投影方位愈靠近阳极，Q角愈小，有效焦点愈小；愈靠近阴极，Q角愈大，有效焦点愈大。（2）若投影方向偏离管轴线和电子入射方向组成的平面，有效焦点的形状还会出现失真，故应使X线中心线对准影像中心即保持实际焦点中心、X线输出窗中心、投影中心三点一线（1）焦点尺寸同投影方向有关由于X线呈锥形辐射，故21焦点增涨有效焦点的尺寸同kV和mA有关：kV增大，S有稍大（克服电子斥力）mA增大，S有明显增大（增加热电子）焦点增涨：kV一定，mA增大，S有明显增加（低压时较明显）有效焦点与成像质量有效焦点尺寸越小，影像清晰度越高。减小有效焦点，势必减小实际焦点，Ｘ线管的功率随之减小，要达到相同的曝光程度，则曝光时间需增加，这将会引起运动模糊。可见，对于固定阳极Ｘ线管，减小焦点面积以提高清晰度和增大Ｘ线管功率以缩短曝光时间、减小运动模糊是一对矛盾。22焦点伴影越小，“图像”越锐利23小焦点---影像清晰。但是焦点越小，在焦点上集聚的能量越高，产生的热量也就越高。因为只有约１%的电能转化为X射线的能量，99%以上的能量转化为热能。最终将导致焦点面熔化。解决办法：双焦点技术、旋转阳极技术和水或油循环冷却技术焦点小会产生什么问题？24双焦点技术功率较大的Ｘ线管为了协调不同功率与焦点的关系，阴极装有两根长短和粗细都不同的灯丝，长的灯丝加热电压高，辐射热电子多，形成大焦点；短的灯丝加热电压低，辐射热电子少，形成小焦点，这种Ｘ线管称为双焦点Ｘ线管。25在透视时使用小焦点在摄影时使用大焦点高压正KV负KV大焦灯丝小焦灯丝大焦灯丝变压器小焦灯丝变压器CLCCS阳极双焦点技术26透视管电流小，＜5mA，时间长（几分钟），图像追求动态特性，观察活动脏器，对图像分辨率要求低摄影管电流30~1000mA，时间短，1S27固定阳极Ｘ线管优缺点优点结构简单、价格低缺点焦点尺寸大、瞬时负载功率小在小型Ｘ线发生装置中仍被采用28三、旋转阳极射线管通过阳极旋转来扩大焦点面积，提高球管的散热率，从而提高球管的功率。旋转阳极球管旋转阳极球管的靶面旋转速率有2700rpm、8500rpm(3倍频)，甚至16000rpm(6倍频)。2930（一）旋转阳极X线管的特性1、特点：偏阴极、阳极靶面高速旋转2、优点：瞬时功率大、焦点小31（二）旋转阳极X线管的组成1、组成：阳极、（偏）阴极和玻璃壳2、阳极：靶面、转子、轴承和定子3、镶在钼基或石墨基上的铼钨合金靶：（1）晶粒细，抗热胀性好，再结晶温度高，不易龟裂（2）X线辐射率下降较慢(13%vs45%)（3）热容量大大提高－－－－取代纯钨靶32启动原理：类似单相异步（鼠笼式）电动机转子转速：n功率：P=K（nd）1/2n↗，P↗（中频机）阳极制动：减少空转磨损高速管－避开临界转速低速管－通过静转时间反映轴承磨损度轴承：耐热合金钢制成，耐高温轴承的润滑：固体润滑材料，二硫化钼、银、铅需配有启动、延时、降压、制动、保护电路4、旋转阳极X线管各要素旋转阳极Ｘ线管较好地解决了提高功率和缩小焦点之间的矛盾，其最大优点是瞬时负载功率大、焦点小。功率多为20~50kW，高者可达150kW，是固定阳极Ｘ线管的5~9倍。有效焦点为1~2mm，从而大大提高了影像清晰度。33旋转阳极实验装置金属壳旋转阳极球管34靶面与靶盘靶盘直径70~150mm钨制成——表面龟裂、粗糙，辐射Ｘ线能力下降表面与内层间温差产生热应力，靶面产生裂纹；钨在1100度以上发生再结晶，表面龟裂铼钨合金靶面，钼或石墨靶基——表面龟裂、粗糙减轻，热容量大，有效提高Ｘ线管连续负荷能力（50kW，1*1mm焦点）铼钨合金靶面晶粒变细，抗热胀性提高，再结晶温度上升靶面上开细膨胀缝，消除机械应力，减轻龟裂35散热与温度保护旋转阳极Ｘ线管与固定阳极Ｘ线管的散热方式不同，靶面受高速运动电子流轰击所产生的巨大热量主要依靠热辐射进行散热，散热效率低，连续负载后阳极热量急剧增加，靶盘温度不断上升。为防止由此造成的Ｘ线管损坏，有些Ｘ线机的Ｘ线管装置内设有温度限制保护装置，以保护Ｘ线管。3637X线球管散热方式1、固定阳极X线管：热传导2、旋转阳极X线管：热辐射－黑化转子表面，增大热辐射－曝光间隔较长，保证热辐射水或油循环冷却技术真空油在CT中使用油循环X线管在心血管造影X线机中使用水循环X线球管38四、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3940大功率X线管共性：靶面直径大（120mm）d↗P↗转速高n↗P↗靶角小（9°～14°）–S有一定时，Q↘，S实↗，P↗与热交换器配合使用油冷－－用于大负载短时间曝光金属陶瓷大功率Ｘ线管4142（一）金属陶瓷大功率X线管1、金属外壳代替玻璃外壳：加大强度2、陶瓷电极支座：提高绝缘性能3、液态金属代替轴承：增加热传导，提高冷却能力4、热容量达5.2MHU以上，且能在1秒内快速启动－－用于连续摄影、断层摄影、电影摄影等玻璃球壳Ｘ线管缺点用硬质玻璃制成的Ｘ线管，随着Ｘ线管使用时间增长，由于灯丝蒸发和阳极靶面龟裂处钨蒸发，会使玻璃壳内壁附着一层金属钨的沉积物，沉积层与阳极相连形成第二阳极，致使一部分高速运动电子轰击玻璃壳使其侵蚀，最终导致玻璃壳击穿，Ｘ线管损坏。43金属陶瓷大功率Ｘ线管将玻璃壳改为由金属和陶瓷组合而成。金属部分位于Ｘ线管中间并接地，以吸收二次电子，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，金属靠近阳极一端嵌入玻璃壳中。玻璃与陶瓷部分起绝缘作用．解决了普通Ｘ线管由于管壁击穿而损坏的问题，可将灯丝加热到较高温度，以提高Ｘ线管的负荷。4445（二）双轴承X线管双轴承设计：提高旋转阳极的转速及牢固程度，球管的寿命和散热速度大大提高，热容量提高。46（三）单极X线管采用单极设计：阴极接负高压，而阳极和球管的金属外壳接地大大提高球管的寿命和散热速度，提高热容量。47（四）电子束控金属球管又称Straton球管，由SIMENS公司发明481、结构原理阳极和阴极固定在旋转轴上，直接浸泡在绝缘油中；球管工作时，马达带动整个球管旋转；阳极直接背靠在管壁上，故极易散热；冷却油通过进出循环将热量直接带走。492、偏转线圈目的：使电子束打到阳极适当的位置，轰击靶面而产生X线，形成飞焦点。原理：由于采用先进的电磁控制系统进行X线聚焦，即在偏转线圈上加上一定的控制信号，达到改变焦点位置的目的，实现飞焦点。作用：高速电子均匀轰击阳极靶面，实际焦点面增大，球管功率得到大幅提升。503、电子束控金属球管的优点（1）阳极直接冷却，且冷却效率极高（5MHU/min），阳极上不再有热积累。（2）阳极热容量近于零（0兆球管），即使在最大负荷条件下，球管也可即时冷却。可行快速不间断曝光。（3）阳极和内置球管组件要比常规球管小得多，球管寿命大大延长，成本降低。（五）栅控Ｘ线管栅控Ｘ线管是在普通Ｘ线管的阳极和阴极之间加了一个控制栅极。栅控X线管的阴极结构栅控X线管控制原理51当栅极对阴极加一个负电压（-2~-5kV）或负脉冲电压时，阴极发射的热电子完全飞不到阳极上，不产生Ｘ线。负电压或负脉冲电压消失时，产生Ｘ线。由于脉冲电压信号无机械惯性延时，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。52栅控X线管可制成没有实体栅极而有特殊形状的聚焦杯。负偏压较低时，一部分电子飞向阳极，聚焦形成窄电子流，获得很小的焦点，即微焦点（可获得0.1*0.1mm的微焦点）。微焦点Ｘ线管常用于放大Ｘ线摄影。栅控X线管瞬时曝光时间临界值为1ms，灯丝发射特性差，不能产生大的管电流，不适用于大功率Ｘ线机，主要应用于Ｘ线电影摄影、Ｘ线电视。53（六）软Ｘ线管对乳房等软组织Ｘ线摄影时，普通Ｘ线管得不到满意效果。为提高Ｘ线影像的对比度，须用大剂量软Ｘ线。软组织摄影最适宜波长为0.06~0.09nm，软Ｘ线管可辐射出波长为0.063nm和0.07nm的特征Ｘ线。摄影时主要利用钼靶辐射的特征Ｘ线。钼靶辐射Ｘ线波谱54软Ｘ线管特点Ｘ线输出窗的固有过滤小（铍窗）；低管电压时能产生大管电流；焦点小0.03mm钼片过滤对0.063nm以下Ｘ线强烈选择吸收，吸收0.07nm以上较软Ｘ线55（七）ＣＴ用Ｘ线管管电流100~600mA管电压100~140kV扫描时间0.5~7S主要参数56通常ＣＴ扫描一层图像需数百mAS，为了满足诊断需要，要连续数十层扫描，故ＣＴ用Ｘ线管要