第二章医用诊断X线管1

1•Ｘ射线管～核心部件。•X线管是X线机将电能转化为X线能量、产生X线的直接元件。•本章主要介绍医用诊断X线管的结构、特性、使用等知识，对特殊X线管作简要介绍。第一节固定阳极X线管第二节旋转阳极X线管第三节X线管的规格与特性第一节固定阳极X线管固定阳极X线管由阳极、阴极和玻璃管壳三部分组成。一、构造（一）阳极阳极由阳极头、阳极柄、阳极罩三部分组成。阳极的作用有：①加高压，吸引和加速阴极电子高速撞击靶面产生X线。②将热量经阳极柄传导出去。③吸收二次电子和散乱射线。1．阳极头阳极头由钨靶面和铜体组成。靶面承受阴极电子的轰击，产生X线。靶面材料一般选用熔点高、原子序数大、蒸发率低的钨制成，故称钨靶面。但钨的导热率低，因此把钨靶面熔焊在导热系数大的无氧铜铜体上。2．阳极柄阳极柄是阳极引出管外的部分，它由普通铜（紫铜）制成，浸泡在高压绝缘油中。它的作用是将阳极头的热量传导到高压绝缘油中。3．阳极罩阳极罩又名阳极帽，用含有一定比例钨的无氧铜制成。阳极罩可以吸收部分散射X线，从而保护X线管和提高成像质量。•当阴极电子束高速轰击靶面产生X线时，靶面因反射而释放出部分电子，称为二次电子。二次电子的危害有：①降低管内真空度；②易致玻璃管壁的损坏；③X线成像质量降低。•阳极罩的作用：吸收二次电子，它能吸收50%～60%的二次电子；吸收部分散射X线，从而保护X线管和提高成像质量。（二）阴极阴极由灯丝、聚焦槽、阴极套和玻璃芯柱组成，主要结构是灯丝和聚焦槽。1．灯丝灯丝的作用是产生电子。它由具有较好的电子发射能力，且熔点高、蒸发率低的钨材料制成，绕制成螺旋管状。•根据热电子发射原理，在灯丝上加上电压，钨丝温度逐渐上升，至约2100K时开始发射电子。•调节灯丝电压，也就调节了灯丝温度，调节了阴极发射电子的数量，调节了管电流，调节了X线量。•灯丝温度与电子发射能力成非线性关系，当灯丝温度升高到一定数值后，灯丝才开始发射电子。当温度从2400K升至2600K时，灯丝温度增加很小（200K），电子发射量却增加数倍，在调整X线机的管电流时，应注意以免损坏X线管。•灯丝燃亮时间越长，累积温度就越高，钨丝蒸发就越快，灯丝寿命就越短。如果灯丝电流比额定值升高5%，灯丝寿命将会缩短一半。所以X线管的灯丝电流应限制在额定值以下，使用时要尽量缩短灯丝的燃亮时间。2．聚焦槽聚焦槽又名阴极头、聚焦罩、集射罩，其作用是对钨丝发射的电子进行聚焦。灯丝的一端与聚焦槽相连，获得相同的负电位，借其几何形状形成对电子束向中心靠拢的聚焦。图为阶梯形凹槽的电子聚焦轨迹，图中实线代表灯丝前方电子的运动轨迹，形成主焦点；虚线代表灯丝侧后方电子的运动轨迹，形成副焦点。（三）玻璃管壳•玻璃管壳由耐高温、绝缘强度高、膨胀系数小的钼玻璃制成，其作用是：①支撑阴极与阳极。②保持管内真空度，以提高灯丝电子到达阳极的效率。•X线管工作时阳极的温度很高，玻璃管壳和阳极头铜体膨胀系数不同，两者不宜直接焊接，故二者之间镶嵌可伐圈，从而避免因温度变化而造成的裂隙及玻璃碎裂，导致真空度下降。二、X线管产生X线的过程产生X线必备三个条件：①阴极灯丝加热产生的电子源②由管电压所决定的高速电子流③碰撞物质靶面。•阴极灯丝加热至预定温度后，在X线管的两端加上阳极为正、阴极为负的高压，阴极灯丝产生的电子束在高压电场的作用下便高速地冲向阳极，轰击靶面，进行能量转换，产生X线。三、X线管的焦点在X线成像系统中，X线管的焦点对成像质量影响很大。X线管的焦点分为实际焦点和有效焦点两种。（一）实际焦点实际焦点是阴极电子在阳极靶面上的实际轰击面积。它的形状为长方形，故实际焦点又称为线焦点。实际焦点的形状是由灯丝的形状决定的。（二）有效焦点垂直于X线管窗口方向上中心的投影称为标称有效焦点或有效焦点的标称值。•电子束所轰击的靶面与X线输出方向之间的夹角称为阳极倾角（一般为7°～20°）。•两个焦点都具有面积的量纲，它们之间通过靶倾角建立起一定的关系。•国际电工委员会（IEC）规定，有效焦点的标称值为采用无量纲制，如1.0、1.2，但目前其标注方法仍用习惯标注法，如1.0mm×1.0mm、1.2mm×1.2mm等。（三）焦点增涨工作中当选择管电流较大时，灯丝产生的电子数量较多，在阳极靶面上的轰击面积就增大，有效焦点也就增大，这种现象称为焦点增涨。管电压对焦点增涨的影响较小，焦点增涨的程度主要由管电流而定，且随焦点而异，一般小焦点增涨幅度大。（四）焦点大小与其寿命、成像质量的关系当阴极电子高速轰击阳极靶面产生X线的同时将伴随大量热量的产生，温度急剧上升。所以从保护阳极靶面、延长其寿命的角度来看，实际焦点越大越好。而从几何光学成像原理可知，当有效焦点为点光源时，成像清晰度高，所以从成像质量的角度来讲，希望焦点越小越好。旋转阳极X线管的出现解决了这对矛盾。第二节旋转阳极X线管旋转阳极X线管的结构也由阳极、阴极和玻璃管壳组成。•与固定阳极X线管相比，除阳极结构有明显差别外，阴极和玻璃管壳相差不大。•阳极做成一个旋转的圆盘状，因此电子轰击产生的热量均匀分布在整个圆环面积上，故旋转阳极X线管的焦点可设计得很小，且负载功率大。•旋转阳极X线管既提高了功率又缩小焦点面积，这是旋转阳极X线管的突出优点。旋转阳极X线管的阳极结构主要有：靶面、转子、转轴、轴承套座、玻璃圈。一、靶面•靶面固定在钼杆上，钼杆的另一端与转子相连。靶面具有一定的倾斜角，角度在6°～17.5°之间。阳极靶盘采用铼钨合金（10%～20%铼）制成，钼或石墨做靶基。•铼钨合金靶面晶体颗粒细，抗热膨胀性高，靶面龟裂机会减少。•钼及石墨的热容量和散热率比钨好。钼或石墨做靶基重量轻、热容量大，有效地提高了X线管连续负荷的能力。•旋转阳极工作时产生的热量主要靠热辐射散热。二、转子•转子低速X线管设计转速为3000r/min，实际转速约为2800r/min左右；高速X线管设计转速为9000r/min，实际转速约为8500r/min。转速越大，电子束在靶环某点停留的时间越短，X线管的功率越大。•一般旋转阳极X线管用于透视时阳极不需转动，用于摄影时必须转动至额定转速后才能在阳极和阴极间加上高压，否则大量电子轰击在靶环的固定点上会引起靶面损坏。•所以使用旋转阳极X线管的X线机电路中均设置有旋转阳极启动延时（约0.8～1.2s）保护电路，待阳极转到额定转速后才能曝光。•曝光结束后，旋转阳极失电，但转子因惯性而静转一段时间才停下来。从切断定子绕组电源到转子停止转动所经历的时间称为静转时间。新管一般约30min左右。•静转加大了对轴承的磨损程度，所以在有些X线机中设计转子制动装置，当曝光结束后在数秒内将旋转的阳极转子停下来，以减少磨损。对于高速旋转阳极X线管，为避免转子在临界转速（5000～7000r/min）时引起共振损坏，必须设置转子制动装置，以此来保护X线管。第三节X线管的规格与特性工作中为了既充分发挥X线管的最大效能，又不造成X线管的损坏，必须熟悉各种型号X线管的特性和参数，正确使用X线管。一、X线管的构造参数X线管的构造参数是指由X线管的结构所决定的非电性能方面的参数。例如阳极靶面倾斜角度、灯丝尺寸、焦点大小、X线管外形尺寸、重量、管壁的滤过当量、冷却和绝缘方式、旋转阳极X线管的阳极转速、最大允许工作温度等，这些数据都标注在X线管的技术参数资料中。二、X线管的电参数X线管的电参数是指X线管电性能方面的数据。（一）最高管电压最高管电压是指允许加在X线管两端的最高电压峰值，单位是千伏（kV）。在X线管两极间的电压峰值超过了此值，就会导致管壁放电，甚至击穿损坏。（二）最大管电流最大管电流是指X线管在一定管电压和一定曝光时间内曝光所允许的最大电流平均值，单位是毫安（mA）。在生产、安装调试及维修中调整管电流时不得超过该值，否则将导致X线管靶面过热损坏及缩短X线管灯丝寿命。（三）最长曝光时间最长曝光时间是指X线管在一定管电压和一定管电流条件下曝光所允许的最长时间，单位是秒（s）。X线曝光时间超过此值，X线管将因累积热量过多导致靶面过热损坏。（四）X线管的容量X线管的容量又称为负荷量，是指X线管在安全使用条件下一次曝光所能承受的最大负荷。超过该限度使用焦点温度过高就会导致X线管靶面损坏。负荷量重点标注的是单次曝光的容量。1．X线管容量的计算P=UI/1000（kW）式中P为X线管的负载功率（容量），单位千瓦（kW）；U为管电压的有效值，单位千伏（kV）；I为管电流有效值，单位毫安（mA）。从公式中可知，X线管的容量为管电压与管电流的乘积，而在实际使用中除与管电压和管电流有关外，还与曝光时间及整流方式有关，X线管的容量不是一个固定值。2．X线管的标称功率因为X线管的容量不是一个固定值，在使用中为了方便对X线管容量进行标注和工作中交流比较，通常将在一定的整流方式和一定的曝光时间下X线管的最大负荷称为X线管的标称功率。固定阳极X线管的标称功率是指在单相全波整流电路中，曝光时间为1s时所能承受的最大负荷量。旋转阳极X线管的标称功率是指在三相六管全波整流电路中，曝光时间为0.1s时所能承受的最大负荷量。3．瞬时负荷与连续负荷容量的表示方法X线机的曝光时间在数秒以内的负荷为瞬时负荷，摄影和短时间透视属于瞬时负荷，长时间的透视为连续负荷。（1）连续负荷的容量标注方法：①限定连续使用时最大功率。②限定管电压、管电流。（2）瞬时负荷容量标注方法：常用规格表或负荷特性曲线表示，一般固定阳极X线管用规格表来标注，旋转阳极X线管多用特性曲线来标注。表2-1国产XD4-2·9/100型固定阳极X线管规格表管电压（kV）不同曝光时间（s）下的管电流（mA）0.060.10.160.200.320.50.81.01.62.03.26.08.05050045040038034030027025022020017013011055460410380350310275240230210185150120100604203753453202802502202101801701401059065390350310290260230200190170155130100857036032029027024022019018015014512090807533030026025022520018017014513511085758030027024023021019017016013512510580709028025022021019017015014012011095706010025022520019017015013012011010085655539