1、第三讲（管球）X线管的结构 X线管的分类 X线管的技术参数 X线管的特性 X线管组件1.管壳：用以保持管内的高真空，并支持和固定阴极、阳极处于确定位置。2.阴极：阴极在X线管中的作用是发射电子，并使之适当聚焦。3.阳极：接受电子束撞击产生X线，同时传导和散热。管壳的作用：支撑阴极、阳极 保持管内真空度 管壳 管壳内的真空度保持在l0-6mmHg。外壳材料应具备的条件：a具有良好的绝缘性能;b较高机械强度以承受高真空压力；c热膨胀系数小，受热不变形;d.加工容易，能与金属焊接；e吸收x线少。管壳多为玻璃制成。阴极组成 灯丝 多用钨丝制成:一般绕成螺管状，其宽度和长度决定了焦点的形状，用来发射电子
2、:灯丝通电加热后形成热电子发射，发射电子数量决定于灯丝温度高低。可做成双焦点 聚射罩 聚焦 防止二次电子对阴极的损伤 灯丝材料的要求 有较大的电子发射能力 既：电子逸出功小（温度不太高时可有大量电子发出）有良好的延展性（易于加工）抗拉强度（在强电场下不变形）有较低的蒸发率（延长使用寿命）灯丝的形状 灯丝的形状主要有两类：螺旋管状和螺旋形 螺旋管型主要应用于诊断用X线机（线性焦点）螺旋状灯丝主要用于治疗用X线机 聚焦罩 由于电子之间电荷电性相同，相互排斥；导致电子束发散，焦点发散。防止焦点发散的方法 加大管电压：电子运动速度更快发散少 增加阶梯状阴极罩：将阴极罩与灯丝的一端相连，靠其形状与电位的
3、相互排斥使电子束汇聚，形成焦点。阴极罩的电位分布 灯丝前部的电子运动轨迹 灯丝侧部的电子运动轨迹集射罩与灯丝同电位 集射罩的形状和灯丝在集射罩中的位置决定了电子束被聚焦的程度。阳极结构 靶面 用于阻止高速运动的电子，以发射X线。靶面材料应具备以下条件：原子序数高，X线发生效率高；熔点高；金属蒸发率低；导电率高；热传导率高。靶体 导热:100kV时只有约0.8的能量激发出X线，其余能量转变成热。（多用铜制成）阳极罩 防止二次电子的产生产生影响 吸收非焦点X线 靶面角度：高速电子的撞击面(靶面)与X线管长轴的垂直面的夹角称作阳极靶面角度。在灯丝大小一定的前提下，靶面角度大，实际焦点面积大，有效焦点
4、面积大，负荷功率大。固定阳极靶面角度一般为20。固定阳极x线管在小功率x线机上仍有使用，如手术专用机、牙科机等。二次电子的产生 由阴极发出的电子撞击到阳极靶面后只有不到1的能量转变成X射线，其余能量都以热量的方式表现出来；热能会使大部分轨道电子逸出而成为自由电子，这些自由电子就称为二次电子。二次电子的能量与一次电子相近 二次电子的影响 产生非焦点X线，影响影像的清晰度 反射到管壁上使负电位增加，会引起裂纹。会撞击管壁使之放出气体，引起真空度下降。对趋向阳极的阴极电子产生排斥作用 旋转阳极的结构（图）旋转阳极的作用 阳极所能承受的功率取决于焦点面积和靶厚 焦点面积越大，阳极所能承受的功率愈大。靶
5、越厚，阳极的热容量越大，阳极所能承受的功率愈大。具有实用功率大而焦点面积小的双重优点 阳极结构：旋转阳极的转子在X线管壳内，定子在壳外，通过旋转磁场使转子带动靶盘转动起来。旋转阳极的轴承在管内，轴承的沿用剂通常采用固体金属滑润材料，如银、铅、二氧化钼等。为了减少靶盘热量向轴承传递，轴承与靶盘间的支架做得很细，靶盘的热量主要是通过靶盘的热辐射散发出去，被管外的绝缘油吸收。阳极结构：为扩大阳极的散热率，把阳极做成盘形，用马达驱动，转动中发生X线。靶面成为一个圆形环带。环带的某点正对阴极时发生X线，旋转一周的其他时间在散热。热量分散到整个靶盘上，所以能承受比固定阳极大得多的焦点功率。靶盘材料可分为三
6、类：纯钨，抗热胀性差，易出现龟裂；铼钨合金(铼占10，钨占90)，可减轻龟裂发生；钼基或石墨基的铼钨合金。钼的重量是钨的一半，比热却是钨的两倍。在相同输入功率时，钼基钨靶温度上升只是纯钨靶的一半。石墨的比重是钨的110而比热是钨的10倍因而作为储热材料更为理想。所以相继出现了铼钨合金靶盘加钼基和石墨基的复合靶旋转阳极X线管，增大了阳极热容量。旋转速度旋转阳极X线管的负荷功率与转动速度有关阳极旋转速度与电源频率、定子磁极数、光滑度(约0.1)有关。常速旋转阳极50Hz启动，转速3000转/分。高速旋转阳极150HZ启动，转速9000转分。n=120f/p f为电源频率 p为定子极数由于转子转速落
7、后于磁场转速，转子的实际转速要比理论值低10左右。阳极启动 曝光之前启动装置将阳极从静止状态达到规定转速，然后进行曝光。启动电路具有保护功能，在启动失效时，能发出检测信号，防止X线发生。有效焦点面积大于0.3，透视时可以不转动，0.3以下必须转动。高速管需要停止电路 老化训练 X线管套功能：保护球管 防辐射 防电击 散热等 管套 安放、固定X线管的封闭容器。金层 外壳结构，内壁附着铅防护层；设有窗口和两个高压电缆插座；窗口为有机玻璃，凸入管套内；套内装满绝缘油；管壳、绝缘油层、管套窗口材料 三者对X线的吸收，称固有滤过。绝缘油：1.作用：A.增加管套内绝缘；B.提高散热率。2.球管阴极端设有膨
8、胀鼓、呼吸孔、过热保护检测器，保护球管。组件散热 密封管套，自然散热密封管套，自然散热 密封管套，风扇散热密封管套，风扇散热 闭路油循环风冷散热闭路油循环风冷散热 管套内冷水循环散管套内冷水循环散热热 按阳极形式分类 固定阳极：x线管由阴极射线管发展而来，初期的x线管都是固定阳极式。旋转阳极：阳极呈盘形，发生x线时阳极盘必须在旋转中。这样扩大了受热面积，增加了散热率，提高了x线管的焦点功率。按管壳材料分类 玻璃壳：外壳使用以硅酸(Si02)、硼酸(B2O3)为主要成分的硬质玻璃制成。按管壳材料分类金属x线管：1.管外形与普通旋转阳极X线管同。只是中间一段是钢制管壳，阳极端是玻璃管壳，阴极端是陶
9、瓷管壳。三段管壳严密嵌套熔合，形成完整密闭的管壳。2.金属管壳部分接地，捕获杂散电子，可使灯丝加热到较高温度，提高了X线管的输出功率，并在较低管电压时增大了使用较大管电流的可能性。陶瓷绝缘X线管：阳极靶盘直径大，固定在通轴上，靶盘两侧都有轴承支撑，用陶瓷绝缘，装在接地的金属管壳内。特殊X线管 栅控X线管：栅控X线管是在普通x线管的阴极与阳极之间增加一栅极。用于控制x线的发生，这种x线管也称作三极x线管。灯丝发射特性 截至特性 时间控制特性 特殊X线管大容量x线管：为适应连续大负荷工作的需要x线管的容量要求不断增大。如在心血管检查专用机、CT机等方面的应用阳极热容量有的已超过7MHU。1.加大靶
10、盘直径(120mm)和热容量 2.提高散热率 特殊X线管 软组织摄影用x线管1.靶面：使用钼靶面使用钼靶面。钼靶管x线管管电压在20kV以上时，除连续辐射外，还有波长为0.63和0.70的特征辐射。2.铍窗口：铍的原子序数为4，用作铍窗口可以减少对原发X线的吸收。3.钼滤过片：使用003mm钼滤过片，对0.63波长以下的较硬X线被衰减。同时0.70以上的软x线被钼本身吸收。4.具有能承受大电流的小焦点 从两个不同的角度对每一个解剖细节进行不间断的重叠数据采集X线双扇面投照，探测器双倍接受双通道采样2倍原始数据 为了提高X线管球阳极散热率，现代CT中常将X线管管套与油循环，风冷却的热交换器组合成
11、一体，放入扫描机架内。AnodeCathodee-beamX-rays12 cm 特殊X线管西门子“零”兆球管普通球管普通球管Straton tube 焦点的分类 实际焦点 阳极靶面上被电子撞击的面称为实际焦点 有效焦点 实际焦点在X线方向上的投影称为有效焦点 有效焦点与实际焦点的关系 有效焦点实际焦点sin 角为靶面与X投照方向的夹角 标称焦点：实际焦点在X线管轴相垂直方向上的投影称为标称焦点 标称焦点与实际焦点的关系 标称焦点实际焦点sin 角为阳极靶面的倾角 焦点示意图影响焦点大小的因素灯丝的形状和大小对实际焦点的大小起决定作用。灯丝越大，发射的电子束越宽，焦点越大。太小的焦点会使阳极靶
12、面的受热过于集中。灯丝在阴极罩内的深度也影响焦点的大小。灯丝位于阴极罩内的位置越浅，受到的聚焦作用越小，焦点越大。位置过深，会聚焦过度，反而会使焦点变大，形成虚焦点。主副焦点：从灯丝正面发射出的电子所形成的焦点称为主焦点 从灯丝侧面发射出的电子形成的焦点称为副焦点 在焦点槽中灯丝的深度与焦点的幅度有关，即深度越大主焦点幅度越小，副焦点幅度加大。理想的是副焦点处于主焦点两侧时，热量容易被分散，焦点幅度不被扩展。焦点特性 在较大管电流、较低管电压情况下，由于电子束的电子之间斥力增大，有效焦点有变大的倾向。相同电压下焦点膨胀程度随着管电流增加而增加。相同管电流下焦点膨胀程度随着管电压的下降而增加，但
13、不如随管电流的增加变化明显。影响焦点大小的因素 有效焦点的大小主要取决于阳极靶面倾斜的角度。对于19的倾角，若实际焦点的长为5.5毫米，宽为1.8毫米，则根据计算公式：有效焦点的长近似为1.8毫米，既：有效交点为正方形。这种设计，实际焦点大，阳极所能承受的热量高，而有效焦点小，图像较清晰。焦点大小与图像质量的关系 焦点能量分布与图像质量的关系 双焦点X线管 从X线管的功率考虑，实际焦点越大越好。从影像质量考虑，焦点应越小越好。双焦点可以很好的解决这个矛盾。焦点的方位特性 在在X线管的长轴方向上，近阳极端有效焦线管的长轴方向上，近阳极端有效焦点小，点小，X X线量少；近阴极端的有效焦点大，线量少
14、；近阴极端的有效焦点大，X X线量多，这一现象被称为焦点的方位特线量多，这一现象被称为焦点的方位特性。性。在在X X线管的短轴上，有效焦点的大小对称线管的短轴上，有效焦点的大小对称相等。相等。X X线量分布也对称相等。线量分布也对称相等。X线管的三种特性：阳极特性曲线 空间电荷 灯丝发射特性 阳极特性曲线 即IaUa曲线。是灯丝加热电压在某恒定值下，管电压与管电流的关系曲线。阴极灯丝在确定加热温度下，单位时间内从灯丝发射出来的电子数量基本恒定；随着管电压的增加，管电流增加，到达一定管电压后，管电流基本趋于稳定。使管电流达到饱和的管电压，称为饱和管电压。说明 If灯丝加热电流 Ia管电流 Ua管
15、电压 比例区 管电流随管电压的增加而增加 饱和区 管电流随管电流的增加而保持不变 空间电荷效应 灯丝加热电流通过灯丝时，会使灯丝原子的外层轨道电子获得能量而逸出，在没有外加电场或外加电场比较弱时，这些自由电子聚集在灯丝周围，形成电子云，这些电子云就称为空间电荷。空间电荷会阻止其它电子继续逸出，这种对电子逸出的阻碍作用称为空间电荷效应。空间电荷效应直接影响阳极特性曲线。空间电荷 灯丝加热后有热电子发射，在灯丝周围形成电子云，形成空间电荷。加入管电压后形成管电流，由于电荷的分布位置不同，电场的作用力不均，电子间的相互排斥等原因，造成了空间电荷的存在使X线管的管电流随着管电压变化，特别在高毫安时更为
16、明显。为了克服空间电荷的影响，在X线机的灯丝电路中加入了空间电荷补偿电路。随着管电压的升随着管电压的升高适当降低灯丝加热水平，使管电流保持稳定。高适当降低灯丝加热水平，使管电流保持稳定。灯丝发射特性 灯丝发射特性是指在不同管电压下，管电流与灯丝加热的关系。若要获得同一管电流，所需灯丝加热电流在若要获得同一管电流，所需灯丝加热电流在较高管电压时比在较低管电压时低；较高管电压时比在较低管电压时低；在同一灯丝加热电流下所获得的管电流，在在同一灯丝加热电流下所获得的管电流，在较高管电压时比较低管电压时高。较高管电压时比较低管电压时高。灯丝电子发射特性 管电流与灯丝加热电压的关系 说明 加热温度越高，电
17、子发射越多，管电流越大。当管电压不足以把全部电子吸引到阳极时，空间电荷发生作用。欲提高管电流，只有在增加管电压。灯丝加热曲线 在不同的管电压下，灯丝加热电流与管电流的关系。说明 灯丝加热电流随灯丝加热电压正比增加，近似呈线性关系 到一定程度后，灯丝温度越高，其电阻也相应增高，而加热电流略有下降。X X线管的技术参数内容：线管的技术参数内容：1.容量 2.热容量 3.散热率 4.最高管电压 5.焦点 6.最大灯丝电流 7.焦点的测试(#)8.结构参数 最高管电压 指允许加于X线管两极间的最高管电压峰管电压峰值值，单位kVP。超过此值可能导致管壁放电。X线管的最高管电压不等于X线主机所产生的最高电
18、压。最大管电流：是指在某一管电压和曝光时间内所允许的最大电流的平均值。最长曝光时间：是指在某一管电压和管电流条件下所允许的最长曝光时间。定义-是X线管在安全使用条件下能承受的最大负荷量。即在确定曝光时间下所能使用的最大曝光条件。X线管的容量(Pa)与管电压的有效值(kVE)、管电流的平均值(Ia)成正比，单位是kW。Pa=kVEIa1000(kW)X线管的容量还与设备高压整流方式有关单相全波整流 X线管的代表容量：一定整流方式和一定曝光时间下X线管所能承受的最大负荷称作该X线管的代表容量，也称作功率或额定容量。固定阳极固定阳极x x线管线管的代表容量是指在单相全波整流单相全波整流电路中，曝光时
19、间为1 1秒秒时，所能承受的最大负荷。旋转阳极旋转阳极X X线管线管的代表容量是指在三相六管全波三相六管全波整流整流电路中，曝光时间为0.10.1秒秒时，所能承受的最大负荷。瞬间负荷：在不同kV、mA下，一次曝光所能持续的时间。瞬间负荷也与整流方式有关，实际上代表容量就是X线管在特定曝光时间下的瞬间负荷。连续负荷；限定连续使用的最大负荷。给出连续使用的最大功率，如200W。或限定管电压如100kV下最大可以连续使用管电流，如2.5mA。热容量指X线管连续使用下阳极的热量积累的最大允许值。x线管的热容量以焦耳(J)或热单位(HU)表示。1J=1kV(有效值)1mA（有效值）1s 1HU1kVp(
20、峰值)1mA（有效值）1s 单相全波、半波、自整流电路中阳极热容量的计算：HUkVpmAs 三相6波：HUkVpmAs1.35 三相12波，恒定高压：HUkVpmAs1.41 当阳极热容量达到最大时，其在单位时间内传导给周围介质的热量也达到最大。此值即为X线管的最大散热率，即X线管承受连续负荷的能力。通常表征连续负荷状态的方法是使用X线管的生热与冷却曲线。散热率用功率单位表示：W，或HUs。1W=1.41HU/s。实际焦点实际焦点：灯丝发射电子经聚焦后在阳极靶面上的实际撞击面积称为实际焦点。有效焦点有效焦点：实际焦点在x线中心线(与x线管长轴垂直)方向上的投影面积称作有效焦点。有效焦点为正方形，是x线管的标称焦点面积。由于靶面倾角的存在，实际焦点面积要大于有效焦点面积。人们所说的焦点面积即指有效焦点。旋转阳极管阳极倾角一般在旋转阳极管阳极倾角一般在12121919。从成像质量讲，实际焦点越小成像质量越好；从输出功率讲，实际焦点越大输出功率越大。透视：透视是连续负载，应根据X线管套的生热和冷却曲线来选择正确的参数。单次摄影参数的选择应根据瞬时负载曲线来确定 结构参数：结构参数：指X线管的结构所决定的非电性能的规格或数据。如重量、外形尺寸、阳极靶面倾角、有效焦点尺寸、管壁的滤过当量、阳极转速、最大允许工作温度等。
