第三次課 第二章 X線管-2012

第二章醫(yī)用診斷X線球管主要內(nèi)容X線管的作用和分類固定陽(yáng)極球管的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和功能旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極球管的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和功能衡量X線管的主要參數(shù)：功率、焦點(diǎn)大功率X線管的實(shí)現(xiàn)特殊X線管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用X線管的基本特性X線強(qiáng)度的空間分布特點(diǎn)和實(shí)際運(yùn)用瞬時(shí)負(fù)載曲線熱容量的一般表示方式：HUX線管的檢驗(yàn)和使用X線產(chǎn)生的基本條件1、電子源（常用熱陰極）2、陽(yáng)極靶（被高速電子轟擊而產(chǎn)生X射線）3、高速電子流（高真空/高壓）X線管的發(fā)展1896年第一只X線管（SIEMENS）1913年高真空熱陰極管（美國(guó)威廉.柯立茲）1923年雙焦點(diǎn)固定陽(yáng)極管1927年旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極管1973年高速金屬旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極管（CT球管）2003年電子束控高速金屬管（SIEMENSStraton管）含氣管→真空管單焦點(diǎn)→雙焦點(diǎn) 固定陽(yáng)極→旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極低速→高速小功率→大功率X線管的作用產(chǎn)生并輸出X射線X線機(jī)的心臟X線管的類型診斷用X線管：透視、攝影焦點(diǎn)小，功率大、散熱器散熱治療用X線管：淺表治療、深層治療大焦點(diǎn)、長(zhǎng)時(shí)間曝光、風(fēng)冷水冷或油冷一、固定陽(yáng)極X線管（一）構(gòu)造和作用 由陽(yáng)極、陰極和玻璃殼組成1、陽(yáng)極 由靶面、銅體、陽(yáng)極罩、陽(yáng)極柱組成靶面：產(chǎn)生X線銅體/陽(yáng)極柱：散熱陽(yáng)極罩：吸收二次電子和散射線2、陰極 由燈絲、集射罩組成燈絲：發(fā)射電子集射罩：聚焦3、玻璃殼

作用：支撐陰陽(yáng)兩極、保持管內(nèi)真空度（二）X線管的焦點(diǎn)1、實(shí)際焦點(diǎn)：電子轟擊在靶面上的面積2、有效焦點(diǎn)：實(shí)際焦點(diǎn)在X線投照方向上的投影3、標(biāo)稱（有效）焦點(diǎn)：

X線投照方向

⊥

X線管軸時(shí)的有效焦點(diǎn)X線投照方向X線管軸（1）X線投照方向⊥

X線管軸時(shí)，靶面與X線投照方向的夾角Q稱為陽(yáng)極傾角/靶角。（2）有效焦點(diǎn)S有、實(shí)際焦點(diǎn)S實(shí)和陽(yáng)極傾角Q的關(guān)系：

a、S有=S實(shí)×sinQb、S有一定時(shí)，Q越小，S實(shí)越大，熱容量P越大

c、為減少幾何模糊，要求S有盡量?。?）（標(biāo)稱）有效焦點(diǎn)一般用容許長(zhǎng)×

容許寬標(biāo)注（標(biāo)稱）有效焦點(diǎn)的容許值變化范圍標(biāo)稱（mm）容許寬（mm）容許長(zhǎng)（mm）0.60.6~0.90.9~1.30.80.8~1.21.1~1.61.01.0~1.41.3~1.81.21.2~1.71.7~2.44、有效焦點(diǎn)同成像質(zhì)量的關(guān)系

*有效焦點(diǎn)越小，圖像清晰度越高焦點(diǎn)為點(diǎn)光源時(shí)，圖像邊緣清晰焦點(diǎn)尺寸增大，則出現(xiàn)半影，圖像邊緣模糊焦點(diǎn)面積減小

幾何模糊減少

影像清晰度高

管容量有限焦點(diǎn)面積增大管容量增大曝光時(shí)間縮短運(yùn)動(dòng)模糊減少影像清晰度下降VS----對(duì)于固定陽(yáng)極X線管，雙焦點(diǎn)----引入旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X線管*焦點(diǎn)尺寸-成像質(zhì)量的關(guān)系5、X線輻射強(qiáng)度分布對(duì)成像質(zhì)量的影響（1）醫(yī)學(xué)診斷用X線管的焦點(diǎn)一般是雙峰分布（2）高斯分布影像分辨率最高（理想情況）（實(shí)際情況）6、焦點(diǎn)的方向性

投影方位愈靠近陽(yáng)極，Q角愈小，有效焦點(diǎn)愈小；愈靠近陰極，Q角愈大，有效焦點(diǎn)愈大。

（2）若投影方向偏離管軸線和電子入射方向組成的平面，有效焦點(diǎn)的形狀還會(huì)出現(xiàn)失真，故應(yīng)使X線中心線對(duì)準(zhǔn)影像中心 即保持實(shí)際焦點(diǎn)中心、X線輸出窗中心、投影中心

三點(diǎn)共線（1）焦點(diǎn)尺寸同投影方向有關(guān)

由于X線呈錐形輻射，故三點(diǎn)共線7、焦點(diǎn)增漲有效焦點(diǎn)的尺寸同kV和mA有關(guān)：

kV增大，S有稍小（克服電子斥力）

mA增大，S有明顯增大（增加熱電子）焦點(diǎn)增漲：

kV一定，mA增大，S有明顯增加（低壓時(shí)較明顯）二、旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X線管固定陽(yáng)極X線管焦點(diǎn)面積受限，功率（容量）受限，無法兼顧旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X線管設(shè)計(jì)思路在不增大焦點(diǎn)面的前提下，提高焦點(diǎn)受熱面積，進(jìn)而提高功率（容量）（一）旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X線管的特性1、特點(diǎn)：

偏陰極、陽(yáng)極靶面高速旋轉(zhuǎn)2、優(yōu)點(diǎn)：

功率大、焦點(diǎn)?。ǘ┬D(zhuǎn)陽(yáng)極X線管的組成1、組成：陽(yáng)極、（偏）陰極和玻璃殼2、陽(yáng)極：靶面、轉(zhuǎn)子、軸承和定子3、靶面：鑲在鉬基或石墨基上的錸鎢合金靶：（1）晶粒細(xì)，抗熱脹性好，再結(jié)晶溫度高，不易龜裂（2）X線輻射率下降較慢（3）球管熱容量大大提高

－－－－取代純鎢靶啟動(dòng)原理：類似單相異步（鼠籠式）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：n=120f/pf↗，n↗功率：P=K（nd

）1/2n↗，P↗（中頻機(jī)）陽(yáng)極制動(dòng)：減少空轉(zhuǎn)磨損

高速管：避開臨界轉(zhuǎn)速 低速管：通過靜轉(zhuǎn)時(shí)間反映軸承磨損度軸承：耐熱合金鋼制成，耐高溫軸承的潤(rùn)滑：固體潤(rùn)滑材料，二硫化鉬、銀、鉛需配有啟動(dòng)、延時(shí)、降壓、制動(dòng)、保護(hù)電路4、旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X線管各要素（三）X線球管散熱方式

1、固定陽(yáng)極X線管：熱傳導(dǎo)

2、旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X線管：熱輻射

－黑化轉(zhuǎn)子表面，增大熱輻射－曝光間隔較長(zhǎng)，保證熱輻射三、大功率X線管共性：靶面直徑大（120mm）d↗P↗轉(zhuǎn)速高n↗P↗靶角?。?°～14°）

S有一定時(shí)，Q↘，S實(shí)↗，P↗與熱交換器配合使用油冷

－－用于大負(fù)載短時(shí)間曝光（一）金屬陶瓷大功率X線管1、金屬外殼代替玻璃外殼：加大強(qiáng)度2、陶瓷電極支座：提高絕緣性能3、液態(tài)金屬代替軸承：增加熱傳導(dǎo)，提高冷卻能力4、熱容量達(dá)5.2MHU以上，且能在1秒內(nèi)快速啟動(dòng)

－－用于連續(xù)攝影、斷層攝影、電影攝影等（二）雙軸承X線管

雙軸承設(shè)計(jì)：提高旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極的轉(zhuǎn)速及牢固程度，球管的壽命和散熱速度大大提高，熱容量提高。（三）單極X線管

采用單極設(shè)計(jì)：陰極接負(fù)高壓，而陽(yáng)極和球管的金屬外殼接地。大大提高球管的壽命和散熱速度，提高熱容量。（四）電子束控金屬球管 又稱Straton球管，由SIMENS公司發(fā)明1、結(jié)構(gòu)原理陽(yáng)極和陰極固定在旋轉(zhuǎn)軸上，直接浸泡在絕緣油中；球管工作時(shí)，馬達(dá)帶動(dòng)整個(gè)球管旋轉(zhuǎn)；陽(yáng)極直接背靠在管壁上，故極易散熱；冷卻油通過進(jìn)出循環(huán)將熱量直接帶走。2、偏轉(zhuǎn)線圈

目的：使電子束打到陽(yáng)極適當(dāng)?shù)奈恢?，轟擊靶面而產(chǎn)生X線，形成飛焦點(diǎn)。

原理：由于采用先進(jìn)的電磁控制系統(tǒng)進(jìn)行X線聚焦，即在偏轉(zhuǎn)線圈上加上一定的控制信號(hào)，達(dá)到改變焦點(diǎn)位置的目的，實(shí)現(xiàn)飛焦點(diǎn)。

作用：高速電子均勻轟擊陽(yáng)極靶面，有效焦點(diǎn)面增大，球管功率得到大幅提升。3、電子束控金屬球管的優(yōu)點(diǎn)（1）陽(yáng)極直接冷卻，且冷卻效率極高（5MHU/min），陽(yáng)極上不再有熱積累。（2）陽(yáng)極熱容量近于零（零兆球管），即使在最大負(fù)荷條件下，球管也可即時(shí)冷卻?？尚锌焖俨婚g斷曝光。（3）陽(yáng)極和內(nèi)置球管組件要比常規(guī)球管小得多，球管壽命大大延長(zhǎng)，成本降低。四、特殊X線管1、結(jié)構(gòu)

陽(yáng)極與陰極之間再加一個(gè)控制柵極。（一）三極X線管通過脈沖控制柵極上負(fù)電位或負(fù)脈沖電壓的通斷，控制X線的快速導(dǎo)通與截止。2、應(yīng)用由于脈沖電源無機(jī)械運(yùn)動(dòng)的慣性，因此三極X線管能實(shí)現(xiàn)快速斷續(xù)X線攝影。

通過調(diào)節(jié)柵極負(fù)偏壓，可以控制電子聚焦面積，得到微焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)放大攝影。3、特性

（1）燈絲發(fā)射特性

柵極負(fù)電位阻礙電子流運(yùn)動(dòng)，三極X線管的燈絲發(fā)射特性差。為獲得相同的管電流，三極X線管需要更大的燈絲加熱電流。

（2）截止特性管電壓增大，控制柵極截止電壓需相應(yīng)增加?xùn)艠O電壓（kV）（3）時(shí)間控制特性在柵極和陰極之間加一矩形負(fù)脈沖電壓，可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)曝光。

4、三極X線管的局限性管電流小，不適用于大功率X線機(jī)（二）軟組織攝影用X線管1、應(yīng)具備的條件

（1）放射窗固有濾過小，以減少軟線吸收。（2）能以較低管電壓產(chǎn)生較大管電流，以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間曝光。（3）焦點(diǎn)要小，以減少幾何模糊度。

2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）鈹窗

（Z=4濾過吸收?。?）鉬靶（產(chǎn)生長(zhǎng)波軟線多）（3）短極距（彌補(bǔ)燈絲發(fā)射特性）3、應(yīng)用（1）用于軟組織攝影，主要是乳腺攝影（2）皮膚吸收劑量大（一）X線管的規(guī)格參數(shù)1、結(jié)構(gòu)參數(shù)

靶角Q、有效焦點(diǎn)S有、外形尺寸、重量、管壁濾過當(dāng)量、轉(zhuǎn)速n、燈絲溫度T2、電參數(shù)

燈絲加熱電壓和電流（Vf/If）、最大管電壓（Va）、管電流（Ia）、最長(zhǎng)曝光時(shí)間（s）、最大允許功率P、代表容量五、X線管的規(guī)格和基本特性3、在調(diào)整和使用X線管時(shí)，特別要注意：（1）最大管電壓（峰值kV）避免高壓擊穿（2）最大管電流（平均值mA）

管電壓和曝光時(shí)間一定（3）最長(zhǎng)曝光時(shí)間（s）管電壓和管電流一定（二）X線管的基本特性1、陽(yáng)極特性曲線

If一定時(shí)，Va與Ia的關(guān)系曲線

If一定：→比例區(qū)+飽和區(qū)

If↗，Ia↗：→建立新的飽和區(qū)空間電荷效應(yīng)：

燈絲后端滯留電子（電子云），跟隨管電壓升高而陸續(xù)飛向陽(yáng)極，形成曲線比例區(qū)和飽和區(qū)。If1If22、燈絲發(fā)射特性曲線

Va

一定時(shí)，Ia與If

的關(guān)系曲線

Ia與If成正比例

If

一定，Va↗：對(duì)應(yīng)Ia

↗

Ia

一定，Va↗：所需If↘3、燈絲加熱特性

Vf同If的關(guān)系曲線

一般成正比關(guān)系（三）X線強(qiáng)度的空間分布1、薄靶周圍X線的空間分布

（1）薄靶（a）X線的產(chǎn)生限于靶面（b）電子直接透過而不偏轉(zhuǎn)

－－－－“穿透式”靶（2）薄靶X線強(qiáng)度的空間分布隨著Va的升高，X線集中向電子運(yùn)動(dòng)方向輻射。2、厚靶X線強(qiáng)度的空間分布（1）厚靶（a）X線的產(chǎn)生不局限于靶面（b）入射高速電子全部被阻止

－－－－“反射式”靶（2）厚靶X線強(qiáng)度分布特點(diǎn)

厚靶X線管近陽(yáng)極端的X線強(qiáng)度弱，近陰極端的X線強(qiáng)度強(qiáng)。-----陽(yáng)極效應(yīng)近陽(yáng)極衰減強(qiáng)出射少近陰極衰減弱出射多（3）厚靶X線強(qiáng)度的空間分布縱剖面110°出現(xiàn)最大強(qiáng)度橫剖面90°出現(xiàn)最大強(qiáng)度（4）厚靶強(qiáng)度分布曲線在投照上的應(yīng)用（a）將陽(yáng)極效應(yīng)同體層厚度相對(duì)應(yīng)

腰椎正位片：腰椎上部體層薄，近陽(yáng)極；腰椎下部體層厚，近陰極→到射X線等強(qiáng)度→膠片濃度均勻（b）焦片距較大時(shí)陽(yáng)極效應(yīng)不明顯

照射野邊緣近陰極，強(qiáng)度大←→邊緣X傳輸遠(yuǎn)衰減快→陽(yáng)極效應(yīng)被抵消（c）焦片距相同時(shí)小照射野受陽(yáng)極效應(yīng)的影響小

照射野越小，射線到片距離越接近，陽(yáng)極效應(yīng)越不明顯（d）盡量利用中心線附近X線束來攝片

利用強(qiáng)度最大線曝光，提高X線利用率（四）X線管的瞬時(shí)負(fù)載特性1、負(fù)載的分類（1）瞬時(shí)負(fù)載（數(shù)毫秒-數(shù)秒）

單次攝影、單組連續(xù)攝影等

由靶面熔點(diǎn)決定

功率/容量/瞬時(shí)負(fù)載曲線（2）連續(xù)負(fù)載（10秒以上）

透視、點(diǎn)片攝影等

由陽(yáng)極某處溫升極限決定熱容量/直接標(biāo)明連續(xù)使用的最大功率2、容量的計(jì)算

P=IU/1000

其中P：功率/容量kWU：管電壓有效值kVI：管電流有效值mA

整流方式不同，則管電壓峰值-有效值、管電流平均值-有效值的換算公式不同*（最大）熱容量：對(duì)應(yīng)陽(yáng)極某薄弱部分的溫升極限，陽(yáng)極整體所積累的全部熱能3、代表容量（1）代表容量：某X線管在一定整流方式和曝光時(shí)間條件下的最大容量。固定陽(yáng)極：?jiǎn)蜗嗳ㄕ鳌?s旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極：三相六管全波整流、0.1s（2）代表容量不是固定值，它與焦點(diǎn)尺寸、整流方式、曝光時(shí)間、陽(yáng)極轉(zhuǎn)速、Q、焦點(diǎn)面直徑等有關(guān)。4、瞬時(shí)負(fù)載曲線（1）某焦點(diǎn)在某種整流方式下，對(duì)應(yīng)一定的管電壓（峰值）時(shí)，允許的最大管電流（平均值）與曝光時(shí)間之間的關(guān)系曲線。一般取極限值的85%－90%。（2）實(shí)際操作要增加一個(gè)低kV、小mA的預(yù)熱過程。瞬時(shí)負(fù)載曲線（大焦點(diǎn)）（五）連續(xù)負(fù)載特性1、熱容量的計(jì)算（1）連續(xù)負(fù)載：作用時(shí)間在數(shù)秒以上（2）生熱過程：在連續(xù)負(fù)載作用下，擴(kuò)散到陽(yáng)極各部分的溫度將不斷上升的過程；冷卻過程：通過熱傳導(dǎo)和熱輻射方式使熱量不斷散失的過程。（3）連續(xù)負(fù)載允許的最大熱容量：

熱單位（HU）：?jiǎn)蜗嗳ㄕ?高壓電纜少于6米/1kV（峰值）/1mA（平均值）/1s時(shí)，陽(yáng)極所產(chǎn)生的熱量。

即：1HU=1kV×1mA×1s2、X線管的生熱和冷卻曲線*不允許球管長(zhǎng)期工作在極限條件下500HU/s