X线球管原理及球管的应用.docx

X线球管原理及球管的应用诊断用 X 线球管X 线球管是 X 线机的主要组成部分之一，是产生 X 线的元件，其作用是将电能转化为 X 线自 1895年伦 琴发现x线以来，X线球管逐步向功率大、焦点小和 专用化方向发展，其结构不断改进，先后出现了固定 阳极、旋转阳极以及各种特殊x线管本章主要介绍 诊断用 X 线管的基本结构、特性、参数及相关知识， 并简要介绍了各种特殊X线管和X线管的焦点，为正 确使用X线管打下基础第一节 固定阳极 X 线球管一、球管结构固定阳极X线球管是诊断用X线管中最简单的一 种，其结构主要由阳极、阴极和玻璃壳三部分组成一）阳极阳极的主要作用是阻挡高速运动的电子流而产生 X 线，同时将曝光时产生的热量辐射或传导出去；其 次是吸收二次电子和散乱射线固定阳极X线球管的阳极结构由阳极头、阳极帽、 玻璃圈和阳极柄四部分组成1．阳极头 它由靶面和阳极体组成靶面的作用 是承受高速运动的电子流轰击，产生X线（曝光）但 由于曝光时，只有不到1%的电子流动能转换为X线能， 其余均转化为热能，所以曝光时，靶面将产生大量的 热量而使其工作温度很高又由于辐射的X线强度与 靶面材料的原子序数成正比，所以X线管的靶面材料 一般都选用钨（Z=74）,故称为钨靶。

钨的特点是熔点 高（3370°C）,蒸发率低，原子序数大，又有一定的机 械强度但钨的导热率小，受电子轰击后产生的热量 不能很快地传导出去，故常把厚度为1.5〜3mm的钨靶 面用真空熔焊的方法焊接到导热率较大的无氧铜制成 的阳极体上这样制成的阳极头不但辐射X线的效率 高，而且具有良好的散热性能固定阳极X线球管的靶面静止不动，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，所以固定阳极X线管的功率 是有限的2．阳极帽 它又称阳极罩或反跳罩，由含钨粉的 无氧铜制成，依靠螺纹固定到阳极头上，其主要作用 是吸收二次电子和散乱射线阳极帽上有两个圆口： 头部圆口面对阴极，是高速运动的电子流轰击靶面的 通道；侧下部圆口向外，是 X 线的辐射通道，有的 X 线球管在此圆口处加上了一层金属铍片，以吸收软 X 线，降低病人皮肤剂量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（约为原来的 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 线影像质量降低；二次 电子还会附着在玻璃壁上，造成整个管壁电位分布极 不均匀，产生纵向应力，易致玻璃壁损坏。

阳极帽罩在靶面的四周，与阳极同电位，故它可 以吸收50%〜60%的二次电子，并可吸收一部分散乱X 线，从而保护 X 线管和提高影像质量3．玻璃圈 它是阳极和玻璃壳的过渡连接部分， 由 4J29 膨胀合金（镍 29%，钴 17%，余为铁）圈与玻 璃喇叭两部分封焊而成其中，玻璃端与玻璃壳封接， 膨胀合金端与阳极头焊接在一起4．阳极柄 它由无氧铜制成，呈圆柱体状且横截 面较大，与阳极头的铜体相连，是阳极引出管外的部 分它的管外部分浸在变压器油中，通过与油之间的 热传导，将靶面的热量传导出去，从而提高了阳极的散热速率二）阴极阴极的作用是发射电子并使电子流聚焦，使轰击 在靶面上的电子流具有一定的大小、形状其结构主 要由灯丝、阴极头、阴极套和玻璃芯柱等四部分组成， 如图 3-3 所示1．灯丝 它的作用是发射电子灯丝由钨制成， 因为钨在高温下有一定的电子发射能力、熔点较高、 延展性好、便于拉丝成形、抗张力性好、且在强电场 下不易变形等特点诊断用X线管的灯丝都绕成小螺 线管状灯丝电压一般为交流5〜10V、50Hz，灯丝电流一 般为2〜9A, 3〜6A的占多数灯丝通电后，温度逐渐 上升，到一定温度（约2100K）后开始发射电子。

灯 丝发射电子与温度之间的关系（灯丝电子发射特性曲 线） ，如图3-4所示对于给定的灯丝，在一定范围内， 灯丝电压越高，灯丝温度也越高，发射电子的数量就 越大从图中可以看出：①调节灯丝的加热电压即可 改变灯丝发射的电子数量；②灯丝温度与发射电子的 数量关系是呈指数的非线性关系因此，调试X线机 的管电流（mA）值时，要当心，特别是在调整大mA 档时要小幅调整，以免灯丝烧断而损坏X线管;另外， 更换X线管时，必须按照新换X线管的灯丝加热参数、 仔细调整灯丝加热电路，使各 mA 档数值准确一般情况下，灯丝点燃时间越长，工作温度越高， 钨的蒸发越快，灯丝寿命越短如果灯丝电流比额定 值升高 5%，灯丝寿命则缩短一倍，如图3-5所示实 际工作中是按照管电流需要来确定灯丝加热温度的， 因此只能靠缩短灯丝的点燃时间来延长灯丝的寿命另外，功率较大的 X 线球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，发射电流大，形成大焦点；短 的灯丝加热电压低，发射电流小，形成小焦点，这种 X线球管称为双焦点X线管，其阴极一般有三根引线， 一根为公用线，其余两根分别为大、小焦点灯丝的引 线。

2．阴极头 它又称聚焦槽、聚焦罩或集射罩它 由纯镍或铁镍合金制成长方形槽，其作用是对灯丝发 射的电子进行聚焦灯丝发射的大量电子，在电场的 作用下，高速飞向阳极，但由于电子之间相互排斥， 致使电子流呈散射状为使电子聚焦成束状飞向阳极， 将灯丝装入被加工成圆弧直槽或阶梯直槽的阴极头内 灯丝的一端与其相联，两者获得相同的负电位，借其 几何形状，形成一定的电位分布曲线，迫使电子呈一 定形状和尺寸飞向阳极，达到聚焦的目的在自整流 X 线机中，负半周时，聚焦罩还可以吸收二次电子， 以保护灯丝和玻璃壳的安全三）玻璃壳 玻璃壳又称管壳，用来固定，支撑阴、阳两极并 保持管内的真空度，通常采用熔点高、绝缘强度大、 膨胀系数小的钼组硬质玻璃（如国产DM-305）制成 由于钼组玻璃壳与阴、阳两极的金属膨胀系数不同， 两者不宜直接焊接，故在铜体上镶有含 54%铁、29%镍、 17%钴的合金圈作为中间过渡体，再将玻璃壳焊接在合 金圈上，使合金圈与硬质玻璃膨胀系数相近，以避免 因温度变化而造成结合部的玻璃出现裂缝或碎裂有 的 X 线管还将 X 线射出口处的玻璃加以研磨，使其略 薄，以减少玻璃对 X 线的吸收为防止 X 线管管内气体放电，保证阴极发射的电 子能畅通无阻挡地高速飞向阳极，管内的真空度应保 持在133・3X10-7Pa（10-7mmHg）以下；另外，装入管 内的所有零件都必须经过严格清洗去油和彻底除气 （通常采用高频真空加热抽气）。

固定阳极 X 线球管的主要缺点是：焦点尺寸大、 瞬时负载功率小目前，在医用诊断 X 线机中，固定 阳极 X 线球管已多被旋转阳极 X 线球管取代但固定 阳极 X 线球管结构简单、价格低，在小型 X 线机、治 疗 X 线机（阳极循环冷却）等装置中仍被采用二、X线球管的焦点在 X 线成像系统中，对 X 线成像质量影响最大的 因素之一就是 X 线球管的焦点因此，实际工作中对 X 线球管的焦点要求比较严格一）实际焦点实际焦点是指灯丝发射的电子经聚焦后在靶面上 的瞬间轰击面积目前，医学诊断用 X 线球管的灯丝 均绕成螺管状，灯丝发射的电子经聚焦后，以细长方 形轰击在靶面上，形成细长方形的焦点，故称为线焦 点实际焦点的大小（一般指宽度），主要取决于聚焦 罩的形状、宽度和深度实际焦点越大（受轰击的靶 面积越大，可承受的功率值相应增加），X线管的容量 就越大，曝光时间就可以缩短我国生产的 X 线管大 多数采用单槽或阶梯槽结构，聚焦罩及其电位分布在电场作用下，实际焦点面上的电子密度分布不 同，其 X 线辐射强度的分布呈单峰、双峰甚至多峰型， 如图 3-8 所示在同样焦点尺寸的情况下，焦点中央 辐射强度越强（呈高斯分布），其影像分辨力越高；其 次为矩形分布；最差为双峰分布。

医学诊断用 X 线管 的焦点一般是双峰分布二）有效焦点有效焦点亦称为作用焦点，是指实际焦点在 X 线 投照方向上的投影实际焦点在垂直于 X 线管长轴方 向的投影，称为标称焦点有效焦点的标称值为一无 量纲的数值，但目前，有效焦点的标注方法仍用习惯 标注法，如：2.0mmX2・Omm、 1.0mmX1 .Omm 或0. 3mmX0・3mm等但X线管特性参数表中标注的焦点 为标称焦点有效焦点与实际焦点之间的关系设实际焦点宽 度为a,长度为b，则投影后的长度为b，宽度不变， 即：有效焦点=实际焦点X式中：e表示阳极靶面与x线投照方向的夹角当投照方向与X线球管长轴垂直时，e角称为靶 角或阳极倾角，一般为7o〜20o靶角是一个与容量 和 X 线辐射强度的分布密切相关的重要参数例如， 有一个靶角为 19o 的固定阳极 X 线球管，实际焦点长 为5. 5mm，宽为1. 8mm根据上式可以计算出有效焦点 的长是：5. 5X^5.5X0.33=1.8mm，其宽度不变，即 有效焦点近似为 1.8mmX1.8mm 的正方形X 线成像时，为减小几何模糊而获得清晰的影像， 要求有效焦点越小越好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 线量将大量减少，所以靶角要 合适，一般固定阳极X线管的靶角为15。

〜20°也 可以通过减小实际焦点面积以减小有效焦点面积，但 实际焦点面积减小后，受200W/mm2的限制，X线球管 的容量也将随之减小三） 有效焦点与成像质量 有效焦点尺寸越小，影像清晰度就越高 当有效焦点为点光源时，图像的边界分明，几何模糊小，影像清晰度高；有效焦点越大，图像边界上 的半影也越大，几何模糊大，影像清晰度降低减小 有效焦点，势必减小实际焦点， X 线管的功率随之减 小，曝光时间需增加，这将会引起运动模糊由此可 见，减小焦点面积以减小几何模糊、改善影像清晰度 和增大 X 线管的功率以缩短曝光时间、减小运动模糊 是一对矛盾固定阳极X线管常采用双焦点的办法来 折中几何模糊和运动模糊之间的矛盾；另一更有效的 方法是采用旋转阳极X线管四） 焦点的方位性由于X线呈锥形辐射，所以在照射野不同方向上 投影的有效焦点不同由图可见，投影方位愈靠近阳 极，有效焦点尺寸愈小；愈靠近阴极，则有效焦点尺 寸愈大（宽度不变）而且，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 失真因此，使用时应注意保持实际焦点中心、X线 输出窗中心与投影中心三点一线，即 X 线中心线应对 准影像中心。

五）焦点增涨当管电流增大时，电子数量增多，由于电子之间 库仑力斥力的作用，使焦点尺寸出现增大的现象，称 为焦点增涨用针孔照相法拍摄的焦点像由图可见， 管电压（kV） —定时，随着管电流的增大、焦点增涨 的程度变大管电压的变化对焦点增涨大小的影响远 较管电流的变化影响小，但管电压的变化将改变电位 分布曲线，使主、副焦点的形成发生变化，一般情况 下，对小焦点增涨影响较大第二节 旋转阳极 X 线球管（一）特点旋转阳极 X 线球管较好地解决了提高功率和缩小 焦点之间的矛盾旋转阳极 X 线球管 X 线的产生，是 由偏离 X 线管中心轴线的阴极发射出的电子流，轰击 到转动的靶面上产生的由于高速运动的电子流轰击 靶面所产生的热量，被均匀地分布在转动的圆环面上， 因为承受电子流轰击的面积因阳极旋转而大大增加 （实际焦点的尺寸不变、空间位置不变）,使热量分布 面积大大增加，所以有效地提高了 X 线管的功率，使 减小实际焦点、同时适当减小靶角，以使有效焦点减 小成为可能。