第三次课 第二章 X线管-2012

第二章医用诊断X线球管主要内容X线管的作用和分类固定阳极球管的结构、特点和功能旋转阳极球管的结构、特点和功能衡量X线管的主要参数：功率、焦点大功率X线管的实现特殊X线管的结构特点和应用X线管的基本特性X线强度的空间分布特点和实际运用瞬时负载曲线热容量的一般表示方式：HUX线管的检验和使用X线产生的基本条件1、电子源（常用热阴极）2、阳极靶（被高速电子轰击而产生X射线）3、高速电子流（高真空/高压）X线管的发展1896年第一只X线管（SIEMENS）1913年高真空热阴极管（美国威廉.柯立兹）1923年双焦点固定阳极管1927年旋转阳极管1973年高速金属旋转阳极管（CT球管）2003年电子束控高速金属管（SIEMENSStraton管）含气管→真空管单焦点→双焦点 固定阳极→旋转阳极低速→高速小功率→大功率X线管的作用产生并输出X射线X线机的心脏X线管的类型诊断用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、固定阳极X线管（一）构造和作用 由阳极、阴极和玻璃壳组成1、阳极 由靶面、铜体、阳极罩、阳极柱组成靶面：产生X线铜体/阳极柱：散热阳极罩：吸收二次电子和散射线2、阴极 由灯丝、集射罩组成灯丝：发射电子集射罩：聚焦3、玻璃壳

作用：支撑阴阳两极、保持管内真空度（二）X线管的焦点1、实际焦点：电子轰击在靶面上的面积2、有效焦点：实际焦点在X线投照方向上的投影3、标称（有效）焦点：

X线投照方向

⊥

X线管轴时的有效焦点X线投照方向X线管轴（1）X线投照方向⊥

X线管轴时，靶面与X线投照方向的夹角Q称为阳极倾角/靶角。（2）有效焦点S有、实际焦点S实和阳极倾角Q的关系：

a、S有=S实×sinQb、S有一定时，Q越小，S实越大，热容量P越大

c、为减少几何模糊，要求S有尽量小（3）（标称）有效焦点一般用容许长×

容许宽标注（标称）有效焦点的容许值变化范围标称（mm）容许宽（mm）容许长（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、有效焦点同成像质量的关系

*有效焦点越小，图像清晰度越高焦点为点光源时，图像边缘清晰焦点尺寸增大，则出现半影，图像边缘模糊焦点面积减小

几何模糊减少

影像清晰度高

管容量有限焦点面积增大管容量增大曝光时间缩短运动模糊减少影像清晰度下降VS----对于固定阳极X线管，双焦点----引入旋转阳极X线管*焦点尺寸-成像质量的关系5、X线辐射强度分布对成像质量的影响（1）医学诊断用X线管的焦点一般是双峰分布（2）高斯分布影像分辨率最高（理想情况）（实际情况）6、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

三点共线（1）焦点尺寸同投影方向有关

由于X线呈锥形辐射，故三点共线7、焦点增涨有效焦点的尺寸同kV和mA有关：

kV增大，S有稍小（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）二、旋转阳极X线管固定阳极X线管焦点面积受限，功率（容量）受限，无法兼顾旋转阳极X线管设计思路在不增大焦点面的前提下，提高焦点受热面积，进而提高功率（容量）（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：

功率大、焦点小（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、靶面：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（3）球管热容量大大提高

－－－－取代纯钨靶启动原理：类似单相异步（鼠笼式）电动机转子转速：n=120f/pf↗，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（三）X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，保证热辐射三、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（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（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。（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。（四）电子束控金属球管 又称Straton球管，由SIMENS公司发明1、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。2、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，有效焦点面增大，球管功率得到大幅提升。3、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（零兆球管），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。四、特殊X线管1、结构

阳极与阴极之间再加一个控制栅极。（一）三极X线管通过脉冲控制栅极上负电位或负脉冲电压的通断，控制X线的快速导通与截止。2、应用由于脉冲电源无机械运动的惯性，因此三极X线管能实现快速断续X线摄影。

通过调节栅极负偏压，可以控制电子聚焦面积，得到微焦点，实现放大摄影。3、特性

（1）灯丝发射特性

栅极负电位阻碍电子流运动，三极X线管的灯丝发射特性差。为获得相同的管电流，三极X线管需要更大的灯丝加热电流。

（2）截止特性管电压增大，控制栅极截止电压需相应增加栅极电压（kV）（3）时间控制特性在栅极和阴极之间加一矩形负脉冲电压，可实现瞬时曝光。

4、三极X线管的局限性管电流小，不适用于大功率X线机（二）软组织摄影用X线管1、应具备的条件

（1）放射窗固有滤过小，以减少软线吸收。（2）能以较低管电压产生较大管电流，以实现短时间曝光。（3）焦点要小，以减少几何模糊度。

2、结构特点（1）铍窗

（Z=4滤过吸收小）（2）钼靶（产生长波软线多）（3）短极距（弥补灯丝发射特性）3、应用（1）用于软组织摄影，主要是乳腺摄影（2）皮肤吸收剂量大（一）X线管的规格参数1、结构参数

靶角Q、有效焦点S有、外形尺寸、重量、管壁滤过当量、转速n、灯丝温度T2、电参数

灯丝加热电压和电流（Vf/If）、最大管电压（Va）、管电流（Ia）、最长曝光时间（s）、最大允许功率P、代表容量五、X线管的规格和基本特性3、在调整和使用X线管时，特别要注意：（1）最大管电压（峰值kV）避免高压击穿（2）最大管电流（平均值mA）

管电压和曝光时间一定（3）最长曝光时间（s）管电压和管电流一定（二）X线管的基本特性1、阳极特性曲线

If一定时，Va与Ia的关系曲线

If一定：→比例区+饱和区

If↗，Ia↗：→建立新的饱和区空间电荷效应：

灯丝后端滞留电子（电子云），跟随管电压升高而陆续飞向阳极，形成曲线比例区和饱和区。If1If22、灯丝发射特性曲线

Va

一定时，Ia与If

的关系曲线

Ia与If成正比例

If

一定，Va↗：对应Ia

↗

Ia

一定，Va↗：所需If↘3、灯丝加热特性

Vf同If的关系曲线

一般成正比关系（三）X线强度的空间分布1、薄靶周围X线的空间分布

（1）薄靶（a）X线的产生限于靶面（b）电子直接透过而不偏转

－－－－“穿透式”靶（2）薄靶X线强度的空间分布随着Va的升高，X线集中向电子运动方向辐射。2、厚靶X线强度的空间分布（1）厚靶（a）X线的产生不局限于靶面（b）入射高速电子全部被阻止

－－－－“反射式”靶（2）厚靶X线强度分布特点

厚靶X线管近阳极端的X线强度弱，近阴极端的X线强度强。-----阳极效应近阳极衰减强出射少近阴极衰减弱出射多（3）厚靶X线强度的空间分布纵剖面110°出现最大强度横剖面90°出现最大强度（4）厚靶强度分布曲线在投照上的应用（a）将阳极效应同体层厚度相对应

腰椎正位片：腰椎上部体层薄，近阳极；腰椎下部体层厚，近阴极→到射X线等强度→胶片浓度均匀（b）焦片距较大时阳极效应不明显

照射野边缘近阴极，强度大←→边缘X传输远衰减快→阳极效应被抵消（c）焦片距相同时小照射野受阳极效应的影响小

照射野越小，射线到片距离越接近，阳极效应越不明显（d）尽量利用中心线附近X线束来摄片

利用强度最大线曝光，提高X线利用率（四）X线管的瞬时负载特性1、负载的分类（1）瞬时负载（数毫秒-数秒）

单次摄影、单组连续摄影等

由靶面熔点决定

功率/容量/瞬时负载曲线（2）连续负载（10秒以上）

透视、点片摄影等

由阳极某处温升极限决定热容量/直接标明连续使用的最大功率2、容量的计算

P=IU/1000

其中P：功率/容量kWU：管电压有效值kVI：管电流有效值mA

整流方式不同，则管电压峰值-有效值、管电流平均值-有效值的换算公式不同*（最大）热容量：对应阳极某薄弱部分的温升极限，阳极整体所积累的全部热能3、代表容量（1）代表容量：某X线管在一定整流方式和曝光时间条件下的最大容量。固定阳极：单相全波整流、1s旋转阳极：三相六管全波整流、0.1s（2）代表容量不是固定值，它与焦点尺寸、整流方式、曝光时间、阳极转速、Q、焦点面直径等有关。4、瞬时负载曲线（1）某焦点在某种整流方式下，对应一定的管电压（峰值）时，允许的最大管电流（平均值）与曝光时间之间的关系曲线。一般取极限值的85%－90%。（2）实际操作要增加一个低kV、小mA的预热过程。瞬时负载曲线（大焦点）（五）连续负载特性1、热容量的计算（1）连续负载：作用时间在数秒以上（2）生热过程：在连续负载作用下，扩散到阳极各部分的温度将不断上升的过程；冷却过程：通过热传导和热辐射方式使热量不断散失的过程。（3）连续负载允许的最大热容量：

热单位（HU）：单相全波整流/高压电缆少于6米/1kV（峰值）/1mA（平均值）/1s时，阳极所产生的热量。

即：1HU=1kV×1mA×1s2、X线管的生热和冷却曲线*不允许球管长期工作在极限条件下500HU/s