X线管

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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。缩短灯丝的 点燃时间可延长灯丝的寿命。如果灯丝电 流比额定值升高5%，灯丝寿命缩短一半， 所以灯丝加热电流应严格限制在额定值以 下，同时应尽量缩短高温点燃时间。
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阴极头
对灯丝发射电子进行聚焦。将灯丝装入 一个用镍或铁镍合金等制成的长方形罩中 ，该罩称集射罩。集射罩具有与灯丝相同 的负电位，并借其几何形状，达到聚焦目 的。
作用：高速电子均匀轰击阳极靶面，实际焦点 面增大，球管功率得到大幅提升。
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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（5 MHU/min），阳极上不再有热积累。 （2）阳极热容量近于零（0兆球管），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。
一般固定阳极Ｘ线管的靶角为15～20度 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线量将大大减少。
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焦点大小对影像清晰度的影响
X-Ray焦点--- 有效焦点愈小, 影像清晰度越高，图像锐利度越好。
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焦点的方向性
（1）焦点尺寸同投影方向有关
由于X线呈锥形辐射，故 投影方位愈靠近阳极，Q角愈小，有效焦点愈小；
通过阳极旋转来扩大焦点面积，提高球管的散热率， 从而提高球管的功率。
旋转阳极球管的靶面
旋转阳极球管
旋转速率有2700rpm、8500rpm(3倍频)，甚至16000rpm(6倍频 )。 29
（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： 瞬时功率大、焦点小
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（二）旋转阳极X线管的组成
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（六）软Ｘ线管
对乳房等软组织Ｘ 线摄影时，普通Ｘ线管 得不到满意效果。为提 高Ｘ线影像的对比度， 须用大剂量软Ｘ线。 软组织摄影最适宜 波长为0.06~0.09nm， 软Ｘ线管可辐射出波长 为0.063nm和0.07nm的 特征Ｘ线。摄影时主要 利用钼靶辐射的特征Ｘ 线。
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焦点
伴影越小，“图像” 越锐利
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焦点小会产生什么问题？
小焦点---影像清晰。 但是焦点越小，在焦点上集聚的能量越高，产生的 热量也就越高。因为只有约１%的电能转化为X射 线的能量，99%以上的能量转化为热能。 最终将导致焦点面熔化。 解决办法： 双焦点技术、旋转阳极技术和水或油循环冷却技术
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
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玻璃球壳Ｘ线管缺点
用硬质玻璃制成的Ｘ线管，随着Ｘ线管使用 时间增长，由于灯丝蒸发和阳极靶面龟裂处钨蒸 发，会使玻璃壳内壁附着一层金属钨的沉积物， 沉积层与阳极相连形成第二阳极，致使一部分高 速运动电子轰击玻璃壳使其侵蚀，最终导致玻璃 壳击穿，Ｘ线管损坏。

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
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二、固定阳极射线管
阳极柄
真空玻璃管
阴极灯丝
焦点
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阳极靶面
一般用钨制成。
优点：熔点高—3370度；高温下，蒸汽压低 ，蒸发少，可延长X线管的使用寿命。 缺点：导热率小，热量不能很快传导。需通 过真空熔焊把钨靶焊接在无氧铜体上，以 增强靶面的散热。
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（五） 栅控Ｘ线管
栅控Ｘ线管是在普通Ｘ线管的阳极和阴极之 间加了一个控制栅极。
栅控X线管的阴极结构
栅控X线管控制原理 51
当栅极对阴极加一个负电压（-2~-5kV）或负 脉冲电压时，阴极发射的热电子完全飞不到阳极 上，不产生Ｘ线。负电压或负脉冲电压消失时， 产生Ｘ线。由于脉冲电压信号无机械惯性延时， 控制灵敏，因此可实现快速连续Ｘ线摄影，摄影 频率可达200帧/秒。
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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 。
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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。
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、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(13% vs 45%) （3）热容量大大提高
－－－－取代纯钨靶
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4、旋转阳极X线管各要素

启动原理：类似单相异步（鼠笼式）电动机


转子转速：n
功率：P=K（nd ）1/2 n↗，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
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旋转阳极Ｘ线管较好地解决了提高功率和缩小焦点之 间的矛盾，其最大优点是瞬时负载功率大、焦点小。功率 多为20~50kW，高者可达150kW，是固定阳极Ｘ线管的5~9 倍。有效焦点为1~2mm，从而大大提高了影像清晰度。
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栅控X线管可制成没有实体栅极而有特殊形 状的聚焦杯。负偏压较低时，一部分电子飞向阳 极，聚焦形成窄电子流，获得很小的焦点，即微 焦点（可获得0.1*0.1mm的微焦点）。微焦点Ｘ线 管常用于放大Ｘ线摄影。栅控X线管瞬时曝光时 间临界值为1ms，灯丝发射特性差，不能产生大 的管电流，不适用于大功率Ｘ线机，主要应用于 Ｘ线电影摄影、Ｘ线电视。
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（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。
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（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。
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（四）电子束控金属球管
又称Straton球管，由SIMENS公司发明
铼钨合金靶面晶粒变细，抗热胀性提高，再结晶温度上升

靶面上开细膨胀缝，消除机械应力，减轻龟裂
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散热与温度保护
旋转阳极Ｘ线管与固定阳极Ｘ线管的散热方 式不同，靶面受高速运动电子流轰击所产生的巨 大热量主要依靠热辐射进行散热，散热效率低， 连续负载后阳极热量急剧增加，靶盘温度不断上 升。为防止由此造成的Ｘ线管损坏，有些Ｘ线机 的Ｘ线管装置内设有温度限制保护装置，以保护 Ｘ线管。
焦点增涨：
kV一定，mA增大， S有明显增加（低压时较明显）
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有效焦点与成像质量
有效焦点尺寸越小，影像清晰度越高。减小有 效焦点，势必减小实际焦点，Ｘ线管的功率随之 减小，要达到相同的曝光程度，则曝光时间需增 加，这将会引起运动模糊。可见，对于固定阳极 Ｘ线管，减小焦点面积以提高清晰度和增大Ｘ线 管功率以缩短曝光时间、减小运动模糊是一对矛 盾。
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双焦点技术
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功率较大的Ｘ线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，辐射热电子多，形成大 焦点；短的灯丝加热电压低，辐射热电子少，形 成小焦点，这种Ｘ线管称为双焦点Ｘ线管。
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双焦点技术
在透视时使用小焦点 在摄影时使用大焦点
大焦灯丝 变压器 CL C CS 高 正KV 压 负KV 小焦灯丝 变压器
阳极
大焦 小焦 灯丝 灯丝
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透视
管电流小，＜5mA，时间长（几分钟），图像追求动态 特性，观察活动脏器，对图像分辨率要求低

摄影
管电流30~1000mA，时间短，<1S
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固定阳极Ｘ线管优缺点

优点
结构简单、价格低

缺点
焦点尺寸大、瞬时负载功率小
在小型Ｘ线发生装置中仍被采用
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三、旋转阳极射线管
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 三点一线
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焦点增涨 有效焦点的尺寸同kV和mA有关：
kV增大， S有稍大（克服电子斥力）
mA增大， S有明显增大（增加热电子）
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旋转阳极实验装置
金属壳旋转阳极球管
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靶面与靶盘
靶盘直径70~150mm 钨制成——表面龟裂、粗糙，辐射Ｘ线能力下降

表面与内层间温差产生热应力，靶面产生裂纹；钨在1100 度以上发生再结晶，表面龟裂

铼钨合金靶面，钼或石墨靶基——表面龟裂、粗 糙减轻，热容量大，有效提高Ｘ线管连续负荷能 力（50kW，1*1mm焦点）
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实际焦点与有效焦点
对X线成像质量影响最大的因素之一就是X线管的焦点。 实际焦点---灯丝辐射的热电子在靶面上的轰击面积。 有效焦点---实际焦点在X线投照方向上的投影。
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实际焦点与有效焦点的关系
设实际焦点宽为a，长为b，则投影后宽度不变，长 度为bsin ，即 有效焦点＝实际焦点＊sin 表示阳极靶面与Ｘ线投照方向的夹角。
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阳极帽
阳极帽固定在阳极上，并罩在靶面的四周， 与阳极同电位，故可吸收50%~60%的二次电子， 并可吸收一部分散射Ｘ线，从而保护Ｘ线管并提 高影像质量。
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阳极柄
阳极柄固定Ｘ线管并将曝光时产生的热量传 导出去。它与阳极头的铜体相连，其管外部分浸 在油中，通过与油之间的热传导，将靶面的热量 传导出去。
8
固定阳极X线管的靶面静止不动，高速运动的电子流 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（200W/mm2），所以固定阳极Ｘ 线管的功率是有限的。
9
二次电子
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 原能量的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线影像质量下降。

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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
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金属陶瓷大功率Ｘ线管
41
（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
第三章
医用诊断X线管
1
前文回顾
韧致辐射
连续Ｘ射线谱 X射线谱 标识X射线谱
原子内层出现空位
2
前文回顾

X射线技术的发展
射线管、高压发生、检测部分；
X射线机系统的构成与原理
发生装置、成像装置、辅助装置；
主要参数和性能指标
管电压电流、焦点、热容量、分辨率…
发展趋势
数字化、高频化…
3
主要内容
1、X线管的作用和分类
2、固定阳极球管的结构、特点和功能
3、旋转阳极球管的结构、特点和功能
4、特殊X线管的结构特点和应用
5、X线管的基本特性 6、X线管的检验和使用
4
一、X线管的作用与分类
X线管的作用：

产生并输出X射线
X线机的心脏

5
一、X线管的作用与分类
分类：

诊断用X线管： – 透视、摄影 – 焦点小，功率大、散热器散热
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金属陶瓷大功率Ｘ线管将玻璃壳改为由金属 和陶瓷组合而成。金属部分位于Ｘ线管中间并接 地，以吸收二次电子，焦点处开有铍窗以使Ｘ线 通过。金属靠近阴极一端嵌入陶瓷内，金属靠近 阳极一端嵌入玻璃壳中。玻璃与陶瓷部分起绝缘 作用． 解决了普通Ｘ线管由于管壁击穿而损坏的问 题，可将灯丝加热到较高温度，以提高Ｘ线管的 负荷。
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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
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水或油循环冷却技术
在CT中使用油循 环X线管 在心血管造影X线 机中使用水循环X 线球管
真空 油
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四、特殊Ｘ线管
金属陶瓷大功率Ｘ线管 三极Ｘ线管 软Ｘ线管 ＣＴ用Ｘ线管
12
阴极
固定阳极X线管的阴极结构
13
灯丝
由钨制成（发射电子能力强、高温下不易蒸发、 良好的延展性、容易加工成细丝），其作用是辐射 热电子。灯丝通电后，温度逐渐升高，到一定温度 （约2100K）后开始辐射热电子。 灯丝发射电流与温度有关，温度低于2400K时， 随着温度升高，发射电流增加较慢；温度高于2400K 时，灯丝温度稍提高一点，发射电流即增加很多。