球管原理培训课件

X线管原理线管原理 X线发生装置：线发生装置：用于产生用于产生X线的装置称为线的装置称为X线发生装置。线发生装置。它由它由X线管、高压发生器和控制台三部分组线管、高压发生器和控制台三部分组成，它是成，它是X线机、线机、X线线CT的主要组成部分一直。的主要组成部分一直。X线管：线管：它的作用就是产生它的作用就是产生X线。自线。自1895年伦琴发现年伦琴发现X线线以来，以来，X线管逐步向大功率、小焦点和专用化线管逐步向大功率、小焦点和专用化方向发展，其结构不断改进，先后出现了固方向发展，其结构不断改进，先后出现了固定阳极定阳极X线管、旋转阳极线管、旋转阳极X线管以及各种特殊线管以及各种特殊X线管。线管。X射线的产生装置主要包括三部分：射线的产生装置主要包括三部分：X射线射线管、高压电源及低压电源，如图所示管、高压电源及低压电源，如图所示X线是一种波长很短的电磁波。线是一种波长很短的电磁波。波长范围为波长范围为0.000650nm。目前目前X线诊断常用的线诊断常用的X线波长范围为线波长范围为0.0080.031nm(相当于相当于40150kV时时)。在电磁辐射谱中，居在电磁辐射谱中，居射线与紫外线之间，比可见光射线与紫外线之间，比可见光的波长要短得多，肉眼看不见。的波长要短得多，肉眼看不见。靶靶面材料：面材料：1、钨、钨靶靶 Z=74（40-150kv电压）电压）2、铑靶、铑靶 Z=453、钼靶、钼靶 Z=42（用（用40KV以下电压）以下电压）窗口材料：窗口材料：铍铍 Z=4 X线管分类线管分类1、固定阳极、固定阳极X线管线管2、旋转阳极、旋转阳极X线管线管3、特殊、特殊X线管线管4、特性与参数、特性与参数5、管套、管套第一节：第一节：固定阳极固定阳极X线管线管l一、结构：一、结构：阳极、阴极、玻璃壳阳极、阴极、玻璃壳第一节：第一节：固定阳极固定阳极X线管线管（一）阳极（一）阳极:阳极的主要作用：阻挡高速运动的电子流而产生阳极的主要作用：阻挡高速运动的电子流而产生X线，同时线，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散乱射线。1阳极头阳极头：靶面和阳极体组成。靶面和阳极体组成。（1）靶面：靶面：作用是承受高速运动的电子流轰击，产生作用是承受高速运动的电子流轰击，产生X线（曝线（曝光）光）靶面材料一般都选用钨（靶面材料一般都选用钨（Z=74），辐射线的强度与靶面），辐射线的强度与靶面 材料的材料的 原子序数有关。原子序数有关。钨的特点钨的特点:：熔点高（熔点高（3370），蒸发率低，原子序数大，又有），蒸发率低，原子序数大，又有一定的机械强度。一定的机械强度。钨的缺点：钨的缺点：导热率小，受电子轰击后产生的热量不能很快地传导热率小，受电子轰击后产生的热量不能很快地传 导出去，焊接到导热率较大的无氧铜制成的阳极体上。导出去，焊接到导热率较大的无氧铜制成的阳极体上。（转（转化效率低）化效率低）（2）阳极体阳极体:导热率大的无氧铜，把靶面的热量传导出去导热率大的无氧铜，把靶面的热量传导出去2阳极帽阳极帽：吸收二次电子，并可吸收部分散乱吸收二次电子，并可吸收部分散乱X线线 结构结构：头部圆口面对阴极，是高速运动的电子流轰击头部圆口面对阴极，是高速运动的电子流轰击靶面的通道；侧下部圆口向外，是靶面的通道；侧下部圆口向外，是X线的辐射通道，线的辐射通道，二次电子二次电子:高速运动的电子流轰击靶面时，会有少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的电子从靶面反射和释放出来，这部分电子称为二次电子电子.危害：危害：其能量较大（约为原来的其能量较大（约为原来的99%），轰击到玻），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；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，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由于没有经过聚焦，将辐射出非焦点散射X线，使线，使X线线影像质量降低；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。电位分布极不均匀，产生纵向应力，易致玻璃壁损坏。3玻璃圈玻璃圈：封接：封接 4阳极柄阳极柄：热量传导（热量传导（无氧铜）无氧铜）（二）阴极（二）阴极：1灯丝（钨）灯丝（钨）：发射电子，诊断用线管的灯丝：发射电子，诊断用线管的灯丝绕成绕成螺旋管状螺旋管状 （1）灯丝电压）灯丝电压一般为交流一般为交流510V、50Hz，（2）灯丝电流）灯丝电流一般为一般为29A，36A的占多数。的占多数。（3）灯丝寿命：）灯丝寿命：调节灯丝的加热电压即可改变灯丝发射的电调节灯丝的加热电压即可改变灯丝发射的电子数量；子数量；灯丝温度与发射电子的数量关系是呈指数的灯丝温度与发射电子的数量关系是呈指数的非线性关系非线性关系 灯丝点燃时间越长，工作温度越高，钨的蒸灯丝点燃时间越长，工作温度越高，钨的蒸发越快，灯丝发越快，灯丝寿命寿命越短越短 2阴极头阴极头（聚焦罩：带负电）：借（聚焦罩：带负电）：借其形状使电子流聚焦其形状使电子流聚焦。阴极一般有三根引线，一根为阴极一般有三根引线，一根为公用线，其余两根分别为大、小焦公用线，其余两根分别为大、小焦点灯丝的引线。点灯丝的引线。阴极套阴极套玻璃芯玻璃芯（三）玻璃壳：（三）玻璃壳：用来固定，支撑阴、用来固定，支撑阴、阳两极并保持管内的真空度阳两极并保持管内的真空度 为防止为防止X线管管内气体放电，保线管管内气体放电，保证阴极发射的电子能畅通无阻挡地证阴极发射的电子能畅通无阻挡地高速飞向阳极，管内的真空度应保高速飞向阳极，管内的真空度应保持在持在133.310-7Pa(10-7mmHg)以以下下。X线管寿命影像因素：线管寿命影像因素：灯丝：变细灯丝：变细真空度：阻力真空度：阻力靶面：粗糙靶面：粗糙二、二、X线管的焦点线管的焦点（一）实际焦点（一）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是指灯丝发射的电子经聚焦后在靶面上的瞬间轰击面积。面积。实际焦点的大小：实际焦点的大小：宽度与聚焦罩的形状、宽度和宽度与聚焦罩的形状、宽度和深度深度 有关。有关。实际焦点与实际焦点与X线管的容量关系：线管的容量关系：实际焦点大，可实际焦点大，可承受功率大，容量就大，可以缩短曝光时间。承受功率大，容量就大，可以缩短曝光时间。（二）有效焦点（二）有效焦点有效焦点有效焦点：指实际焦点在指实际焦点在X线投照方向上的投影。线投照方向上的投影。（不止一个）（不止一个）标称焦点：标称焦点：实际焦点在垂直于实际焦点在垂直于X线管长轴方向的线管长轴方向的投影，投影，（例（例2.0mm 2.0mm)符合：符合：有效焦点有效焦点=实际焦点实际焦点sin靶角靶角：X线投照方向与线投照方向与X线管长轴方向垂直时的线管长轴方向垂直时的 不能太小，否则投照方向的大量减少不能太小，否则投照方向的大量减少（一般（一般1520）（三）有效焦点与成像质量（三）有效焦点与成像质量1、有效焦点尺寸越小，影有效焦点尺寸越小，影像清晰度就越高像清晰度就越高 2、减小有效焦点，势必减减小有效焦点，势必减小实际焦点，小实际焦点，X线管的功线管的功率随之减小，曝光时间需率随之减小，曝光时间需增加，这将会引起运动模增加，这将会引起运动模糊、几何模糊糊、几何模糊（四）焦点的方位性（四）焦点的方位性（使用时保证实际焦点中心、（使用时保证实际焦点中心、X线输出窗中心、与摄影中心一致）线输出窗中心、与摄影中心一致）（五）焦点增涨（五）焦点增涨管电压（管电压（kV）一定时，）一定时，随着管电流的增大、随着管电流的增大、焦点增涨的程度变焦点增涨的程度变大。大。管电压的变化对焦点管电压的变化对焦点增涨大小的影响远增涨大小的影响远较管电流的变化影较管电流的变化影响小，响小，总结：总结：固定阳极固定阳极X线管的缺点：靶面静止不动，所以线管的缺点：靶面静止不动，所以功率小，焦点大。功率小，焦点大。第二节第二节 旋转阳极旋转阳极X线管线管（一）特点（一）特点 瞬时负载功率大、焦点小瞬时负载功率大、焦点小（二）结构：（二）结构：由阳极、阴极和玻璃壳三部分由阳极、阴极和玻璃壳三部分组成。组成。阳极：阳极：靶面、转子、转轴、轴承。靶面、转子、转轴、轴承。阴极阴极灯丝灯丝阳极靶阳极靶X光光转子转子定子定子旋转阳旋转阳极极X线球管的结构焦点伴影越小，伴影越小，“图像图像”越锐利越锐利1靶盘与靶面靶盘与靶面：钨靶的缺点：钨靶的缺点：由于表面与内层之间温差所产生的热应由于表面与内层之间温差所产生的热应力，容易使靶面产生裂纹；力，容易使靶面产生裂纹；另外，钨在另外，钨在1100以上会发生再结晶，以上会发生再结晶，将使靶面使用不久就会出现表面龟裂、粗将使靶面使用不久就会出现表面龟裂、粗糙现象，致使糙现象，致使X线管辐射线管辐射X线的能力下降。线的能力下降。铼铼 钨合金优点钨合金优点：靶面晶粒细，在相同靶面晶粒细，在相同使用条件下，曝光使用条件下，曝光2万次，铼钨合金靶与纯万次，铼钨合金靶与纯钨靶进行比较，输出剂量分别下降钨靶进行比较，输出剂量分别下降13%和和45%。2转子转子 转速：转速：（单相异步电动机原理：旋转磁场）（单相异步电动机原理：旋转磁场）N=60F/P 额定转速暴光：旋转阳极额定转速暴光：旋转阳极X线管的线管的X线机均设线机均设有旋转阳极启有旋转阳极启 动、延时、保护电路。动、延时、保护电路。制动：惯性导致净转，磨损，缩短制动：惯性导致净转，磨损，缩短X线管的寿线管的寿命。命。3轴承与轴承的润滑轴承与轴承的润滑 少量由阳极靶面传导过来的热量则大部分通过少量由阳极靶面传导过来的热量则大部分通过转子表面辐射出去。转子表面辐射出去。旋转阳极旋转阳极X线管，依靠线管，依靠热辐射热辐射进行散热，散热效进行散热，散热效率低，连续负荷后阳极热量急剧增加，靶盘率低，连续负荷后阳极热量急剧增加，靶盘温度不断上升，先进温度不断上升，先进X线机的线机的X线管装置内设线管装置内设有温度限制保护装置，对有温度限制保护装置，对X线管给予相应的保线管给予相应的保护。护。固定阳极固定阳极X线管的散热方式：线管的散热方式：热传导热传导。第三节第三节 特殊特殊X线管线管一、金属陶瓷大功率一、金属陶瓷大功率X线管线管二、三极二、三极X线管线管三、软三、软X线管线管四、四、CT用用X线管线管X线管的特性和参数因型号不同而不线管的特性和参数因型号不同而不同，只有熟悉、掌握各种同，只有熟悉、掌握各种X线管的线管的特性曲线、电参数以及构造参数后，特性曲线、电参数以及构造参数后，才能正确地使用才能正确地使用X线管，并在参数线管，并在参数允许范围内，充分发挥允许范围内，充分发挥X线管的最线管的最大效能。大效能。第四节第四节 X线管的特性与参数线管的特性与参数一、特性一、特性（一）阳极特性曲线（一）阳极特性曲线 阳极特性曲线（阳极特性曲线（IaUa）是在一定的灯丝加热）是在一定的灯丝加热电流下，电流下，管电压（管电压（Ua）与与管电流（管电流（Ia）之间的关之间的关系系 灯丝前端发射出来的电子，它们在静电场作灯丝前端发射出来的电子，它们在静电场作用下飞往阳极，这部分电子的运动不受阻力；用下飞往阳极，这部分电子的运动不受阻力；灯丝侧面发射出来的电子，这部分电子的灯丝侧面发射出来的电子，这部分电子的运动特点是在空间发生交叉后飞向阳极，因运动特点是在空间发生交叉后飞向阳极，因此它们的运动要受到一定的阻力；此它们的运动要受到一定的阻力；灯丝后端发射出来的电子，由于电子之间灯丝后端发射出来的电子，由于电子之间相互排斥和灯丝的屏蔽作用，致使电场作用相互排斥和灯丝的屏蔽作用，致使电场作用力很微弱，因此这部分电子滞留在灯丝后面力很微弱，因此这部分电子滞留在灯丝后面的空间，形成的空间，形成“空间电荷空间电荷”，空间电荷只能随，空间电荷只能随着管电压的升高而逐渐飞向阳极。着管电压的升高而逐渐飞向阳极。（二）灯丝发射特性曲线（二）灯丝发射特性曲线 灯丝发射特性曲线（灯丝发射特性曲线（IaIf）是在一定的）是在一定的管电压下，管电压下，管电流（管电流（Ia）与与灯丝加热电流灯丝加热电流（If）的关系的关系。（1）“空间电荷空间电荷”补偿：补偿：由于管电压增加，由于管电压增加，导致管电流变大，需要补偿抵消。导致管电流变大，需要补偿抵消。（2）补偿的原则是：当管电压变高时，适当）补偿的原则是：当管电压变高时，适当减小灯丝加热电流，以使管电流不随管电减小灯丝加热电流，以使管电流不随管电压的变化而变化。反之，当管电压变低时，压的变化而变化。反之，当管电压变低时，则适当增加灯丝加热电流。则适当增加灯丝加热电流。二、电参数二、电参数X线管常见的电参数有灯丝加热电压、灯线管常见的电参数有灯丝加热电压、灯丝加热电流、最高管电压、最大管电流、丝加热电流、最高管电压、最大管电流、最长曝光时间、容量、标称功率、热容量最长曝光时间、容量、标称功率、热容量等，这些数据在使用、调试和维护等，这些数据在使用、调试和维护X线机线机时必须清楚，并严格遵守。时必须清楚，并严格遵守。（一）最高管电压（一）最高管电压它是可加于它是可加于X线管两极间的线管两极间的最高管电压峰值最高管电压峰值，单位，单位是千伏（是千伏（kV）。它由）。它由X线管的长度、形状、绝缘线管的长度、形状、绝缘介质的种类以及管套的形式决定。介质的种类以及管套的形式决定。（二）最大管电流（二）最大管电流 它是在某一管电压和某一曝光时间条件下，它是在某一管电压和某一曝光时间条件下，X线管线管所允许的最大平均管电流。单位是毫安（所允许的最大平均管电流。单位是毫安（mA）（三）（三）最长曝光时间最长曝光时间 它是在某一管电压和某一管它是在某一管电压和某一管电流条件下，电流条件下，X线管所允许的最长曝光时间值。线管所允许的最长曝光时间值。（四）（四）X线管的容量线管的容量 容量：容量：X线管在安全使用条件下，单次曝光或连续曝线管在安全使用条件下，单次曝光或连续曝光而无任何损坏时所能承受的最大负荷量。光而无任何损坏时所能承受的最大负荷量。1容量与影响因素容量与影响因素 增大容量的途径，通常有增大容量的途径，通常有五个：五个：增大焦点面积；增大焦点面积；减小靶面倾角；减小靶面倾角；增加阳极转速；增加阳极转速；增大焦点轨增大焦点轨道半径；道半径；减小管电压波形的纹波系数。减小管电压波形的纹波系数。2负荷量的计算负荷量的计算 负荷量常用输入的电功率表示，负荷量常用输入的电功率表示，其计算式为其计算式为P=UI/1000（kW）：）：UI均为有效值均为有效值不同的波形，峰值与有效值、平均值与有效值的转不同的波形，峰值与有效值、平均值与有效值的转换关系不同。换关系不同。举例：举例：假设假设ua=60kV(峰值），峰值），Ia=100mA（平均值（平均值,则则P=UI/1000=600.7071.1100=4.67KW3X线管的标称功率线管的标称功率：容量还与曝光时间有关容量还与曝光时间有关,曝光时间增长，曝光时间增长，容量将相应地减小。这是因为单次曝光容量将相应地减小。这是因为单次曝光时间越长，阳极所产生的热量就越多，时间越长，阳极所产生的热量就越多，X线管的容量就越小；线管的容量就越小；多次连续摄影因阳极热量的积累，要多次连续摄影因阳极热量的积累，要求每次摄影求每次摄影X线管的容量就更小；由于透线管的容量就更小；由于透视时间一般较长，且必要时还需点片，视时间一般较长，且必要时还需点片，所以透视、点片用所以透视、点片用X线管的容量最小。线管的容量最小。同一支同一支X线管的容量是不确定的。线管的容量是不确定的。为了便于比较，将一定整流方式和一定曝光时间下为了便于比较，将一定整流方式和一定曝光时间下X线管的最大负荷称为线管的最大负荷称为X线管的线管的标称功率。也标称功率。也称额定容量或代表容量称额定容量或代表容量 固定阳极固定阳极X线管的标称功率：线管的标称功率：固定阳极固定阳极X线管的标称功率是指在单相全波整线管的标称功率是指在单相全波整流电路中，曝光时间为流电路中，曝光时间为1s时的容量。时的容量。例如，例如，XD4-29/100型型X线管的标称功率为：小线管的标称功率为：小焦点（焦点（1.8mm1.8mm）2kW，大焦点，大焦点（4.3mm4.3mm）9kW。旋转阳极旋转阳极X线管的标称功率：线管的标称功率：旋转阳极旋转阳极X线管的标称功率是指在三线管的标称功率是指在三相全波整流电路中，曝光时间为相全波整流电路中，曝光时间为0.1s时时的容量。的容量。例如，例如，XD51-2040/125型旋转阳极型旋转阳极X线管的标称功率为：小焦点线管的标称功率为：小焦点（1.0mm1.0mm）20kW，大焦点，大焦点（2.0mm2.0mm）40kW。4瞬时负荷与连续负荷的容量瞬时负荷与连续负荷的容量表示方法表示方法曝光时间为数毫秒到数秒的单次摄影称曝光时间为数毫秒到数秒的单次摄影称为瞬时负荷。瞬时负荷的容量常用瞬为瞬时负荷。瞬时负荷的容量常用瞬时负荷特性曲线表示。时负荷特性曲线表示。曝光时间为曝光时间为10s以上的透视称为连续负以上的透视称为连续负荷。荷。连续负荷举例：连续负荷举例：1）连续使用时的容量：例如，某）连续使用时的容量：例如，某X线管的容线管的容量为量为200W连续使用。连续使用。2）限定管电压、管电流和透视时间：例如，）限定管电压、管电流和透视时间：例如，某某X线管的容量为线管的容量为100kV、3.5mA连续使用。连续使用。（五）（五）X线管的热容量线管的热容量 X线管的热容量线管的热容量连续多次摄影或透视与点片摄影交替连续多次摄影或透视与点片摄影交替进行的曝光称为混合负荷。进行的曝光称为混合负荷。单位时间内传导给介质的热量称为散热率单位时间内传导给介质的热量称为散热率（又称冷却率）。（又称冷却率）。热容量：热容量：X线管处于最大冷却率时，允线管处于最大冷却率时，允许承受的最大热量称为热容量（许承受的最大热量称为热容量（heat unit，HU）。）。热容量的单位是焦耳（热容量的单位是焦耳（J），即），即 1J=1kV（有效值）（有效值）1mA（有效值）（有效值）1s热容量的单位目前还使用热容量的单位目前还使用HU来表示，即来表示，即1HU=1kV（峰值）（峰值）1mA（平均值）（平均值）1s生热与冷却特性曲线生热与冷却特性曲线 生热特性曲线：生热特性曲线：表示在热量增加速率一定表示在热量增加速率一定时，热量积累和曝光时间的关系。时，热量积累和曝光时间的关系。作用：作用：可确定可确定X线管在不同热量增加速率线管在不同热量增加速率下，可连续与断续工作的时间。下，可连续与断续工作的时间。冷却特性曲线冷却特性曲线：表示曝光结束后，阳极上：表示曝光结束后，阳极上的热量散发与冷却时间的关系，即热量的热量散发与冷却时间的关系，即热量与冷却时间的关系。与冷却时间的关系。作用：作用：根据此曲线可确定根据此曲线可确定X线管的最短休线管的最短休息时间。息时间。X线管装入管套后的热容量约为线管装入管套后的热容量约为130万万HU，是原来的，是原来的12倍，但冷却速率却下降了。倍，但冷却速率却下降了。三 构造参数 凡由凡由X线管的结构所决定的非电性能线管的结构所决定的非电性能的参数或数据都属于构造参数。的参数或数据都属于构造参数。例如，阳极靶面的靶角、有效焦点尺寸、例如，阳极靶面的靶角、有效焦点尺寸、外形尺寸、重量、管壁的滤过当量、冷外形尺寸、重量、管壁的滤过当量、冷却和绝缘方式、旋转阳极却和绝缘方式、旋转阳极X线管的阳极线管的阳极转速以及最大允许工作温度等。这些参转速以及最大允许工作温度等。这些参数在数在X线管的技术数据手册中一般都标线管的技术数据手册中一般都标注，更换注，更换X线管时需仔细阅读、查验。线管时需仔细阅读、查验。第五节第五节 管套管套一、固定阳极一、固定阳极X线管管套线管管套二、旋转阳极二、旋转阳极X线管管套线管管套三、组合机头三、组合机头 人体不同密度组织与人体不同密度组织与X线成像的关系线成像的关系 人体不同厚度组织与人体不同厚度组织与X线成像的关系线成像的关系密度和厚度的差别是产生影像对比的基础，是密度和厚度的差别是产生影像对比的基础，是X线成像的基本条件线成像的基本条件