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CT球管基础知识

2019-11-21 12:19:38

CT球管基础知识CT球管基础知识

 

自从十九世纪一个球管诞生以来,球管的家族也迅速地发展壮大。根据其医学用途,我们通常把他们分成诊断用X线球管和治疗用X线球管两大类。

 

诊断用X射线管用于透视和摄影。虽然两种工作状态的功率相差很大,但摄影时曝光时间极为短促,能耗很小,所以管子的阳极在两种工作状态下的总能量是相近的。因此,现代诊断用X射线管通常只用散热器冷却。

 

诊断用X射线管

 

为了能获得清晰的X射线影像,对诊断用X射线管的基本要求是:它应具有小的焦点和大的功率。焦点小可以减小几何模糊度,而输出功率大,曝光时间可以缩短,减小了移动模糊度。

 

当然,由于受阳极靶面所能承受的*容许热量的限制,要同时满足焦点小、功率大的要求是较为困能的。旋转阳极X射线管能较好的解决这一矛盾,因而得到广泛的使用。

 

诊断X射线管的类型

 

1.固定阳极X射线 这种X射线的阳极是固定不动的。其功率较小,焦点较大,一般用于小型诊断X射线机。

 

1)阴极:X射线管几乎都是由灯丝、聚焦罩等组在,它的作用是发射电子,并使电子聚焦去轰击阳极。

 

 ①灯丝:目前X射线管几乎都是选用钨作为灯丝材料。因为钨在高温下有一定的发射能力;具有较高的熔点(3370℃),在高温下也不易蒸发成气体;其延展性和抗张性较好,便于加工,能拉成细丝而制成一定形状;在强电场吸引下不易变形。由于受阳极靶面的比容量(1mm2的焦点面积上所散耗的功率)的限制,灯丝不能做得过小,因为固定阳极的X射线管的实际焦点面积很小,焦点过小会使发射的X射线量减少。为了获得大量的X射线,灯丝必须加粗。这样虽然焦点增大,使几何模糊度提高,但X射线量增大强缩短曝光时间,避免因投照物的移动,而引的模糊度。目前很多X射线管在同一阴极上配制大小不同的两上灯丝而获得大小焦点 ,称为双焦点X射线管。其灯丝有三根引线,一根为公用引线,其余二根分别为大、小焦点灯丝引线。灯丝温度上升至一定值后,开始发射电子、发射电子的数量取决于灯丝温度的高低。

 

②聚焦罩:当灯丝发射电子后,如阳极接通高压,在正电场的作用下电子高速飞向阳极。但由于电子之间的相互排斥作用,致使电子呈散射状,特别在阳极电压较低时,散射更为显著。为了能使电子集中成束状飞向阳极,因此将灯丝装入一个用镍或铁镍合金制成提长方形槽中,称聚焦罩。

 

 聚焦罩除了形成电子束外,还可防止二次电子造成的危害。二次电子是指从阳极靶面反射邮来的电子。在自整流电路或阳极过热时,都会产生这种二次电子。它将会使灯丝被轰击而断开;或玻璃被轰而造成孔洞,以至破裂。有了聚焦罩就能将大部分二次电子吸引到槽上,以保护灯丝和玻璃壳的安全。

 

2)阳极:阳极靶的作用接受电子轰击辐射X射线,同时将热量散发出去。一般采用钨作为阳极靶面的材料,它具的原子序数高、熔点高、高温时蒸汽压力低等优点。

 

钨靶面一般为正方形或长方形,厚度为1.5mm~3mm,镶在导热性能良好的无氧铜柱上。这样不仅有较高的辐射性能,而且又能将热量及时传导出去。

 

阳极靶被电子束轰击的面积叫实际焦点。为了减小几何模糊度以便获得清晰的图像,要求缩小X射线的有效焦点,这可通过减小阳极靶面倾角达到这一目的。当然,从投照需要的角度出发要求有效焦点面越小越好,这样必然要求实际焦点面积缩小。但在一定的阳极负载功率情况下,提高了靶面的比容量,不利于热量扩散,因此倾角不宜小太。但也不能过大,阳极倾角过大将会增大有效焦点面积,使图像模糊不清。

 

阳极靶面产生的二次电子,除对灯丝和玻壳造成危害外,还向各方散射,使阳极靶面外的地方产生X射线,这种非焦点X射线会影响影像的清晰度。因此在阳极端加上一个用无氧铜制成的金属罩,称为反跳罩。罩的轴向有一开口是让阴极电子速通过的;侧面上的开口是X射线出口。

 

这样就使阳极的钨靶面铜柱体、反跳罩组成一体,通过与玻璃膨胀系数相近的铁镍钻合金和玻壳封接后通至管外。

 

玻璃外壳:X射线玻璃外壳是用来支撑阴、阳极和保持管内真空度的。通常多采用能耐高温、绝缘强度高、膨胀系数小的以硅作为主要成分的硼酸硬质玻璃。X射线管内的真空度应保持在133.322×10-7Pa(10-7mmHg)以下,以保证灯丝的正常加热和电子飞向阳极的速度.

 

旋转阳极X射线管 

 

固定阳极X射线管因阳极焦点面受温度的影响限制了它的功率。要提高功率,焦点面就必须增大。但焦点面增大又影响了影像清晰度,两者不能兼顾。

 

旋转阳极X射线管能够较好地解决这一矛盾。在短时间(约0.1s)运用时,它可以同样大小的有效焦点之下将负载增大到几倍之多。

 

厚重的阳极圆盘牢装在轴承中旋转的轴上,在同一轴上还装有一个铜质圆柱,作为感应电子动的转子,电动机的定子则套在X射线管玻壳的外面,流经定子绕组的电流建立起一个旋转磁场,带动转子转动,也就带动了阳极旋转,管子的阴极装有卷成螺旋管状的钨灯丝,其位置偏离管子中心轴线。因此,在阳极旋转时实际焦点沿着它的表面旋转着,其轨迹为一圆环,这就使得所产生的热量分布在一个连续运动着的环状面上。焦点上单位面积所承受的热量变小,就明显提高了X射线管的功率,虽然实际焦点面积较大,但有效焦点却很小,提高了X射线影像的清晰度。

 

根据上述原理,旋转阳极X射线管的功率比固定阳极X射线管大2~5倍,目前用在500mA以下诊断X射线机组的管子功率为20kW~50kW,有效焦点面积只有1mm2~2 mm2.

 

旋转阳极X射线管一般在透视时由于功率很小无需转动,但在摄影时必须转动到额定转速以后才能接通高压,否则有引起焦点熔化的危险。

 

1)阴极:旋转阳极X射线管的阴极由聚焦槽、螺旋管状灯丝、阴极盘、阴极罩等组成。其作用与固定阳极X射线管相同,就是用来发射电子并使其聚焦去轰击阳极靶面。一般灯丝有大小两个。阴极固定在阴极盘上,外面有阴极罩保护,阻碍焦点尺寸不同聚焦槽的宽度,灯丝尺寸也不相同。             

 

2)阳极:旋转阳极X射线管的阳极是由靶面、转子、轴承、阳极转轴组成。靶面一般由圆盘状钨或复合材料制成,圆盘中心固定一钼杆上钼杆的另一端一个称为转子的铜管相连接。近代,为了增加阳极功率采取如下技术措施:

 

①阳极靶盘的黑化:阳极靶盘经黑化后使它的热辐射系数接近1,在同样靶温度下所散发的热量比未黑化的靶盘增加1倍,从而提高了透视功率,缩短冷却时间,加速了单片和系列的摄影。

 

②采用石墨靶基:60年代出现了能延长剂是下降率和散热能力的铼钨合金加钼基的金属复合靶旋转阳极X射线管,达到了1mm2焦点50kW的功率,图1-7为铼钨靶与纯钨靶剂量对比曲线,后来又出现了金属石墨旋转阳极X射线管,这是因为石墨的比热比钨大10倍左右,辐射系数接近1,透热系数与钨钼又相近,所以作为靶基更为优越。    ③增加旋转阳极的速度:旋转阳极X射管的转速一般是2800 r/min。旋转速度越高意味着电子束在某一点停留的时间越短,靶盘可以承受的热量也就是功率越大。因为p=K???(n为转速,d为焦点轨道直径),即阳极所能承受的功率与其旋转速度的平方根成正比,当速度增加2倍时允许功率增加1.40倍左右。因速度与启动电压的频率成正比:n=120f/p;式中:n—阳极转速(r/min) f—电源频率(Hz)  p—定子极数(一般为2)

 

若电源频率为150Hz即三倍频时,其转速可达900r/min,但因转子有转差率,所以实际转速比公式计算数约低10%。现在已经有300Hz的阳极启动电源装置,可使旋转速度达到17000r/min,在焦点面积相同的情况下比普通旋转阳极X射线管的功率提高2.5倍左右。

 

④增大阳极靶盘直径:阳极靶盘直径越大容量越大,散热速度也越快。然而由于机械强度和动平衡所带来的困难直径的增加受到一定的限制。目前一般直径从75mm~80mm增加到100mm~150mm左右。

 

⑤消除旋转阳极的机械应力:阳极材料钨和钼在冷却状态下都是很脆的。在X射线管冷却了很长时间的状戊下突然加上大负载,在冷热交界的区域里温差极大,因此产生了机械应力,往往形成裂缝而损坏。为此有些X射线管在阳极靶签署上开了几条径向的细缝,使得阳极材料在膨胀时相应地减小机械应力。

 

⑥减小阳极倾斜角度α(短时曝光):由于功率p≈1/sinα,所以减小阳极倾角不仅能提高图像清晰度(因此时有效焦点变小),而且可以提高瞬间功率。但由于倾斜角减小,相应的照射野也缩小了,所以不能选得过小,目前一般都在6°~17.5°之间。

 

旋转阳极X射线管的优点是在焦点很小时容许的短时间功率很大,但其阳极散热主要靠热辐射,因此,使用时两次曝光之间必须要有充分的间歇时间。

 

金属陶瓷X射线管 

 

X射线管的灯丝在大负载时温度甚高,会逐渐蒸发。这不仅使灯变细,而且会导致X射线管玻璃壳内表面形成薄薄的钨层,易受到由阴极发射电子的轰击而损坏。同时这种钨层相当于第三电仍,形成一个负电场,抑制电子的发射,限制了X射线管的大管电流。

 

为了克服这个缺点,近代研制成金属陶瓷X射线管。这种管子有一部分钢制管壳,位于X射线管的中间部分,靠近阳极一端与玻璃壳相接;而靠近阴极一端与陶资相接。玻璃与陶瓷部分起电绝缘作用;X射线管的金属部分接地,以接收杂散电子。X射线则从铍制成的窗口射出(因铍对原发射线的吸收极少)。

 

由于金属陶瓷X射线管没有玻璃壳,便于因钨发导致X射线管损坏的危险,所以可将灯丝加热到较高温度。这样便可以提高X射线管的允许负荷,并在低kV情况下可使用较高的mA值。

 

为了进一步提高X射线管的功率,近代还研制成一种具有极短曝光能力并可承受晚大负载有大功率X射线管(图1-11)。这种X射线管的阳极是在两端有轴承支撑的轴上旋转。它有一个直径为120mm的大直戏复合阳极靶盘用铼钨合金制成,以外面有接地的金属壳。焦点尺寸为0.6mm2和1.3mm2或0.5mm2和1.8mm2。前者靶角为13°,后者为9°。阳极转速为8000r/min。X射线管工作时,需要使用一个外接的热交换装置。这种大功率X射线管主要用于连续X射线摄影、体层摄影和电影摄影等。

 

栅控X射线管 

 

栅控X射线管兼有高压开关和X射线管的作用。其外形与普通X射线管相似,实际上并没有一个实体的栅极。其基本原理是利用一特殊形状的集射罩,当集射罩加一上负偏压(负电场)时,能排斥由灯丝发射的电子,阻止电子流向靶面冲击。当这一负电场消失后(加正脉冲),电子流就能向靶面冲击,产生X射线。如果再加上负电场曝光即终止。负偏压的形成和消除由限时电路控制,曝光时间长短取决于除去负偏压的时间。

 

栅控X射线管可以获得快速连续曝光,通常采用三相高压整流电路供电。它适用于X射线电影摄影,此时栅控X射线管所产生的辐射脉冲与电影摄影机中胶片的移动同步。

 

在电容放电式X射线机中,也使用栅控旋转阳极X射线管。

 

栅控X射线管通过负偏压可以控制X射线管的电子流,当负偏压较小时,则将有部分电子飞向阳极,并能聚焦起来形成很窄的电子束,以获得很小的焦点,即微焦点X射线管。如施加400V的负偏压时可获得0.1mm×0.1mm的焦点。具有这种特殊的微焦点X射线管对放大摄影来说是十分理想的。使用0.2mm×0.2mm的焦点可放大2倍用于腹部血管造影;而用0.1mm×0.1mm的焦点可放大3倍,可用于手足血管造影。腹部血管造影时,阳极转速可达17000r/min。

 

软射线钼靶旋转阳极X射线管

在专门用来拍摄乳腺和其他软组织的X射线机组织里,使软射线钼靶旋转阳极X射线管。这种管子的靶用钼制成,因钼的辐射能量较低,所辐射的X射线波长较长,故称软X射线。

 

此种管子的灯丝比普通X射线管更接近阳极,在较低阳极温度时就可获得较大的 mA值。这是十分重要的,因在高温时,钼容易蒸发至玻壳内壁,吸收大量的低能X射线(普通钨靶X射线管因X射线的能量较高,吸收较少,影响不大)。为了减少吸收,还采用铍窗口。

 

这种管子使用时加于阳极的管电压较低,约20kV~50kV,大管电流约200mA。

 

有效焦点与等效焦点 

从前人们一直认为X射线的清晰度主要取决于X射线管有效焦点尺寸的大小,焦点越小影像越清晰。实际上,除此之外还与焦点面上X射线的辐射强度分布有关。在同样有效焦点尺寸的情况下,高斯分布所形成的焦点尺寸小于有效焦点尺寸,使影像显得更清晰,而矩形分布所形成的焦点尺寸一有效焦点尺寸相等;双峰分布所形成的焦点尺寸则大于有效焦点尺寸,如图1-13所示。

 

这个实际上起作用的焦点称为“等效焦点”。它不仅包含了有效焦点尺寸对成像影响的信息,同时也包含焦点面上X射线辐线强度分布对成像影响的信息。显然,为了减少等效焦点尺寸,应当选用高斯分布。设计X射线管时应注意到这一点。

 

焦点增长

在低kV高mA时由于电子密度增大,电子间的库仑斥力加大,使打在靶面上的实际焦点面积增大,即有效焦点面积加大,这种现象称为“焦点增长”。

 

40kV情况下,mA值由20 mA增到400 mA时,焦点几乎增长1.5倍,但在80kV条件下基本不变化。对于1mm2的焦点,即使在80kV条件下,mA值由20 mA增到300 mA,焦点了能增长2倍。

 

由此可知:(1)低kV时增长快,高kV时增长慢;(2)小焦点增长快,大焦点增长慢;(3)kV值对焦点尺寸的增长,远较mA值对焦点的增长小,而且随kV值升高焦点略有缩小。因此提倡使用较小mA值摄影。

 

焦点的增长,可用星模测试卡确定,其增长值应在整个kV和mA范围内不超过50%。

 

治疗用X射线管

 

治疗用X射线管用于治疗,治疗特征是的近于长期运用状态。从获得必需的X射线效应的观点来看,治疗用管的焦点尺寸是不起重大作用的。因此,供治疗用的X射线管,其焦点尺寸不妨大些。

 

由于治疗用X射线管曝光时间较长,且为固定阳极,故阳极靶面所承受的总热量很大的。为了及时地将热量传送出去,通常采用风冷、流动的水或流动的油冷却。 

 

治疗用X射线管的类型

 

1.浅层治疗X射线: 浅层治疗X射线管的高管电压一般为50 kV左右,管电流也较小,一般为数mA。它能发生大量的软X射线,能够治疗表层肿瘤。

 

这种管子阴极是接地的,并且用流水或风冷却。它具有较高的X射线效率,阳极距射出窗很接近,射出窗以铍制造,铍窗必须封装严密不漏气,并且经得住一个大气压力。由于铍对X射线的吸收微弱,使这种管子在很低的阳极电压(几kV)下也能使用。这种管子指定在空气中运行,并且要放在专门的防护套内。

 

2.深部治疗X射线管: 深部治疗X射线管的管电压较压较高,一般在180kV以上,而管电流一般为15mA~20mA左右。因此,它产生的X射线穿透力较大,主要用于组织深部疾患及恶性肿瘤的治疗。这种管子是放在装油的防护套内工作的,并借助油的流动来冷却。

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