X射线管原理与影像设备.docx

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X射线管原理与影像设备

X射线管原理与影像设备

第一章X线的发现、产生和特性

第一节、X线的发现

X线是德国物理学家伦琴在1895年11月8日发现的。

当时，他在暗室内用高压电流通过低压气体的克鲁克斯管作阴极射线的研究，偶然发现克鲁克斯管附近的一块表面涂有铂氰化钡结晶的纸板上发生荧光。

进一步研究证明，荧光是由高电压电流通过克鲁克斯管时产生的一种看不见的新射线所引起。

这种射线能穿透普通光线所不能穿透的纸板，并能作用于荧光屏而产生荧光。

进一步实验，发现这种射线也能透过木板，即使一本厚书，也能透过而使荧光屏发亮。

对重金属如铜、铁、铅等则不易透过。

当伦琴将手放在管和荧光屏之间时，在荧屏上看到肌肉透亮，而骨胳则为黑影。

他还发现这种新的射线具有摄影作用，可把手在照相玻璃板上摄成照片。

伦琴将他的发现于1896年1月23日正式公布于世，由于不明了这种射线的性质，所以伦琴把这种射线称为X线，科学界又称之为伦琴线。

X线的伟大发现，无论是在近代科学理论上或在应用技术上，特别是对医学科学领域内的不断创新和突破都有十分重大的意义。

第二节、X线的产生

   X线是由高速运行的电子群撞击物质突然被阻时产生的。

因此，它的产生，必须具备以下3个条件；

自由活动的电子群；

电子群以高速运行；

电子群在高速运行时突然受阻。

X线机的类型虽不同，但基本构造不外X线管、变压器和控制器三部分。

1．X线管近代X线管是热阴极真空管，大多数采用的是真空二极管结构，在特殊的用途下也有三极管X射线管，由于构造复杂，辅助装置多，球管功率小，这种球管现在多用于分析仪器中。

普通医学方面式用的X射线管，阴极是钨制灯丝，阳极为钨靶。

以低电压电流（6—12伏），通过阴极灯丝，灯丝发热而产生电子群。

阳极的钨靶用以阻挡快速运行的电子群。

在X线管的两极加以高电压（40一150kv，一般为40一90kv），则电子群以高违从阴极向阳极运行，撞击钨靶突然受阻，而产生X线和大量的热能。

钨原子序数和原子量高，具有高度放射X线性能，且可容大量的热能（融点为3400℃）。

钨靶嵌在铜制阳极体上，使热能更快散失，因为铜的热传导率很高。

2．变压器变压器主要由一个铁心，一个初级线圈和一个次级线圈所构成。

当交流电向初级线圈输入时，则次级线圈输出的电压可按照两个线圈的比例升高或降低。

在X线机中，以高压变压器供应高压电于X线管两极，并以降压变压器即灯丝变压器，供应低压电流于阴极灯丝。

3．控制器使用X线机时，必须有一定的控制装置方能调节所需要的各种技术条件。

控制器内装有许多电钮、电表、电阻和自偶变压器，主要用以调节通过X线管两极的电压和通过阴极灯丝的电流，分别控制X线的质和量。

控制器内还装有调节曝光时间的计时器。

X线的质决定于电子运行的速度及其撞击钨靶后动能所耗损的程度。

改变高压变压器的电压，即可调节电子运行的速度。

电压越高，电子的运行速度越快，动能消耗越多。

则由X线管发射的X线波长越短，穿透力也越强。

通过X线管的电压很高，以kv计。

X线的量则取决于通过X线管的电流大小，亦即撞击在钨靶上的电子数量。

改变灯丝的热度，即可调节电子发生的数量（灯丝的热能是由灯丝加热变压器的电流所供应）。

电流越大，则灯丝越热，电子越多，撞击在钨靶上的电子数量也越多。

通过X线管的电流很小，以毫安计。

在X线管、变压器和控制台之间以电缆相连。

X线机主要部件及线路见图（1—1—1）。

图1—1—1

第三节、X线的特性

X射线的本质

1912年德国物理学家劳厄（M．V．Laue）等根据理论预见到，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生干涉（即衍射）现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。

X射线和可见光及其他基本粒子（如电子、中子、质子等）一样，同时具有微粒及波动二重性。

由于X射线的波长较短，X光子能量也相对地高，因此它的微粒特性也比较明显。

由于X射线是一种电磁波它与无线电波、可见光和γ射线等其他各种高能射线无本质上的区别，只是波长不同而已。

作为电磁波的一种，X射线具有它的一般属性。

具有单色的X射线沿X轴方向传播，在垂直于被传播方向的平面内存在着互相垂直的电场强度E和磁场强度H。

二者在空间和时间上作周期变化（见图1—1）。

如果，研究的是一平面偏振的波（PlanePolarigedwave），即E只延xoz平面传播，那么E随距离x和时间t的周期变化可表示为

X线是波长很短的电磁波，以光的速度沿直线前进，其波长范围为0.0006—50nm。

目前X线诊断常用的X线波长范围为0.008-0.0031nm。

（相当于40—150kv），在电磁辐射谱中，居γ射线与紫外线之间，比可见光的波长要短得多，肉眼看不见。

图1-2表示了X线在整个光谱种的位置。

除上述一般物理性质外，X线还具有以下几方面与X线成像相关的特性：

1．穿透性X线波长很短，具有很强的穿透力，能穿透一般可见光不能穿透的各种不同密度的物质，并在穿透过程中受到一定程度的吸收。

X线的穿透力与X线管电压密切相关，电压愈高，所产生的X线的波长愈短，穿透力也愈强。

反之，电压低，所产生的X线波长长，其穿透力也较弱。

另一方面，X线的穿透力还与被照体的密度和厚度相关。

X线穿透性是X线成像的基础。

2．荧光效应X线能激发荧光物质（如硫化锌镉及钨酸钙等），使产生肉眼可见的荧光。

即X线作用于荧光物质，使波长短的X线转换成波长较长的荧光，这种转换叫做荧光效应。

这个特性是进行透视检查的基础。

3．摄影效应涂有溴化银的胶片经X线照射后，可以感光，产生潜影，经显、定影处理，感光的溴化银离子（Ag+），被还原成金属银（Ag），并沉淀于胶片的胶膜内。

此金屑银的微粒，在胶片上呈黑色。

而未感光的溴化银在定影及冲洗过程中，从X线胶片上被洗掉，因而显出胶片片基的透明本色。

依金属银沉淀的多少，便产生了黑和白的影像。

所以，摄影效应是X线摄影的基础。

4．电离效应当X线通过任何物质而被吸收时，都特产生电离作用，使组成物质的分子分解成为正负离子。

X线通过空气时，可使空气产生正负离子而成为导电体。

因为空气的电离程度，即其所产生的正负离子量同空气所吸收的X线量成正比，所以可以利用测量电离的程度来计算X线的量。

X线射过机体而被吸收时，就同体内物质产生相互作用，由属于物理性质的电离作用开始，随即在体液和细胞内引起一系列的化学作用，终于使机体和细胞产生生理和生物方面的改变。

X线对机体细胞组织的生物效应主要是损害作用，其损害的程度依吸收X线量的大小而定。

微量或少量的X线可以对机体不产生明显的影响；超过一定的剂量将引起明显的改变，但仍然可以恢复；大量或过量的X线则导致严重的不可恢复的损害。

X线对机体的生物效应是用以作放射治疗的基本原理。

同时X线的生物效应也指导X线检查和治疗的防护措施。

X线光谱

第四节X光球管的发展和构造

X光球管的诞生到现在已一百多年了，X光已经应用到人们社会生活的各个领域，无论从工业探伤，化学分析，珠宝鉴定，机场铁路的旅客安检，还是到医疗方面的X光检查，拍片，以及从70年代初发明的CT扫描装置都离不开X光球管，从X光球管的工作原理上一直都没有变化，依照电子束轰击重金属可以产生X光的这一原理，根据用途的不同生产出各种不同的X光球管，小到几个厘米，大到几十公斤，工作电流从小到零点几毫安大到1000毫安以上，X光球管从种类及工艺，寿命各方面都得到了极大的发展。

最早的X光球管

一、早期的球管

 最开始发现X光的球管是冷阴极球管，他的工作原理是，在放电管放电路径中加入一个电极，阳极，并在这个阳极上加上一个电压，在放电管放电的时候就有X线产生，这个插入的电极是由重金属制造，可以是钼，钨，镍，钴等重金属。

由于冷阴极球管只是有X线产生，其X射线量是极其微弱的，只有在做出了真空二极管形式的X射线管后，X射线才得到广泛得应用。

X线球管的工作电压主要是由球管阳极靶面的材料决定的，每一种物质都有一个固有的激发电压，当管电压比球管阳极材料的激发电压高3一5倍时，电子撞击阳极时所产生的X光强度最大。

因此，X射线管的工作电压约为阳极物质激发电压的3—5倍为最适宜。

表1-1列出了制造X射线管各种靶面材料一些特性

二、常用球管介绍

1.固定阳极球管：

在小型X光机及工业X光机中所使用的X光球管基本都属于这一类，封装方式以玻壳管为

多，也有少部分的金属壳管，它的特点是阳极是固定的，结构简单制造成本低，缺点是功率小，射线量小只

能用于小型X光机及一些工业X光机，图1-1中球管是X射线衍射仪中的X球管。

要求球管工作电流大的CT机

则不能采用这种球管。

固定阳极球管是由灯丝（阴极见图1-2），重金属制成的阳极靶和一个抽成真空的玻壳组成，也有部分金

属壳球管，这一类球管在销售及运输当中有很大一部分都没有外管套，由于管芯玻壳很薄，以及管芯的金属

引出线与玻璃之间由于材料的不同，膨胀系数的差别也会出现漏气现象，为了防止球管的失效，这一类球管

大部分都有一个球管专用的运输油箱，管芯在油中运输和保存，这样才能使球管的保存时间延长。

图1-1X射线衍射仪中的X线球管

图1-2X线球管阴极上的灯丝与灯丝罩

2．旋转阳极球管

 旋转阳极球管是在大功率X光机出现以后出现的一种高性能的球管，这种球管能在小的焦点下使用更大的

电流进行工作，从金属散热的角度分析，任何金属对热的传导都有热阻，球管在小焦点大电流工作的情况

下，在阳极靶面会产生高温，如果电子束固定在一个位置不断的轰击，靶面很快就会熔化，如果我们让靶面

活动起来，是电子束不断的变换轰击位置，就可以是球管在更大的电流下工作，是靶面受到电子束轰击的位

置产生的热量有足够的时间向金属内部传导，靶面就不会出现熔化问题。

需要说明的是，X线球管的阳极工

作在真空中，散热条件很差，现在大功率球管在曝光时的功率可以达到60千瓦以上，其中99.5%的功率变成了

热，只有0.5%的功率转变为X射线，所有的热都会留在阳极上，散热对旋转阳极球管来说尤其重要。

（一）.旋转阳极的转速，目前的球管旋转阳极转速都在3000转以上，高速旋转阳极球管可达到7200转，超

高速的球管目前可达到1万转以上，球管阳极的转速是根据球管的焦点电流密度设计的，同样管电流的球管，

焦点越小，要求球管旋转阳极的转速越高。

对于应用来说，球管的焦点越小，性能越好，这是因为焦点越

小，所投射的半影也越小，所得到的图像也越清析，但球管的制造难度也越大。

（二）.旋转阳极球管的结构与固定阳极球管的结构差别主要是在阳极上，旋转阳极是一个带轴的圆盘，根据

不同的用途选用不同的靶面材料，如乳腺X光机球管一般采用钼靶，CT机球管采用的是钨靶，为了提高整体

的散热能力，靶面材料被镶嵌在铜制的盘座上，整个靶通过轴承固定在管芯支架上，旋转阳极使整个球管技

术含量最高的部分。

（1）.要求靶面金属必须与靶基材料结合非常良好，在两种金属的结合部不允许有空腔和气泡，这是因为成

品的球管里面是高真空，球管里面的任何封闭的空腔与气泡都会残留气体，这些残留的气体会在球管工作中

高温与震动的作用下，逐步的释放出来，造成真空度下降，使球管打火，造成球管提前报废。

（2）.要求球管靶面的材料必须是高纯度，靶面材料的纯度越高，所发出的X线频谱越窄，杂波X线越少，球

管的品质越高。

（3）.旋转阳极必须做严格的动平衡校正，动平衡的不良会使球管阳极在转动时噪声加大，降低球管的使用

寿命，同时也会使输出的X线减少。

（4）.旋转阳极的轴承工作在真空高温状态下，工作时的温度在二XX以上，动平衡要求严格，精度要求很

高，旋转阳极的轴承目前只有德国生产。

（5）.球管是一个真空电子管，在很高的工作电压下工作，对球管内的真空要求很高，这就要求球管内的所

有部件在球管封装前，必须作严格的脱氧及除气处理，这样才能保证