X射线管原理与影像设备Word文档格式.docx
《X射线管原理与影像设备Word文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《X射线管原理与影像设备Word文档格式.docx(33页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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