《X线发生装置》PPT课件.ppt

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1、第二章 X线发生装置,第一节 X射线产生原理及性质 第二节 X线管 第三节 高压发生器 第四节 控制台,第一节 X射线产生原理及性质,1895年11月，德国物理学家伦琴在维尔茨堡大学的实验室里，拉上物理实验室厚厚的窗帘，屋子里一片漆黑，伦琴摸黑顺利做完了实验。但是，在冲洗才做完的实验照片时，他发现放在放电管旁边的一盒照相底片曝光了1900年4月1日，伦琴第一个获得了诺贝尔物理学奖。,X线的发现,什么是X线?.,波谱,一种有能量的电磁波,X线波长短：0.0006-50nm(诊断用)UV与Gamma射线之间，肉眼不可见。,X线的产生,轫致辐射:高速电子突然中止X线,99%热能1%X线,需要有效的散

2、热方式,X线的特性,穿透性,管电压、被照体的密度和厚度,荧光效应,透视检查：短波长X线荧光物质（硫化锌）长波长荧光,摄影效应,拍片检查：X线胶片感光（溴化银）显影定影黑白影像,电离效应（生物效应）,放射防护：X线进入人体电离生物学改变,医生倾向于选择低辐射剂量的X线设备,利用X线具有穿透性、荧光性和摄影效应的特性，使人体在介质上形成影像，由于人体组织有密度和厚度的差别，当X线穿透人体不同组织时，X线被吸收的程度不同，所以到达介质上的X线量就有差异，形成黑白对比不同的影像，为医生的诊断提供依据。,X线成像的原理,被照组织的密度、厚度差异,1895X线被发现（伦琴）1896荧光透视技术(爱迪生-G

3、E)1913钨灯丝X射线管取代阴离子X射线管1937旋转阳极球管1959影像增强器应用到透视拍片系统1980s数字处理技术1990s数字探测器,一个世纪的技术发展,医用X线产品,概述,诊断用X线机是利用X线穿透人体形成的各种影像对疾病进行诊断的设备，主要分为透视用X线机、摄影用X线机、心血管造影X线机及专用X线机。如：乳腺摄影X线机、床边X线机、牙科X线机、口腔全景摄影X线机及手术X线机等。从成像技术上可分为模拟X线成像和数字X线成像。如普通摄影机和直接数字成像系统即DDR系统。,产品分类,X射线产生原理,电子源；高压电场及真空；适当的阻挡物(金属靶面)来承受高速电子的能量，使高速电子所带的动

4、能转变成X线。,X射线的基本性质,波长很短的不可见电磁波穿透作用 能量大，能穿透一般光线不能穿透的物质，包括人体荧光作用 荧光屏、增感屏、影像增强器的输入屏感光作用电离作用 电离室、正比计数管、盖革弥勒计数管,X射线的质,X射线的质是指X射线能量的大小，可用X线管的管电压来描述X射线的质，单位为kV。,不同质的X射线的用途,X射线的量,X射线的量是指单位时间内通过X射线入射方向的垂直的单位面积内的X射线光子数的多少。通常用管电流 I(mA)和曝光时间t(s)的乘积来描述。即毫安秒(mAs)。,X-Ray质-由KV 决定，高KV质高，低KV质低，代表X线的穿透力(对比度)。X-Ray量-由mA(

5、X线量)和s(曝光时间)决定 表明曝光总量(黑化度)。,质和量对胶片曝光的影响,X射线与物质相互作用,A)光电吸收：物质原子完全吸收光子能量，原子中的电子被高速轰出，原子被电离；B)康普顿散射：物质原子部分吸收光子能量，入射X射线以较低的能量射出，同时还有高速电子，原子同样被电离；,X射线与人体相互作用,X射线强度随入射深度呈指数衰减；与物质密度有关，密度越大，对X射线衰减越多，如骨骼中的钙和磷等，对X射线吸收较多，而肌肉中含有的氢、碳和氧等对X射线吸收较少。碘、钡通常用作造影剂。与X射线能量有关，能量越大，被吸收和散射的越少，穿透力越强。,能量不同,70,000 V,110,000 V,当X

6、射线穿出人体。,拍胸片时，只有约1%的X射线穿出人体；散射射线的危害：形成噪声并显著降低图像对比度；胶片感光，为什么到达胶片的射线越多，冲洗之后的胶片越黑？,加与不加滤线栅,返回,什么使胶片发黑？,X射线对人体的影响,剂量与危害,X射线对人体,X射线撞击原子，使其电离，被轰电子又有可能撞击其他原子，单个光子可能造成成百上千个生物分子电离；被电离的分子，处于不稳定状态，可能发生化学反应；DNA是细胞增殖、遗传的物质基础，是引起细胞生化、生理改变的关键性物质；若受损DNA还能自我复制，则可能形成肿瘤或白血病；若卵细胞或精子受损，则他们的后代可能异常；若胎儿的DNA受损，则发育畸形。,第二节 X线管

7、,固定阳极X线管旋转阳极X线管特殊X线管球管参数管套,固定阳极X线管,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。,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），所以固定阳极线管的功率是有限的。,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

8、，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线，使线影像质量下降。,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线，从而保护线管并提高影像质量。,阳极柄,阳极柄固定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。,阴极,固定阳极X线管的阴极结构,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

9、，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。,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。,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。,实际焦点与有效焦点,对X线成像质量影响最大

10、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。,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 表示阳极靶面与线投照方向的夹角。一般固定阳极线管的靶角为1520度减小有效焦点面积可通过减小靶角来实现，但靶角太小，由于线辐射强度分布的变化，投照方向的线量将大大减少。,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。,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，线管的功率随之减小，要

11、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，对于固定阳极线管，减小焦点面积以提高清晰度和增大线管功率以缩短曝光时间、减小运动模糊是一对矛盾。,焦点,伴影越小，“图像”越锐利,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%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,焦点小会产生什么问题？,双焦点技术,功率较大的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

12、热电子少，形成小焦点，这种线管称为双焦点线管。,在透视时使用小焦点在摄影时使用大焦点,双焦点技术,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301000mA，时间短，1S,固定阳极线管优缺点,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线发生装置中仍被采用,旋转阳极技术,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,旋转阳极球管的靶面,旋转速率有2700rpm、8500rpm(3倍频)，甚至16000rpm(6倍频)。,旋转阳极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

13、时负载功率大、焦点小。功率多为2050kW，高者可达150kW，是固定阳极线管的59倍。有效焦点为12mm，从而大大提高了影像清晰度。,旋转阳极实验装置,金属壳旋转阳极球管,靶面与靶盘,靶盘直径70150mm钨制成表面龟裂、粗糙，辐射线能力下降 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，有效提高线管连续负荷能力（50kW，1*1mm焦点）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,散热与温度保护,旋转阳极线管与固定阳极线管的散热方式不同，靶面受高速运动电

14、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。为防止由此造成的线管损坏，有些线机的线管装置内设有温度限制保护装置，以保护线管。,水或油循环冷却技术,真空 油,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,特殊线管,金属陶瓷大功率线管三极线管软线管用线管,金属陶瓷大功率线管,玻璃球壳线管缺点,用硬质玻璃制成的线管，随着线管使用时间增长，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，线管损坏。,金属陶瓷

15、大功率线管将玻璃壳改为由金属和陶瓷组合而成。金属部分位于线管中间并接地，以吸收二次电子，焦点处开有铍窗以使线通过。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，以提高线管的负荷。,栅控线管,栅控线管是在普通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,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，不产生线。负电压或负脉冲电压消失时，产生线。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线摄影，摄影频率可

16、达200帧/秒。,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）。微焦点线管常用于放大线摄影。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，不适用于大功率线机，主要应用于线电影摄影、线电视。,0.2mm焦点，腹部血管造影放大2倍；0.1mm焦点，手、足血管造影放大3倍,软线管,对乳房等软组织线摄影时，普通线管得不到满意效果。为提高线影像的对比度，须用大剂量软线。软组织摄影最适宜波长为0.060.09nm，软线管可辐射出波长为0.063nm和0.07nm

17、的特征线。摄影时主要利用钼靶辐射的特征线。,钼靶辐射线波谱,软线管特点线输出窗的固有过滤小（铍窗）；低管电压时能产生大管电流；焦点小0.03mm钼片过滤 对0.063nm以下线强烈选择吸收，吸收0.07nm以上较软线,用线管,管电流100600 mA管电压100140 kV扫描时间0.57 S,主要参数,通常扫描一层图像需数百mAS，为了满足诊断需要，要连续数十层扫描，故用线管要有大的热容量。所以管结构、靶面材料、灯丝热变形系数、旋转轴承的自由膨胀系数、高温下的真空保持等，都要求有特殊的工艺措施才能保证在上述严格条件下正常运转。靶面采用新型复合靶结构，大体积石墨基以增大热容量，外壳多为金属或陶

18、瓷材料，配有油循环系统以尽快散热。,管电压(KV)管电流(mA)曝光时间(S)热容量,X线管的参数,热容量,曝光时阳极靶面产生大量的热，同时伴随冷却，如果生热快，散热慢，则阳极将积累热量。阳极积累的热量越多，冷却速度越大。X线管处于最大冷却率时，允许承受的最大热量称为热容量。热容量的单位除了焦耳（J）外，还使用热单位（heat unit,HU）。1J=1kV(有效值)*1mA(有效值)*1s 1HU=1kV(峰值)*1mA(平均值)*1s单相全波整流情况下，换算关系：1HU=0.77J,热容量1,功率,热量,热容量,散热率,热容量2,功率,每次曝光产生的热量,热容量,散热率,球管参数举例,线管

19、真空度检验,冷高压试验线管灯丝不加热，两极间加高压如有辉光，且强度随管电压增加而增强，说明该线管的真空度不良；如在较低千伏试验时，管内就充满辉光，说明此管已严重含气，不能使用。,影响线管寿命的因素,灯丝灯丝电压升高5%，发射量增大50%，寿命减少一半；电压降低5%，寿命延长一倍。当灯丝截面积由于蒸发减少10%，灯丝就有烧断可能。阳极靶面被打得凹凸不平或局部融化均会造成输出量急剧下降，即报废。超负荷使用会缩短线管的寿命。负荷为正常的110%时，线管寿命只有60%，如果负荷只用到80%，线管寿命可能达到300%。,图像质量,受X线管的管电压影响，电压越高，X射线能量越大，对比度越低；受滤线栅影响，

20、不加滤线栅，则对比度低；受胶片盒里荧光物质厚度影响，越厚，则分辨率越低；病人移动，则（分辨率低）图像模糊；X射线焦点越大，则（分辨率低）图像越模糊。,三大权衡（trade-off）,X线管电压低，则对比度好，但病人吃线多；高，则对比度差，病人吃线少；使用滤线栅，则去除散射，图像对比度高，但病人吃线多；不使用，则图像对比度差，病人吃线少；胶片盒中荧光物质越厚，则吸收的X射线越多，需要的剂量越少，但对比度越差；越薄，则吸收的X射线越少，需要的剂量多，但对比度好；在允许的条件下，以降低剂量为优先。,第三节 高压发生器,高压变压器灯丝变压器高压整流器高压电缆、高压插头及插座高压交换闸,图像接收装置：胶

21、片/影像增强器,球管：产生X射线限束器：射线野的控制,高压发生器,患者支撑：患者移动和支撑,滤线栅：减少散射,X线系统的组成,基本电路,1电源电路:X线机控制台内的自耦变压器输送电能的电路。由电源闸刀、电源线、电源保险丝、机器通断按钮和接触器等元件构成。电源电压表及电源电压调节器、输入电压选择器、电源自动补偿装置等。2X线管灯丝加热电路:灯丝初级电路，灯丝次级电路，在小型（50mA以下）X线机中，主要由mA调节电阻和灯丝变压器构成。在中型（100mA以上、400mA以下）、大型（500mA以上）的X线机中，还设有稳压电路，冷压保护电路和空间电荷补偿电路等。,3高压发生电路:它是指将自耦变压器供

22、给的低电压转化为高电压输送到X线管两极的电路。分高压初级电路，高压次级电路两部分。高压初级电路，是指由自耦变压器输出端至高压变压器初级线圈所构成的回路。该部分电路主要由kV调节器、kV指示仪表、接触器触点或晶闸管、熄弧装置和管电压补偿电路构成。高压次级电路，小型机器中，只有测定管电流的mA表和安全保护装置；在大中型X线机中，还设有将交流高压变为直流高压的各种不同形式的整流电路，以及用来指示mA值的mA测量电路和交换X线管的高压交换闸等。,4控制电路:它是指控制X线发生和停止，以及与此相关的各种电路所构成的系统。除有脚闸、手开关、各种继电器或接触器和限时电路等基本元件与电路外，还按X线机的功能不

23、同而设有点片摄影、滤线器摄影、体层摄影等控制电路，以及台次交换、旋转阳极启动、延时、保护和容量保护等电路。5X线应用设备的电路:电动诊视床电路、X线管支持装置电路，以及大型X线机所配的影像增强器、X-TV、快速换片机、高压注射器等组件的电路,高压发生器结构,控制台,控制柜,油箱,X线管组件,参数设置参数选择信息提示,电源分配信号分配信号驱动功率驱动,提供高压灯丝电源,产生X射线,高压发生器,降压变压器灯丝电子云,升压变压器阴阳极电子束,(12V),(45kV),功能：提供 电力給球管和其他系统組件 控制 影响影像质量的技术条件，如mA，kV，sec.等,XHV50高频发生器,显示区,摄影调整,

24、透视调整,工频高压发生器和高频高压发生器,工频单项,工频三项,高频三项,工频高压发生器和高频高压发生器,高压发生器,高压发生器外形,高压发生器内部结构,高压变压器结构,灯丝变压器结构,高压整流器,将高压变压器输出的交流高压变为直流高压的电子元件。现代线机的高压整流器都采用半导体整流器，应用最广泛的是高压硅堆。由许多单晶硅做成的二极管用银丝串联而成。它具有体积小、机械强度高、绝缘性好、寿命长、性能稳定等优点。使用时要浸入油中，油温不超过70度。,高压电缆的构造,高压电缆的构造,高压电缆的插头、插座,高压交换闸,在大、中型诊断线机中，多备有两个或两个以上线管，以一机多用。多个线管共用一个高压发生器

25、，需高压交换闸切换。继电器式、电动机式,第四节 控制台,控制台必须满足线管产生线的下列基本要求可调管电流（调节灯丝加热电压）可调管电压（控制线质）可调曝光时间,X线管空间电荷补偿,灯丝发射的部分热电子滞留于灯丝表面，称空间电荷。随管电压增加，由于空间电荷管电流也增加，称为空间电荷效应。P81图为保证管电流的准确性，随着管电压增加，适当降低灯丝加热电压，使管电流保持不变，称X线管空间电荷补偿。,自动曝光控时,在线通过被照物体后，以达到胶片上所需的感光剂量来决定曝光时间。感光剂量满足后，自动切断高压，结束曝光。分光电和电离室自动曝光控时。,电离室自动曝光控时,电离室在两个金属板平行电极上加直流高压

26、，中间为气体。线照射时，气体被电离，离子在强电场作用下形成电流，电流大小与线辐射强度成正比。当线辐射强度大时，电离电流大，曝光时间短；线辐射强度小时，电离电流小，曝光时间自动延长。,旋转阳极启动、延时与保护,旋转阳极线管的功率是基于阳极转速达到额定值时的功率。如在未达到转速时曝光，将会造成线管的靶面融化损坏。(旋转速度检测电路)中、大型线机一般均配备旋转阳极刹车装置，刹车装置一旦损坏，绝对不能启动线机。,快速启动。曝光前几秒内将转动惯量很大的转子系统由静止达到额定转速。要求机械强度好，能承受大的角加速度。大的启动电流。延时装置。在阳极达到额定转速后才送出曝光开始信号。降压装置。阳极达到额定转速

27、后，在曝光期间将启动状态的高压切换为工作状态的低压，以适应阳极启动转矩大、运转转矩小。,制动装置。减小阳极轴承磨损，延长寿命。曝光结束后，阳极应在很短时间内停止转动。反向脉动直流电流，产生制动力矩，使旋转的阳极迅速停止。,线管安全保护电路,容量保护电路 过电压保护电路 过电流保护电路,操作控制电路,为了实现各种要求的曝光功能，如透视、普通摄影、点片摄影、断层摄影等等，必须有一定的曝光顺序控制，这种电路就叫操作控制电路。,X线机有一个曝光手闸，它的按钮有两档，第一档是准备档按钮(Ready)，第二档是曝光档按钮(Radiography)。,简单的曝光过程控制,单钮自动曝光过程控制,其他控制电路,球管油温检测电路相位检测电路(工频机),曝光方式控制电路球管选择电路透视摄影切换电路,KV补偿电路空间电荷补偿电路mA补偿电路,KV调节电路mA调节电路S选择电路,KV测量电路mA测量电路mAS测量电路,参数显示电路,IBS自动亮度控制电路电源电压检测和调整,