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x线结构与原理
第4节X线成像设备的结构与原理
一、X线的产生装置
根据X线的产生原理,人们研制出了一整套将电能转变为X线能的装置,该装置是X线机中最重要的组成部分。
它能根据不同需要产生量和质可以随意控制的X线束。
X线机的结构和形式,随着科学技术的发展和使用要求的不同而有很大差别,但其产生X线的原理都是一样的。
X线机的基本结构如图2-1所示.
图2-1X线机基本结构框
现将各部分原理和作用分述如下。
1.X线球管
X线球管可谓X线机的心脏,它是产生X线的关键部件。
是一个高真空器件,产生X线的实质是能量转换,根据产生X线的条件,高速电子所携带的能量,在遭到急剧阻挡后,大部分转变为热能,很小的一部分能量转变为X线,X线球管是一个转换效率极低的能量转换元件,在此过程中大约有99%左右的能量被转换成热能而被浪费掉,不仅如此,人们为了解决这大量的热带来的问题又投入了较大的精力去研究如何散热,尽管如此,X线的作用和影响仍然是非常重要的。
X线球管从结构上分为固定阳极和旋转阳极2种。
⑴固定阳极X线球管 固定阳极X线球管的阳极固定不动,电子由热阴极发射,具有X线量和质可以任意调节的特点。
因其功率小、焦点较大,已满足不了飞速发展的X线影像技术的要求,目前仅用于小型和部分中型X线机中。
①构造与作用 固定阳极X线球管的结构主要由阳极、阴极和玻璃壁3部分组成,如图2-2所示。
图2-2固定阳极X线球管的结构
阳极由靶面、铜体、阳极罩、阳极柱4部分组成。
阳极的作用是产生X线,散热,吸收二次电子和散射线。
靶面受电子轰击,而电子动能的约99%转换为热能,只有1%左右转换为X线,故靶面材料多选用高熔点且X线发射率较高的金属钨制成(熔点为3370℃,原子序数Z=74)。
由于钨的导热率小,故一般通过真空熔焊的方法把钨靶焊接在无氧铜体上,以便具有良好的散热能力。
阳极罩在靶外面,也由无氧铜制成,其作用是吸收二次电子和散射线。
高速电子轰击靶面时,会有少量电子从靶面反射回来,称为二次电子,其能量为原来的90%左右。
二次电子若轰击在玻璃壳上,会使玻璃壳温度升高而渗进气体分子,降低管内真空度,热量不均匀时甚至会使玻璃壳击穿漏气;二次电子也可能再次轰击靶面,辐射出大量的散射线,严重地影响成像质量。
加设阳极罩可以大大减轻上述危害。
阳极柱由紫铜制成,铜体延伸出管外,通过与外部油液之间的传导作用把热传递出去。
阴极由灯丝和集射罩组成,其作用是发射热电子和聚焦,使打在靶面上的电子束具有一定的形状和大小,形成X线球管的焦点。
灯丝由钨制成,绕成螺管状,作用是发射电子。
灯丝通电后,温度逐渐上升,至一定值后开始发射电子,发射电子的能力与灯丝温度(或灯丝消耗的功率)密切相关。
根据W=I2·R(W为灯丝消耗的功率,I为灯丝电流强度,R为灯丝电阻),R=ρ·L/S(ρ为灯丝电阻率,L为长度,S为灯丝截面积),温度与灯丝电流密度(单位截面积上的电流强度)之间的关系如图2-3所示。
图2-3灯丝的电流强度与温度之间的关系
当灯丝温度低于2400K时,随着电流(或者说电流密度)的升高温度增加较慢;而温度高于2400K时,电流稍提高一点,灯丝温度却增加很多。
所以在调试管电流时,应特别注意这一点。
而且,灯丝点燃时间越长,工作温度越高,蒸发越快,灯丝寿命越短。
如果灯丝电流比额定值升高5%,灯丝的寿命可以缩短1倍。
所以灯丝加热电流应严格限制在额定值以下使用,同时应尽量缩短高温点燃时间。
集射罩的作用是对灯丝发射的电子进行聚集。
当灯丝发射大量电子后,接通高压时,在阳极正电场的作用下,电子将高速飞向阳极。
但由于电子之间的相互排斥作用,致使电子呈散射状,特别是在阳极电压较低的情况下,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等制成的长方形罩中,该罩称集射罩。
X线球管玻璃壳是用来支撑阴阳两极和保持管内真空度的。
它多用耐高温、绝缘强度高、膨胀系数小的钼玻璃制成。
②X线球管的焦点电子轰击在靶面上的面积称为实际焦点。
实际焦点在X线投照方向上的投影称有效焦点,或称目视焦点。
设靶面与X线投照方向的夹角为θ,实际焦点的长度为b,宽度为a,那么它在θ方向上的投影,其宽度不变,长度为b·sinθ,因此有效焦点为a·b·sinθ。
当投照方向与X线管轴相垂直时,这时的θ角称为靶角或阳极倾角。
实际焦点在与X线管轴相垂直方向上的投影称为标称有效焦点。
在X线球管规格中,通常以标称有效焦点来表示其有效焦点。
其关系如图2-4所示。
图2-4阳极靶面的有效焦点与实际焦点
X线球管的阳极之所以设计成倾斜一定的角度,是为了增大实际焦点面,减小有效焦点,这样既能提高X线球管的热容量,又能改善影像质量,使影像较为清晰。
有效焦点与成像质量有密切联系。
有效焦点尺寸越小,影像清晰度越高。
由图2-5可以看出,当有效焦点为点光源时,胶片上的影像界限分明,清晰度高;当有效焦点具有一定尺寸时,胶片上的影像边界产生了半影,边缘模糊,清晰度降低。
图2-5焦点尺寸与影像的关系
有效焦点的大小与X线球管的管电流强度(管电流)和电压(管电压)有关。
在管电流一定的条件下,管电压越高,电子间排斥力相对电场力的作用变小,所以有效焦点尺寸略有减小;在管电压一定的条件下,尤其在低压时,管电流增大,电子间的排斥力增大,有效焦点尺寸将明显增加,这种现象称为焦点增涨。
所以在测量有效焦点时既要规定与管轴垂直的投影方向,还应规定相应的管电流和管电压值,一般取管电流的最大值的50%,管电压为75kV作测量条件。
(2)旋转阳极X线球管固定阳极X线球管因阳极焦点面受温度的影响,限制了功率。
要提高功率就必须增大焦点面积,这又使影像清晰度大大降低,两者不能兼顾。
1930年以后出现了旋转阳极X线球管,其结构如图2-6所示。
从偏离管中心轴线的阴极灯丝发射出来的电子,轰击在转动的阳极靶面上,由于热量被均匀地分布在一个转动着的圆环面上,使单位面积上的热量大幅度降低,因而能有效地提高X线球管的功率;或者说,在一定的负载功率下,阳极倾角可以大大减小,从而使有效焦点变小而大大提高了影像清晰度。
所以旋转阳极X线球管的最大优点是:
功率大、焦点小。
和固定阳极X线球管相比,旋转阳极X线球管主要是阳极部分构造不同。
阳极部分主要由靶面、转子、转轴、轴承和定子组成。
图2-6旋转阳极X线球管结构
靶面具有6°~18°的倾斜角,镶在一个直径为70~100mm的圆盘上。
其中心铆接在钼制细杆上,钼杆的另一端与转子相连,转子为一表面黑化的铜管,以提高热辐射能力。
转子内装有滚珠轴承,转动灵活,转子和轴承封闭在高真空的玻璃管内。
定子线圈装在管壁外面,其结构和小型单相异步电机类同。
转子由无氧铜制成,相当于异步电动机的鼠笼转子,转速由下式决定:
n=120f/p(r/min)
式中n为理论转速,f为定子中的电源频率,p为定子的极数,一般为2。
由于存在频率差,转子转速约落后磁场转速的10%左右。
所以对低速管(f=50Hz),实际转速约为2700r/min;对高速管(例如f=150Hz),实际转速为8500r/min左右。
转速越高,X线管的功率越大。
2.高压发生器
高压发生器是X线机主机系统的重要组成部分。
它的作用,一是将由自耦变压器输入的初级交流低电压升高数百倍,再经整流后输出,为X线管两极提供直流高压;二是将初级电路输入的交流电压降压后输出,为X线管灯丝提供加热电流;三是完成管电压、灯丝加热电流在不同负载间的切换。
由上述可知,它应包括下列元件:
高压变压器、灯丝变压器、高压整流器、高压交换闸等。
(1)高压变压器
X线机的高压变压器的工作原理与普通变压器一样,但由于运行状态较为特殊,在构造上也有其固有的特点。
①铁芯多采用闭合式的导磁体,一般用0.35mm厚的热轧硅钢片(D41~D43)或冷轧硅钢片(D310~D340)冲压成不同宽度的矩形片叠成阶梯形状。
为了减少涡流损失,每片表面涂上一层很薄的绝缘漆。
为了减少叠片接合处的磁隙,采取交叉叠片方法以消除明显接合缝隙,最后嵌成闭合“口”字形或“日”字形。
为了使铁芯压紧减少漏磁,多用扁铁或角钢夹持,并用螺栓紧固。
②初级绕组由变压器的原理可知,它的初级绕组通过的电流强度很大。
中型以上诊断X线机在摄影时可达百余安培,但其电压不高,故其绝缘要求不十分严格,一般有0.1~0.2mm的电容器纸衬垫绝缘即可,但要用较粗的纱包线或玻璃丝包的扁铜线。
有的初级绕成2个绕组,串联或并联使用。
但两线圈的接线方向不能接错,否则因磁通反向抵消而无输出。
③次级绕组高压变压器次级通过的电流强度较小,一般在1000mA以下,故多采用直径较小的油性或高强度漆包线绕制。
又因为次级电压很高,其总匝数在数万到数十万之间,多绕成匝数相同的2个绕组,套在初级绕组上。
初次级之间必须有良好的绝缘。
为提高层间的绝缘强度,需衬垫数层电容器纸。
图2-7为高压变压器结构示意图。
图2-7高压变压器结构
④次级绕组的中心接地诊断X线机高压变压器都采用2个线圈、中心点接地方式,这样可使高压变压器的绝缘要求降低一半。
高压次级中心点接地后就获得与地相同的零电位,因此次级2输出端的任何一端对中心点的电压等于2输出端间电压的一半。
同时由于中心点是零电位,就可以把指示管电流的电流表(一般以毫安作为电流强度的单位,故又称毫安表)接在中心点处,安装在控制台上使控制台免受高压袭击,保证工作人员安全。
为了防止毫安表断路而使中心点电位升高,设有保护装置,其方法有2种:
其一为在2个中心点接线柱上并联1对放电针或1个纸质电容器,其二为在中心点接线柱上并联1只放电管。
这样中心点电位升高时,以上保护装置导通,接通对地回路,起到保护作用。
(2)灯丝变压器
图2-8高压真空整流管
X线管的灯丝电流的电流强度一般为4~8A,灯丝电压为5~20V,故灯丝变压器为100~150W的降压变压器。
X线管灯丝变压器的初级输入电压在小型机中多直接由自耦变压器供给,而中型以上还需经过磁饱和稳压器稳压,初级电压多为220V。
主要特点是其次级绕组与高压变压器次级的一端相连,在工作时带有高电位,因此初、次级线圈间应具有良好的绝缘。
(3)高压整流器
高压整流器是一种将高压变压器次级输出的交流电整流成脉动直流电的电子元件。
利用这种元件可以使X线管始终保持在阳极为正、阴极为负的脉动直流高压状态下工作,可充分发挥X线管的效率。
高压整流元件分为2种。
①高压真空整流管常称高压整流管。
高压整流管的结构与工作原理同X线管基本相似,即有一个能加热而发射电子的阴极,有一个接受电子的传导电流的阳极面,并且管内具有高度真空(图2-8)。
高压整流管具有一般二极管的单向导电特性。
②高压硅整流器常称高压硅堆。
使用高压真空整流管时,灯丝需要加热,消耗一定电能,同时压降也大,还需要灯丝变压器,占体积较大。
故目前已用高压硅堆取代了高压真空整流管,它具有体积小、机械强度高、绝缘性高、寿命长、性能稳定、压降小、无需灯丝加热等优点,从而可简化电路,并缩小高压发生装置的体积(图2-9)。
图2-9高压硅整流器
它由许多单晶硅做成的二极管用银丝串联而成,外壳一般用环氧树脂密封。
由于硅和环氧树脂的热膨胀系数差别很大,考虑到耐压,每个硅堆首先用硅胶加以密封,然后充填环氧树脂。
(4)高压交换闸
在较大功率的诊断用X线机上,多配有2个或2个以上的X线管,以适应一机多用的需要。
但由于几个X线管共用一个高压发生器,而各X线管又不能同
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