X射线机基础知识

X射线机基础知识

一、概述：

1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时，偶然发现了X射线。很快X射线就应用于医学成像，开创了一种内脏器官无创伤影像诊断方法。

X射线是一种波长极短，能量很大电磁波，它除了具有可见光的一般性质外，还具有自身的一些特性，即穿透作用、电离作用、感光作用、荧光作用及生物效应等。

X射线在医学上的应用有三个方面的内容，即X射线诊断、X射线治疗及X射线防护。用于诊断的X射线机称为诊断X射线机，可以作透视、摄影检查。X射线透视主要依据的是X射线的穿透作用，差别吸收及荧光作用；X射线摄影依据的是X射线的穿透作用，差别吸收及感光作用。X射线摄影检查又可以分为普通摄影、滤线器摄影、断层摄影等几种方法。

二、X射线机高压部件简介

（一）X射线管

X射线产生需要三个条件：（1）电子源；（2）高速电子流；（3）靶。X射线管就是据此设计制造的产生X射线的核心器件。X射线管主要由阴极、阳极和玻璃壳三部分组成，阳极和阴极封装在高真空度的玻璃壳内。阴极（钨丝）在高温下可发射足够数量的电子，这些电子在阴阳两极高压作用下被加速成为高速电子流。当高速电子撞击钨靶时，电子动能转换为两部分能量：其中不到1%能量转换为X 射线能量；而99%以上能量转换为阳极热量，加速了阳极靶面的温升。X射线管分为固定阳极X射线管和旋转阳极X射线管，两者结构区别主要体现在阳极上，前者主要由钨靶面和传热的铜体构成，后者主要由靶面、转子、转轴、定子及轴承组成。旋转阳极X射线管分为低速管（3000转/分）和高速管（9000转/分）两类。为减少磨损和防止共振，旋转阳极X射线管一般都有制动装置。X射线管放置在X射线管管室中，两者之间充满了用于绝缘和冷却的变压器油。

（二）高压发生器

高压发生器的主要作用是供给X射线管阴、阳两极直流高压和灯丝加热电压。其主要由高压变压器、灯丝变压器、高压整流器、高压交换闸、变压器油及封装以上部件的箱体组成。高压初级电压经高压变压器升压、高压整流器整流后，成为直流高压，通过高压电缆加到X射线管阴阳两极。灯丝初级电压经灯丝变压器降压后，通过阴极高压电缆加到X射线管灯丝。一台X射线机经常带有两个或三个X射线管，这些X射线管分时工作，通过高压交换闸进行切换。变压器油起绝缘和散热的作用。

（三）高压电缆

高压电缆是连接高压发生器和X射线管的器件，主要用于传输X射线管阴阳两级高压及灯丝加热电压。高压电缆分同轴高压电缆和非同轴高压电缆两类，其结构从里到外依次为导电芯线、高压绝缘层、半导体层、金属屏蔽层及保护层。阴极电缆有三芯和二芯两类，分别用于双焦点和单焦点X射线管。高压电缆两端装有高压插头，分别与装有高压插座的高压发生器和X射线管相连。

三、诊断X射线机的组成

诊断X射线机主要由主机和外围设备两部分组成。每部分的具体组成如下表所示。

四、X射线机主机系统基本电路

X射线机主机系统就其电路而言，可分成以下10个组成部分：

1. 电源电路为X射线机各部分电路提供所需的电源电压，其核心部件是自耦变压器。

2. 高压初级电路给高压变压器提供电源的电路。要求高压初级可实现管电压的调节、管电压的控制和管电压的指示。

3. 高压次级电路将高压变压器次级输出的交流高压通过整流器件变换为直流高压并送到X射线管两端。

4. X射线管灯丝加热电路供给X射线管灯丝加热电源的电路，分为灯丝初级电路和次级电路，其基本要求为稳定和可调。

5. 管电流测量电路管电流的测量通常使用毫安表和毫安秒表。此表串接在高压变压器次级中性点上，并安装在控制台上，以指示曝光时的管电流。

6. 延时电路主要作用是完成电路、器件、装置及机械传动过程中所需要的等待时间。例如旋转阳极启动时间、灯丝增温时间、点片摄影时由透视状态转换到摄影状态所需要时间等，都是由延时电路提供的。

7. 限时电路控制曝光时间的电路。通常通过控制高压接触器或主可控硅的通断来控制曝光时间。常用限时器有机械限时器、电子限时器及自动曝光限时器等。

8. 旋转阳极启动电路控制旋转阳极转动的电路。通常有如下几个方面的要求：一是要能快速启动；二是要有延时；三是要有降压装置；四是要有保护装置；五是要有制动装置。

9. X射线管安全保护电路每只X射线管都有自己的最大容量。使用时，如果超过它的极限就会造成X射线管的损坏。为了保证每次曝光都在X射线管的最大允许负载下进行，许多X射线机都设有X射线管安全保护电路。但这种保护属于一次性预置保护，只对一次性曝光过载起保护，而对额定值内的连续重复曝光而出现的累积性过载不起保护作用，所以在使用X射线机时，相邻两次曝光之间要有足够时间的间隔，以保证X射线管充分冷却。

10. 控制电路控制电路是指按照临床技术要求利用以接触器和继电器为主要执行元件，来控制X射线的发生和中断，并能协同某些机械动作的综合性电路。以上10个基本电路组成了一台X射线机的主机电路，他们之间相互作用、相互控制，其相互关系如图所示。

X线管的分类

X线管是球管中主要部件,它是具有两个电极(阳极和阴极)的高压真空仪器,X线是由于向X线管阳极迅速运动的电子收到急剧的制止而发生的"

1. X线管的分类

1. 按用途分：诊断用X线管和治疗用X线管两种。

2. 按焦点结构分：单焦点X线管和双焦点X线管两种。

3. 按阳极性质分：固定阳极X线管和旋转阳极X线管两种。

2. 固定阳极X线管的结构

固定阳极X线管由固定阳极、阴极、铜柱、玻璃罩组成。

1. 固定阳极：阳极由钨靶组成。阳极承受电子撞击的面称之为靶面，通常称之为钨靶

2. 阴极：阴极由灯丝组成。当阴极灯丝电流流过时，灯丝周围就会产生电子，电流越大，电子越多，当X线管二端加上高电压后，由于电场的作用，电子迅速向阳极飞去，电压越高，电子速度就越快。

3. 铜柱：由于高速电子聚焦后去撞击阳极靶面时，由动能转变为热能，因此阳极产生很大的热能，必须通过铜柱进行散热。

4. 玻璃罩：X线管的玻璃罩是一种特殊玻璃，必须与金属膨胀系数相同，不可漏气，保持X线管内的高度真空。

固定阳极X线管因阳极面受温度的影响，限制其功率，要提高功率，焦点面就必须增大，但是焦点面增大，又会影响清晰度，二者不能兼顾。

3. 旋转阳极X线管由旋转阳极和阴极组成。

旋转阳极：旋转阳极由靶面、转子、轴承，阳极转轴组成。旋转阳极X线管的转速为2800转/分，其优点是功率大，焦点小，散热快。高速旋转阳极X线管的转速为9000转/分。

阴极：阴极由聚焦螺旋管状灯丝、阴极盘、阴极罩等组成。其作用与固定阳极X线管相同，就是以发射电子并使其聚焦去轰

击阳极靶面，一般灯丝具有大小二个。

球管的原理、选购和安装

1．球管的结构

CT球管主要由管芯、管套、高压电路、循环冷却系统等几部分组成。而管芯又是由杯状阴极灯丝、旋转阳极钼基钨靶、高速轴承、附属散热装置等部件组成。

2.球管工作原理

球管实际上是一个大的高真空的阴极射线二极管，是产生x线的系统，其工作过程为：由12V电流供于阴极灯丝加热，并产生自由电子云集，这时向阴阳两极加40一150kV高压电时，电势差陡增，在高压强电场驱动下，处于活跃状态的自由电子束，由阴极高速撞击阳极钼基钨靶，并发生能量转换，约l％的电能形成了x线，由窗口发射，99％则转换为热能，由散热系统散发。

x线是一种有很强穿透力的短电磁波，且电压愈高穿透力愈强。x线在穿透物质过程中会被部分的吸收即衰减，这是X线成像的物理学基础。利用这一原理使人体的组织产生不同衰减的射线投影，使胶片的溴化银感光经显影呈黑色；而未感光的溴化银，经定影冲洗为透明白色，由此产生了黑白影像，这就是摄影效应。另外x线的穿透程度或者说被吸收衰减程度还与被照物的密度和厚度相关，成像上所显示的黑白影的层次差异代表人体组织的密度差异，密度越高，吸收越多，穿透越少，感光越少，图像越白；反之则越黑。人体组织发生病变时密度也发生变化，其影像的黑白影也随之变化，这就是影像诊断原理。以上为模拟影像

技术，目前x线影像技术已与计算机结合发展为数字化x线成像技术，如CR(computed Radiography)计算机X线摄影术和DR(DigitalRadiogra曲y J数字ft x线摄影术等o

3.球管的选购

球管是需要定期更换的耗材，而且必须有备用管。原配球管的价格很高，为降低成本，可使用替代管，但不同的品牌在性能上优劣相差甚远。

(1)球管的外形尺寸、重量、重心、固定方式等物理特性是高速旋转的重要参数。

(2)热容量(KHU)是衡量规格大小的指标，热容量越大，载热能越多，能力越强，寿命越长。

(3)最高管电压、最大管电流与热容量相关。

(4)散热率(KHU/min)即冷却效率也是影响球管正常工作重要参数。

(5)灯丝特性、焦点尺寸、焦片距(FFD)、阳极转速等参数与设备要尽量吻合，否则工作不正常。

(6)高压电缆插座与插头及窗口与高压电缆插座间的角度要相匹配，否则无法正常安装。

(7)价格的衡量标准应该是平均单次曝光价格及球管的保用次数。

(8)供应商的售后服务、技术支持和信誉也非常重要。

4.球管的安装调试

不同厂家生产的球管的物理特性相差较大，为了保证CT机的可靠安全运转、获得最佳图像质量并延长使用寿命，必须做完整的系统调试。

(1)转子的驱动电压值及驱动时间的调整。

(2)调整灯丝加热条件。

(3)确认kV、mA值并作适当调节。

(4)常规的球管位置调整和仿真模型系列调试。

(5)按照技术手册进行球管老化训练可增加球管使用寿命。

医用X射线管的检验及注意事项

X射线管是X射线机中的主要元件，是一个高真空器件。现在所使用的热阴极电子X射线管，其基本原理是利用阴极的热发射电子束在高压电场的作用下高速飞向阳极靶面，靶面受电子轰击，产生X线。医用X线管，按用途可分为诊断用X 射线管和治疗用x射线管。两种X射线管的原理基本一致，易震裂，存放时间较长时，各电极可能有自然出气现象，使用前必须对它进行仔细的检查和实验。

1 外观检验

首先检查外包装，看有无损伤和缺陷，然后再检查管壁内部有无不正常现象。

1.1 检查玻璃管壁有无气泡、水线、划伤、裂纹及不正常的颜色等。要求气泡的直径小于1mm；不允许有水线；划痕深度用指甲划过时不应有感觉；不许有

裂纹；玻璃管壁的颜色应一致。

1.2 检查阴极接线、灯丝、锈痕、污物、结构等。要求阴极接线正确；灯丝位置端正，周围无异常颜色，通电能亮；阴极没有锈痕和污物；阴极结构无松动现象。

1.3 检查阴极位置是否正确，察看光洁度、靶面色度、锈痕、污物等。要求阳极位置正确；阳极表面光洁无尖端凸起；靶面光洁无裂痕；旋转阳极，转速应达到规定标准，轴承摩擦不应有沙哑声；靶面角度应正确，阳极体不应有锈痕和污物。

1.4 灯丝的检查：检查灯丝的结构有无缺陷，察看灯丝是否弯曲，是否与集射罩短路等。要求灯丝结构无缺陷，无弯曲，在做强X线试验前要作灯丝加热试验。试验时一般用电瓶供电，或用低压交流电供电。试验时加热电压和电流不宜过高，如果x线管存在严重漏气，灯丝会立即烧毁。

1.5 管内检查：管内不应有异物。

1.6 真空程度的检查：X线管只有在高度真空情况下才能正常工作。一般在1.33kPa-0.67kPa以上，高的在1.33kPa·0.93kPa检查真空度有两种方法：第一种是高频法，利用高频脉冲法(超短波或高频发生器)判断管内真空度是否良好。用超短波做试验时，将管子置于超短波两电极之间通电，若管子发生辉光，说明管子漏气了，辉光的浓淡表示漏气的严重程度，若大量漏气则无辉光产生，通电后灯丝易烧毁。第二种是冷高压法，X线管灯丝不加热，在X线管两端加上高压。高压不能过高，只能是最大工作电压的30％-35％，若管子内部发生辉光，说明此管子漏气，漏气严重时管子将产生火花放电。

1.7 性能试验：经过以上检查就可以进入性能试验，即灯丝加热。在管子两端加上电压进行性能实验。如果是诊断用X线管，做透视和摄影时应选择人体厚实部位进行；如果是治疗用X线管，要测X线的质和量，如有漏气，质和量将会降低很多。

2 X线管的试训

X线管的试训目的是为了将轻微含气的管子，经试训后恢复真空，有两种方法。

2.1 mA值一定，kV值由低逐渐升高。用低的管电流(诊断用X线管取lmA-2mA，深部治疗用X线管取3mA-5mA)，从最低的管电压连续施加电压，每一次高压经1min-2min后，如果没有辉光或含气的现象(毫安表颤动)发生，就可将管电压提高一步。经过适当休息后再试lmin-2min，如无辉光或含气的现象发生，将管电压逐步提高，到达最高的额定电压为止。试验过程中若发现辉光或含气现象，则将管电压降到前一步的数值重新试验；如果一开始就出现辉光或含气现象，且几次试验都无法恢复，则说明管子已经无法使用。

2.2 kV值一定，mA值由低逐渐升高，方法同上。往往有些轻微漏气的X线管，在小mA值时适应，但在大mA值时，阴极发射的电子越多，撞击游离气体分子的机会也多，因此容易产生电离，发生辉光。当有辉光产生时，再退一步去试验，合格后再进行下一步，如此反复试验，直到没有辉光产生为止。

3 注意事项

3.1 在试验中应严格操作，细心检查，注意X线管所发生的一切现象。如表面是否有放电现象，管内有无辉光产生；若管两极根部有辉光产生，说明此管已

漏气。

3.2 观察mA表，若发现mA表指针颤动，说明管子漏气不严重，可以恢复。

3.3 在试验时如发现管壁出现荧光，首先应与管内含气而引起的辉光相区别：荧光发生在管壁上，辉光发生在两极空间；荧光发生在局部，辉光发生在全管；辉光有时呈淡白色，有时呈淡红紫色；无荧光出现时，X线机仪表无异常现象，荧光出现时，X线机的毫安表不稳，荧光的颜色取决于管子玻璃的成份。

按卫生部颁布的《医用X线诊断放射卫生防护及影象质量保证管理规定》，对x线管定期的维护、检修是达到x线管有效使用的根本保证。