第五節　X 線 管

一、概 述

X線管是X線機重要的部件之一，它是產生X線的核心部件，其作用是將電能轉化為X線。診斷用X線管的發展經歷了從最早的電子射線管、靜止陽極射線管到旋轉陽極射線管及特殊的X線管等的技術發展過程。目前在X線機系統中應用較多的是旋轉陽極X線管。

二、靜止陽極X線管

靜止陽極X線管的結構由陽極、陰極和玻璃殼三部分組成。

（一）陽極

由陽極頭、陽極帽、陽極柄三部分組成。它的作用一是吸引和加速電子，并約束高速電子運動轟擊靶面而產生X線；二是把產生的熱量傳導和輻射出去，電子束中一般只有不到1%左右轉換為X線能，其余全部生成熱，所以靶面材料一般選用高熔點且X線發射率較高的鎢制成。

1.陽極頭

由靶面和陽極體組成。靶面承受電子轟擊，靶面的工作溫度很高，一般都用鎢制成，稱為鎢靶。鎢具有熔點高、原子序數大、蒸氣率低的特點。由于鎢的導熱率低，常把導熱系數大的由無氧銅制成的陽極體與鎢靶焊在一起，以提高陽極頭的散熱效率。

靜止陽極靶面是靜止不動的，電子束總是轟擊在固定的位置上，而單位面積上承受的最大功率則非常有限（鎢靶，一般為200W/mm2），相比之下旋轉陽極的最大功率則要高許多。

2.陽極罩

又名陽極帽，在靶外面，用含有一定比例鎢的無氧銅制成，套在陽極頭上。主要作用是吸收二次電子和散射X線。陽極罩有兩個窗口：正對陰極的窗口是陰極電子束的入口，側面正對靶面中心的窗口是向外輻射X線的出口，有的X線管在該出口上加裝金屬鈹片，以吸收軟X線。

高速電子轟擊靶面時，會有少量電子從靶面反射出來，稱為二次電子。每個電子的出射能量為入射能量的90%左右。如果沒有陽極罩，二次電子轟擊在玻璃殼上，會使玻璃殼溫度升高而放出氣體，降低管內真空度，甚至使玻璃殼擊穿漏氣；二次電子也可能再次轟擊靶面，輻射出大量的散射線，嚴重影響成像質量。陽極罩可大大減輕上述危害。

3.陽極柄

由無氧銅制成，是陽極引出管外的部分，它和陽極頭的銅體相連，浸在變壓器油中，通過與油之間的熱傳導將陽極頭產生的熱量傳導出去，以提高陽極的散熱效率。

（二）陰極

陰極主要由燈絲、陰極頭（聚焦槽）、陰極套和玻璃芯柱組成。其作用是發射電子，并聚焦高速電子束，使電子束具有一定的形狀、大小轟擊靶面而產生具有焦點的X線。燈絲電壓一般為50Hz、5～10V，燈絲電流一般為2～12A。

1.燈絲

燈絲的作用一是在高壓的作用下產生電子，單位時間內這些電子電荷的數量就是管電流，二是在燈絲電路的控制下產生熱量，當產熱與散熱達成平衡時，燈絲溫度相對穩定，由于在一定的高壓下，在一定范圍內，燈絲電壓愈高，通過燈絲的電流愈大，燈絲溫度就愈高，發射的電子數量也愈多。因此，燈絲控制電路被用來確定管電流。大多數X線管燈絲由鎢繞制成螺管狀。鎢具有較大的電子發射能力和較高的熔點，在高溫下也不易蒸發，其伸展性好，容易加工成細絲。

為了提高X線管的使用效率，絕大多數X線管的陰極均裝有兩條燈絲，稱為雙焦點。一條較長，形成大焦點；一條較短，形成小焦點。

2.陰極頭

又稱為聚焦槽，由純鐵或鐵鎳合金制成的長方形槽，其作用是對鎢絲發射的電子進行聚焦。鎢絲加熱產生大量電子，由于電子之間存在著排斥力，致使外圍電子向四周擴散呈發散狀。為了使電子束聚焦成束狀飛向陽極，將燈絲安裝在直形凹槽或階梯凹槽中心，燈絲的一端與陰極頭相連，獲得相同的負電位，借其幾何形狀形成對電子束向中心靠攏的聚焦。

（三）玻璃殼

玻璃殼用來支撐陰、陽兩極，保證其幾何中心正對，即燈絲與靶面中心正對和保持管內真空度。通常采用熔點高、絕緣強度大、膨脹系數小的鉬玻璃制成，以避免因溫度變化使玻璃破裂和漏氣。有的X線管還將X線出口處玻璃加以研磨，使之略薄，以減少玻璃對X線的吸收。

靜止陽極線管的不足是焦點尺寸大、瞬間負荷功率小，現已多被旋轉陽極X線管取代。

三、旋轉陽極X線管

旋轉陽極X線管同樣也由陰極、陽極和玻璃殼三部分組成。除了陽極外，其他結構與靜止陽極X線管的結構相似。旋轉陽極X線管的陽極主要由陽極靶面、轉子、轉軸、軸承套座、玻璃圈等組成。與靜止陽極X線管相比關鍵的不同點是陽極靶面不是固定的一小塊鎢，而是一個高速旋轉的鎢盤，有負載時，從偏離管中心軸線的陰極發射出電子，轟擊旋轉的靶面，電子轟擊產生的熱量，被均勻地分布在轉動的圓環面積上，使實際焦點迅速增加，單位面積上的熱量也就大為減少，從而提高X線管的功率。

旋轉陽極X線管最大的優點是：瞬時負載功率大，焦點小，攝影清晰度高，較好地解決了靜止陽極X線管難以解決的矛盾。它的散熱方式主要是熱輻射，散熱速度較慢，適合于大功率瞬時負載。目前旋轉陽極X線管的功率多為20～50kW，高者達150kW，有效焦點多為1～2mm2，微焦點為0.05～0.03mm2，極大地提高了X線影像的清晰度。

（一）靶面

靶面中心固定在鉬桿（轉軸）上，鉬桿另一端與轉子相連。靶面傾角在6～17.5°之間，過去靶面由純鎢制成，純鎢產生的X線性能很好，但熱容量較小，散熱性和抗熱膨脹性能都較差。改進后多采用錸鎢合金（含錸10%～20%）做靶面，鉬或石墨做靶基，構成鉬基錸鎢合金復合靶或石墨基錸鎢合金靶。錸鎢合金靶面晶體顆粒細，抗熱膨脹性高，靶面龜裂機會減少。隨著曝光次數的增加，無論是錸鎢合金靶還是純鎢靶其輸出劑量都會有所下降，在相同條件下曝光2萬次，兩者分別下降13%和45%，顯然，錸鎢合金靶面明顯優于純鎢靶面。靶基往往選用用重量輕、熱容量大的材質，從而可有效地提高了X線管連續負荷的能力，靶基的材料通常選用鉬或石墨。

（二）轉子

轉子是由無氧銅管制成，在轉子周圍加一旋轉磁場后，轉子發生轉動。為增加熱輻射，通常將轉子表面黑化。轉軸裝入由無氧銅或純鐵制成的軸承套中，兩端裝有兩只軸承。轉子的轉速越高，電子束在某點停留的時間越短，靶面溫差就越小，X線管的功率也就越大。轉速為2800r/min的旋轉陽極X線管稱為低速旋轉陽極X線管，超過8500r/min的旋轉陽極X線管稱為高速旋轉陽極X線管。

一般旋轉陽極X線管用于透視時陽極可不需轉動，但用于攝影時必須轉動至額定轉速后才能在陽極和陰極間加上高壓，否則大量電子轟擊在靶環的固定點上會引起靶面損壞。所以使用旋轉陽極X線管的X線機電路中均設置有旋轉陽極啟動延時（0.8～1.2秒）保護電路，待陽極轉到額定轉速后才能曝光。

曝光結束斷電后，由于慣性使轉子在很長時間內靜轉（靜轉時間是指切斷定子電源開始到轉子停止轉動所用的時間），一般為數分鐘甚至幾十分鐘的無用空轉，其對軸承有一定的磨損，因此，在有的機器中，當X線管結束負載后即對轉子制動，這樣可以延長軸承的壽命。對高速管來說，無論是啟動還是制動過程都存在著一個共振轉速，在這個轉速附近X線管整體將會產生一定幅度的振動，嚴重時可大大縮減整個X線管的壽命。這個轉速的具體數值與X線管的結構和材料特性有關，一般在5000～7000r/min之間，在啟動和制動時都需要盡量快地使轉子迅速越過臨界轉速，從而避免管子損壞。靜轉時間有時也被用來對低速管進行評價，如果轉子的靜轉時間低于30秒，就說明軸承已明顯磨損。

（三）軸承

為防止由于高溫造成X線管損壞，X線管中的軸承需進行特殊的設計，在先進的X線機設備中還有專門的電路對X線管給予保護。旋轉陽極X線管與靜止陽極X線管的散熱方式不同，靶面受高速運動的電子流轟擊會產生的巨大熱量，這些熱量約為X線管消耗功率的99%，一只工作在電壓100kV、電流1A條件下的X線管，其瞬間功耗為100kW。旋轉陽極X線管中產生的大量熱量主要依靠輻射進行散熱，散熱效率低，連續負荷后陽極熱量急劇增加，靶盤溫度不斷上升達到非常熾熱的狀態。靶盤的高溫直接導致軸承溫度升高，因此X線管的軸承都由耐熱合金鋼制成，可以承受較高的工作溫度（約400℃左右）但不能超過460℃。為避免過多的熱量傳導到軸承，導致其損壞，通常把陽極端的轉軸外徑做得較細或用管狀鉬桿，減少熱傳導，少量由陽極靶面傳導過來的熱量則大部分通過轉子表面輻射出去。

為保證軸承在高溫下的正常工作，同時也為了有利于熱量傳導，軸承的潤滑劑通常采用固體材料潤滑，如二硫化鉬、銀、鉛等。選用不同的潤滑材料，轉子的靜轉時間亦有不同。

四、特殊X線管

特殊X線管有柵控X線管、軟X線管和金屬陶瓷旋轉陽極X線管。

（一）柵控X線管

柵控X線管具有可快速響應的獨特性能，不僅可使患者和操作者接受的X線輻射劑量減少、X線管使用壽命延長以及X線影像的模糊度降低、清晰度提高等，同時還可用于快速X線脈沖曝光，目前主要應用于血管造影X線機、電容充放電X線機等方面。

1.柵控X線管結構

柵控X線管是在普通X線管的陰極和陽極之間加上一個控制柵極，在結構上類似于電子管，故又稱三極X線管。當柵極上加一定大小的負電位或負脈沖電壓（相對陰極燈絲而言），管電流被截止，不發生X線；負電位或負脈沖消失時，管電流導通，發生X線。可見，對于柵控X線管，輻射X線的產生不僅取決于燈絲加熱電流和管電壓，還取決于柵極電位的變化。由于柵極電壓遠低于管電壓，因此控制相對容易，這意味著產生X線的過程可以大大縮短，射線中由于過渡過程產生的無用射線比例將大大減小，如果柵極電位采用脈沖電壓方式供電，就能實現快速斷續X線攝影，例如電影攝影，攝影頻率可達到每秒200幀。柵控X線管除了陰極結構特殊外，其他部分與普通X線管相同。柵控X線管的陰極在聚焦槽中裝有燈絲，燈絲前方裝有柵極，燈絲與柵極之間相互絕緣。柵極電位就加在燈絲和聚焦極之間。

2.特性

（1）燈絲發射特性：

由于柵極負電位對電子流起著阻礙作用，因此柵控X線管的燈絲發射特性要比一般X線管差。發射相同的管電流時，柵控X線管的燈絲加熱電流要大得多。為了提高柵控X線管的管電流，設計出另一種結構的柵控X線管，使燈絲與陰極頭相互絕緣，負電位加在陰極頭上。這樣，陰極頭既起著聚焦作用，又起著柵極作用。陰極頭上裝有兩組燈絲，加熱的同時發射電子，在聚焦極的作用下兩束電子流轟擊到靶面的位置稍有差異，形成近似高斯分布的焦點，從而使焦點X線輻射強度分布較為合理，燈絲發射特性也得到了改善。它的焦點直徑為1.2mm，最高工作電壓125kV，柵極切斷電壓為-2.5kV。

（2）截止特性：

不同管電壓、管電流截止的柵極電位也不同。例如在由高壓電容器充電后提供管電壓的X線機（電容充放電X線機）中，當管電壓為125kV 時，截止管電流的柵極電位為-2.5kV。柵極電位的變化會引起燈絲附近的電位分布發生變化，從而焦點寬度也隨著改變（焦點長度變化不大）。因此，一般在燈絲兩端使柵極金屬絲的間隔變小，以改變上述現象。

（3）柵極的控制特性：

使用柵控X線管進行瞬時X線攝影時，需要在柵控X線管的柵極上加一矩形控制負脈沖電壓，它相當于是一個門控信號，X線管在接到此信號之后，加于陰極和陽極間的高壓將瞬時產生大量的電子束，繼而產生X線。對X線管本身來說，瞬時攝影時間可短到10μs，但由于高壓電纜存在電容和電感，因此，其實用的臨界值為1ms。顯然，比起普通X線管，X線產生的過程被大大縮短了。

3.焦點

前面提到，為使柵控X線管截止，必須給柵極或陰極頭施加足夠的負偏壓。如果所加負偏壓值小于使X線管截止的值，陰極頭上這一負偏壓將使電子流聚集起來。將400V的負偏壓加于陰極頭上，即可獲得直徑為0.1mm 的焦點；若負偏壓值再小些，可獲得0.2mm 的焦點。微焦點X線管對放大攝影是理想的。使用0.2mm 的焦點，腹部血管造影放大兩倍；而用0.1mm 的焦點，手、足血管造影可放大3 倍。

由于柵控X線管的燈絲發射特性差，不能產生大的管電流，而且管電流越大，為保持管電壓平穩的電容器容量也越大，所以，柵控X線管不適用于大容量的X線機。目前，柵控X線管一般用于電容充放電X線機及管電流為200mA 的電影攝影X線機。前者對電源要求低，常用于對患者進行床邊X線攝影；后者不僅使患者和操作者接受的X線輻射劑量減少，X線管的負載降低，而且由于攝影時間短，使X線影像的模糊度降低，亦即清晰度提高。

（二）軟X線管

1.特點

在對乳房等軟組織進行X線攝影時，為了提高X線影像反差，必須使用大劑量的軟X線，為此須采用軟X線管。軟X線管具有以下特點：

（1）要求X線輸出窗的固有濾過小；

（2）在低管電壓時能產生較大的管電流，從而大大縮短曝光時間；

（3）焦點小以減小幾何失真。

2.構造

目前，軟X線管的輸出窗口大多用鈹制成。

（1）鈹窗：

鈹的原子序數為4，其吸收性能低于玻璃。因此軟X線管以鈹制成輸出窗口，可以輻射出大劑量的軟X線。

（2）鉬靶：

軟X線管的陽極靶一般由鉬（原子序數42，熔點2622℃）或者銠（原子序數為45，熔點為1966℃）制成。臨床實踐證明，軟組織X線攝影時最適宜的X線波長為（6～9）×10-11m；而鉬靶X線管在管電壓高為20kV 時，除輻射出連續X線外，還輻射出波長分別為6.3×10-11m和7.0×10-11m 的特征X線。可見，對軟組織進行X線攝影，起主要作用的是鉬靶的特征X線輻射。使用鉬靶軟X線管時，一般要加上0.03mm 厚的鉬片進行過濾。由于鉬片對6.3×10-11m以下的X線具有強烈的選擇吸收作用，使該波長以下的較硬X線被衰減，同時 7.0×10-11以上的較軟X線被鉬所吸收。這樣一來，無用的軟X線以及較硬的X線都被衰減掉，余下的X線正好適用于軟組織的X線攝影。

（3）極間距離縮短：

軟X線管的管電壓較低，由于空間電荷的影響，管電流較小。為了改善其燈絲發射特性，可以縮短陰極與陽極間的距離，使極間場強增大，以降低空間電荷的影響。普通X線管的極間距離一般為17mm 左右，軟X線管的極間距離一般為10-13mm。因此，軟X線管的最高管電壓不能超過60～80kV。

（三）金屬陶瓷X線管

金屬陶瓷旋轉陽極X線管，這種X線管的燈絲和陽極靶面與普通旋轉陽極X線管類似，只是玻璃殼改為由金屬和陶瓷組合而成，其間的過渡材料采用鈮，用銅焊接。

限制X線管負荷能力的因素之一，是燈絲的最高“安全”溫度，該溫度不僅與燈絲的熔點有關，也與鎢絲的蒸發程度有關。鎢絲蒸發不僅能使燈絲變細，而且會導致X線管玻璃殼內表面上形成薄薄的鎢層。薄鎢層對X線束濾過不會造成嚴重影響，但對于玻璃管殼，卻能成為使X線管損壞的第三電極（第三電極將使玻璃管殼受到電子轟擊而易于損壞）。

金屬陶瓷X線管中有一部分鋼制管殼，位于X線管中間，在陽極端嵌入玻璃殼中，在陰極端嵌入陶瓷內，X線管中的玻璃與陶瓷部分起絕緣作用，金屬部分接地，以捕獲雜散電子。由于管的金屬部分接地，準直器可以較普通X線管更貼近陽極，使焦點外輻射的影響減小。

大功率金屬陶瓷X線管的陽極在兩端有軸承支撐的軸上旋轉，有一直徑120mm 的復合陽極靶盤。因為沒有玻璃殼那種鎢蒸發所致X線管損壞的危險，所以可將燈絲加熱到較高溫度，以提高X線管的負荷。金屬陶瓷旋轉陽極X線管壽命長，還可在低管電壓條件下使用較高的管電流進行攝影。

五、X線管的焦點

在X線成像系統中，X線管的焦點對成像質量影響很大。X線管的焦點分為實際焦點、有效焦點或和標稱焦點。

1.實際焦點

實際焦點是指高速電子在靶面上的實際轟擊面積。目前診斷用X線管的燈絲均繞成螺管狀，燈絲發射的電子經聚焦后，以細長方形狀轟擊在靶面上，所形成的焦點亦為長方形，稱為線焦點。實際焦點的大小（主要指寬度），主要取決于聚焦罩的形狀、寬度和深度。實際焦點越大（因靶面積越大，能承受的功率值相應增加），X線管的容量就越大，曝光時間就可以縮短。

陰極電子轟擊在陽極靶面上的實際面積稱為實際焦點。實際焦點的形狀是由燈絲的形狀決定的，由于燈絲位于陰極頭內。陰極頭的作用是使電子被聚焦，故實際焦點大小，主要取決于槽的形狀、寬度及燈絲位于槽中的深度。

2.有效焦點

有效焦點又稱為作用焦點或標稱焦點，是指實際焦點在X線投照方向上的投影，實際焦點垂直于X線管長軸方向上的投影又稱為標稱焦點。

如實際焦點寬度為a，長度為b，投影后的長度為bsin θ，寬度不變，則：有效焦點=實際焦點×sin θ。

其中的夾角θ是陽極靶面與X線投照方向夾角。當投照方向與X線管長軸相垂直時，θ角稱為靶角或陽極傾角（一般為7°～20°）。陽極傾角是與管容量和X線強度的分布密切相關的重要參數。

在要求有效焦點一定的條件下，靶角越小，實際焦點越大，管容量也越大，但靶角不能太小，它受到有用照射野的限制。有效焦點與成像質量有密切關系。有效焦點尺寸越小，影像清晰度越高。

3.標稱焦點

由于X線管焦點的尺度非常微細（精度為0.1mm），實際生產過程中會有誤差，而焦點大小對圖像質量有決定性的影響，因此為了統一概念，便于在生產、流通和使用過程中的互相交流，國際電工委員會標準IEC 336規定了焦點尺寸的容許誤差范圍，稱為焦點標稱值的容許值（表1-2）。

4.焦點增漲——焦點與管電流的關系

有效焦點的大小與X線管的管電流和管電壓有關。在管電流一定的條件下，管電壓越高，電子間的斥力增大，有效焦點尺寸將明顯增加，這種現象稱為焦點增漲。所以測量有效焦點時，既規定了與管軸垂直的投照方向，還應規定相應的管電流和管電壓值。一般取管電流最大值50%，管電壓為75kV作為測試條件，并以針孔成像的辦法進行測量。用針孔照相法拍攝的焦點像，在管電壓一定時，焦點增漲的程度視管電流的大小而定；管電壓對焦點增漲的影響較小，甚至出現管電壓升高而焦點尺寸略顯縮小的趨勢。因此，有效焦點的大小與投影方位及管電流大小有關，焦點增漲的程度主要由管電流而定，且隨焦點而異，一般小焦點增漲幅度大。

5.焦點大小與其壽命、成像質量的關系

當陰極電子高速轟擊陽極靶面產生X線的同時將伴隨大量熱量的產生，溫度急劇上升。該熱量從實際焦點面積上向外逐漸傳導出去，由于鎢靶單位面積承受功率的能力很小（一般為200W/mm2），所以從保護陽極靶面、延長其壽命的角度來看，實際焦點越大越好。而從幾何光學成像原理可知，當有效焦點為點光源時，成像清晰度高；當有效焦點具有一定尺寸時，膠片上所形成的圖像將出現半影而產生模糊，焦點尺寸越大，半影越大，模糊度就越大，清晰度就越低。所以從成像質量角度來講，希望焦點越小越好，旋轉陽極X線管的出現在一定程度上解決了這對矛盾。

六、X線管管套

X線管管套是保護、支持X線管，并對X線管具有冷卻作用的部件。

七、X線管冷卻

X線管要求一定的真空度，在工程上一般將陽極、陰極和軸承封裝于玻璃殼中，對于旋轉陽極，這就存在著如何隔著玻璃殼讓陽極旋轉的問題，目前采用的辦法是通過旋轉磁場實現熱傳遞。

X線管在實際工作中需要將其置于油封之中，油封的作用有四個，一個是X線管玻璃外殼的保護，二是減少散逸射線，三是為高壓提供安全保障，四是讓X線管產生的熱量有效地外傳。

熱量外傳途徑有兩個：一是通過軸承—玻璃殼—油封傳遞，另一個是通過輻射進行熱傳遞。