X线管的构造原理

第一节 固定阳极X线管

一、结构

固定阳极X线管是诊断用X线管中最简单的一种，如图3-1所示，其结构主要由阳极、阴极和玻璃壳三部分组成。

（一）阳极

阳极的主要作用是阻挡高速运动的电子流而产生X线，同时将曝光时产生的热量辐射或传导出去；其次是吸收二次电子和散乱射线。

固定阳极X线管的阳极结构由阳极头、阳极帽、玻璃圈和阳极柄四部分组成。

固定阳极X线管的阳极结构

1．阳极头 它由靶面和阳极体组成。靶面的作用是承受高速运动的电子流轰击，产生X线（曝光）。但由于曝光时，只有不到1%的电子流动能转换为X线能，其余均转化为热能，所以曝光时，靶面将产生大量的热量而使其工作温度很高。又由于辐射的X线强度与靶面材料的原子序数成正比，所以X线管的靶面材料一般都选用钨（Z=74），故称为钨靶。钨的特点是熔点高（3370℃），蒸发率低，原子序数大，又有一定的机械强度。但钨的导热率小，受电子轰击后产生的热量不能很快地传导出去，故常把厚度为1.5～3mm的钨靶面用真空熔焊的方法焊接到导热率较大的无氧铜制成的阳极体上。这样制成的阳极头不但辐射X线的效率高，而且具有良好的散热性能。

固定阳极X线管的靶面静止不动，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，所以固定阳极X线管的功率是有限的。

2．阳极帽 它又称阳极罩或反跳罩，由含钨粉的无氧铜制成，依靠螺纹固定到阳极头上，其主要作用是吸收二次电子和散乱射线。阳极帽上有两个圆口：头部圆口面对阴极，是高速运动的电子流轰击靶面的通道；侧下部圆口向外，是X线的辐射通道，有的X线管在此圆口处加上了一层金属铍片，以吸收软X线，降低病人皮肤剂量。

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（约为原来的99%），轰击到玻璃壳内壁上，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X线，使X线影像质量降低；二次电子还会附着在玻璃壁上，造成整个管壁电位分布极不均匀，产生纵向应力，易致玻璃壁损坏。

阳极帽罩在靶面的四周，与阳极同电位，故它可以吸收50%～60%的二次电子，并可吸收一部分散乱X线，从而保护X线管和提高影像质量。 3．玻璃圈 它是阳极和玻璃壳的过渡连接部分，由4J29膨胀合金（镍29%，钴17%，余为铁）圈与玻璃喇叭两部分封焊而成。其中，玻璃端与玻璃壳封接，膨胀合金端与阳极头焊接在一起。

4．阳极柄 它由无氧铜制成，呈圆柱体状且横截面较大，与阳极头的铜体相连，是阳极引出管外的部分。它的管外部分浸在变压器油中，通过与油之间的热传导，将靶面的热量传导出去，从而提高了阳极的散热速率。 （二）阴极

阴极的作用是发射电子并使电子流聚焦，使轰击在靶面上的电子流具有一定的大小、形状。其结构主要由灯丝、阴极头、阴极套和玻璃芯柱等四部分组成，

固定阳极X线管的阴极结构

1．灯丝 它的作用是发射电子。灯丝由钨制成，因为钨在高温下有一定的电子发射能力、熔点较高、延展性好、便于拉丝成形、抗张力性好、且在强电场下不易变形等特点。诊断用X线管的灯丝都绕成小螺线管状。 灯丝电压一般为交流5～10V、50Hz，灯丝电流一般为2～9A，3～6A的占多数。灯丝通电后，温度逐渐上升，到一定温度（约2100K）后开始发射电子。灯丝发射电子与温度之间的关系（灯丝电子发射特性曲线），如图3-4所示。对于给定的灯丝，在一定范围内，灯丝电压越高，灯丝温度也越高，发射电子的数量就越大。从图中可以看出：①调节灯丝的加热电压即可改变灯丝发射的电子数量；②灯丝温度与发射电子的数量关系是呈指数的非线性关系。因此，调试X线机的管电流（mA）值时，要当心，特别是在调整大mA档时要小幅调整，以免灯丝烧断而损坏X

线管；另外，更换X线管时，必须按照新换X线管的灯丝加热参数、仔细调整灯丝加热电路，使各mA档数值准确。 灯丝电子发射特性曲线

一般情况下，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。如果灯丝电流比额定值升高5%，灯丝寿命则缩短一倍，如图3-5所示。实际工作中是按照管电流需要来确定灯丝加热温度的，因此只能靠缩短灯丝的点燃时间来延长灯丝的寿命。 X线管灯丝加热和寿命关系曲线

另外，功率较大的X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，发射电流大，形成大焦点；短的灯丝加热电压低，发射电流小，形成小焦点，这种X线管称为双焦点X线管，其阴极一般有三根引线，一根为公用线，其余两根分别为大、小焦点灯丝的引线。 双焦点阴极结构

2．阴极头 它又称聚焦槽、聚焦罩或集射罩。它由纯镍或铁镍合金制成长方形槽，其作用是对灯丝发射的电子进行聚焦。灯丝发射的大量电子，在电场的作用下，高速飞向阳极，但由于电子之间相互排斥，致使电子流呈散射状。为使电子聚焦成束状飞向阳极，将灯丝装入被加工成圆弧直槽或阶梯直槽的阴极头内，灯丝的一端与其相联，两者获得相同的负电位，借其几何形状，形成一定的电位分布曲线，迫使电子呈一定

形状和尺寸飞向阳极，达到聚焦的目的。在自整流X线机中，负半周时，聚焦罩还可以吸收二次电子，以保护灯丝和玻璃壳的安全。 （三）玻璃壳

玻璃壳又称管壳，用来固定，支撑阴、阳两极并保持管内的真空度，通常采用熔点高、绝缘强度大、膨胀系数小的钼组硬质玻璃（如国产DM-305）制成。由于钼组玻璃壳与阴、阳两极的金属膨胀系数不同，两者不宜直接焊接，故在铜体上镶有含54%铁、29%镍、17%钴的合金圈作为中间过渡体，再将玻璃壳焊接在合金圈上，使合金圈与硬质玻璃膨胀系数相近，以避免因温度变化而造成结合部的玻璃出现裂缝或碎裂。有的X线管还将X线射出口处的玻璃加以研磨，使其略薄，以减少玻璃对X线的吸收。

为防止X线管管内气体放电，保证阴极发射的电子能畅通无阻挡地高速飞向阳极，管内的真空度应保持在133.3?/span>10-7Pa(10-7mmHg)以下；另外，装入管内的所有零件都必须经过严格清洗去油和彻底除气（通常采用高频真空加热抽气）。

固定阳极X线管的主要缺点是：焦点尺寸大、瞬时负载功率小。目前，在医用诊断X线机中，固定阳极X线管已多被旋转阳极X线管取代。但固定阳极X线管结构简单、价格低，在小型X线机、治疗X线机（阳极循环冷却）等装置中仍被采用。

第一节（二） 固定阳极X线管焦点

二、X线管的焦点

在X线成像系统中，对X线成像质量影响最大的因素之一就是X线管的焦点。因此，实际工作中对X线管的焦点要求比较严格。 （一）实际焦点

实际焦点是指灯丝发射的电子经聚焦后在靶面上的瞬间轰击面积。目前，医学诊断用X线管的灯丝均绕成螺管状，灯丝发射的电子经聚焦后，以细长方形轰击在靶面上，形成细长方形的焦点，故称为线焦点。 实际焦点的大小（一般指宽度），主要取决于聚焦罩的形状、宽度和深度。实际焦点越大（受轰击的靶面积越大，可承受的功率值相应增加），X线管的容量就越大，曝光时间就可以缩短。我国生产的X线管大多数采用单槽或阶梯槽结构，聚焦罩及其电位分布， 电子轨迹

在电场作用下，实际焦点面上的电子密度分布不同，其X线辐射强度的分布呈单峰、双峰甚至多峰型。在同样焦点尺寸的情况下，焦点中央辐射强度越强（呈高斯分布），其影像分辨力越高；其次为矩形分布；最差为双峰分布。医学诊断用X线管的焦点一般是双峰分布。 X线辐射强度分布 （二）有效焦点

有效焦点亦称为作用焦点，是指实际焦点在X线投照方向上的投影。实际焦点在垂直于X线管长轴方向的投影，称为标称焦点。有效焦点的标称值为一无量纲的数值，但目前，有效焦点的标注方法仍用习惯标注法，

如：2.0mm?/span>2.0mm、1.0mm?/span>1.0mm或0.3mm?/span>0.3mm等。但X线管特性参数表中标注的焦点为标称焦点。 实际焦点与有效焦点

有效焦点与实际焦点之间的关系。设实际焦点宽度为a，长度为b，则投影后的长度为b ，宽度不变，即：

有效焦点=实际焦点?/span> 式中：θ表示阳极靶面与X线投照方向的夹角。

当投照方向与X线管长轴垂直时，θ角称为靶角或阳极倾角，一般为7o～20o。靶角是一个与容量和X线辐射强度的分布密切相关的重要参数。例如，有一个靶角为19o的固定阳极X线管，实际焦点长为5.5mm，宽为1.8mm。根据上式可以计算出有效焦点的长是：5.5?/span> ≈5.5?/span>0.33=1.8mm，其宽度不变，即有效焦点近似为1.8mm?/span>1.8mm的正方形。

X线成像时，为减小几何模糊而获得清晰的影像，要求有效焦点越小越好。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X线辐射强度分布的变化，投照方向的X线量将大量减少，所以靶角要合适，一般固定阳极X线管的靶角为15啊?/span>20啊Ｒ部梢酝ü跣∈导式沟忝婊约跣∮行Ы沟忝婊导式沟忝婊跣『螅?/span>200W/mm2的限制，X线管的容量也将随之减小。 （三）有效焦点与成像质量

有效焦点尺寸越小，影像清晰度就越高。

焦点与影像清晰度的关系

当有效焦点为点光源时，图像的边界分明，几何模糊小，影像清晰度高；有效焦点越大，图像边界上的半影也越大，几何模糊大，影像清晰度降低。减小有效焦点，势必减小实际焦点，X线管的功率随之减小，曝光时间需增加，这将会引起运动模糊。由此可见，减小焦点面积以减小几何模糊、改善影像清晰度和增大X线管的功率以缩短曝光时间、减小运动模糊是一对矛盾。固定阳极X线管常采用双焦点的办法来折中几何模糊和运动模糊之间的矛盾；另一更有效的方法是采用旋转阳极X线管。 （四）焦点的方位性

由于X线呈锥形辐射，所以在照射野不同方向上投影的有效焦点不同。由图可见，投影方位愈靠近阳极，有效焦点尺寸愈小；愈靠近阴极，则有效焦点尺寸愈大（宽度不变）。而且，若投影方向偏离管轴线和电子入射方向组成的平面，有效焦点的形状还会出现失真。因此，使用时应注意保持实际焦点中心、X线输出窗中心与投影中心三点一线，即X线中心线应对准影像中心。 焦点方位特性 （五）焦点增涨

当管电流增大时，电子数量增多，由于电子之间库仑力斥力的作用，使焦点尺寸出现增大的现象，称为焦点增涨。用针孔照相法拍摄的焦点像。由图可见，管电压（kV）一定时，随着管电流的增大、焦点增涨的程度变大。管电压的变化对焦点增涨大小的影响远较管电流的变化影响小，

但管电压的变化将改变电位分布曲线，使主、副焦点的形成发生变化，一般情况下，对小焦点增涨影响较大。

三、软X线管 （一）特点

当对乳房等软组织进行X线摄影时，用普通X线管得不到满意的摄影效果。为提高X线影像的对比度，须使用大剂量的软X线，为此一般使用软X线管来产生软X线。

软X线管具有以下特点：①X线输出窗的固有过滤小；②在低管电压时能产生较大的管电流；③焦点小。 （二）结构

1．铍窗 软X线管的输出窗口一般用铍（原子序数为4）制成，其X线吸收性能低于玻璃，固有滤过很小，软X线极易通过铍窗，可获得大剂量的软X线。

2．钼靶 软X线管的阳极靶材料一般是由钼（原子序数为42，熔点2622℃）或者铑（原子序数为45，熔点为1966℃）制成的。临床实验证明，软组织摄影时最适宜的X线波长是0.06～0.09nm。而软X线管在管电压高于20kV时，除辐射连续X线外，还能辐射出波长为0.07nm和0.063nm的特征X线，如图3-26所示。摄影时主要是利用钼靶辐射的特征X线。一般要加上0.03mm的钼片，钼片对波长小于0.063nm的稍硬X线具有强烈的选择性吸收作用而使其滤除，同时波长大于0.07nm的较软X线被钼片本身吸收而衰减，余下的X线正好适合于软组织摄影。

钼靶辐射X线波谱

3．极间距离短 普通X线管的极间距离为17mm左右，而软X线管的极间距离一般只有10～13mm。由于极间距离缩短，在相同灯丝加热电流情况下，软X线管的管电流比一般X线管的管电流要大。另外，软X线管的最高管电压不超过60kV。 四、CT用X线管

CT用X线管与普通X线管相比，其构造、性能具有较大的差异。特别是螺旋CT在容积薄层扫描时，X线管在大功率情况下连续辐射X线，阳极在短时间内将积聚巨大的热量。为了减少靶面上的钨蒸发，防止轴承在高温下的磨损，CT用X线管在结构上采用大的靶盘直径、厚的钼基或石墨基，小的靶角，且对轴承及润滑剂提出了更高的要求。例如，国产型号为XT1502的CT用X线管的靶盘直径为118mm，靶角为9°，阳极转速为2800r/min，小焦点为0.6mm×0.6mm，大焦点为1.2mm×1.2mm。 另外，为了在单位时间内提高CT的信息采集效率，有些CT设备还采用了飞焦点技术。这种技术的特点是阴极发射的电子流在高速飞向阳极的过程中，被偏转线圈产生的偏转磁场改变了其垂直入射点，如图3-27所示。图中，A表示阴极电子垂直入射到阳极靶面上形成的焦点如图3-27（1）所示；B表示阴极电子经过偏转磁场作用后入射到阳极靶面上形成的焦点3-27（2）。这两个焦点所形成的两束X线分别通过被检体后被检测器采集，经处理获取两组数据，因此这种飞焦点技术可以在不增加辐射功率的情况下，获得更大的信息量3-27（3）。例如，somatom AR系列CT扫描机均采用飞焦点X线管。

第三节（二） 三极x射线球管

二、三极X线管 （一）结构

三极X线管是在普通X线管的阳极与阴极之间加了一个控制栅极，故又称为栅控X线管。三极X线管的其它部分与普通X线管类同，只是阴极的结构比较特殊。在聚焦槽中装有灯丝，灯丝前方装有栅极，灯丝与聚焦极之间相互绝缘，栅极电位就加在灯丝和聚焦极之间。 三极X线管的阴极结构

三极X线管的控制原理，如图3-22所示。当栅极对阴极加一个负电压（2～5kV）或负脉冲电压时，可使阴极发射的热电子完全飞不到阳极上，形不成管电流，不会产生X线。当负电压或负脉冲电压消失时，阴极发射的热电子在阳极与阴极之间的强电场作用下飞向阳极，形成管电流，产生X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X线摄影，摄影频率可达200帧/秒。 三极X线管控制原理

三极X线管有时还可制成一个没有实体栅极而有特殊形状的阴极头，它也具有三极X线管的栅控特性，通过负偏压可以控制X线管的电子流，当负偏压较小时，将有一部分电子飞向阳极，并能聚焦起来形成很窄的电子流，以获得很小的焦点，即微焦点，。例如，给阴极头加一个小于X线管截止电压的负偏压，如负400V，那么该负偏压将使阴极发射的电

子聚焦，从而可获得0.1mm×0.1mm的微焦点。若负偏压值再小一点，可获得更小的焦点，这就是微焦点X线管的工作原理。微焦点X线管常用于放大X线摄影。 无栅三极X线管 （二）特性

三极X线管的特性，不仅取决于灯丝加热电流和管电压，还取决于栅极电位的变化。三极X线管兼有高压开关管和X线管的作用。

1．灯丝发射特性 由于栅极负电位对电子流起着阻碍作用，因此栅控X线管的灯丝发射特性要比一般X线管的差。获得相同的管电流，栅控X线管的灯丝加热电流要比一般X线管的灯丝加热电流大得多。 三极X线管与普通X线管灯丝发射特性曲线对比

为了提高栅控X线管的管电流，将灯丝与阴极头相互绝缘，负电位加在阴极头上。这样，阴极头既起着聚焦作用，又起着栅极作用。阴极装有两组灯丝，同时加热，同时发射电子，在阴极头的作用下使两束电子流轰击到靶面的位置稍有差异，形成近似高斯分布的焦点，从而获得X线辐射强度分布较为合理的焦点，灯丝发射特性也得到了改善。它的焦点尺寸为1.2mm×1.2mm，最高工作电压125kV，栅极切断电压为-2.5kV。 2．截止特性 不同管电压时，使管电流截止的栅极电位也不同，如图3-25所示。例如，在电容充放电X线机中，当管电压为125kV时，截止管电流的栅极电位为-2.5kV。栅极电位的变化会引起灯丝附近的电位分

布发生变化，从而焦点宽度也随着改变（焦点长度变化不大）。为此，一般在灯丝两端使栅极金属丝的间隔变小，以改变上述现象。 三极X线管截止特性

3．时间控制特性 在栅控X线管的栅极和阴极之间加一矩形负脉冲电压，可实现瞬时曝光。理论上讲，瞬时曝光可短到10μs，但由于高压电缆对地存在分布电容，因此栅控X线管实用的瞬时曝光时间临界值为1ms。

三极X线管的灯丝发射特性差，不能产生大的管电流，而且管电流越大，为保持管电压波形平稳的电容器也越大，所以三极X线管不适用于大功率的X线机。目前，已能制造最大管电流可达数百毫安的三极X线管，X线脉冲持续时间可短到1～10ms。三极X线管主要应用于X线电影摄影、X线电视、电容充放电X线机上。

第三节（一） 金属陶瓷大功率球管

第三节 特殊X线管

一、金属陶瓷大功率X线管

管壳用硬质玻璃制成的固定阳极X线管与旋转阳极X线管，在进行连续大功率摄影时，往往由于玻璃壁击穿而损坏。这是由于新X线管的玻璃壳是绝缘体，阳极靶面反弹和释放出来的二次电子有相当一部分轰击到玻璃壳并附着其上，附着其上的电子一时不会全部消失，这将阻碍后来的电子附着到玻璃壳上，使玻璃壁免受大量高速电子轰击和侵蚀。但随

着X线管使用时间的增长，由于灯丝蒸发和阳极靶面龟裂边缘处的钨蒸发，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的电子轰击玻璃壳使其侵蚀，最终导致玻璃壳击穿，X线管损坏。

为了消除钨沉积层的影响，延长X线管的寿命，近年来生产了一种金属陶瓷大功率旋转阳极X线管。金属陶瓷大功率X线管的灯丝和阳极靶盘与普通旋转阳级X线管相似，如图3-19所示。只是玻璃壳改为由金属和陶瓷组合而成，金属和陶瓷之间的过渡采用铌（Nb），用铜焊接。金属部分位于X线管中间部位并接地，以吸收二次电子，对准焦点处开有铍窗以使X线通过。金属靠近阳极一端嵌入玻璃壳中，金属靠近阴极一端嵌入陶瓷内，X线管中的玻璃与陶瓷部分起绝缘作用，金属部分接地，以捕获电子。

金属陶瓷大功率X线管

金属陶瓷大功率X线管，消除了玻璃壳那种由于钨沉积层所致X线管损坏的危险，所以可将灯丝加热到较高温度，以提高X线管的负荷。X线管管壳上的电场和电位梯度也保持不变，还可在低管电压条件下使用较高的管电流进行摄影，解决了普通X线管由于管壁击穿而损坏的问题。 陶瓷X线管

大功率陶瓷绝缘X线管。大直径（120mm）铼钨合金复合靶盘、小靶角（9°～13°）。阳极在两端有轴承支撑的轴上旋转，用陶瓷绝缘，装在接地的金属管壳内，管壳装在钢制管套中。工作时还需使用一个外

接的热交换器，热交换器由插在充油X线管管套内的导管构成回路，通过导管使油从管套内的导管返回热交换器，被冷却后再用泵抽回管套内的导管中。这种X线管的焦点尺寸为0.6mm×1.3mm或0.5mm×0.8mm，前者靶角为13°，后者靶角为9°，阳极转速为8000r/min。主要用于连续X线摄影、体层摄影或电影摄影等。

第二节 旋转阳极X线管

第二节 旋转阳极X线管 （一）特点

旋转阳极X线管较好地解决了提高功率和缩小焦点之间的矛盾。旋转阳极X线管X线的产生，是由偏离X线管中心轴线的阴极发射出的电子流，轰击到转动的靶面上产生的，如图3-14所示。由于高速运动的电子流轰击靶面所产生的热量，被均匀地分布在转动的圆环面上，因为承受电子流轰击的面积因阳极旋转而大大增加（实际焦点的尺寸不变、空间位置不变）,使热量分布面积大大增加，所以有效地提高了X线管的功率，使减小实际焦点、同时适当减小靶角，以使有效焦点减小成为可能。 旋转阳极X线管的最大优点是瞬时负载功率大、焦点小。目前，旋转阳极X线管的功率多为20～50kW，高者可达150kW，而有效焦点多为1～2mm，微焦点可达0.05～0.3mm，从而大大地提高了影像的清晰度。 旋转阳极X线管结构 旋转阳极X线管的焦点

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