第五节　X 线 管

一、概 述

X线管是X线机重要的部件之一，它是产生X线的核心部件，其作用是将电能转化为X线。诊断用X线管的发展经历了从最早的电子射线管、静止阳极射线管到旋转阳极射线管及特殊的X线管等的技术发展过程。目前在X线机系统中应用较多的是旋转阳极X线管。

二、静止阳极X线管

静止阳极X线管的结构由阳极、阴极和玻璃壳三部分组成。

（一）阳极

由阳极头、阳极帽、阳极柄三部分组成。它的作用一是吸引和加速电子，并约束高速电子运动轰击靶面而产生X线；二是把产生的热量传导和辐射出去，电子束中一般只有不到1%左右转换为X线能，其余全部生成热，所以靶面材料一般选用高熔点且X线发射率较高的钨制成。

1.阳极头

由靶面和阳极体组成。靶面承受电子轰击，靶面的工作温度很高，一般都用钨制成，称为钨靶。钨具有熔点高、原子序数大、蒸气率低的特点。由于钨的导热率低，常把导热系数大的由无氧铜制成的阳极体与钨靶焊在一起，以提高阳极头的散热效率。

静止阳极靶面是静止不动的，电子束总是轰击在固定的位置上，而单位面积上承受的最大功率则非常有限（钨靶，一般为200W/mm2），相比之下旋转阳极的最大功率则要高许多。

2.阳极罩

又名阳极帽，在靶外面，用含有一定比例钨的无氧铜制成，套在阳极头上。主要作用是吸收二次电子和散射X线。阳极罩有两个窗口：正对阴极的窗口是阴极电子束的入口，侧面正对靶面中心的窗口是向外辐射X线的出口，有的X线管在该出口上加装金属铍片，以吸收软X线。

高速电子轰击靶面时，会有少量电子从靶面反射出来，称为二次电子。每个电子的出射能量为入射能量的90%左右。如果没有阳极罩，二次电子轰击在玻璃壳上，会使玻璃壳温度升高而放出气体，降低管内真空度，甚至使玻璃壳击穿漏气；二次电子也可能再次轰击靶面，辐射出大量的散射线，严重影响成像质量。阳极罩可大大减轻上述危害。

3.阳极柄

由无氧铜制成，是阳极引出管外的部分，它和阳极头的铜体相连，浸在变压器油中，通过与油之间的热传导将阳极头产生的热量传导出去，以提高阳极的散热效率。

（二）阴极

阴极主要由灯丝、阴极头（聚焦槽）、阴极套和玻璃芯柱组成。其作用是发射电子，并聚焦高速电子束，使电子束具有一定的形状、大小轰击靶面而产生具有焦点的X线。灯丝电压一般为50Hz、5～10V，灯丝电流一般为2～12A。

1.灯丝

灯丝的作用一是在高压的作用下产生电子，单位时间内这些电子电荷的数量就是管电流，二是在灯丝电路的控制下产生热量，当产热与散热达成平衡时，灯丝温度相对稳定，由于在一定的高压下，在一定范围内，灯丝电压愈高，通过灯丝的电流愈大，灯丝温度就愈高，发射的电子数量也愈多。因此，灯丝控制电路被用来确定管电流。大多数X线管灯丝由钨绕制成螺管状。钨具有较大的电子发射能力和较高的熔点，在高温下也不易蒸发，其伸展性好，容易加工成细丝。

为了提高X线管的使用效率，绝大多数X线管的阴极均装有两条灯丝，称为双焦点。一条较长，形成大焦点；一条较短，形成小焦点。

2.阴极头

又称为聚焦槽，由纯铁或铁镍合金制成的长方形槽，其作用是对钨丝发射的电子进行聚焦。钨丝加热产生大量电子，由于电子之间存在着排斥力，致使外围电子向四周扩散呈发散状。为了使电子束聚焦成束状飞向阳极，将灯丝安装在直形凹槽或阶梯凹槽中心，灯丝的一端与阴极头相连，获得相同的负电位，借其几何形状形成对电子束向中心靠拢的聚焦。

（三）玻璃壳

玻璃壳用来支撑阴、阳两极，保证其几何中心正对，即灯丝与靶面中心正对和保持管内真空度。通常采用熔点高、绝缘强度大、膨胀系数小的钼玻璃制成，以避免因温度变化使玻璃破裂和漏气。有的X线管还将X线出口处玻璃加以研磨，使之略薄，以减少玻璃对X线的吸收。

静止阳极线管的不足是焦点尺寸大、瞬间负荷功率小，现已多被旋转阳极X线管取代。

三、旋转阳极X线管

旋转阳极X线管同样也由阴极、阳极和玻璃壳三部分组成。除了阳极外，其他结构与静止阳极X线管的结构相似。旋转阳极X线管的阳极主要由阳极靶面、转子、转轴、轴承套座、玻璃圈等组成。与静止阳极X线管相比关键的不同点是阳极靶面不是固定的一小块钨，而是一个高速旋转的钨盘，有负载时，从偏离管中心轴线的阴极发射出电子，轰击旋转的靶面，电子轰击产生的热量，被均匀地分布在转动的圆环面积上，使实际焦点迅速增加，单位面积上的热量也就大为减少，从而提高X线管的功率。

旋转阳极X线管最大的优点是：瞬时负载功率大，焦点小，摄影清晰度高，较好地解决了静止阳极X线管难以解决的矛盾。它的散热方式主要是热辐射，散热速度较慢，适合于大功率瞬时负载。目前旋转阳极X线管的功率多为20～50kW，高者达150kW，有效焦点多为1～2mm2，微焦点为0.05～0.03mm2，极大地提高了X线影像的清晰度。

（一）靶面

靶面中心固定在钼杆（转轴）上，钼杆另一端与转子相连。靶面倾角在6～17.5°之间，过去靶面由纯钨制成，纯钨产生的X线性能很好，但热容量较小，散热性和抗热膨胀性能都较差。改进后多采用铼钨合金（含铼10%～20%）做靶面，钼或石墨做靶基，构成钼基铼钨合金复合靶或石墨基铼钨合金靶。铼钨合金靶面晶体颗粒细，抗热膨胀性高，靶面龟裂机会减少。随着曝光次数的增加，无论是铼钨合金靶还是纯钨靶其输出剂量都会有所下降，在相同条件下曝光2万次，两者分别下降13%和45%，显然，铼钨合金靶面明显优于纯钨靶面。靶基往往选用用重量轻、热容量大的材质，从而可有效地提高了X线管连续负荷的能力，靶基的材料通常选用钼或石墨。

（二）转子

转子是由无氧铜管制成，在转子周围加一旋转磁场后，转子发生转动。为增加热辐射，通常将转子表面黑化。转轴装入由无氧铜或纯铁制成的轴承套中，两端装有两只轴承。转子的转速越高，电子束在某点停留的时间越短，靶面温差就越小，X线管的功率也就越大。转速为2800r/min的旋转阳极X线管称为低速旋转阳极X线管，超过8500r/min的旋转阳极X线管称为高速旋转阳极X线管。

一般旋转阳极X线管用于透视时阳极可不需转动，但用于摄影时必须转动至额定转速后才能在阳极和阴极间加上高压，否则大量电子轰击在靶环的固定点上会引起靶面损坏。所以使用旋转阳极X线管的X线机电路中均设置有旋转阳极启动延时（0.8～1.2秒）保护电路，待阳极转到额定转速后才能曝光。

曝光结束断电后，由于惯性使转子在很长时间内静转（静转时间是指切断定子电源开始到转子停止转动所用的时间），一般为数分钟甚至几十分钟的无用空转，其对轴承有一定的磨损，因此，在有的机器中，当X线管结束负载后即对转子制动，这样可以延长轴承的寿命。对高速管来说，无论是启动还是制动过程都存在着一个共振转速，在这个转速附近X线管整体将会产生一定幅度的振动，严重时可大大缩减整个X线管的寿命。这个转速的具体数值与X线管的结构和材料特性有关，一般在5000～7000r/min之间，在启动和制动时都需要尽量快地使转子迅速越过临界转速，从而避免管子损坏。静转时间有时也被用来对低速管进行评价，如果转子的静转时间低于30秒，就说明轴承已明显磨损。

（三）轴承

为防止由于高温造成X线管损坏，X线管中的轴承需进行特殊的设计，在先进的X线机设备中还有专门的电路对X线管给予保护。旋转阳极X线管与静止阳极X线管的散热方式不同，靶面受高速运动的电子流轰击会产生的巨大热量，这些热量约为X线管消耗功率的99%，一只工作在电压100kV、电流1A条件下的X线管，其瞬间功耗为100kW。旋转阳极X线管中产生的大量热量主要依靠辐射进行散热，散热效率低，连续负荷后阳极热量急剧增加，靶盘温度不断上升达到非常炽热的状态。靶盘的高温直接导致轴承温度升高，因此X线管的轴承都由耐热合金钢制成，可以承受较高的工作温度（约400℃左右）但不能超过460℃。为避免过多的热量传导到轴承，导致其损坏，通常把阳极端的转轴外径做得较细或用管状钼杆，减少热传导，少量由阳极靶面传导过来的热量则大部分通过转子表面辐射出去。

为保证轴承在高温下的正常工作，同时也为了有利于热量传导，轴承的润滑剂通常采用固体材料润滑，如二硫化钼、银、铅等。选用不同的润滑材料，转子的静转时间亦有不同。

四、特殊X线管

特殊X线管有栅控X线管、软X线管和金属陶瓷旋转阳极X线管。

（一）栅控X线管

栅控X线管具有可快速响应的独特性能，不仅可使患者和操作者接受的X线辐射剂量减少、X线管使用寿命延长以及X线影像的模糊度降低、清晰度提高等，同时还可用于快速X线脉冲曝光，目前主要应用于血管造影X线机、电容充放电X线机等方面。

1.栅控X线管结构

栅控X线管是在普通X线管的阴极和阳极之间加上一个控制栅极，在结构上类似于电子管，故又称三极X线管。当栅极上加一定大小的负电位或负脉冲电压（相对阴极灯丝而言），管电流被截止，不发生X线；负电位或负脉冲消失时，管电流导通，发生X线。可见，对于栅控X线管，辐射X线的产生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。由于栅极电压远低于管电压，因此控制相对容易，这意味着产生X线的过程可以大大缩短，射线中由于过渡过程产生的无用射线比例将大大减小，如果栅极电位采用脉冲电压方式供电，就能实现快速断续X线摄影，例如电影摄影，摄影频率可达到每秒200帧。栅控X线管除了阴极结构特殊外，其他部分与普通X线管相同。栅控X线管的阴极在聚焦槽中装有灯丝，灯丝前方装有栅极，灯丝与栅极之间相互绝缘。栅极电位就加在灯丝和聚焦极之间。

2.特性

（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线管差。发射相同的管电流时，栅控X线管的灯丝加热电流要大得多。为了提高栅控X线管的管电流，设计出另一种结构的栅控X线管，使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。阴极头上装有两组灯丝，加热的同时发射电子，在聚焦极的作用下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，从而使焦点X线辐射强度分布较为合理，灯丝发射特性也得到了改善。它的焦点直径为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、管电流截止的栅极电位也不同。例如在由高压电容器充电后提供管电压的X线机（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）。因此，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。

（3）栅极的控制特性：

使用栅控X线管进行瞬时X线摄影时，需要在栅控X线管的栅极上加一矩形控制负脉冲电压，它相当于是一个门控信号，X线管在接到此信号之后，加于阴极和阳极间的高压将瞬时产生大量的电子束，继而产生X线。对X线管本身来说，瞬时摄影时间可短到10μs，但由于高压电缆存在电容和电感，因此，其实用的临界值为1ms。显然，比起普通X线管，X线产生的过程被大大缩短了。

3.焦点

前面提到，为使栅控X线管截止，必须给栅极或阴极头施加足够的负偏压。如果所加负偏压值小于使X线管截止的值，阴极头上这一负偏压将使电子流聚集起来。将400V的负偏压加于阴极头上，即可获得直径为0.1mm 的焦点；若负偏压值再小些，可获得0.2mm 的焦点。微焦点X线管对放大摄影是理想的。使用0.2mm 的焦点，腹部血管造影放大两倍；而用0.1mm 的焦点，手、足血管造影可放大3 倍。

由于栅控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，为保持管电压平稳的电容器容量也越大，所以，栅控X线管不适用于大容量的X线机。目前，栅控X线管一般用于电容充放电X线机及管电流为200mA 的电影摄影X线机。前者对电源要求低，常用于对患者进行床边X线摄影；后者不仅使患者和操作者接受的X线辐射剂量减少，X线管的负载降低，而且由于摄影时间短，使X线影像的模糊度降低，亦即清晰度提高。

（二）软X线管

1.特点

在对乳房等软组织进行X线摄影时，为了提高X线影像反差，必须使用大剂量的软X线，为此须采用软X线管。软X线管具有以下特点：

（1）要求X线输出窗的固有滤过小；

（2）在低管电压时能产生较大的管电流，从而大大缩短曝光时间；

（3）焦点小以减小几何失真。

2.构造

目前，软X线管的输出窗口大多用铍制成。

（1）铍窗：

铍的原子序数为4，其吸收性能低于玻璃。因此软X线管以铍制成输出窗口，可以辐射出大剂量的软X线。

（2）钼靶：

软X线管的阳极靶一般由钼（原子序数42，熔点2622℃）或者铑（原子序数为45，熔点为1966℃）制成。临床实践证明，软组织X线摄影时最适宜的X线波长为（6～9）×10-11m；而钼靶X线管在管电压高为20kV 时，除辐射出连续X线外，还辐射出波长分别为6.3×10-11m和7.0×10-11m 的特征X线。可见，对软组织进行X线摄影，起主要作用的是钼靶的特征X线辐射。使用钼靶软X线管时，一般要加上0.03mm 厚的钼片进行过滤。由于钼片对6.3×10-11m以下的X线具有强烈的选择吸收作用，使该波长以下的较硬X线被衰减，同时 7.0×10-11以上的较软X线被钼所吸收。这样一来，无用的软X线以及较硬的X线都被衰减掉，余下的X线正好适用于软组织的X线摄影。

（3）极间距离缩短：

软X线管的管电压较低，由于空间电荷的影响，管电流较小。为了改善其灯丝发射特性，可以缩短阴极与阳极间的距离，使极间场强增大，以降低空间电荷的影响。普通X线管的极间距离一般为17mm 左右，软X线管的极间距离一般为10-13mm。因此，软X线管的最高管电压不能超过60～80kV。

（三）金属陶瓷X线管

金属陶瓷旋转阳极X线管，这种X线管的灯丝和阳极靶面与普通旋转阳极X线管类似，只是玻璃壳改为由金属和陶瓷组合而成，其间的过渡材料采用铌，用铜焊接。

限制X线管负荷能力的因素之一，是灯丝的最高“安全”温度，该温度不仅与灯丝的熔点有关，也与钨丝的蒸发程度有关。钨丝蒸发不仅能使灯丝变细，而且会导致X线管玻璃壳内表面上形成薄薄的钨层。薄钨层对X线束滤过不会造成严重影响，但对于玻璃管壳，却能成为使X线管损坏的第三电极（第三电极将使玻璃管壳受到电子轰击而易于损坏）。

金属陶瓷X线管中有一部分钢制管壳，位于X线管中间，在阳极端嵌入玻璃壳中，在阴极端嵌入陶瓷内，X线管中的玻璃与陶瓷部分起绝缘作用，金属部分接地，以捕获杂散电子。由于管的金属部分接地，准直器可以较普通X线管更贴近阳极，使焦点外辐射的影响减小。

大功率金属陶瓷X线管的阳极在两端有轴承支撑的轴上旋转，有一直径120mm 的复合阳极靶盘。因为没有玻璃壳那种钨蒸发所致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。金属陶瓷旋转阳极X线管寿命长，还可在低管电压条件下使用较高的管电流进行摄影。

五、X线管的焦点

在X线成像系统中，X线管的焦点对成像质量影响很大。X线管的焦点分为实际焦点、有效焦点或和标称焦点。

1.实际焦点

实际焦点是指高速电子在靶面上的实际轰击面积。目前诊断用X线管的灯丝均绕成螺管状，灯丝发射的电子经聚焦后，以细长方形状轰击在靶面上，所形成的焦点亦为长方形，称为线焦点。实际焦点的大小（主要指宽度），主要取决于聚焦罩的形状、宽度和深度。实际焦点越大（因靶面积越大，能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。

阴极电子轰击在阳极靶面上的实际面积称为实际焦点。实际焦点的形状是由灯丝的形状决定的，由于灯丝位于阴极头内。阴极头的作用是使电子被聚焦，故实际焦点大小，主要取决于槽的形状、宽度及灯丝位于槽中的深度。

2.有效焦点

有效焦点又称为作用焦点或标称焦点，是指实际焦点在X线投照方向上的投影，实际焦点垂直于X线管长轴方向上的投影又称为标称焦点。

如实际焦点宽度为a，长度为b，投影后的长度为bsin θ，宽度不变，则：有效焦点=实际焦点×sin θ。

其中的夹角θ是阳极靶面与X线投照方向夹角。当投照方向与X线管长轴相垂直时，θ角称为靶角或阳极倾角（一般为7°～20°）。阳极倾角是与管容量和X线强度的分布密切相关的重要参数。

在要求有效焦点一定的条件下，靶角越小，实际焦点越大，管容量也越大，但靶角不能太小，它受到有用照射野的限制。有效焦点与成像质量有密切关系。有效焦点尺寸越小，影像清晰度越高。

3.标称焦点

由于X线管焦点的尺度非常微细（精度为0.1mm），实际生产过程中会有误差，而焦点大小对图像质量有决定性的影响，因此为了统一概念，便于在生产、流通和使用过程中的互相交流，国际电工委员会标准IEC 336规定了焦点尺寸的容许误差范围，称为焦点标称值的容许值（表1-2）。

4.焦点增涨——焦点与管电流的关系

有效焦点的大小与X线管的管电流和管电压有关。在管电流一定的条件下，管电压越高，电子间的斥力增大，有效焦点尺寸将明显增加，这种现象称为焦点增涨。所以测量有效焦点时，既规定了与管轴垂直的投照方向，还应规定相应的管电流和管电压值。一般取管电流最大值50%，管电压为75kV作为测试条件，并以针孔成像的办法进行测量。用针孔照相法拍摄的焦点像，在管电压一定时，焦点增涨的程度视管电流的大小而定；管电压对焦点增涨的影响较小，甚至出现管电压升高而焦点尺寸略显缩小的趋势。因此，有效焦点的大小与投影方位及管电流大小有关，焦点增涨的程度主要由管电流而定，且随焦点而异，一般小焦点增涨幅度大。

5.焦点大小与其寿命、成像质量的关系

当阴极电子高速轰击阳极靶面产生X线的同时将伴随大量热量的产生，温度急剧上升。该热量从实际焦点面积上向外逐渐传导出去，由于钨靶单位面积承受功率的能力很小（一般为200W/mm2），所以从保护阳极靶面、延长其寿命的角度来看，实际焦点越大越好。而从几何光学成像原理可知，当有效焦点为点光源时，成像清晰度高；当有效焦点具有一定尺寸时，胶片上所形成的图像将出现半影而产生模糊，焦点尺寸越大，半影越大，模糊度就越大，清晰度就越低。所以从成像质量角度来讲，希望焦点越小越好，旋转阳极X线管的出现在一定程度上解决了这对矛盾。

六、X线管管套

X线管管套是保护、支持X线管，并对X线管具有冷却作用的部件。

七、X线管冷却

X线管要求一定的真空度，在工程上一般将阳极、阴极和轴承封装于玻璃壳中，对于旋转阳极，这就存在着如何隔着玻璃壳让阳极旋转的问题，目前采用的办法是通过旋转磁场实现热传递。

X线管在实际工作中需要将其置于油封之中，油封的作用有四个，一个是X线管玻璃外壳的保护，二是减少散逸射线，三是为高压提供安全保障，四是让X线管产生的热量有效地外传。

热量外传途径有两个：一是通过轴承—玻璃壳—油封传递，另一个是通过辐射进行热传递。