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 X光球管的發展和構造

X光球管的誕生到現在已一百多年了,X光已經應用到人們社會生活的各個領域,無論從工業探傷,化學分析,珠寶鑒定,機場鐵路的旅客安檢,還是到醫療方面的X光檢查,拍片,以及從70年代初發明的CT掃描裝置都離不開X光球管,從X光球管的工作原理上一直都沒有變化,依照電子束轟擊重金屬可以產生X光的這一原理,根據用途的不同生產出各種不同的X光球管,小到幾個厘米,大到幾十公斤,工作電流從小到零點幾毫安大到1000毫安以上,X光球管從種類及工藝,壽命各方面都得到了極大的發展。

一、早期的球管

  最開始發現X光的球管是冷陰極球管,他的工作原理是,在放電管放電路徑中加入一個電極,陽極,并在這個陽極上加上一個電壓,在放電管放電的時候就有X線產生,這個插入的電極是由重金屬制造,可以是鉬,鎢,鎳,鈷等重金屬。由于冷陰極球管只是有X線產生,其X射線量是極其微弱的,只有在做出了真空二極管形式的X射線管后,X射線才得到廣泛得應用。

X線球管的工作電壓主要是由球管陽極靶面的材料決定的,每一種物質都有一個固有的激發電壓,當管電壓比球管陽極材料的激發電壓高35倍時,電子撞擊陽極時所產生的X光強度最大。因此,X射線管的工作電壓約為陽極物質激發電壓的35倍為最適宜。

一、        常用球管介紹

1. 固定陽極球管:在小型X光機及工業X光機中所使用的X光球管基本都屬于這一類,封裝方式以玻殼管為

多,也有少部分的金屬殼管,它的特點是陽極是固定的,結構簡單制造成本低,缺點是功率小,射線量小只

能用于小型X光機及一些工業X光機,圖 1-1中球管是X射線衍射儀中的X球管。要求球管工作電流大的CT

則不能采用這種球管。

      固定陽極球管是由燈絲(陰極見圖1-2),重金屬制成的陽極靶和一個抽成真空的玻殼組成,也有部分金

屬殼球管,這一類球管在銷售及運輸當中有很大一部分都沒有外管套,由于管芯玻殼很薄,以及管芯的金屬

引出線與玻璃之間由于材料的不同,膨脹系數的差別也會出現漏氣現象,為了防止球管的失效,這一類球管

大部分都有一個球管專用的運輸油箱,管芯在油中運輸和保存,這樣才能使球管的保存時間延長。

 

 2.旋轉陽極球管

    旋轉陽極球管是在大功率X光機出現以后出現的一種高性能的球管,這種球管能在小的焦點下使用更大的

電流進行工作,從金屬散熱的角度分析,任何金屬對熱的傳導都有熱阻,球管在小焦點大電流工作的情況

下,在陽極靶面會產生高溫,如果電子束固定在一個位置不斷的轟擊,靶面很快就會熔化,如果我們讓靶面

活動起來,是電子束不斷的變換轟擊位置,就可以是球管在更大的電流下工作,是靶面受到電子束轟擊的位

置產生的熱量有足夠的時間向金屬內部傳導,靶面就不會出現熔化問題。需要說明的是,X線球管的陽極工

作在真空中,散熱條件很差,現在大功率球管在曝光時的功率可以達到60千瓦以上,其中99.5%的功率變成了

熱,只有0.5%的功率轉變為X射線,所有的熱都會留在陽極上,散熱對旋轉陽極球管來說尤其重要。

  (一). 旋轉陽極的轉速,目前的球管旋轉陽極轉速都在3000轉以上,高速旋轉陽極球管可達到7200轉,超

高速的球管目前可達到1萬轉以上,球管陽極的轉速是根據球管的焦點電流密度設計的,同樣管電流的球管,

焦點越小,要求球管旋轉陽極的轉速越高。對于應用來說,球管的焦點越小,性能越好,這是因為焦點越

小,所投射的半影也越小,所得到的圖像也越清析,但球管的制造難度也越大。

(二).旋轉陽極球管的結構與固定陽極球管的結構差別主要是在陽極上,旋轉陽極是一個帶軸的圓盤,根據

不同的用途選用不同的靶面材料,如乳腺X光機球管一般采用鉬靶,CT機球管采用的是鎢靶,為了提高整體

的散熱能力,靶面材料被鑲嵌在銅制的盤座上,整個靶通過軸承固定在管芯支架上,旋轉陽極使整個球管技

術含量最高的部分。

1.要求靶面金屬必須與靶基材料結合非常良好,在兩種金屬的結合部不允許有空腔和氣泡,這是因為成

品的球管里面是高真空,球管里面的任何封閉的空腔與氣泡都會殘留氣體,這些殘留的氣體會在球管工作中

高溫與震動的作用下,逐步的釋放出來,造成真空度下降,使球管打火,造成球管提前報廢。

2.要求球管靶面的材料必須是高純度,靶面材料的純度越高,所發出的X線頻譜越窄,雜波X線越少,球

管的品質越高。

3.旋轉陽極必須做嚴格的動平衡校正,動平衡的不良會使球管陽極在轉動時噪聲加大,降低球管的使用

壽命,同時也會使輸出的X線減少。

4.旋轉陽極的軸承工作在真空高溫狀態下,工作時的溫度在二百度以上,動平衡要求嚴格,精度要求很

高,旋轉陽極的軸承目前只有德國生產。

5.球管是一個真空電子管,在很高的工作電壓下工作,對球管內的真空要求很高,這就要求球管內的所

有部件在球管封裝前,必須作嚴格的脫氧及除氣處理,這樣才能保證成品球管的真空度。

    陽極的旋轉是靠加在管芯外面電機定子線圈產生的旋轉磁場進行驅動,所說的旋轉陽極的軸,實際上是

一個磁滯式電動機的轉子,只不過它是被密封在真空里。旋轉陽極的功能是在電子束流的轟擊下產生X

線。陽極在電子束流的轟擊下,在陽極的表面會留下電子束轟擊的軌跡,陽極在旋轉方面的任何故障,都會

造成陽極表面的損傷,陽極表面金屬的熔化會產生金屬蒸汽,從而破壞球管內的真空,造成球管的內部打

火,使球管報廢。

(三).旋轉陽極球管的陰極是一個直熱式真空管的陰極,它的燈絲由鎢制成,旁邊加有控制電子射線角度和

方向的束流罩,用它來控制球管焦點的大小,雙焦點的球管有兩組這樣的燈絲陰極。陰極的功能是產生電子

束流來轟擊陰極。陰極的燈絲是在高溫下工作的,長期的工作會使燈絲的金屬揮發,在電子束發射的過程中

也會有部分的燈絲金屬離子隨著電子束流被發射到陽極上面,因為陰極電流是從燈絲上發射出去的,陰極電

流在流過燈絲時也會使燈絲的溫度提高,燈絲溫度的提高會使陰極電流進一步的提高,根據這一特性,一般

在設計直熱式陰極燈絲時,其燈絲電流必須比陰極發射電流大十倍以上,這樣才能使球管工作穩定。長時間

工作后燈絲會不斷的變細,燈絲電流會不斷的減小,而從燈絲上蒸發出來的金屬氣體,也會使球管真空度下

降,出現打火故障,無論是陽極還是陰極蒸發出來的金屬氣體,都會像水蒸氣一樣在球管較冷玻殼上的凝

聚,使球管的玻殼像用久了的電燈泡一樣變成黑色。

 

(四).球管的冷卻系統

    現在生產的CT機及X光機球管一般都加有油循環冷卻系統,油循環冷卻系統的冷卻形式有以下幾種:

1.分離式冷卻式:這一類球管自身不配有油泵和散熱器等附屬部件,這些循環冷卻部件是作為機器部件

固定在機器上,如DI—1750等球管。這一類球管的優點是由于沒有外加的冷卻系統,球管的包裝運輸比較方

便,球管包裝小。缺點是在更換這一類球管時,球管以外的冷卻部分的絕緣油不能與球管一同更換,必須進

行另外的更換,在現場更換的絕緣油的品質有時難以保證,這些油有時還會與球管內的油產生化學反應,改

變油的性質。

2.集成冷卻式:這一類球管的油泵散熱器與球管組裝在一起,它的優點是,在更換球管時不存在散熱器

換油的問題,油泵和散熱器在廠家就可以檢查好。它的缺點是:a).運輸包裝體積較大。B).油泵,散熱器及油

循環監測系統都隨球管在一起,為了減輕重量和降低成本,油泵與散熱器做的都比較小,散熱的效率較低,

而油流監測系統由于體積與接口、供電等各方面的限制,目前大部分做成轉子式油流開關,這種開關的結構

是在一個圓形的管道內放置一個彈簧和一個帶有永久磁鐵的轉子,在圓形管道外面的適當部位放置一個干簧

開關,當帶有永久磁鐵的轉子在油流的推動下,接近干簧開關時,開關就會吸合,給出一個油流正常的信

號,這個油流開關很容易受到油中雜質的阻礙,使開關不能工作,同時,干簧開關也是一個易損的零件,對

球管的正常工作都會帶來威脅,增加了球管的故障率。

3.間接換熱冷卻式球管:這一類球管是為了倪補前兩種球管冷卻方式的不足而出現的一種球管,這種球

管目前多用于大功率的CT球管上,因為球管的功率大,發熱量高,需要的散熱器非常龐大,不可能在與球管

一起進行搬運,而普通的分離式冷卻方式又不能保證球管內油的品質,這樣就出現了這種既克服了前兩種球

管冷卻方式缺點,又能滿足球管冷卻要求的間接換熱式冷卻球管。

    這種球管的內部結構隨著廠家的不同變化較大,就以西門子PLUS—CT球管為例,這種球管的冷卻部

分,使用的是一種水池循環管式換熱方式,在不同換熱的兩個層面都利用油泵進行強制循環,內層產生的熱

量會很快的被外層循環的油流帶走,以達到高效冷卻的目的,而內外層的油又相互隔離。球管的內層油的充

油量在球管油的膨脹腔上面可以反映出來,在常溫下,膨脹腔伸縮部分的底部距端口大約2/3左右,如果膨脹

腔的伸縮部分已經完全靠到了腔體的底部,膨脹腔波紋管又被壓的很緊,就應該考慮到管芯的破碎。

    在這種球管上,比普通的球管增加了很多東西,如旋轉陽極轉速檢測系統,它是通過一條光纜向旋轉陽

極上的反射標志發出紅外激光,用另一條光纜檢測從旋轉陽極反射標志上返回的信號,在旋轉陽極上一周有

四個標志,球管每轉一周,就會得到四個脈沖信號,球管陽極的轉速是50/秒,每秒有200個脈沖輸出,通

過球管上附帶的脈沖整形電路板進行信號處理,輸出200HZ/S的方波到CT的計算機,用以檢測球管陽極的真

實轉速。

   這種球管另外一個變化是增加了兩個高頻的燈絲變壓器,球管的燈絲供電不再通過高壓電纜,并且只能使

27KHZ---40KHZ的高頻電流對燈絲進行供電,變壓比大約是201(有待進一步驗證)。在進行球管測試

時,絕對不可以用直流電或低頻交流電在帶有變壓器的情況下對燈絲進行通電測試,這樣會損壞燈絲變壓

器。

 

(五).球管真空的維護

   球管的內部必須保持在高真空的狀態,真空度一旦下降球管就不能正常工作,下面就球管管芯真空度下降

的幾個原因及解決辦法進行分析:

1.球管存放時間過長:球管管芯的管殼一般是玻璃或金屬的,任何材料它的密閉性都是相對的,因為管

芯內部是高真空,氣體會通過玻璃或金屬材料分子間的空隙進入到球管里面來,使真空度下降。

2.管芯內部各種材料的放氣,管芯內的材料不管怎樣處理,都不可能做到沒有任何氣體,材料中的氣體

會隨著時間的推移和工作中溫度的變化而釋放出來,使真空度下降。

3.球管制造不良:再球管的內部有很多需要焊接的部分,在焊接部分存在空腔、氣泡,這些氣體釋放出

來后會使真空度下降。球管管殼的電極引線、支架與玻璃的結合部,由于金屬與玻璃的熱膨脹系數不同,而

且膨脹的線性關系也不一致,也會產生漏氣問題。

4.在使用中球管周邊工作環境出現故障,使球管出現過熱、打火,也都會造成管芯內材料過速放氣,引

起真空度下降,已經老化的球管由于燈絲和陽極會發出來的金屬蒸汽太多,也是真空度下降的一個重要原

因。

    以上所分析的真空度下降的一些原因,有一些真空度的下降可以通過加電老練的方式來提高真空度,有

一些就只能宣布報廢,一般因存放所引起的真空度下降,通過加電真空老練大多數都能恢復,而因為燈絲和

陽極揮發金屬所造成的真空下降,基本上沒有恢復的可能。而因為意外打火引起的真空下降(燈絲、陽極沒

有出現嚴重的金屬揮發現像),可恢復性大約占50%。因球管過熱造成的真空度下降,一般都可以恢復。

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