第二节  X线管装置

医用X线管（以下简称X线管）是X线发生装置的核心部件，其基本作用是将电能转换成X线能。X线管产生X线必须具备两个条件：①阴极灯丝加热发射电子；②X线管两极加上高压。阴极灯丝发射的电子在高压电场的作用下加速飞向阳极，撞击阳极靶面，进行能量转换，约1%的能量转换为X线能，其它绝大部分能量转换为热能。

自1895年伦琴发现X线以来，X线管逐步向大功率、小焦点和专用化方向发展，其结构不断改进，先后出现了固定阳极、旋转阳极以及各种特殊X线管。

一、固定阳极X线管

固定阳极X线管是X线管中最简单的一种，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：①接受高速电子撞击而产生X线；②将阳极热量辐射或传导出管外；③吸收二次电子和散乱射线。阳极结构主要由阳极头、阳极柄、阳极罩三部分组成。

1．阳极头  它由钨靶面和铜体组成。靶面承受阴极电子的撞击产生X线。由于X线发生时将伴随大量的热量产生(有资料表明，在一次撞击中1%的能量转换为X线能，99%的能量转换为热量)，靶面的工作温度很高，因此靶面材料一般选用熔点高(3370℃)、原子序数大(74)、蒸发率低的钨制成，故称钨靶面。但钨的导热率低，产生的热量不能很快地传导出去，因此常通过真空熔焊的办法把钨靶面熔焊在导热系数大的无氧铜铜体上构成阳极头，以此来提高阳极的散热能力。

2．阳极柄  它是阳极引出管外的部分，由普通铜(紫铜)制成，并与阳极头连接，浸泡在高压绝缘油中。其作用是将阳极头的热量传导到高压绝缘油中，热量在油中扩散，从而提高了阳极的散热能力。

3．阳极罩  阳极罩又名阳极帽，用含有一定比例钨的无氧铜制成，套在阳极头上。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。

当阴极电子束高速撞击靶面产生X线时，靶面因反射而释放出部分电子，称为二次电子。二次电子的危害有：①撞击到玻璃管壳内壁上，使玻璃温度升高并产生气体，降低管内真空度；②部分二次电子附着在玻璃壁上，使玻璃壁负电位增加，造成管壁电位分布不均匀，从而产生纵向应力，易致玻璃管壁损坏；③二次电子是散乱的，当它再次轰击靶面时，会产生散射X线而使图像质量降低。因此在阳极头上加装阳极罩来吸收二次电子，它能吸收50%~60%的二次电子。

此外，阳极罩可吸收部分散射X线，从而保护X线管和提高成像质量。

(二)阴极

阴极由灯丝、聚焦槽、阴极套和玻璃芯柱等组成，主要结构是灯丝和聚焦槽。其作用是发射电子并使电子束聚焦，使撞击在靶面上的电子束具有一定的形状和大小。

1．灯丝  其作用是发射电子。它用具有较好的电子发射能力，熔点高、蒸发率低的钨材料制成，绕制成螺旋管状。灯丝电压一般为交流5~10V，灯丝电流一般为2~9A，大多数为3~6A。灯丝通电后，温度迅速上升，到一定数值(约2100K)后开始发射电子。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，调节灯丝的加热电压(或灯丝加热电流)即可改变灯丝温度，改变灯丝单位时间内发射电子的数量，从而实现对管电流的调节。由于灯丝温度与发射电子的数量呈指数(非线性)关系变化，因此在调试X线机的管电流(mA)值时，一定要小心谨慎，特别是在调整大mA档时一定要细腻调整，以免灯丝烧断而损坏X线管；另更换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流，使各mA档数值准确。

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。因此灯丝的加热方式常设计成预热增温式，即在曝光前的准备阶段灯丝处于低温预热状态，曝光前瞬间增温到预置管电流所需的额定温度，以此来延长灯丝的寿命。

现在常用的双焦点X线管根据不同功率与焦点的关系，在阴极装有两根长短、粗细不同的螺旋管状灯丝。长、粗的灯丝为大焦点灯丝，其截面积大，加热电压相对较高，单位时间内发射电子数量多，形成的管电流大；短、细的灯丝为小焦点灯丝，其截面积小，单位时间内发射电子数量少，形成的管电流小。其阴极端有三根引线，一根为公用线，其余两根分别为大、小焦点灯丝的引线。

2．聚焦槽  聚焦槽又名阴极头、聚焦罩、集射罩，它是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形凹槽中心，灯丝的一端与聚焦槽相连，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。实线代表灯丝前方电子的运动轨迹，形成主焦点；虚线代表灯丝侧后方电子的运动轨迹，形成副焦点。由此可知，高速电子在靶面上的撞击面积并非是标准的矩形。

(三)玻璃壳

玻璃壳简称管壳，用来固定和支撑阴、阳两极，并保持管内真空。玻璃壳通常用熔点高、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，避免因温度变化而造成结合部分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。

为保证阴极灯丝发射的电子加速飞向阳极，减少能量损失，管内的真空度应保持在10-6mmHg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。目前在诊断用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线管具有结构简单、价格低的优点，在小型X线机、治疗X线机(阳极循环冷却)等设备中仍被采用。

 二、X线管的焦点

在X线设备中，X线管的焦点大小对成像质量的影响很大。X线管焦点分为实际焦点和有效焦点两种。

1．实际焦点 实际焦点是阴极电子在阳极靶面上的实际轰击面积。因X线管的灯丝绕制成螺旋管状，其发射的电子经聚焦后撞击在靶面上的形状近似为长方形，故实际焦点又称为线焦点。

实际焦点的形状是由灯丝的形状决定的，由于灯丝位于聚焦槽内，聚焦槽的作用是使电子聚焦，故实际焦点的大小，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 有效焦点即实际焦点在空间中各个投射方向上的投影面积。其中在垂直于X线管长轴方向(两极连线方向)上中心处的投影面积称为标称有效焦点或有效焦点的标称值，简称标称焦点。实际焦点与有效焦点的关系。

电子束所轰击的靶面与阳极头横截面之间的夹角称为阳极倾角。由于阳极倾角的存在，实际焦点的宽等于有效焦点的宽，而标称有效焦点的长等于实际焦点的长。如有一阳极倾角为19º的固定º阳极X线管，实际焦点长为5.5mm，宽为1.8mm，则该X线管的标称有效焦点的长为：5.5×sin19º=5.5×0.3256≈1.8mm，宽度不变，即标称有效焦点近似为1.8mm×1.8mm的正方形。

国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)规定，有效焦点的标称值采用无量纲制表示，如1.0、1.2，但目前其标注方法仍用习惯标注法，如1.0mm×1.0mm、1.2mm×1.2mm等。

从提高成像质量的角度来讲，总希望有效焦点越小越好。有效焦点越小，成像质量越高。减小有效焦点可通过减小阳极倾角来实现，但阳极倾角太小，X线投照方向上的X线量将大量减少，所以阳极倾角要合适，固定阳极X线管的阳极倾角一般为15~20º。另外，也可以通过减小实际焦点的面积来减小有效焦点，但由于钨靶单位面积承受的功率能力很小，一般为200W/mm2，对于固定阳极X线管来说，实际焦点面积减小后，X线管的功率(容量)也随之减小。由于这一矛盾，致使固定阳极X线管的功率难以提高，为此，在单焦点X线管的基础上生产出了双焦点X线管，对于低曝光量的部位采用小焦点摄影可提高图像质量。

3．焦点的方位性  X线呈锥形辐射，在照射野不同方向上投影的有效焦点不同，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线中心线应对准摄影部位中心。

4．焦点增涨  当管电流增大时，由于电子数量增多，电子之间斥力增大，使焦点尺寸出现增大的现象，称为焦点增涨。在实验室中，用针孔照相法拍摄的焦点像，图中可见，当管电压一定时，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，焦点增涨的程度主要取决于管电流的大小，且随焦点而异，一般小焦点增涨幅度较大。

综上所述，有效焦点的大小与实际焦点、投照方位、管电流和管电压的大小有关。因而在测定有效焦点的标称值时，IEC规定，投照方位为垂直于X线管的长轴方向，管电流值为最大管电流的50％，管电压一般取75kV(最大管电压为100~125kV时)作为针孔照相的条件。

 三、旋转阳极X线管

对于固定阳极X线管来说，要提高X线管的功率、延长阳极靶面寿命必须增大高速电子撞击靶面的面积(即大焦点)，而要提高成像质量则希望使用小焦点，提高功率与缩小焦点相互制约。旋转阳极X线管较好地解决了这一矛盾，它的结构也是由阳极、阴极和玻璃管壳组成，与固定阳极X线管相比，除阳极结构有明显差别外，阴极和玻璃管壳相差不大。

旋转阳极X线管的阳极靶为一个可以高速旋转的圆盘，灯丝及集射槽偏离X线管长轴中线而正对阳极靶环轨迹中心。此时阴极灯丝发射出来的电子，撞击的不再是靶面的固定位置，而是一个转动的环形面积，因此电子撞击产生的热量均匀分布在整个圆环面积上，其热量分布面积比固定阳极X线管大得多。所以有效地提高了X线管的功率，并且使实际焦点减小，同时还可适当减小靶面倾角，使有效焦点进一步减小。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， X线机使用的旋转阳极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，从而大幅度地提高了成像质量。

旋转阳极X线管的阳极结构主要由靶面、转子、转轴、轴承套座、玻璃圈等组成。

(一)靶盘与靶面

靶盘是一单凸状圆盘，中心固定在转轴(钼杆)上，转轴的另一端与转子相连，要求有良好的运动平衡性；靶面具有一定的倾角，倾角大小在6~17.5º之间。过去靶面由纯钨制成，纯钨产生的X线效率较高，但热容量较小、散热性和抗热膨胀性都较差。现在改进后的阳极靶盘采用铼钨合金(10%~20%铼)制成，钼或石墨做靶基制成的钼基铼钨合金复合靶或石墨基铼钨合金复合靶。

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。有的还在靶盘上开几条径向的细膨胀缝来消除机械应力。

铼钨合金与纯钨靶的剂量对比曲线。在相同使用条件下曝光2万次，铼钨合金复合靶和纯钨靶比较，输出剂量下降分别是13%和45%，说明铼钨合金靶面的综合性能明显优于纯钨靶面。钼及石墨的热容量和散热率比钨好，而密度较钨小，用钼或石墨做靶基重量轻、热容量大，有效地提高了X线管连续负荷的能力。

旋转阳极工作时产生的热量主要靠热辐射向外散发。阳极靶盘表面积较大，其热量辐射到管壁，再传导到周围的绝缘油中。为了防止热量向转轴方向传导，连接转轴和靶盘的钼杆做得较细。

(二)转子

转子是由无氧铜制成的，为了提高其热辐射能力，将转子表面进行黑化处理。转子的运转与小型单相异步电机的原理相同，只是转子装在X线管的玻璃壳内，而定子绕组装在X线管玻璃壳的外面。转轴装入由无氧铜或纯铁制成的轴承套中，两端各装一只轴承。低速旋转阳极X线管的阳极实际转速约为2700r/min(50Hz供电)，高速旋转阳极X线管的阳极实际转速一般为8500r/min(150Hz供电)。阳极转速越高，单位时间内承受高速电子流撞击的圆环面积越大，X线管的功率也就越大，当然，提高转速须考虑转子的运动平衡、轴承的承受能力等因素。

旋转阳极X线管用于透视时，因所需功率小，阳极可以不转动；而用于摄影时，阳极必须转动，且达到规定转速后才允许曝光，否则靶面极易损坏。所以，在使用旋转阳极X线管的X线机电路中均设置有旋转阳极启动延时(约0.8~1.2s)保护电路，只有阳极达到规定转速后才能曝光。曝光结束后，定子绕组的电源被切断，转子会因惯性而静转一段时间，从切断定子绕组电源到转子停止转动所经历的时间称为静转时间。新X线管的静转时间约在30min左右，转子静转加速了对轴承的磨损，所以在有些X线机中设计有制动装置(俗称刹车)，当曝光结束后在数秒内使转子转速迅速降低，以减少磨损。对于高速旋转阳极X线管，为避免转子在临界转速(5000~7000r/min)时引起共振，必须设置制动装置，以保护X线管。另在X线机的维护中，静转时间的长短可用来判断旋转阳极X线管的转动性能。

(三)轴承及其润滑

轴承装在轴承套座内，轴承系统的工作温度很高，所以用耐热合金钢制成。为保证轴承的转动性能，轴承内需注入固体润滑材料，如二硫化钼、银、铅等。

四、X线管的规格与特性

各种型号的X线管都有其一定的规格和特性，如构造参数、电参数、特性曲线等，只有熟悉、掌握这些规格和特性后，才能正确合理地使用X线管，并在参数允许范围内，充分发挥X线管的最大效能。

(一)构造参数

X线管的构造参数是指由X线管的结构所决定的非电性能方面的参数。例如阳极倾角、灯丝尺寸、焦点大小、外形尺寸、重量、管壁的滤过当量、冷却和绝缘方式、旋转阳极X线管的阳极转速、最大允许工作温度等，这些数据都标注在X线管的技术参数资料中。

(二)电参数

X线管的电参数是指X线管电性能方面的规格数据。如最高管电压、最大管电流、最长曝光时间、最大允许功率、容量等。

1．最高管电压  即允许加在X线管两极的最高电压峰值，单位是千伏(kVp)。最高管电压值的大小是由X线管的生产制造参数所决定的。在工作中如果加在X线管两极间的电压峰值超过了此值，就会导致管壁放电，甚至击穿损坏。

2．最大管电流  即在管电压和曝光时间一定的情况下，X线管内允许通过的最大电流平均值，单位是毫安(mA)。在生产、安装调试及维修中调整管电流时不得超过该值，否则将导致X线管靶面过热损坏及缩短X线管灯丝寿命，造成X线管损坏。

3．最长曝光时间  即在管电压和管电流一定的情况下，X线管一次曝光所允许的最长时间，单位是秒(s)。在工作中，X线曝光时间若超过此值，X线管阳极将因累积热量过多、温度过高导致靶面损坏。

4．X线管的容量  又称为负荷量，即X线管在安全使用条件下，单次或连续曝光而无任何损坏时所能承受的最大负荷量。由于高速电子流的能量99％以上转换成热能，阴极电子轰击靶面的部分温度升高很快，此温度超过一定值时，将导致靶面熔化而损坏X线管。对于旋转阳极X线管来说，可以从以下四个方面增大其容量：①增大高速电子撞击靶面的面积；②减小靶面倾角；③增加阳极转速；④减小管电压波形的纹波系数。

(1)容量的计算：X线管的容量常用输入电功率表示，其计算公式为：

 (kW)

式中P为X线管的负载功率(容量)，单位为千瓦(kW)；U为管电压的有效值，单位为千伏(kV)；I为管电流有效值，单位为毫安(mA)。

由计算式可知，X线管的容量为管电压与管电流的乘积。在实际使用中它并不是一个固定值，除与管电压和管电流有关外，还与整流方式有关。整流方式不同，峰值与有效值、平均值与有效值的转换关系不同。例如在单相全波整流电路中，管电压有效值=0.707×管电压峰值，管电流有效值=1.1×管电流平均值。

X线管的容量还与曝光时间有关，曝光时间增长，容量将相应地减小。这是因为单次曝光时间越长，阳极产生的热量不能及时散发出去，产生热量累积，X线管的容量也随之越小；多次连续摄影也会产生热量积累，后续曝光时所允许的容量也会减小。

综上所述，同一只X线管的容量是一个不确定量，为了便于比较，通常将一定整流方式和一定曝光时间下X线管的最大负荷量称为X线管的代表容量，也称标称功率，或者额定容量。

固定阳极X线管的代表容量是指在单相全波整流电路中，曝光时间为1s时所能承受的最大负荷。例如，XD4-2·9/100型X线管，小焦点(1.8mm×1.8mm)的代表容量为2kW，大焦点(4.3mm×4.3mm)的代表容量为9kW。

旋转阳极X线管的代表容量是指在三相全波整流电路中，曝光时间为0.1s时所能承受的最大负荷。例如，XD51-20·40/125型旋转阳极X线管：小焦点(1.0mm×1.0mm)的代表容量为20kW，大焦点(2.0mm×2.0mm)的代表容量为40kW。

(2)瞬时负荷的容量表示方法：曝光时间为数毫秒到数秒的单次摄影或透视称为瞬时负荷。瞬时负荷的容量常用瞬时负荷特性曲线表示。

图中的横轴表示曝光时间，纵轴表示管电流，管电压为参变量，曲线下方为可使用范围，上方为超负荷范围。它可以直接表明在一定的整流形式、管电压和管电流条件下，所允许的最长曝光时间。这对安装和调试X线机十分有用。X线管型号不同，其瞬时负荷特性曲线也不同；同一只X线管，其大、小焦点的瞬时负荷特性曲线也不相同；整流方式变化时，X线管的瞬时负荷特性曲线亦将发生变化。

X线管负荷大小直接影响其寿命，超负荷使用会致使X线管损坏。所以X线管在实际使用时，其最大负荷一般按其最大容量的85%~90%设计。另外，大、中型X线机一般设计有容量保护装置，当单次摄影选择的曝光条件过高，超过X线管的最大允许负荷时，摄影不能进行。

由于电源电压有波动，X线机本身和测量仪表也存在误差，我国规定管电压允许误差为±7%，管电流为±10%，曝光时间为±15%(大于或等于0.1s，单相非零相位合闸)，mAs为±20％。这些措施都是为了保证X线管的使用安全。

(3)连续负荷的容量表示方法：曝光时间为10s以上的透视或间隔时间很短的连续摄影称为连续负荷。在X线机说明书中对X线管连续负荷的容量一般有以下两种标注方法：

1)限定连续使用时的最大功率。例如某X线管在为200W的条件下连续使用。

2)限定管电压、管电流。例如某X线管在100kV、3.5mA条件下连续使用。

5．生热和冷却特性曲线  连续多次摄影或透视与点片摄影交替进行的曝光称为混合负荷。瞬时负荷特性曲线只能表明X线管在瞬时负荷情况下的安全容量，而不能说明混合负荷或连续负荷时的温升和散热关系。对于混合负荷或连续负荷，用X线管的生热和冷却特性曲线来表示则更为合理。

(1)X线管的热容量：X线管在曝光时，阳极靶面将产生大量热量，在生热的同时伴随着散热，如果生热快，散热(又称冷却)慢，阳极将积累热量。当其它条件一定时，阳极积累的热量越多，散热速率越大。单位时间内阳极靶面传导给其它介质的热量称为冷却速率(又称散热速率)。X线管处于最大冷却速率时，允许承受的最大热量称为热容量(heat unit，HU)。热容量的单位是焦耳(J)，即：

1J=1kV(有效值)×1mA(有效值)×1s

热容量的单位目前还常用HU来表示，即：

1HU=1kV(峰值)×1mA(平均值)×1s

单相全波整流情况下，两者的换算关系是：1HU=0.707J

由于高压整流方式不同，整流后的波形也不同，所以在各种不同的整流电路内，X线管产生的热量是不相同的。在计算阳极产生的热量时，应乘以相应的系数，见表2-1。

 

表2-1  X线管热容量计算表

高压整流形式	计算式	备  注
单相全波整流、半波整流、自 整流	HU=kVp×mA×s	高压电缆长度≤6m/根，否则管电流在10mA以下时应乘以系数1.35
三相六波整流	HU=kVp×mA×s×1.35
三相十二波整流	HU=kVp×mA×s×1.41
电容充放电式	HU=C(E12-E22)×0.7	E1、E2分别为放电前、后电压，C为高压电容 (μF)

 

(2)生热与冷却特性曲线：生热特性曲线表示X线管在负荷时，热量增加的速率(生热速率)与曝光时间的关系。根据这个关系可确定X线管在不同热量增加的速率下，可连续与断续工作的时间。如果一个X线管累积热量达到它的最大允许热容量，应停止使用，休息一段时间后才能再次使用。否则，高速电子的撞击靶面将熔化而损坏X线管。

冷却特性曲线表示曝光结束后，阳极热量散发与冷却时间的关系，根据此曲线可确定X线管的最短休息时间。由于生热和冷却速率的单位均为HU/s，通常将生热和冷却两种特性曲线画在一起。图中上升曲线为生热曲线，下降曲线为冷却曲线，最大散热速率是500HU/s。使用X线管时，阳极上的热量累积不得超过它的最大允许热容量110000HU。图中500HU/s生热曲线表示在该曝光条件下，经7.5min的连续曝光，阳极积累的热量达到最高值，但生热的同时伴随着冷却，冷却曲线显示，冷却速率也为500HU/s。此时生热速率和冷却速率相等，生热和冷却保持相对平衡，在此条件下，理论上讲X线管可以连续工作，但实际使用时应留有余地。由冷却曲线可知，要将约110000HU的热量全部散去(即冷却到室温)需要7.5min的时间。从曲线上还可以看出，透视时只要曝光条件不大于500HU/s(425HU/s、340HU/s)的生热速率，长时间连续透视，也不会超出X线管的最大允许热容量110000HU。

以上分析的是X线管在空气中的生热和冷却特性，当X线管装入管套后，其生热与冷却特性(无风扇助冷却)会产生较大变化，由图可知，X线管装入管套后的最大允许热容量约为130万HU，是原来的十多倍，但冷却速率却下降了。无风扇助冷时，最大冷却速率仅为320HU/s。需经过210min才能将130万HU的热量全部散发出去。

(三)X线管的特性

1．阳极特性曲线(Ia~Ua)  是指X线管灯丝加热电流在某一定值下，管电压(Ua)与管电流(Ia)的关系曲线。

阴极灯丝发射的电子大致可分为三个区域：①灯丝前端发射出来的电子，它们在静电场作用下飞往阳极，这部分电子的运动几乎不受阻力；②灯丝侧面发射出来的电子，这部分电子的运动特点是在空间发生交叉后飞向阳极，因此它们的运动要受到一定的阻力；③灯丝后端发射出来的电子，由于电子之间相互排斥和灯丝的屏蔽作用，致使电场作用力很微弱，因此这部分电子在管电压较低时会滞留在灯丝后方的空间，形成“空间电荷”，空间电荷只能随着管电压的升高而逐渐飞向阳极。

当管电压为恒定直流电压时，阳极特性曲线。图中If表示灯丝加热电流，当灯丝加热电流为If1时，曲线可分为两段：①O-A1段，此时由于管电压较小，灯丝附近存在着大量的空间电荷，随着管电压的升高，空间电荷逐渐减小，飞往阳极的电子数目随之增加，即管电流随管电压升高而增大，这段曲线反映了空间电荷起主导作用。实验表明，管电流与管电压的3/2次方成比例，因这部分曲线的管电压较小，可近似看为直线，管电流与管电压成正比，故该段曲线所在区域称为比例区；②A1-B1段，此时管电流不再随管电压增加而明显上升，趋向饱和，因此该段曲线所在区域称为饱和区。在饱和区，管电流与管电压基本无关。管电流的大小主要由灯丝加热电流决定。当灯丝加热电流从If1增大到If2时，阳极特性由曲线O-A2-B2表示，由于灯丝加热电流增大，灯丝温度升高，灯丝发射的电子数目增多，相同管电压下，管电流变大；同时由于空间电荷增多，使管电流达到饱和的管电压必将增大。

由阳极特性曲线可知，X线管在饱和区域使用时，管电流的大小主要取决于灯丝加热电流，利用这一特性可以实现管电压和管电流的分开调节，以获得所需要的不同质和量的X线。但由于空间电荷的影响，在饱和区域内，管电流仍随管电压升高而略有增加，为此在X线机中设计有空间电荷补偿装置。补偿的基本原理是：当管电压升高时，适当减小灯丝加热电流，以使管电流值不随管电压的变化而变化。反之，当管电压降低时，则适当增加灯丝加热电流。

2．灯丝发射特性曲线(Ia~If) 是指在一定的管电压下，管电流(Ia)与灯丝加热电流(If)的关系。图2-26是XD51型X线管在单相全波整流电路中的大焦点灯丝发射特性曲线。由图可见，由于空间电荷的影响，同一灯丝加热电流，100kV获得的管电流比60kV的大，而要得到同一管电流，100kV时要比60kV时所需的灯丝加热电流小。

 五、X线管管套

X线管管套是封装X线管的特殊容器。现代X线管管套均为防电击、防辐射、油浸式，结构因用途、型号的不同而有所差别。X线管封装在管套内使用，称该组合体为X线管装置(又叫X线管组件或X线管头)。

(一)固定阳极X线管管套

此类管套的基本结构。整个管套是由薄铜板或铝等金属制成。这种管套体积小，管套内高压部件对外壳的距离很近，靠变压器油绝缘。管套的一端或两端装有耐油橡胶或金属制成的膨胀器，以适应油的涨缩，防止管套内油压增加。管套内壁侧衬有薄铅层，以防止散射X线射出。管套中央开一圆口称为放射窗，并装有透明塑料或有机玻璃制成的凹形窗口，窗口向内凹接近X线管以减少油层厚度，增加X线输出剂量。通过窗口可以观察X线管灯丝的亮度。管套一侧的两边，装有高压插座，以便连接高压电缆。X线管用绝缘支架和高压插座固定在管套中，其焦点中心对准窗口中心，两极引线分别接到两个高压插座上。管套两端各有一个端盖，阳极端盖的内壁衬有一层铅皮，以阻止散射X线。另外为了减少对人体有害的软X线，通常在窗口前放置一层铝滤过片。有些管套为了避免焦点外X线的射出，在窗口处还装有杯状的铅窗。整个管套内充满变压器油，作为绝缘和冷却用。注油孔多在窗口附近或管套两端。有的管套无专用注油口，可用窗口兼之。

图2-27  固定阳极X线管管套

(二)旋转阳极X线管管套

此类管套需在阳极端内侧设置旋转阳极启动电机定子绕组，其引线接线柱固定在阳极端内层封盖上，便于和控制台电机启动电路连接，且与高压绝缘。其余类同于固定阳极X线管管套。

图2-28  旋转阳极X线管管套

另外，有的管套内设有微动开关，当X线管混合负载大、工作时间长时，油温过热，油体积膨胀而压缩金属波纹管或膜片而使微动开关动作，致使曝光不能进行，防止X线管因积累性过荷损坏。待油冷却至一定温度时，作用在微动开关上的压力消失，波纹管或膜片复位，曝光可以继续进行。有些大功率X线管的管套，在玻璃壳外壁(靠近阳极侧)或管套外壁设置一个温度传感器，当油温过热时，自动切断高压，以保护X线管。

(三)组合机头

为了使小型X线机尽量轻便，其X线管、灯丝变压器以及高压变压器等共同组装在一个充满变压器油的密封容器中，称为组合机头。外形呈圆筒状，因无高压电缆，故无高压插座，其结构简单。

图2-29  组合机头

20世纪80年代出现的逆变X线机，因高压变压器、灯丝加热变压器以及高压整流器等部件的体积成倍减小,使X线管、高压变压器、灯丝加热变压器封装在一起成为可能，形成了新一代的大功率组合机头。

 六、特殊X线管

前面阐述了固定阳极和旋转阳极X线管的一般结构，除此之外，还有许多特殊结构和特殊用途的X线管，诸如金属陶瓷X线管、三极X线管、软X线管等。

(一)金属陶瓷X线管

玻璃壳用硬质玻璃制成的固定阳极和旋转阳极X线管，在使用一段时期后，由于阴极灯丝和阳极靶面的钨蒸发，使对应区域的玻璃壳内壁附着一层金属钨的沉积物，形成第二阳极，导致大量高速电子(包括二次电子)撞击玻璃壳内壁，而损坏X线管。为了消除这种影响，延长X线管使用寿命，近年来开发出了一种金属陶瓷大功率旋转阳极X线管。该管的阴极、阳极与普通旋转阳极X线管一样，只是玻璃管壳改为由金属和陶瓷组合而成，金属与陶瓷之间用铌(Nb)来接合，用铜焊接。金属部分是管壳主体，仅在高压接入部分用陶瓷与管壳绝缘。金属管壳接地，以吸收二次电子，使管壁上的电场和电位梯度保持不变，解决了在使用中X线管由于管壁击穿而寿命终结的问题。

(二)三极X线管

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，灯丝前方装有栅极和聚焦极，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。

图2-30  三极X线管的阴极结构

三极X线管的控制原理。当栅极与阴极之间加一个负电压(2~5kV)或负脉冲电压时，可使阴极发射的电子完全阻止，不能到达阳极，不会产生X线。当负电压或负电压脉冲变化到一定数值时，阴极发射的电子在阳极与阴极之间的强电场作用下加速向阳极运动，形成管电流，产生X线。由于电压脉冲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。

图2-31  三极X线管的控制原理

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，这也是有些微焦点X线管的工作原理。微焦点X线管常用于放大X线摄影。

(三)软X线管

当对乳腺、咽部等软组织进行X线摄影时，用普通X线管得不到满意的对比图像。为提高成像对比度，须使用大剂量的软X线。软X线管产生软X线的效率高，与普通X线管相比，有如下几方面的区别：

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。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。

3．极间距离短  普通X线管的极间距离一般为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。

另有阳极直冷式X线管、飞焦点X线管，主要用于X-CT。