2.1 X射线管

能产生适合临床实用X射线的X射线管一般包含四个要素：一个能发射电子的电子源；一个能加速电子的电场（电位差）；一个在受到高速电子撞击后能辐射X射线的靶物质；一个能将上述部件放入的近似于真空的环境。图2.2是一个X射线管的主要组成图，图2.3则给出了X射线管更为详细些的工作原理图。一个通过电流加热了的灯丝发射出电子，这些电子被一个高的电位差（从几十kV到160kV范围）加速，撞击到目标靶材料上。灯丝及其周围的电子聚焦装置称为X射线管的阴极，目标靶材料称为阳极。加速电子电场的电位差称为管电压，被加速的电子流称为管电流。包含了阳极和阴极等部件的玻璃外壳内是抽真空的（气压P＜10-5 mmHg），目的是防止高速运动的电子与空气分子碰撞，尽可能地减少电子能量的损耗，也防止灯丝因高温下的氧化造成的损坏。

当电子撞击在目标靶上时就会产生X射线。虽然X射线可能从阳极靶上向任意方向辐射，但特意倾斜的阳极和准直器的使用会使X射线管辐射出一束定向的X射线，以方便临床应用。

1.X射线管的阴极

X射线管的阴极包括灯丝和可聚焦电子运动方向的凹面阴极体。一个X射线管的灯丝必须是由高熔点的金属材料制作的。钨灯丝（钨的熔点为3370°C）用于大部分的X射线管。几安培的电流通过灯丝，灯丝中的电子在电流的加热作用下得以逸出。逸出电子的多少主要与灯丝的温度和灯丝的材料有关。对某种特定材料的灯丝，逸出电子的电流密度与灯丝温度和材料的关系是：

式中，J为灯丝发射电子的电流密度，单位为每平方厘米的安培数（A/cm2）；T为灯丝的绝对温度，单位为K；W 为从特定灯丝材料中移走一个电子所需要的能量，钨灯丝时是4.5eV；a是一个常数，等于120A/cm2；k也是一个常数，等于1.38×10-23J/K，称为玻耳兹曼常数。

从后面将要介绍的内容可知，X射线发生器产生的射线强度正比于靶材料的原子序数和撞击靶的电子数。也就是说，在靶材料选定后，射线管所产生射线的强度决定于从灯丝逸出的电子数，而在灯丝材料确定后，射线强度只决定于灯丝的温度。基于此，为了得到一个确定强度的X射线，必须通过严格精确地控制灯丝的温度实现对管电流（灯丝逸出电子）的精确控制。精确控制阴极灯丝温度则是由控制灯丝电流实现的。

为了方便不同的临床成像需求，X射线管的灯丝被制作成几种不同的形状，主要包括圆焦点型和线焦点型，如图2.4所示。灯丝首先被绕成螺旋形，再按圆形或直线形固定在带有负电荷的聚焦阴极体中。

焦点是阳极靶上接受电子撞击并产生X射线的面积。焦点越小，获得的X射线图像越清晰。另外，X射线照片的清晰度还经常由于患者身体某些部位自主或不自主的体动而降低，而这种影响可通过使用高强度和持续时间短的曝光得以减少。然而，小灯丝发射电子的能力难以满足这种高强度曝光的需求。因此，很多X射线管设置了两个灯丝。当患者的成像部位不太可能移动时，不需使用短时高强度曝光，就可以使用较小的灯丝。如果需要用高强度的瞬时曝光来抑制由于患者成像部位的运动而造成的图像模糊，就可以使用较大的粗灯丝。图2.5中是一个实际的双线型焦点X射线管。

从灯丝发射出来的电子之间由于库仑力的作用而相互排斥，电子流在向阳极运动的过程中趋于发散。通常用钼制成一种凹面阴极体，置于灯丝后。使阴极体带负电位就可排斥电子，一定程度上起到聚焦电子的作用。阴极体的形状及其与灯丝的相对位置，对电子聚焦的效果影响很大。

带负电的阴极体的另一个作用是防止二次电子的危害。所谓二次电子是指由阳极发射或反射回来的电子。当阳极过热时，就有可能有电子发射出来。来自灯丝的电子在撞击阳极后也有少部分电子反射回来。二次电子撞击灯丝时会使灯丝断裂，撞击玻璃外壳会使其破裂损坏。阴极体能部分地防止危害的发生。

2.X射线管的阳极

阳极靶一般由原子序数较高的耐高温金属如钨、钼等构成，其功能是接受高速电子的撞击并产生X射线。由于高速电子动能的99%以上在撞击阳极后转变为热，只有不到1%用于产生X射线，正常工作时，靶上轰击点的温度可达2600～2700℃，仅稍低于钨的熔点3300℃，所以阳极的散热问题在实际应用中是非常重要的。从阳极的安装方式看，阳极靶可分为固定阳极和旋转阳极两种。为帮助固定阳极散热，通常的做法是把靶材料嵌在导热性能好的铜质阳极体上。即使这样，采用固定阳极的X射线管也仅适合管电流较小、曝光时间较长的便携式X光设备，牙科和骨科专用的X光机有时也采用固定阳极结构。

旋转阳极是将阳极和阳极体做成圆盘状，在电动机带动下旋转。电动机的旋转速率可为2800～8500r/min，电子撞击阳极产生的热量可均匀分布在整个靶面上，避免了靶局部的过热。大功率的X线机都采用了旋转阳极的X射线管。

除了采用旋转阳极外，阳极上被电子流撞击的焦点的大小也对散热起重要作用。焦点大，散热好，可生成强X射线，但成像分辨率低；焦点小时散热差，但成像的分辨率好。焦点的大小除了决定于阳极的形状外，也决定于灯丝的大小。目前大多数X射线管都能提供大小不同的两个灯丝以满足不同的应用需求。

适当改变靶材料的构成在一定程度上也能提高阳极的散热能力。过去在钨靶材料中加入钼合金，或给焦点部位镀上钨铼合金等方法都有较好效果，但已不能满足如今对射线管越来越高的散热要求了。最近的做法是利用石墨的高热容量特性，将其与钨靶钎焊在一起，再在石墨靶的表面用化学气相沉积法镀上一层钨铼合金，能较大幅度地提高阳极靶的热容量。

除了上述方法之外，大功率的X射线管还配有专门的油循环器帮助散热。

3.X射线管的电特性

在X射线管内存在灯丝电流和管电流两种电流。灯丝电流一般是几安培的数量级，管电流则可在几毫安到数百毫安之间变化。

很明显，这两种电流是相互影响的。图2.6表明了管电压和灯丝电流对管电流的影响。在灯丝电流一定时，随着管电压的升高，管电流在一定范围内也增加。但管电流在升高到一个临界值时，就不再随管电压而变化，而是保持一个恒定值，这个状态称为“电压饱和”，表明灯丝逸出的所有电子都已到达阳极。使X射线管进入电压饱和状态的管电压称为饱和电压。在饱和电压作用下，管电流仅受电子从灯丝逸出多少的限制，即管电流的大小决定于灯丝电流的大小。为了增加电子逸出的数量，只有通过提高灯丝的温度即增加灯丝的电流才能使管电流得到提高。图2.7表明，在管电压大于饱和电压值时，管电流随着灯丝电流的增加而迅速增加。但当灯丝电流小于某一电流值时，灯丝不能得到有效加热，灯丝就不会有电子逸出，管电流为零。

另外，从图2.6中还可看出，饱和电压临界值的大小随灯丝电流的增大而增长。而当管电压低于某饱和电压临界值的范围内时，管电流可能会不随灯丝电流的增加而增加。因为这时灯丝逸出的电子由于管电压较低不能全部到达阳极，在灯丝与阳极之间产生一种称为“空间电荷”的效应。在低管电压情况下，电子从灯丝的释放要比将它们加速到阳极靶来得更快。由于空间电荷的阻挡，即使灯丝逸出的电子再多，到达阳极的电子数量不会明显增加。

单位为毫安的管电流与单位为秒的曝光时间之积（mA·s）可用于计算轰击阳极靶的电子总数。由于电流的单位安培等于1C/s（1库仑/秒），则电流和时间的乘积等于单位为库仑的电荷数。X射线管管电流多以毫安来度量，而1mA=10-3A，考虑到一个电子的电荷是1.6× 10-19C，所以：

如果某X射线管的管电流为200mA时曝光0.1s，则射线管轰击阳极靶的电子总数为

电子数=（200mA）（0.1s）（6.25×1015电子/mA·s）=1.25×1017个电子

显然，轰击X射线管阳极靶的电子越多，产生的X射线光子就越多，也就是说，产生X射线光子的数目与管电流和曝光时间之积成正比。对某一X射线管而言，在相同的目标靶、管电压、曝光时间条件下，管电流越大，X射线能量谱的高度（光子数）越高。特别值得注意的是，能量谱曲线的最高和最低能量极限点以及标识辐射峰值的位置并不随管电流的增加而改变。