2.4 X射线管的焦点与额定参数

2.4.1 X射线管的焦点

1.实际焦点与有效焦点

X射线管中灯丝逸出的电子经管电压加速后撞击阳极靶。电子撞击阳极靶的面积大小称为X射线产生时的实际焦点。为了便于形成有用的X射线辐射束，阳极靶被撞击面与电子流的垂直方向有一个倾斜阳极角θ，如图2.2和图2.3所示，即X射线的主射出方向与靶斜面存在一个角度θ。目前，大多数X射线管的阳极角在6°～19°之间。

X射线从阳极靶以阳极角为θ的方向射向投射目标，实际焦点在X射线的主射出方向的投影称X射线产生时的有效焦点。图2.14表明了实际焦点与有效焦点之间的关系。设实际焦点的面积为A，有效焦点的面积为a，考虑到阳极角θ的存在，有

如果A=5mm2，θ=17°，那么有

a=Asinθ=5×sin17°=5×0.29=1.45mm2

从上面的讨论看出，阳极角越小，有效焦点的面积也越小。

2.焦点大小对成像的影响

有效焦点的大小直接影响X射线成像的清晰度。有效焦点越小，成像质量越好。图2.15用于定性说明点光源与一定线度的面光源对成像的不同影响。图（a）是点光源成像的情况，射线从光源发出，穿过人体后在胶片上成像；图（b）是线度为S的面光源发出的X射线投射人体后在胶片上成像的情况，图像的边缘出现了线度为P的阴影，这个阴影在医学成像领域称为半影。半影会使图像的边缘模糊不清，严重影响图像的成像效果。很容易计算得到下面公式

显然，要改善图像质量，需要缩小半影的线度，即尽量减小有效焦点的线度S和人体与胶片之间的距离d。实际的有效焦点线度不会为0，所以半影总是存在的。消除半影的另一个有效方法是在人体与胶片之间放置准直器，合适位置的准直器可以正好消除半影，胶片上会呈现没有半影影响的像。

尽管小焦点的成像质量高，但实际焦点过小不利于阳极靶的散热。事实上，实际焦点越大，对阳极散热越有利，但由于实际焦点与有效焦点的关系，有效焦点变大会使成像质量变差。尽管缩短灯丝长度、减小阳极角都可以减小有效焦点的线度，但为了达到一定的管电流，缩短灯丝长度必然导致实际焦点上电子密度增加，焦点温度快速上升不利于阳极散热。

目前不少X射线管可以提供一大一小两种灯丝供使用时选择。双灯丝X射线管可以提供两个不同大小的有效焦点，一个是由较小灯丝产生的用于精细成像的，典型面积为0.6mm2或者更小些；另一个是由较大灯丝产生的用于普通成像的，典型面积为1.5mm2。有效焦点的选用是根据不同的成像对象由成像需要的管电流决定的。当一个小的管电流（如100mA）就适合成像时，多采用较小的灯丝；当对某目标成像需要使用较大的管电流（如200mA或者更大）来减少曝光时间时，就会使用较长的灯丝。在对人体进行放大X射线摄影时，小灯丝（典型长度≤0.1mm）形成的小的有效焦点是十分常用的，参见图2.15（a）。

最后需要指出的是，X射线管的焦点事实上还一定程度上随管电压与管电流的变化而变化。通常在管电压不变的情况下，焦点随管电流的增加而增大，如当管电压为110kV时，管电流从200mA增加到600mA时，焦点线度可从3.25mm增加到3.45mm左右；而当管电压为60kV时，管电流从200mA增加到600mA时，焦点线度可从3.38mm增加到3.80mm左右。另外，在管电流不变的情况下，焦点会随管电压的增大而些微减小，这个规律也可以从管电流与焦点的关系举例中看出来。

3.足跟效应

高能电子在撞击阳极靶的过程中，除了与靶表面原子发生作用，还会深入到靶内一定深度。这样，除了靶的表面可以辐射出X射线，从靶的内容一定深度处也可以辐射出X射线来。研究表明，每深入靶内50μm，电子会损失10keV的能量。这样，从靶内辐射的射线能量会明显低于靶表明辐射的射线。另外，靶内辐射的X射线还需要在靶内穿越一定的距离才能离开靶体，而在靶内穿越一定距离会降低X射线的强度和能量。图2.16是电子深入靶体一定深度时辐射X射线的说明示意图。显然，贴近阳极侧的射线B比贴近阴极侧的射线A在阳极靶体内穿越的距离长，所以能量与强度衰减更多。这就是说，从靶体一定深度处辐射出的X射线，愈是贴近阳极侧，衰减愈甚，这个现象称为足跟效应（heeleffect）。

另外，阳极角θ会影响足跟效应的程度。θ越小，足跟效应越显著，这一定程度上制约了通过减小阳极角来减小有效焦点进而提高成像质量的努力，也使成像野的尺寸受到限制。临床上如使用36cm×43cm的胶片，胶片距离X射线管1m时，推荐阳极角不能小于12°。相同的片管距离下，如采用25cm×25cm的胶片，阳极角可以小到7°。

足跟效应在软X射线成像时，对图像质量的影响尤其引人注意。为了减弱足跟效应对图像的影响，常在管壳里接近X射线束出口的地方安装一个滤过装置来过滤这些低能的X射线光子。为了增强过滤效果，这个滤过装置的厚度从阳极侧到阴极侧是逐步增加的。同样的道理，将患者身体较厚的部分放在阴极侧、将较薄的部分放在阳极侧一定程度上也可以起到补偿足跟效应的作用。

2.4.2 X射线管的额定参数

1.最大管电压

对一般X射线管来说，最大管电压也是其额定工作电压。这个“电压额定值”是综合考虑电源及其整流方案（如单相或三相、半波或全波整流等）和X射线管的特性（如灯丝和阳极靶之间的距离、阴极体和阳极靶的形状、和玻璃外壳的形状等因素）等因素确定的。正常工作中的射线管偶然出现超过这个电压额定值的情况，只要在时间上低于百分之几都是X射线管所应该允许的。

2.灯丝电流

灯丝所能承受的最大电流代表了灯丝的质量。X射线管的工作方式也影响灯丝的额定电流，如某些射线管可以采用不连续的脉冲工作方式，这会降低灯丝上的热量、放宽灯丝的额定工作电流范围。

3.X射线管的热容量

X射线管的热容量定义为射线管在保持正常工作状态、不致损坏时所能承受热量的最大负荷。

在X射线管中被高压加速的电子流，速度已可达到光速的一半左右。这样的高能电子与靶目标撞击后损失其全部能量，能量转化为热与X射线光子。热能与光能占的比例取决于靶材料的原子序数、管电压等因素。X射线管在临床成像的典型应用下，转化为热的能量占电子总能量的99%以上。这样，在阳极靶上较小的（2mm2以内）实际焦点上，高速的能量累积会在短时间内将阳极靶加热到一个非常高的温度。因此，阳极靶必须镶嵌在一个具有较高热传导系数材料构成的阳极体上，以便靶材料上的热量能迅速传开。目前，大多数医用X射线管还使用旋转阳极技术帮助散热。旋转阳极增加了接受电子流撞击阳极靶的面积，从而将热量平均分布在靶材料更大的面积上，减小了阳极靶上的焦点部分温度快速上升的速度。

实际X射线管的旋转阳极通常是通过一个钼材料制作的轴承来连接到一个小电动机的转子上。旋转阳极的直径约为7～13cm，转速一般为10000r/min。在管电压没施加到X射线管之前，电动机先启动并带动阳极旋转大约1s。1s的延时确保在旋转阳极没有达到它的最大转速之前，高能电子不会撞击阳极靶。

在旋转阳极上的热量会辐射传递到X射线管所浸浴的变压器油中，再通过一些措施传导油中的热量，这些都能帮助X射线管提高热容量。

影响X射线管热容量的因素还包括以下几点：

① 实际焦点的大小：增大焦点可提高管子的热容量。

② 管电压的高低：增加管电压将加大电子流的能量，使管子的热容量降低。

③ 管电流的大小：增大管电流无疑会降低管子的热容量。

④X射线管的使用时间：使用时间长也会降低管子的热容量。

⑤ 阳极的构造材料、散热措施。

如果旋转阳极的转速过慢，或由于管电压、管电流的增大导致靶材料负荷过重，都会损坏阳极靶，造成靶面熔化甚至爆裂。

一个单相全波整流的X射线管的热容量可以由热单位数（Numberofheatunits，Hu）来大致估计。

式中，V是最大管电压，单位为kV；I是管电流的有效值，单位为mA；T是允许的最大曝光工作时间，单位为s。在V 和I都是直流的情况下，1热单位数（Hu）等于1焦耳的热量（能量），即

对于三相全波整流的X射线管，由于全波整流时管电流的有效值非常接近峰值。考虑到单相全波整流时有效值与峰值之间存在约1.4倍的关系，所以对三相全波整流的X射线管，可对式（2.10）进行修正后用下式来估计其热容量：

这里的1.35是一个估计值。医学成像中X射线管的热容量通常可达几十万Hu，有时可以超过一百万Hu。

有时为了简单估计X射线管的热容量，不考虑曝光时间，直接用下式度量：

同样，V为最大管电压，单位取kV，I为管电流的有效值，单位取mA，则P的单位为瓦（W）。实用中，常将焦点大小与热容量的值联系起来，表2.4为典型焦点大小对应的射线管的最大负荷功率参考值。

上述讨论涉及X射线管正常工作时的参数选择。实际应用中，要综合考虑电源的类型（如单相、三相、直流）、整流方式、曝光时间、曝光次数、曝光间隔、管电流、管电压、降温措施等，折中考量各因素之间的关系，合理选择成像参数。目前已研究出不同情况下的各因素作用于射线管的安全工作图表，只要各参数在图表中形成的点处于允许工作区，就可以保证在这些参数条件下X射线管的工作是安全的，不至于损坏。

值得说明的是，除了电子外，X射线也可由其他一些带电粒子产生，如质子或α粒子。当质量为m、电荷为ze（z为电荷态）的带电粒子入射到原子序数为Z的靶核上，导致的轫致辐射总强度I由式（2.13）的比例关系给出

式（2.13）表明，利用高速电子产生轫致辐射的效率要比重粒子（如质子或α粒子）高3×106倍以上。这是实际应用中选择电子作为带电粒子撞击靶材料产生X射线的主要原因。另外，上式还表明，随着靶原子序数Z的增加，轫致辐射产生的强度也会呈指数增长。