应用说明 – X射线发生器

常见 X 射线管失效模式

AN-02

介绍

X 射线管是一种产生医学、检测和科学领域实用 X 射线的低本高效的成熟方法。100 多年来,由于各种层出不穷的应用、材料、加工设备和设计,X 射线管取得了巨大发展。目前占主导地位的两种射线管是:主要用于医学用途(从 25kV 到 150kV)的旋转阳极管,以及用于检测行业(从 25kV 到 400kV 以上,某些应用范围可达百万伏)的固定阳极管。固定阳极管通常以 1-20mA 的电流在接近连续的工作状态下工作,一次可以工作数小时。旋转阳极管以超过 1000mA 的电流工作,但主要在脉冲模式(约 1ms 至 10s)下使用。

在产生 X 射线时,只有不到 1% 的能量产生有用的 X 射线,而其余的 99% 被转化为热量。这个因素限制了 X 射线管的使用寿命。其中涉及到许多科学学科,必须加以控制才能生产出高质量的产品。这些学科包括:热力学、传热学、材料科学、真空技术、高压、电子学、原子/放射学科、制造工艺以及许多较少但重要的技术。X 射线管和发生器的集成和控制对于确保预期的技术结果和管的长寿命至关重要。

1.正常老化

a) 正常的灯丝烧坏
b) 加速的灯丝烧坏
c) 缓慢泄露
d) 不活动
e) 玻璃裂纹
f) 电弧放电
g) 目标微裂纹
h) 意外损坏
i) 轴承

2.制造中的缺陷

a) 直接故障
i) 测试淘汰
ii) 闲置期
iii) 材料不合适
iv) 工艺故障
b) 潜伏性故障
i) 工艺优化
ii) 边缘/欠缺了解的工艺
iii) 失效分析/不明原因

3.应用不匹配

a) 低 kV/高 mA 发射
b) 温度/寿命

4.电源驱动不当

a) 电源阻抗
b) 直流/交流灯丝
c) 高频率
d) 转速/制动
e) 灯丝升压
f) 逻辑电路
g) 灯丝限值/灯丝预热设置

5.管壳注意事项

a) 电介质(油)泄漏
b) 过热
c) 环境温度
d) 外壳属性
e) 电缆/接地连接
f) 电介质膨胀要求
g) 额定值规定

1.正常老化。

X 射线管会老化,寿命有限,因为其特性和所使用的材料会开始逐渐退化并被消耗,使得性能逐渐降低直到它们的表现不再如人意。

a.正常的灯丝烧坏:X 射线管中的电子束由钨丝提供,电子管从一开始就一直使用该材料,白炽灯泡中也使用钨丝。尽管使用其他发射材料做过实验:储备式阴极、镧和六硼化铈、掺杂了钍和铼的钨,但纯钨仍然是最好的灯丝材料。灯丝由缠绕成螺旋线的导线制成,插入充当聚焦元件的杯中以形成必要的矩形电子束。螺旋线用于强化灯丝并提供更大的表面积以使电子发射最大化。

钨丝很容易获得并加工成可用的形式。当振动和冲击等应力受控时,导线相对牢固、结实并保持其形状。X 射线管制造商使用名为重结晶的工艺来稳定和强化灯丝。这会将原纤维丝微观结构改变成晶体结构的长径比范围为 3-6 的结构。重结晶是通过在几秒钟内将纤维丝非常迅速地加热到大约 2600 摄氏度,并在极短时间内保持该种状态来实现的。
灯丝的一个常用参数是灯丝寿命。当热钨从其表面缓慢蒸发时,温度越高,蒸发速率越快。理想情况下,钨均匀蒸发,但实际上它开始在晶粒边界处形成热点,它们看起来像是一些“缺口”。热点更容易蒸发钨,灯丝在这些位置变薄,最终烧开。灯丝的温度越高,钨颗粒随着时间的推移变得越来越多,缺口产生的速度就越快。此外,如果冷灯丝允许高涌浪电流,那么过度加热变薄的点将会加速烧坏。

关于灯丝寿命,灯丝质量减少约 10% 可被视为寿命终结。这表示导线直径减少了 5.13%,灯丝消耗了其寿命的 98% 左右。(恒定电流加热条件下的钨丝寿命,A.Wilson,应用物理杂志,1969 年 3 月 15 日,第 40 卷,第 4 部分,第 1956 页)(该参考文献还提供了在直流条件下运行的缺口灯丝和在交流电条件下运行的无缺口灯丝的清晰照片)。直径减小 5% 或 6% 被许多制造商视为寿命终止。

b. 加速的灯丝烧坏:X 射线管的特性受多种因素影响,包括:管电流、管电压、阳极到阴极的间距、目标角度和焦点尺寸(电子束尺寸)。焦点大小受以下因素影响:导线的表面积、螺旋节距(每英寸的圈数)、螺旋直径/长度、灯丝在其聚焦杯中的光强度以及聚焦杯本身的形状。只有阳极到阴极的高压和灯丝电流(温度)可决定射线管的发射。发射由理查森-杜什曼方程式求得,它高度依赖于灯丝温度;温度越高,发射越多。
当在固定电压下需要从管中获得更多的管电流,或者当需要更多管电流但管在较低的电压下运行时,管中的灯丝会变得更热。例如,比较两种情况下的固定阳极管。首先:一根管分别在 160kV,1mA 和 5mA 下运行,对比其结果。在该管中,灯丝的计算结果为 1mA 下约 2086 开氏度,在 5mA 下则为 2260 开氏度。与 1mA 相比,在 5mA 下运行时,温度增加了 174 度,蒸发速率快了 21 倍。(“钨的蒸发速率和蒸气压力......”,Jones 和 Mackay,Physical Review,第 XX 卷,第 2 部分,1927 年 8 月。)其次,同一根管在 40kV,5mA 下运行与在 160kV,1mA 下运行进行对比,温度分别为 2300K 和 2086K,这使寿命缩短了大约 43 倍。有趣的是,当管电压降低时,较低的管电流会使寿命缩短的幅度相对较小;例如160kV 对比 40kV,两者均在 1mA 下运行时,仅使寿命缩短了 1.3 倍,而在 5mA 下运行时则缩短了 2.1 倍。

综上所述:

160 kV@5 mA 与 160 kV@1 mA 相比,灯丝寿命缩短 21 倍
40 kV@5 mA 与 160 kV@1 mA 相比,灯丝寿命缩短 43 倍
40 kV@1 mA 与 160 kV@1 mA 相比,灯丝寿命缩短 1.3 倍
40 kV@5 mA 与 160 kV@5 mA 相比,灯丝寿命缩短 2.1 倍

这表明管电流增加(由灯丝温度升高产生)比管电压变化重要得多。不同的管类型以及同类型的不同管将与这些示例有所不同。

烧坏引起的灯丝故障是由高温工作造成的;温度越高,灯丝越快烧断。钨从灯丝表面蒸发,但蒸发不均匀,因此形成蒸发更快的热点。热点出现在优先在不同晶体表面上蒸发的钨晶面上。灯丝的温度越高,在这种状态下运行的时间越长,晶体长得越大。让晶体沿着灯丝的轴线变长、变窄并保持尽可能低的温度,可以实现长寿命。

c.缓慢泄漏:X 射线管需要高真空才能工作。玻璃-金属密封件和适合用于开始部分的金属钎焊接头开始疲劳,有时开始允许微量气体进入,气体压力渐增。由于材料蒸发和高气压引起的高压电弧放电,管性能开始受损。

d. 不活动:缺少操作会让真空管内的气体积聚并沿着表面移动。当灯丝通电并施加高压时,特别是在较高的工作电压下可能发生电弧放电。大多数制造商根据不活动的时长推荐预热程序。这必定是一个“一刀切”的程序,但一种程序可能并不适合所有情况。对于某些情况,额外的扩展操作,包括更高的功率或电压操作(称为调校)是必要的,有助于射线管工作。这可能无法令人满意地工作或根本不能工作,必须更换射线管。

e.玻璃裂纹:大多数射线管采用玻璃制成,它充当真空壁容器,也起到隔离管电极(阴极、阳极和地)与泄漏电流和电弧放电的作用。随着时间的推移,根据利用率的不同,来自阳极和灯丝的金属(钨)开始蒸发到玻璃表面,最终导致电弧放电和射线管失效。
电弧放电会干扰蒸发的材料,并可能导致玻璃绝缘体被腐蚀。这种情况通常被称为“龟裂”或“蚀刻”。

有许多方法可减轻蒸发的影响,包括:喷砂玻璃(增加绝缘路径),使用固定阳极管上的带罩阳极(护罩可减少目标蒸发到玻璃上)、金属中心真空壁(减少灯丝蒸发到旋转阳极管和某些固定阳极管中的玻璃上)以及使用陶瓷。这些技术不会消除金属蒸发,但是会大大减少其沉积到玻璃和陶瓷绝缘表面上,从而延缓电弧放电倾向。这些技术可能会产生其他不良影响,例如喷砂玻璃可导致玻璃颗粒释放,从而引起电弧放电。

f.电弧放电:在所有高压系统中,电弧放电是常见的问题。上面已经提到了一些原因:真空中的高气体水平、导电金属蒸发到绝缘体表面,以及绝缘体的龟裂或蚀刻,它们转而产生较高的气体压力或降低绝缘体承受高压的能力。其他原因,例如由操作释放的或可能在管内产生的小绝缘体或金属颗粒在绝缘体上产生气体和导电膜。这些颗粒可能
导致小而集中的电子束,进而触发电弧。

g.目标微裂纹:当向射线管供电时,电子束撞击目标,该电子束下的温度迅速升高。对于固定阳极管,功率和温度相对较低,可在不到一分钟内达到平衡温度。钨靶表面可以轻易地达到钨的熔化温度(3400 摄氏度),但是实际上温度被限制在大约 400 摄氏度(750 华氏度),因此钨圆片不会从其铜基底脱离。目标表面的温度升高会产生导致目标表面出现微小裂纹的应力。随着时间的推移,在开/关循环之下,这些裂纹会变大,光束中的一些电子会落入这些裂纹中,从而导致产生的 X 辐射被改变。钨吸收裂纹的一部分辐射,辐射强度降低,X 射线的能量变得更强(具有更高的能量射线)。以更低的功率和更小的目标角度运行射线管也会减少这种趋势。

对于旋转阳极管,其功率能力可以达到固定阳极的 1000 倍以上,目标微裂纹更加严重,因此其影响更大。旋转阳极管中目标焦点的温度可以达到 2800 摄氏度(超过 5000 华氏度)。减少的辐射与曝光次数通常被称为“辐射衰减”。应通过使用最低的必要功率、尽可能最大的焦点和更长的曝光时间来降低微裂纹,而不是通过在较高的功率下进行较短时间的曝光来降低微裂纹。此类标准也适用于固定阳极管。微裂纹减少了热传递,这提高了焦点的温度,从而使钨靶更多地蒸发到玻璃上。

h.意外损坏:尽管不是重要的故障原因,但是在安装和操作期间不遵守推荐的协议可能会造成意外损害。曲解、不熟悉和想当然都可能会造成意外损害。有句木匠格言在这里非常适用:只测量一次,要两次才能锯好;测量两次,一次就能锯好。对于 X 射线管,要反复检查。

i.轴承旋转阳极管轴承故障可能会造成问题。所有机械系统都会磨损和停止工作,所以诀窍是要达到长寿。高温高速将极大缩短轴承寿命。在操作中,滚珠和滚道表面的润滑剂(通常是银或铅金属)逐渐被磨掉,留下钢与钢接触,这可导致粘住或卡住。保守使用轴承通常比其他故障机制更胜一筹。在固定管上选择旋转阳极时,应仔细审查辐射要求和操作。

2.制造中的缺陷。

a.直接故障:无论制造商多么努力,所有射线管无法做得完全一样。或多或少会存在一些细微差异,但制造商需要确保这种差异不影响射线管工作。

i.测试淘汰:射线管生产和加工之后, 要经过一系列的测试才能最后完工,但更重要的是要确保其符合为该型号制定的性能标准。射线管应接受质量测试。首先应测试高压稳定性。当在最大功率下工作时,每根射线管经受高压,通常超过其最大工作电压的 15% 或更多。这种处理可以去除气体和颗粒以及使未使用过的表面适应高压操作。之后会对射线管进行性能测试
以检查其高压稳定性,确保在最大额定电压下工作时,在规定的时间段内不会出现电弧或仅出现有限的电弧。
阴极发射、灯丝伏安特性、焦点尺寸、热负荷和其他相关特性均需进行测试和测量。对于旋转阳极管,还要进行噪音、振动、滑行时间及其他测试,以评估转子和轴承的性能。不符合规格的射线将被拒收/报废,但需进行分析以找到不合格的原因,以便对生产过程进行纠正。

ii.闲置期:如果射线管闲置了 2-4 周,有时尽管测试结果令人满意,但在高压条件下的表现不尽人意。性能变化通常由轻微的真空泄漏引起,这些泄漏无法通过常规手段检测到,但是会产生无法实现良好(高压)性能的气体。正常的热循环会导致泄漏或空隙打开,有害气体趁虚而入。这种性能退化很少发生,在某些情况下,更长时间的闲置或正常的库存周转时间会带来其他故障。

iii.材料不合适:诸如无氧铜、可控膨胀钴合金、铼钨合金、高热强度合金、真空级石墨、高温钎焊以及陶瓷和工业玻璃等现代材料大大提高了射线管性能。由于这种改进,高级别的质量保证对于确保这些材料以及其他材料的质量很有必要。通常使用测试和合格证书来保证供应商的质量。尽管做出了这些努力,不符合标准的材料依然可能蔓延到制造过程。无氧铜棒就是一个好例子(如果挤压它可能包含导致真空泄漏的桁条)。因此必须使用更昂贵的锻造板材和棒材。通常这些缺陷都是内部的,不会被客户看到。

iv.工艺故障:诸如真空重熔金属、涡轮分子真空泵、高温真空处理、高温氢气燃烧、真空钎焊和电抛光等新工艺也可改进 X 射线管的性能。自动化有助于确保更一致的产品。但是,如果所使用的这些工艺/设备出现故障或失控,则调谐的工艺容易失效,并可能产生临界质量或不合格的射线管。

b. 潜伏性故障:潜在或不可预知的故障的发生时间通常无法预见,有时或许不归因于已知的原因。

i.工艺优化:许多射线管及其零件所使用的工艺已经过多年的发展和实践运用。除非有非常明确的反证,否则制造商不愿轻易更改工艺,因为担心未知的后果。例如,带有钎焊到其旋转阳极管背面的石墨盘的阳极在装配之前必须除气。温度太高可能损坏钎焊,导致出现接合点;
但如果温度太低,则可能无法充分除气。在固定阳极中,阳极上的高温有助于除气,但是在(隐匿的)损坏出现之前,温度可以达到多高,可以维持多久?许多工艺都属于这一类,例如:除气、抽真空和调校。过于保守会导致性能不尽人意,过于冒进会造成损害。要找到一个合适的折衷方案比较难,一旦流程开始工作,通常最好不要管它。

ii.边缘或欠缺了解的工艺:有些故障是由未知的影响或副作用未知的各种工艺引起的。为什么电介质油有时会变黑并有异物,但是射线管工作正常?其他系统出现电弧放电,但射线管和冷却油以及环境看似良好且测试合格。旋转阳极滚珠轴承的润滑是一个未充分理解工艺的好例子。润滑剂(通常是铅或银)通过化学或物理蒸发法进行电镀,实际上是有斑点的,并不是那么均匀。一些射线管的磨合需要更均匀地分布润滑剂。平均厚度也很重要;太薄,轴承寿命打折扣;太厚,射线管运行不平稳,经常卡住。指导工艺依靠的是历史结果和反复试验,但对物理原因理解还不是很充分。

iii.失效分析/不明原因:失效分析可以揭示失效的原因,是制造商用来发现潜在和即时失效的重要过程。有时问题很明显,有时则需要大量的分析和测试才能发现根本原因。任何参与失效分析的人都知道,尽管付出了巨大努力,但很多时候无从找到根本原因。要么失效破坏了确切的证据,要么分析过程中的分解消除了证据。有时找不到足够的证据来得出明确的结论。通常可以采取的最好办法就是进行推断以找到原因。

寿命相对长的射线管的常见故障是电弧放电。电弧放电最常见的原因是:残余气体压力高、绝缘体退化和杂散的电子发射(通常称为“场发射”)。前两个主题早先接触过。对于场发射,微观粒子(金属导体和非金属绝缘体)都可能产生通常在纳安范围内的小电流,这些电流纯粹由于极高的电场而发射。这些以波束形式发出的微小电流可以在一定条件下给绝缘体充电,然后放电,从而产生电弧。充电也可能导致绝缘体以穿孔的形式失效,在绝缘体中产生一些微小的孔,导致真空损失。此外,粒子可以分离、加速,从而在电场中拾取高能量,并且在引起电弧的冲击时爆发。这种冲击往往会以冲击碎片的形式造成二次损害,从而导致更多的场发射。

制造商总是努力强调清洁度以减少颗粒物,通常在无尘室内组装射线管,并利用各种工艺如超声波清洗或电解抛光去除颗粒。尽管如此努力,微小的颗粒仍然会进入射线管内。为了减少颗粒,每个新的射线管被“调校”或被施加最大工作电压的 25% 左右的高压,以便烧掉或去除射线管的不活动部分的微粒。在低温条件下调校射线管几乎没有什么好处,所以射线管必须通过一个特定热协议来操作。此类调校的时间表包含应考虑的实验和评估,但并不总是完美的。要获得一个绝不会产生电弧的射线管极其困难。

3.应用不匹配。

 当使用标准诊断管生成乳腺 X 线影像时,早期乳腺 X 线摄影术是初始射线管不匹配的一个很好的例子。由此产生的诊断相当差,经常导致辐射烧伤。多年来,我们知道钼辐射在约为 30kV 的电压下(将非常小的焦点设计成特别适合解剖学的射线管)对于早期诊断乳腺癌非常有效。因而设计了新的射线管来满足这些要求,如今它们是必不可少的早期检测的金标准。

a.低 kV/高 mA 发射:当针对高压用途设计的射线管在较低的电压(通常是最大值的一半或更少)下使用时,可能发生常见的不匹配,为了克服有限的发射,灯丝必须以较高的电流运行。在一个运行于 125kV / 300mA 下的特定旋转阳极管中,当电压下降到 50kV / 300mA 时,灯丝必须以多 16% 的功率工作,以克服较低的管电压。由于灯丝通过辐射冷却(其温度与 4 次幂 (T⁴) 成比例),增加 16% 意味着灯丝温度仅提高 3.8%。虽然这看起来很小,但钨在约三倍于较高功率下的速率蒸发,导致灯丝寿命缩短三倍。如果射线管在 50kV 时以更高的管电流(在这种情况下 > 300mA)操作,则必须增大灯丝电流,即使会导致灯丝寿命缩短。通常这样的不匹配必须被接受,因为制造商必须提供特别的设计,特别是如果销售额将受到限制的话。

b. 温度/寿命:X 射线管的基本规则是温度就是它的敌人。施加的功率越大,射线管寿命越短。但是,如果没有足够的功率,可能就没有足够的 X 辐射强度来完成工作。产生不想要的金属沉积物的灯丝蒸发最终会导致绝缘体发生电弧放电。在较高温度下操作目标不仅会最终导致目标蒸发,而且能量分布和强度方面的辐射质量也会由于微裂纹而开始发生变化并降低。
在射线管工作期间存在热机械应力。玻璃与金属密封件在加热时受到应力,越热,导致应力增加的温度越高。最终微小的颗粒会脱落,或者玻璃会形成细小的裂纹,这些裂纹会因辐射通过而增大。由于热循环,机械疲劳始终存在,循环越快,疲劳就越快。功率越高,温度越高,从而加速疲劳。以最低的可用功率操作 X 射线管可延长使用寿命。

4.电源驱动不当。

在 X 射线源中,电源提供操作射线管(包括灯丝在内)的所有必要的功率,并且经常为旋转阳极管提供转子电源。此外,电源包含系统使用的逻辑和互锁。因此,电源是 X 射线源的一个组成部分,两者行动一致。

a.电源阻抗:电源最重要的特征之一是其阻抗。对于工作功率为几百瓦的固定阳极管,阻抗可能很高,这意味着它包含大量电阻,因此在电弧损坏射线管的情况下,敏感电子元件被最小化。当维持电弧的电压降低时,电弧通常会熄灭。当电弧中的电流通过高电压电阻时,电阻两端的电压增加,由此降低射线管和高压电路的其他部分的电压。如果管内的气体压力太高以至于不能维持电弧,阻抗也会保护电源和相关的电子元件。当气体含量过高时,无从改善射线管性能。

遗憾的是,高阻抗也意味着,如果由于颗粒或场发射或光蒸发而开始电弧放电,通常没有足够的能量储存来清除或蒸发,电弧放电可能会继续。

旋转阳极管在更高的功率条件下工作,有时超过 100kW 或者达到固定阳极管的近 1000 倍。这里的电源不能有高阻抗,否则不能支持所需的功率。在这些情况下,一般需要将存储的能量限制在通常小于 10 焦耳的水平。高压电缆和电压倍增器电容将储存这些能量,然后损坏可能产生电弧的管。十焦耳不是一个固定值,只是一个指导,因为某些射线管在储存更多能量的情况下能够很好地工作,而其他一些管即便在能量较少的情况下也无法工作。由于能量与电压的平方成正比,所以在较高的电压下电容变得更麻烦。

b. 直流/交流灯丝:灯丝通常在交流电压/电流条件下工作。有三个基本的原因。首先,控制和提供交流电 (AC) 从历史来看更加容易,其次,当使用直流电 (DC) 时,容易有晶粒形成,随着时间的推移,导致灯丝易碎、脆弱并且更快烧断。最后但不太重要的是,在直流条件下,在灯丝一端存在一个小的固定电位,其等于灯丝工作电位,这可能会使焦点相对于聚焦杯稍稍偏置而导致焦点变形。焦点越小,辐射条件越高,效果越明显。在交流电中,这种偏置在灯丝的两端交替变化,因此被消除。
对于直流加热的灯丝,特别是对于细灯丝,会出现缺口现象。在这种情况下,一些钨离子由蒸发的钨原子形成,并被吸引到灯丝的负端,然后沉积下来形成一系列“缺口”。这些缺口比灯丝的其他部分更薄,形成伴随着更大蒸发的热点,最终烧断。报告显示,采用直流电而不是交流电工作时,灯丝寿命缩短 2 至 10 倍。使用直流灯丝的现代电源从高频转换器中获得。在这些条件下,灯丝信号上将出现大约 10s 的 kHz 低幅高频纹波,它可使陷波效应最小化。

c.高频率:管中的玻璃 - 金属密封件由可伐合金或由铁、镍和钴组成的类似合金制成,所有这些均具有高磁性。密封件包括承载灯丝电流的馈通。在高频率下,磁性材料受到磁滞、涡流和趋肤效应的影响,从电流中流失能量。这种现象要求电源比非磁性材料提供更多的功率以克服损失。频率越高,损失越多。功率的损失会加热馈通,而密封件中的机械应力效应尚不清楚。目前采用高达 40kHz 的频率。对于阴极和阳极,采用高频、高压电源,但是这些电源被整流为直流。

d. 转速/制动:对于旋转管,轴承寿命以及灯丝蒸发是管寿命的主要考虑因素。当需要曝光时,会施加定子功率以使管阳极达到某个转速(每分钟转数)。此类最小速度由制造商规定,同步速度在历史上一共有基于市电频率的四个值;对于 60Hz 频率,最大速度为 3600rpm,三倍速度下为 10800rpm,对于 50Hz 频率,最大速度为 3000rpm,三倍速度下为 9000rpm。这些速度通常分别称为正常奇异频率或三倍频率的“低”或“高”速。在实践中,转子永远不能完全达到这个速度,因为轴承中的摩擦以及定子和转子之间的不完全磁耦合降低了速度。事实上,与效率通常超过 90% 的商用电机相比,定子/转子系统的效率仅为 10% 左右。由于这些原因,制造商一般指定 3000、9500、2800 和 8500 的典型最小速度或类似于允许从同步速度下降的值。
当启动曝光时,定子功率被施加指定的时间量以达到最小速度,并且取决于:阳极的转动惯量(大致与热容成比例),施加到定子的电压和所施加的电压的频率(高速或低速)。通常这个转子“升压”时间是 1.5 到 6 秒或更长时间。在施加升压之后,定子进入“运行”模式,连续施加降低的电压(通常为 80 至 100 V)以保持最小速度。通常由安装人员来调整升压时间以达到最低速度,这可能成为实际的问题。簧片转速计和同步频闪灯可以测量转速。必须考虑阳极的热状态;由于摩擦增加和磁耦合减少,热阳极将比冷阳极速度慢。一旦进行曝光,则会通过仅对定子的一个绕组施加电压来降低或制动转子速度。
制动是为了快速减少轴承旋转,但同样重要的是快速通过转子谐振。所有转子都有一个自然谐振频率,在这一点上转子/阳极可能会明显振动。为了快速通过这个谐振速度,并尽量减少任何破坏性影响,需要施加制动电压。典型的谐振频率约为 4000〜5000rpm (65〜80Hz),它对于高速运转后的制动尤其重要。考虑到通常较短的灯丝升压和较长的转子速度时间,可以看出,X 射线系统事件的顺序是:请求曝光、施加定子升压、施加灯丝升压、施加曝光高压脉冲、减少灯丝空转、中断阳极速度。现代电源可以适应所有这些时间顺序。

e.灯丝升压: 当 X 射线管不产生 X 射线时(即没有高压施加到阴极和阳极),其灯丝处于所谓的空转(或预热)模式。它有电流流过,但低于将会消耗管电流处的发射点。无论何时需要曝光,灯丝电流被“升压”到预定的电流,当高压施加到射线管时允许特定的管电流流动。当不再需要 X 射线时,高压关闭,灯丝返回到无功电流。
典型的灯丝升压时间范围为 0.5 秒到 1 秒。这种技术对于管电流高的旋转阳极管尤其重要,仅在需要 X 射线时才进行操作以节省灯丝寿命。选择了灯丝无功电流,灯丝的蒸发就只有高发射所需的灯丝电流的极小一部分,从而能最大限度减少空闲时的蒸发。如果管电流足够低,则一些固定阳极管根本不会被升压,灯丝可能会处于无功率状态。连续的脉冲系统可能会出现蒸发问题,因为如果脉冲重复率很高,脉冲之间没有足够的时间在另一个脉冲到来之前对灯丝升压。在这些情况下,通常灯丝随后将运行于升压模式,直到所有脉冲完成。现代电源可以适应所有这些时间顺序。

f.逻辑电路:从前面的描述可以看出,逻辑排序及其性能至关重要。添加其他系统(如互锁、成像序列、放射线摄影对象的要求以及其他系统要求)可以看出逻辑
系统的功能和可靠性对于正常工作不可或缺。有时射线管电弧放电会导致由电流浪涌或高压中断引起的瞬变,从而引起电路的逻辑故障。现代电源具有单独的逻辑电路,可在正常运行和电弧放电时保护敏感电子元件免受瞬变的影响。

g.灯丝限值/灯丝预热设置:最关键的设置之一是灯丝限值调整。灯丝限值设定点限制灯丝电源的最大输出电流,以保护 X 射线管的灯丝。该设置将使 X 射线发生器在任何情况下都不可能超过该值。它应该设置为不超过 X 射线管制造商的规格。

当将灯丝限值设置为低于最大 X 射线管规格时,灯丝限值应比在待使用的最低电压 (kV) 设置处达到最大编程发射电流 (mA) 所需的灯丝电流高 10-15%。记住,灯丝最大值不同于发射所需的值。比所需发射电流值高 10-15% 的设置,可以提供余量以及更好的瞬变响应特性。
务必使灯丝限值水平保持在制造商建议的最大灯丝电流规格处或低于该规格。灯丝待机电流(在某些产品线上称为“灯丝预热”)是在 X 射线待机(HV 关闭/ X 射线禁用)条件下供应给 X 射线管灯丝的无功电流。
灯丝预热设定点通常在 1A - 2A 左右,但应咨询 X 射线管制造商。有一个可考虑的很好的指导方针是最大灯丝预热水平应限制在灯丝限值规格的 50%。如果不需要快速发射电流斜升,最好将待机电流设为零。

 5. 管壳(外壳)注意事项。

X 射线管必须封装在合适的容器中,以便:防止 X 射线在各个方向发散,提供合适的高压绝缘并允许管/系统冷却。对于独立的 X 射线管而言,容器被称为外壳、管组件或辐射源,对于电源与管组合的系统,通常被称为 Monoblock®(Spellman 注册商标)。

a.电介质(油)泄漏:电介质(通常为氧化抑制变压器油)必须提供高压绝缘,以防止所有高压表面发生电弧放电。如果发生漏油,通常意味着空气也会泄漏到外壳中,如果空气进入高压电场区域,会导致电弧放电。如果电弧放电继续发生,油分解产生的碳就会开始覆盖表面,不能恢复。油封通常由“O”形环构成,丁腈橡胶适用于抑制油。有些材料如氯丁橡胶不适合,因为它们会在这种油中膨胀。O 形环制造商对于压缩百分比的正常建议是大约 5-10% 和不适用。实际上使用约 25% 的压缩,因为典型的高壳体温度下的 O 形圈具有一定的松弛弹性并且可能开始渗漏。

所使用的油含有吸收的气体,必须通过真空处理去除,以防止它们在外壳中释放。这种处理增加了以每单位伏特为单位测量的介电强度。典型值超过每英寸 30 kV。一个重要的考虑因素是外壳内使用的材料,通常是塑料绝缘体。这些材料可以浸出可溶于油中的增塑剂或其他化学物质,并降低介电强度。温度可增加浸出。必须小心地测试外壳中使用的材料,即使对于这些零件的新制造批次也应如此。

b. 过热:过热会引起电弧放电,不仅在管内,在外壳中也会产生。许多系统带有换热器,其利用风扇,有时利用泵来使油循环。这些换热器必须保持清洁。灰尘是主要的罪魁祸首,并会抑制自然空气对流和强制(风扇)空气对流。结果是外壳过热,应制定一个维修计划。

c.环境温度:环境温度需要遵守制造商的规定。典型的环境温度是 25 或 30 摄氏度,在高负载条件下,外壳温度可以升高到 75 或 80 摄氏度,这是一个典型的限制。因此,温度升高可能为 50 度左右,如果环境温度高于规定温度,则该温升将增加到环境温度中,从而导致超温。通常用于测试和阻止辐射泄漏的外壳可能会导致环境温度升高超过推荐值。另外,用塑料罩或布罩来“保护”设备并不罕见,但这些只会阻碍空气对流,容易导致过热。

d. 外壳属性:不论管壳是否带有换热器,它的顶部(而不是底部)都可能会变热。这是因为电介质冷却油形成强烈的对流,就像香烟的烟雾一样上升,并将热量带到外壳的顶部。必须谨慎操作,以确保操作时的最佳外壳属性。通常热电偶可以引导和显示高温区域,但是良好的热接触对于精确的测量必不可少。

e.电缆/接地连接:显而易见,良好的电气连接很有必要。尤其是接地,其他连接(如定子、过温开关和高压电缆)也都同样重要。在不磨损触点和电线的情况下拧紧螺钉连接非常有必要。高压电缆连接尤为重要,因为如果包含空气,它将在高场区发生电离,并有电弧穿过绝缘。通常使用高压油脂来密封空气并使表面之间密切接触。一旦产生电弧,将不可修复。应严格遵守制造商对电缆绝缘体安装的建议。

f.电介质膨胀:加热时,油会像所有材料一样膨胀。X 射线系统必须有足够的容积来容纳这种膨胀。在装运系统时,冷端必须允许一定的收缩量。这种膨胀和收缩通常通过弹性膜片来实现,以允许整体容积的变化。良好的设计可提供一定的安全系数;安全系数越大越好。至少应达到 25% 的安全系数。膨胀偏移中的中点的设置同样重要;必须设置膜片以允许遇到的膨胀和收缩。这些系数属于设计和制造要求。

g.额定值规定:射线管操作最重要的考虑因素之一是在公布的额定值内操作。熟悉和计划是关键问题。必须检查高压和灯丝功率,以避免长期过热,阳极短时间过功率会导致焦点熔化。小心和谨慎是操作员的行为准则。换热器的运行不受阻碍也同样重要。这对于旋转阳极管同样适用,但是还必须保证正确的旋转。为确保正确的焦点通电、使用正确的速度图、观察高电压并选择适当的脉冲时间,单独的曝光等级非常重要。图表必须与灯丝发射和伏安特性一致,以防过载。图表很容易被混淆和误读。务必加强检查。

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