《Imaging System 医学影像》@EnzoReventon
X射线管（球管）是CT中的重要部件，它是设备的信号源。
球管产生X射线的基本原理：
球管内高速运动的电子轰击在靶面上，电子运动突然受阻，此时就会辐射出X射线。（轫致辐射）
为什么产生辐射，因为经典电动力学认为带电粒子变速运动一定伴随电磁辐射。高能高速电子变速时能量不平衡了会以带能光子的形式来保证能量守恒。【 由加速运动的带电粒子释放电磁波引起的思考】
球管从构造上来看属于真空二极管，由阴极，阳极和外壳这三个基本部分组成。如下图所示，为球管的基本构成。
球管的基本构成
不同外壳的球管，a为玻璃外壳球管，b为金属外壳球管
球管外壳（frame或envelope）作用：
①保证电子在真空球馆内能够自由加速，运动不受阻挡；②隔热与绝缘。
因此球管对于外壳的要求是需要耐高温。
**玻璃外壳：**主要成分就是硅酸盐，具有良好的隔热和绝缘性能，其厚度一般在0.18~0.30mm之间。用硬质玻璃外壳制成的球管随着使用时间的增长，由于灯丝蒸发和阳极靶面龟裂处钨的蒸发，会导致玻璃壳内壁附着一层金属钨的沉积物，沉积层与阳极相连形成了第二阳极，导致一部分高速运动的电子轰击玻璃壳导致其侵蚀，最终玻璃壳被击穿损坏。
玻璃外壳的球管主要用于早期的单层面CT中。
金属陶瓷外壳： 主要由金属和陶瓷组合而成，还有一部分是钢制管壳，位于球管的中间部分，靠近阳极一端与玻璃壳相接，而靠近阴极异端与陶瓷相接。
玻璃与陶瓷部分起绝缘作用，球管的金属部分接地，以接受杂散电子。
X射线则从铍制成的窗口射出（因为铍对原发射线的吸收极少），与玻璃外壳相比，加了球管外壳的强度，用陶瓷做电机支座，可以提高绝缘性能。
由于金属陶瓷球管没有玻璃壳，减少了玻璃外壳因钨丝蒸发导致球管损坏的危险，所以可以将灯丝加热到较高的温度。
此外，金属外壳缩小了阴阳极的空间，这样就可以在不增加球管外壳的前提下，加大阳极靶盘的面积。从而提高球管的允许负荷，并在低电压情况下可使用较高的毫安电流值。同时金属外壳也便于收集偏焦点辐射反射过来的电子。
在散射、可靠性、耐用性方面，金属管套优于玻璃管套，目前的CT基本采用的都是金属外壳球管。
阴极（cathode）作用：阴极是真空电子管负极，由一个直流供电系统供电，其作用是发射电子，并使电子聚焦去轰击阳极。
组成：灯丝和聚焦杯。
灯丝： 通常采用钨作为灯丝材料，因为钨在高温下有一定的发射能力，且具有较高的熔点（3370℃），即使在高温下也不易蒸发成气；灯丝较细，因为钨延展性和张性较好便于加工，能拉成细丝后制成一定的形状，在强电场吸引下不易变形，灯丝制成螺旋状。
钨丝中含有微量的元素钍，可以增加电子的发射率和演唱灯丝寿命。
聚焦杯： 阴极内部还有一个韦内电极，其作用十八达到阳极的电子聚焦成一个窄束。将这种聚焦电流和聚焦的电极做成碗状，称为聚焦杯。
a 没有聚焦杯 b 有聚焦杯
在电子从阴极到阳极运动的过程中，电子与电子之间的斥力加大了束斑的尺寸，因此常用负电压作为聚焦电压，这有助于限制电子束流的形状并稳定束流运动的包络线。大多数球管聚焦的电位和灯丝的电位是相同的。
目前还有一种偏置聚焦杯，所用的聚焦电压比灯丝更低，这样可以进一步减少光斑尺寸，但是对于束流强度有抑制作用。聚焦杯除了规整电子束外，还可以防止二次电子造成的危害。
二次电子就是指从阳极靶面反射过来的电子，在整流电路或者阳极过热时，均会产生二次电子，他将会使灯丝被轰击而断开，或玻璃被轰而造成孔洞甚至破裂。
聚焦杯可以将大部门二次电子吸引到槽上，以保护灯丝和玻璃壳的安全。
阳极又称为靶电极，在球管中处于正电位，是真空电子管的正极。在球馆内，电子被加速至阳极，在阳极受阻，由于电子和靶材料之间的碰撞，是的阳极产生热和电磁辐射。
固定阳极的结构比较简单，在早期的第一代和第二代CT使用的是固定阳极球管。对于现代CT而言，固定样机早已不能满足高负载的性能要求。
固定阳极示意图
旋转阳极是将从偏离管子中心轴线的阴极发射出来的电子，轰击在运动的靶面上。由于热量被均匀的分布在了一个转动的圆环上，使得单位面积上热量被大大减少，从而提高了球管的功率。或者说在一定的功率负载下，阳极的倾角可以大大减小，从而使有效焦点变小，提高图像的清晰度。
因此旋转阳极的特点是功率大，焦点小。
目前绝大多数的CT采用的是旋转阳极球管，牙科CT等低负载设备中依然采用固定阳极球管。
旋转阳极示意图
现代球管的旋转阳极使用一个圆形区域作为阳极，材料一般采用钼，在钼上有1 ~ 2mm的钨和5% ~ 15%的铼合金。合金中铼成分使得材料更加富有弹性，好的弹性材料可以防止表面的破裂，同时也可以延长球管的寿命。
采用钼作为阳极材料，是因为钼的热容量是同样质量纯钨的2被。由于球管需要非常高的热容量，因此在钼圆盘的后面附一层石墨材料，这是因为对同样质量的钼和石墨，石墨的热容量是钼的2倍。尽管如此，在球管内的热量的散发仍然很慢。因此在CT设备中，阳极有一个大的石墨基底以适应大的瞬时球管负载。但是附有的石墨阳极有一个缺点，当温度超过1200~1300℃时，石墨层会变松。
在CT中只有1%不到的球管输入能量转换为X射线光子，超过99%的能量转换为热量。在撞击点（impacting point）的温度可以达到2600 ~ 2700℃（钨的融化温度为3300℃）。为了防止钨靶融化，采用旋转阳极结构球管。阳极的旋转速度非常高，通常在8000 ~ 10000r/min。球管所有的旋转部件都被密封在一个高真空的外壳中，同时轴承呢个和旋转部件一起被密封在一起，这样可以使阳极、传动轴、转子在壳内能够自由的旋转。电子被放置在壳外，用来提供交变磁场，交变磁场的作用是让转子部件能够旋转。
当阳极和冷却介质的温差很大时，绝大部分的能力都转换为热量散发出去。然而，当冷却油变热后，大部分的阳极热量通过阳极柱轴传送出去。对于普通的球轴承，由于球和阳极柱的接触面非常小，因此在较长的冷却时间内，热传导效率不高，在一些新的球管构造中利用一些新的技术来提高散热效率。
对阳极材料总的要求有高韧致辐射界面以及高熔点和易散热等几项。阳极靶材料用钨合金制成，因为钨的熔点和韧致辐射界面都很高（韧致辐射截面与靶材料的原子序数有关），但是钨的导热新能不好，对冷却不利，所以在靶材料中常有10%的铑或用钼合金。
新的设计采用铜焊接的石墨，也就是说将金属靶面与石墨题采用铜焊接，这样可以提高单位质量的热存储量。这种设计融合了金属球管好的focal track与石墨较大的储热。
另一种设计方法采用化学蒸汽沉积法沉淀在高纯度的石墨靶面上存储一层薄的钨铼合金材料。这种方法具有靶面质量轻以及储热容量大等优点，缺点是成本高，粒子的电位增大以及焦点的负载受限制。
对于旋转阳极部分特殊要求：
① 要求原子序数大，因为辐射的X射线强度与靶面材料的原子序数成正比，原子序数大，辐射的X射线质硬，穿透力就强。
② 要求阳极靶面的熔点高，要达到大于3300℃。
虽然使用了高熔点材料作为材料做阳极靶，但靶面的冷却非常重要，否则靶面温度升高了，也会使得金属熔化。阳极盘靠滚珠与阳极座连接，工作时阳极旋转，如电动机的转子，因滚珠和阳极间的接触面积小，所以热传导性很差，主要拷阳极盘辐射热量来散热。球管转入管套，浸没在绝缘油中，绝缘油一方面其绝缘作用，另一方面起冷却作用，阳极的热量传到冷却油中，用过管套金属壁与空气进行热量交换。
CT中的球管用油管连接到热交换器的油泵，使得油循环流动，管套中的热油传送到热交换器，经冷却后再送回到管套中，再冷却球馆，有的还用冷水进行二级冷却，这样效率更高
