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常见的X射线球管故障模式之一——正常老化

2018-11-12 16:44| 查看: 114| 评论: 0|来自: 医影之家

摘要: X射线球管是一种经过验证的,经济有效的生产X射线的方法,可用于医疗,检查和科学领域。100多年来,由于新的应用,材料,加工设备和设计,X射线球管取得了进步。今天,两种类型的管主导:用于医疗目的的旋转阳极管, ...

X射线球管是一种经过验证的,经济有效的生产X射线的方法,可用于医疗,检查和科学领域。100多年来,由于新的应用,材料,加工设备和设计,X射线球管取得了进步。今天,两种类型的管主导:用于医疗目的的旋转阳极管,从25千伏(kV)到150千伏,以及用于检查工业的固定阳极管,从25千伏到超过400千伏,其中一些在百万伏特范围内。固定阳极管通常在几乎连续工作的情况下以1-20毫安运行,并且可以一次开启数小时。旋转阳极管的工作压力超过1000毫安,但主要用于约1毫秒至10秒的脉冲模式。

在X射线的产生中,少于1%的能量产生有用的X射线,而剩余的99%转化为热量。该因素限制了X射线管的使用寿命,必须加以控制才能生产出高质量的产品。许多科学学科是必需的,这些包括:热力学,热传递,材料科学,真空技术,高压,电子学,原子/辐射学科,制造工艺以及其他重要的技术。X射线管和发生器的集成和控制对于产生预期的技术结果和长的管寿命至关重要。

X射线管老化并且寿命有限,因为所使用的特性和材料开始逐渐降解并被消耗,使得性能逐渐降低直至它们不再令人满意。

灯丝正常烧坏 

X射线管中的电子束由钨丝提供,该钨丝自电子管开始以及白炽灯泡开始使用。尽管试验了其他发射器:分配器阴极,镧和六硼化铈,钍和铼掺杂钨,纯钨仍然是最好的灯丝材料。灯丝由线制成,线缠绕成螺旋并插入杯中,该杯用作聚焦元件以形成必要的矩形电子束。螺旋用于增加灯丝的表面积以最大化电子发射。

钨丝很容易获得并加工成可用的形式。导线状坚固耐用,并在控制振动和冲击等应力时保持其形状。X射线管制造商通过称为再结晶的工艺来稳定和强化灯丝。这将原始纤维线微观结构改变为晶体结构的长度与直径之比在3至6范围内的结构。通过在几秒钟内将导线非常快速地加热至约2600摄氏度并将其保持来实现再结晶。

灯丝的常见参数是寿命。当热钨从其表面缓慢蒸发时,温度越高,蒸发速率越大。理想地,钨均匀地蒸发,但实际上它开始在晶粒边界处形成热点,其作为“凹口”可见。热点更容易蒸发钨,导线在这些位置变薄,最终燃烧开。灯丝温度越高,钨晶粒随时间增长越多,开槽越快。此外,如果冷灯丝允许高励磁涌流,则会因变薄的点过热而加速烧坏。

对于灯丝寿命,减少约10%的线材质量被认为是寿命终止。这表示线直径减少了5.13%,并且灯丝已达到其寿命的约98%。许多制造商认为直径减少5%或6%是寿命终止。

灯丝加速烧坏

 X射线管特性受多种因素影响,包括:管电流,管电压,阳极到阴极间距,目标角和焦斑尺寸(电子束尺寸)。焦斑尺寸受以下因素影响:线的表面积,螺旋间距(每英寸的圈数),螺旋直径/长度,灯丝在其焦杯中的自发性以及杯本身的形状。只有阳极到阴极的高压和灯丝电流(温度)决定了管子的发射。发射由Richardson-Duschman方程控制,该方程非常依赖于灯丝温度,温度越高,排放越多。

当在固定电压下需要更多管电流或需要更多管电流但管以更低电压运行时,管中的灯丝更热。例如,比较固定阳极管的两种情况。第一:管道工作在160千伏@1毫安(mA),而5毫安。在该管中,灯丝计算为约2086开氏度,而开氏温度为2260开氏度,为5mA。与1 mA相比,对于5毫安操作,174度的增加产生的蒸发速率是21倍。第二,对于在40kV@5mA下操作的相同管,与160kV和1mA相比,温度分别为2300K和2086K,这使寿命减少了约43倍。有趣的是,当管电压降低时,管电流较低时,寿命会相对较小; 例如160 kV与40 kV,均为1 mA,仅使寿命减少1.3倍,160kV与40kV相比,5mA时均减少2.1倍。

综上所述:

160kV@5mA与160kV@1mA相比减少21倍灯丝寿命
40kV@5mA与160kV@1mA相比减少43倍灯丝寿命
40kV@1mA与160kV@1mA相比减少1.3倍灯丝寿命
40kV@5mA与160kV@5mA相比,灯丝寿命减少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。各种管类型以及单一类型的单个管将与这些实例不同。

烧坏引起的灯丝故障是由高工作温度引起的,温度越高,灯丝烧得越快。钨从灯丝表面蒸发但是以不均匀的方式蒸发,因此形成了更快速蒸发的热点。热点出现在钨晶面上,在不同的晶面上优先蒸发。灯丝的温度越高,灯丝的运行时间越长,晶体的生长就越大。通过使晶体沿着电线轴线长而窄并保持尽可能低的温度来实现长寿命。

慢速泄漏

X射线管需要高真空才能发挥作用。玻璃 - 金属密封和金属钎焊接头一旦开始疲劳,有时开始允许微量气体进入,逐渐增加气体压力。管材性能开始受到材料蒸发和高压电弧的影响,这可能是由较高的气体压力引起的。

长期不工作

缺乏操作导致管内真空中的气体沿表面积聚和迁移。当灯丝通电并且施加高电压时,尤其是在较高的工作电压下可能发生电弧放电。大多数制造商建议根据非活动时间段进行预热程序。必然这是一个一刀切的程序,但单个程序可能并不适合所有程序。对于某些情况,需要额外的扩展操作,包括更高功率或电压操作,并且有助于管操作。如果无法令人满意地工作或根本不能工作,必须更换管子。

玻璃裂纹

大多数管都是用玻璃作为真空壁容器制造的,但玻璃也执行使管电极(阴极,阳极和接地)与漏电流和电弧放电绝缘的任务。随着时间的推移,来自阳极和灯丝的金属(钨)开始蒸发到玻璃表面上,导致最终的电弧放电和管道故障。
电弧会扰乱蒸发的材料并导致玻璃绝缘体被蚀刻。这种情况通常被称为“裂纹”或“蚀刻”。

各种方法用于减轻蒸发的影响,包括:喷砂玻璃(增加绝缘路径),在固定阳极管上使用带罩阳极(罩或护罩减少目标蒸发到玻璃上),金属中心真空壁(在旋转阳极管和一些固定阳极管中减少灯丝蒸发到玻璃上),以及使用陶瓷。这些技术不能消除金属蒸发,但会大大减少其在玻璃和陶瓷绝缘表面上的沉积,从而推迟了电弧放电的趋势。该技术可产生其他不期望的效果,例如喷砂玻璃可导致玻璃颗粒释放,从而导致电弧结束。

打火

打火是所有高压系统中的常见问题。上面已经提到了一些原因:真空中的高气体水平,绝缘体表面上的导电金属的蒸发,以及绝缘体的裂纹或蚀刻,这反过来产生更高的气体压力或降低绝缘体阻挡高压的能力。其他原因,例如小的绝缘体或金属颗粒,其通过操作释放或可在管内产生,在绝缘体上产生气体和导电膜。这些粒子可以产生小但聚焦的电子束,触发电弧。


靶盘微裂纹

当向管供电时,电子束撞击靶盘并且该光束下的温度迅速上升。对于固定阳极管,功率和温度相对较低,并且在一分钟内达到平衡温度。钨靶表面可以很容易地达到钨的熔化温度(3400摄氏度),但是限制在大约400摄氏度(750华氏度),因此钨盘不会从其铜基底脱离。目标表面处的温度升高引起应力,该应力可导致目标表面处的微小裂缝。随着时间的推移和开/关循环,这些裂缝会增长,并且光束中的一些电子会落入这些裂缝中,因此产生的X射线会发生变化。钨吸收来自裂缝的一些辐射,并且辐射强度降低并且X射线的能量变得更硬(具有更高的能量射线)。以较低功率和较小目标角度运行可减少了这种趋势。

旋转阳极管,其功率容量可以比固定阳极高1000倍,目标微裂纹要严重得多,因此其效果更大。旋转阳极管中的靶盘焦斑的温度可以达到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”。通过使用最低功率,最大可能的焦点和在较低功率下的较长曝光而不是在较高功率下的较短曝光来减少微裂纹。这些标准也适用于固定阳极管。微裂纹减少了热传递,这增加了焦斑的温度,这增加了钨靶在玻璃上的蒸发。

意外损坏

虽然不是高故障原因,但在安装和操作期间不遵循规定可能会导致意外损坏。误解,不熟悉和假设可能导致意外损坏。对于X射线管,检查并仔细检查。

轴承

轴承失效的旋转阳极管可能存在问题。所有机械系统都会磨损并停止工作,因此诀窍就是延长使用寿命。高温和高速会最大限度地降低轴承寿命。在使用过程中,润滑剂(通常为银或铅金属)从球和座圈表面磨损,留下钢与钢的接触,这导致卡轴。保守使用轴承通常比其他失效机制更耐用。在固定管上选择旋转阳极时,应仔细审查辐射要求和操作。

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