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                                                    常見的X射線球管故障模式之一:正常老化
                                                    專欄:影像維修
                                                    發布日期:2018-09-06
                                                    閱讀量:2421
                                                    作者:佚名
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                                                    X射線球管是一種經過驗證的,經濟有效的生產X射線的方法,可用于醫療,檢查和科學領域。100多年來,由于新的應用,材料,加工設備和設計,X射線球管取得了進步。今天,兩種類型的管主導:用于醫療目的的旋轉陽極管,從25千伏(kV)到150千伏,以及用于檢查工業的固定陽極管,從25千伏到超過400千伏,其中一些在百萬伏特范圍內。固定陽極管通常在幾乎連續工作的情況下以1-20毫安..........

                                                             X射線球管是一種經過驗證的,經濟有效的生產X射線的方法,可用于醫療,檢查和科學領域。100多年來,由于新的應用,材料,加工設備和設計,X射線球管取得了進步。今天,兩種類型的管主導:用于醫療目的的旋轉陽極管,從25千伏(kV)到150千伏,以及用于檢查工業的固定陽極管,從25千伏到超過400千伏,其中一些在百萬伏特范圍內。固定陽極管通常在幾乎連續工作的情況下以1-20毫安運行,并且可以一次開啟數小時。旋轉陽極管的工作壓力超過1000毫安,但主要用于約1毫秒至10秒的脈沖模式。

                                                             在X射線的產生中,少于1%的能量產生有用的X射線,而剩余的99%轉化為熱量。該因素限制了X射線管的使用壽命,必須加以控制才能生產出高質量的產品。許多科學學科是必需的,這些包括:熱力學,熱傳遞,材料科學,真空技術,高壓,電子學,原子/輻射學科,制造工藝以及其他重要的技術。X射線管和發生器的集成和控制對于產生預期的技術結果和長的管壽命至關重要。

                                                             X射線管老化并且壽命有限,因為所使用的特性和材料開始逐漸降解并被消耗,使得性能逐漸降低直至它們不再令人滿意。

                                                    燈絲正常燒壞 

                                                             X射線管中的電子束由鎢絲提供,該鎢絲自電子管開始以及白熾燈泡開始使用。盡管試驗了其他發射器:分配器陰極,鑭和六硼化鈰,釷和錸摻雜鎢,純鎢仍然是最好的燈絲材料。燈絲由線制成,線纏繞成螺旋并插入杯中,該杯用作聚焦元件以形成必要的矩形電子束。螺旋用于增加燈絲的表面積以最大化電子發射。

                                                             鎢絲很容易獲得并加工成可用的形式。導線狀堅固耐用,并在控制振動和沖擊等應力時保持其形狀。X射線管制造商通過稱為再結晶的工藝來穩定和強化燈絲。這將原始纖維線微觀結構改變為晶體結構的長度與直徑之比在3至6范圍內的結構。通過在幾秒鐘內將導線非??焖俚丶訜嶂良s2600攝氏度并將其保持來實現再結晶。

                                                             燈絲的常見參數是壽命。當熱鎢從其表面緩慢蒸發時,溫度越高,蒸發速率越大。理想地,鎢均勻地蒸發,但實際上它開始在晶粒邊界處形成熱點,其作為“凹口”可見。熱點更容易蒸發鎢,導線在這些位置變薄,最終燃燒開。燈絲溫度越高,鎢晶粒隨時間增長越多,開槽越快。此外,如果冷燈絲允許高勵磁涌流,則會因變薄的點過熱而加速燒壞。

                                                             對于燈絲壽命,減少約10%的線材質量被認為是壽命終止。這表示線直徑減少了5.13%,并且燈絲已達到其壽命的約98%。許多制造商認為直徑減少5%或6%是壽命終止。

                                                    燈絲加速燒壞

                                                              X射線管特性受多種因素影響,包括:管電流,管電壓,陽極到陰極間距,目標角和焦斑尺寸(電子束尺寸)。焦斑尺寸受以下因素影響:線的表面積,螺旋間距(每英寸的圈數),螺旋直徑/長度,燈絲在其焦杯中的自發性以及杯本身的形狀。只有陽極到陰極的高壓和燈絲電流(溫度)決定了管子的發射。發射由Richardson-Duschman方程控制,該方程非常依賴于燈絲溫度,溫度越高,排放越多。

                                                             當在固定電壓下需要更多管電流或需要更多管電流但管以更低電壓運行時,管中的燈絲更熱。例如,比較固定陽極管的兩種情況。第一:管道工作在160千伏@1毫安(mA),而5毫安。在該管中,燈絲計算為約2086開氏度,而開氏溫度為2260開氏度,為5mA。與1 mA相比,對于5毫安操作,174度的增加產生的蒸發速率是21倍。第二,對于在40kV@5mA下操作的相同管,與160kV和1mA相比,溫度分別為2300K和2086K,這使壽命減少了約43倍。有趣的是,當管電壓降低時,管電流較低時,壽命會相對較小; 例如160 kV與40 kV,均為1 mA,僅使壽命減少1.3倍,160kV與40kV相比,5mA時均減少2.1倍。

                                                    綜上所述:

                                                    160kV@5mA與160kV@1mA相比減少21倍燈絲壽命

                                                    40kV@5mA與160kV@1mA相比減少43倍燈絲壽命

                                                    40kV@1mA與160kV@1mA相比減少1.3倍燈絲壽命

                                                    40kV@5mA與160kV@5mA相比,燈絲壽命減少2.1倍

                                                             這表明管電流增加(由燈絲溫度升高產生)比管電壓變化重要得多。各種管類型以及單一類型的單個管將與這些實例不同。

                                                             燒壞引起的燈絲故障是由高工作溫度引起的,溫度越高,燈絲燒得越快。鎢從燈絲表面蒸發但是以不均勻的方式蒸發,因此形成了更快速蒸發的熱點。熱點出現在鎢晶面上,在不同的晶面上優先蒸發。燈絲的溫度越高,燈絲的運行時間越長,晶體的生長就越大。通過使晶體沿著電線軸線長而窄并保持盡可能低的溫度來實現長壽命。

                                                    慢速泄漏         
                                                             X射線管需要高真空才能發揮作用。玻璃 – 金屬密封和金屬釬焊接頭一旦開始疲勞,有時開始允許微量氣體進入,逐漸增加氣體壓力。管材性能開始受到材料蒸發和高壓電弧的影響,這可能是由較高的氣體壓力引起的。

                                                    長期不工作

                                                             缺乏操作導致管內真空中的氣體沿表面積聚和遷移。當燈絲通電并且施加高電壓時,尤其是在較高的工作電壓下可能發生電弧放電。大多數制造商建議根據非活動時間段進行預熱程序。必然這是一個一刀切的程序,但單個程序可能并不適合所有程序。對于某些情況,需要額外的擴展操作,包括更高功率或電壓操作,并且有助于管操作。如果無法令人滿意地工作或根本不能工作,必須更換管子。

                                                    玻璃裂紋

                                                             大多數管都是用玻璃作為真空壁容器制造的,但玻璃也執行使管電極(陰極,陽極和接地)與漏電流和電弧放電絕緣的任務。隨著時間的推移,來自陽極和燈絲的金屬(鎢)開始蒸發到玻璃表面上,導致最終的電弧放電和管道故障。

                                                             電弧會擾亂蒸發的材料并導致玻璃絕緣體被蝕刻。這種情況通常被稱為“裂紋”或“蝕刻”。

                                                             各種方法用于減輕蒸發的影響,包括:噴砂玻璃(增加絕緣路徑),在固定陽極管上使用帶罩陽極(罩或護罩減少目標蒸發到玻璃上),金屬中心真空壁(在旋轉陽極管和一些固定陽極管中減少燈絲蒸發到玻璃上),以及使用陶瓷。這些技術不能消除金屬蒸發,但會大大減少其在玻璃和陶瓷絕緣表面上的沉積,從而推遲了電弧放電的趨勢。該技術可產生其他不期望的效果,例如噴砂玻璃可導致玻璃顆粒釋放,從而導致電弧結束。

                                                    打火

                                                             打火是所有高壓系統中的常見問題。上面已經提到了一些原因:真空中的高氣體水平,絕緣體表面上的導電金屬的蒸發,以及絕緣體的裂紋或蝕刻,這反過來產生更高的氣體壓力或降低絕緣體阻擋高壓的能力。其他原因,例如小的絕緣體或金屬顆粒,其通過操作釋放或可在管內產生,在絕緣體上產生氣體和導電膜。這些粒子可以產生小但聚焦的電子束,觸發電弧。

                                                    靶盤微裂紋

                                                             當向管供電時,電子束撞擊靶盤并且該光束下的溫度迅速上升。對于固定陽極管,功率和溫度相對較低,并且在一分鐘內達到平衡溫度。鎢靶表面可以很容易地達到鎢的熔化溫度(3400攝氏度),但是限制在大約400攝氏度(750華氏度),因此鎢盤不會從其銅基底脫離。目標表面處的溫度升高引起應力,該應力可導致目標表面處的微小裂縫。隨著時間的推移和開/關循環,這些裂縫會增長,并且光束中的一些電子會落入這些裂縫中,因此產生的X射線會發生變化。鎢吸收來自裂縫的一些輻射,并且輻射強度降低并且X射線的能量變得更硬(具有更高的能量射線)。以較低功率和較小目標角度運行可減少了這種趨勢。

                                                             旋轉陽極管,其功率容量可以比固定陽極高1000倍,目標微裂紋要嚴重得多,因此其效果更大。旋轉陽極管中的靶盤焦斑的溫度可以達到2800攝氏度(超過5000華氏度)。減少的輻射與曝光次數通常被稱為“輻射衰減”。通過使用最低功率,最大可能的焦點和在較低功率下的較長曝光而不是在較高功率下的較短曝光來減少微裂紋。這些標準也適用于固定陽極管。微裂紋減少了熱傳遞,這增加了焦斑的溫度,這增加了鎢靶在玻璃上的蒸發。

                                                    意外損壞

                                                             雖然不是高故障原因,但在安裝和操作期間不遵循規定可能會導致意外損壞。誤解,不熟悉和假設可能導致意外損壞。對于X射線管,檢查并仔細檢查。

                                                    軸承

                                                             軸承失效的旋轉陽極管可能存在問題。所有機械系統都會磨損并停止工作,因此訣竅就是延長使用壽命。高溫和高速會最大限度地降低軸承壽命。在使用過程中,潤滑劑(通常為銀或鉛金屬)從球和座圈表面磨損,留下鋼與鋼的接觸,這導致卡軸。保守使用軸承通常比其他失效機制更耐用。在固定管上選擇旋轉陽極時,應仔細審查輻射要求和操作。

                                                     

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