醫(yī)學(xué)X射線影像設(shè)備X線及其產(chǎn)生原理課件_第1頁
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文檔簡介

醫(yī)學(xué)X射線影像設(shè)備-X線及其產(chǎn)生原理.醫(yī)學(xué)X射線影像設(shè)備-X線及其產(chǎn)生原理.1X線的本質(zhì);

X線的特性;

X線與物質(zhì)的相互作用;

X線的產(chǎn)生機理;

X線管結(jié)構(gòu)與工作原理;

;.X線的本質(zhì);

X線的特性;

X線與物質(zhì)的相互作用;

X線2

X射線的本質(zhì)------電磁波

波長介于紫外線、γ射線之間,波長范圍 :0.01-100A,醫(yī)學(xué)應(yīng)用波長為0.01-1A,其中用于成像的波長為0.1-1A,用于治療的波長為0.01-0.1A.

由于X線光子能量大,能使物質(zhì)電離,屬于電離輻射。X線同時具有波動性和微粒性。即波粒二象性。.

X射線的本質(zhì)------電磁波

波3X線的波動性表現(xiàn)在具有干涉、衍射和偏振等波動特性;并以一定的波長和頻率在空間傳播;在真空中的傳播速度與光速相同。X線的波長(λ)頻率(ν)和波速(c)的關(guān)系為λ=c/νX線的粒子性主要表現(xiàn)為,以光子形式在輻射和吸收時具有能量、質(zhì)量和動量。

E=h×νE:光子能量h:普郎克常數(shù)

mφ=E/c2.X線的波動性表現(xiàn)在具有干涉、衍射和偏振等波動特性;并以4..5X線的特性

由于X線光子能量大,使它具有一系列特殊性質(zhì)。醫(yī)學(xué)上正是利用X線的這些個性實現(xiàn)X線成像或做治療。X線的特性一物理特性穿透作用電離作用熒光作用熱作用二化學(xué)作用感光作用著色作用三生物效應(yīng).X線的特性由于X線光子能量大,使它具有一系列特殊性質(zhì)6X線的穿透作用

X線波長很短,x線光子能量很大(x線能量E=h*v=hc/λ)具有很強的穿透力,能穿透一般可見光不能穿透的各種不同密度的物質(zhì),穿透過程中受到一定程度的吸收即衰減。X線的穿透力與X線光子能量密切相關(guān),光子能量愈大,穿透力也愈強;反之,其穿透力愈弱。另一方面,X線的穿透力還與被照體的密度和厚度相關(guān),密度越大,對X線吸收越多,X線穿過的越少,X線穿透性是X線成像的基礎(chǔ)。.X線的穿透作用

X線波長很短,x線光子能量很大(x線能量7X線的電離作用物質(zhì)受X線照射時,是核外電子脫離原子軌道,這種作用叫做電離。在固體和液體中電離后的正、負離子將很快復(fù)合,不易收集。但在氣體中的電離電荷卻很容易收集起來,利用電離電荷的多少來測定X線的照射量,多種X線測量儀器正是根據(jù)這個原理制成的。由于電離作用,使氣體能夠?qū)щ?、某些物質(zhì)可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng);在有機體內(nèi)可以誘發(fā)各種生物效應(yīng)。電離作用是X線損傷和治療的基礎(chǔ)。.X線的電離作用物質(zhì)受X線照射時,是核外電子脫離8熒光作用有些物質(zhì)如磷、鉑氫化鋇、硫鋅化鎘、鎢酸鈣等,受X線照射后,由于電離或激發(fā)使原子處于激發(fā)狀態(tài),在回到基態(tài)過程中,由價電子的能級躍遷而輻射出可見光或紫外線光譜,這種光譜就是熒光,而X線使物質(zhì)發(fā)生熒光的作用叫做熒光作用。熒光強弱取決于X線的強弱。在X線成像設(shè)備中利用這種熒光作用制成了熒光屏、增感屏、影像增強器中的輸入屏和輸出屏等。.熒光作用有些物質(zhì)如磷、鉑氫化鋇、硫鋅化鎘、鎢酸9熱作用物質(zhì)吸收的X線能量最終絕大部分轉(zhuǎn)換為熱量,使物體溫度升高,這就是熱作用。.熱作用物質(zhì)吸收的X線能量最終絕大部分轉(zhuǎn)換為熱量10化學(xué)作用

(一)感光作用當X線照射到膠片的溴化銀上的時候,由于電離作用,使溴化銀藥膜起化學(xué)變化,出現(xiàn)銀粒沉淀,這就是X線的感光作用。銀粒沉淀的多少,由膠片受X線照射量而定,再經(jīng)化學(xué)顯影,變成黑色的金屬銀,構(gòu)成X線圖像,未感光的溴化銀則被定影液溶去。X線攝影就是利用這種X線化學(xué)感光作用,使組織影像出現(xiàn)在膠片上。.化學(xué)作用

(一)感光作用.11化學(xué)作用(二)著色作用某些物質(zhì)如鉑氰化鋇、鉛玻璃、水晶等,經(jīng)X線長期照射后,其結(jié)晶體脫水而改變顏色,這就叫著色作用。.化學(xué)作用(二)著色作用.12生物效應(yīng)X線對生物組織細胞具有破壞、瓦解的作用,稱為X線的生物效應(yīng)。.生物效應(yīng)X線對生物組織細胞具有破壞、瓦解的作用,稱為X線的生13X線與物質(zhì)的相互作用診斷用X線領(lǐng)域內(nèi),X線與物質(zhì)的相互作用形式主要為光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。(一)光電效應(yīng)(1)光電效應(yīng)的定義:X線與物質(zhì)相互作用時,X線光子的能量全部給與了物質(zhì)原子的殼層電子。原子中獲得能量的電子擺脫原子核的束縛,成為自由電子。而X線光子則被物質(zhì)的原子吸收。這一過程稱為光電效應(yīng)。.X線與物質(zhì)的相互作用診斷用X線領(lǐng)域內(nèi),X線與14(2)光電效應(yīng)的產(chǎn)物:光電效應(yīng),在攝影用X線能量范圍內(nèi),是和物質(zhì)作用的主要形式之一嗎,它是以光子擊脫原子的內(nèi)層軌道電子而發(fā)生,光電效應(yīng)有三個產(chǎn)物:特征放射、光電子(也叫負離子)和正離子(既缺少電子的原子)。.(2)光電效應(yīng)的產(chǎn)物:光電效應(yīng),在攝影用X線能量范圍內(nèi),是和15光電效應(yīng)光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件:光子能量與電子結(jié)合能必須接近相等才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。光電效應(yīng)發(fā)生的幾率與光子能量的三次方成反比,與被照物的原子序數(shù)的三次方成正比。光電效應(yīng)在X線攝影中的實際意義:光電效應(yīng)不產(chǎn)生有效的散射,對膠片不產(chǎn)生灰霧.光電效應(yīng)可增加影像的對比度。X線影像的對比,產(chǎn)生于不同組織的吸收差異,這種吸收差別愈大,則對比度愈高,因為光電效應(yīng)的幾率和原子序數(shù)的三次方成正比,所以光電效應(yīng)可擴大不同元素所構(gòu)成的組織的影像對比。在光電效應(yīng)中,光子的能量全部被吸收,增加了受檢者的輻射劑量。.光電效應(yīng)光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件:光子能量與電子結(jié)合16康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)也稱散射效應(yīng)或康普頓散射。它是X線診斷能量范圍內(nèi),X線與物質(zhì)相互作用的另一種主要形式。當一個光子擊脫外層軌道上的電子時,入射光子就會偏轉(zhuǎn)以新的方向散射出去。光子的能量一部分作為反跳電子的動能,而絕大部分是作為光子散射,一個光子偏轉(zhuǎn)以后,能保留多大能量由它的原始能量和偏轉(zhuǎn)的角度來決定。偏轉(zhuǎn)的角度愈大,能量的損失就愈多。

散射光子的方向是任意的,光子的能量愈大,它的偏轉(zhuǎn)角度就愈小。X線診斷能量范圍內(nèi),散射光子仍保留大部分能量,只有很少的能量傳給電子。在X線攝影中所遇到的散射線,幾乎都是來自這種散射。.康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)也稱散射效應(yīng)或康普頓散射17產(chǎn)生條件1.產(chǎn)生自由電子;2.使電子作定向的高速運動;3.在其運動的路徑上設(shè)置一個障礙物使電子突然減速或停止。.產(chǎn)生條件1.產(chǎn)生自由電子;.18產(chǎn)生原理

在醫(yī)學(xué)X線成像設(shè)備中,X線是在高度真空的X線管中產(chǎn)生的。

在X線管中,高速運動的電子與物體碰撞時,電子的速度驟然降低,在這一過程中能量轉(zhuǎn)換,電子的運動受阻失去動能,其中一小部分(1%左右)能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線,而絕大部分(99%左右)能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。.產(chǎn)生原理在醫(yī)學(xué)X線成像設(shè)備中,X線是在高19

高速電子與靶原子相互作用存在以下四個物理過程。..20

電離原子外層價電子或內(nèi)層電子在高速電子作用下完全脫離了原子軌道,使原子變成離子,這一過程稱為電離。高速電子的動能轉(zhuǎn)化為以下三部分:一部分能量消耗在內(nèi)、外層電子的脫出功,這部分能量見伴隨著發(fā)射光學(xué)光譜(由外層電子軌道躍遷產(chǎn)生)和標識X射線(有內(nèi)層電子軌道躍遷產(chǎn)生)以光能的形式釋放出來;另一部分轉(zhuǎn)化為二次電子(被擊出的軌道電子)得動能;第三部分轉(zhuǎn)化為出射電子的動能,出射電子以較低的能量,并改變方向射出,然后與其他原子或原子核發(fā)生作用…….電離.21

電離過程中向外發(fā)射的光譜有兩種:一種是由于外層價電子脫離原子軌道,離子結(jié)合自由電子變?yōu)樘幱诩ぐl(fā)態(tài)的原子,再回到基態(tài)過程中發(fā)射出可見光普,另一種發(fā)射光譜是由于內(nèi)層電子脫離軌道,使原子處于激發(fā)狀態(tài),通過內(nèi)層電子的躍遷而輻射標識射線。

.電離過程中向外發(fā)射的光譜有兩種:一種是由于外層22..23

(二)激發(fā)

高速電子(或二次電子)撞擊原子外層電子,由于作用較弱,不足以使其電離,僅將其推入高能級的空殼層,使原子處于激發(fā)狀態(tài),這種作用叫做激發(fā)。

入射電子的動能,一部分轉(zhuǎn)化為方向改變、速度變小的出射電子的動能,另一部分是被原子吸收的激發(fā)能。處在激發(fā)態(tài)的原子將發(fā)射光學(xué)光譜。這部分光能最終導(dǎo)致固體分子熱運動加快;溫度上升,全部轉(zhuǎn)化為熱能。

. (二)激發(fā) 24(三)彈性散射

高速電子受原子核的作用而改變運動方向但是能量不變,稱為彈性散射。這種作用沒有光譜輻射,也沒有能量損失。由于陽極靶內(nèi),物質(zhì)的密度很高,散射的距離很短,高速電子將很快在改變的方向上與其他原子或原子核相遇,發(fā)生新的作用。

.(三)彈性散射

高速電子受原子核的作用而改變25

(四)軔致輻射高速電子在原子核的電場作用下,速度突然變小時,它的一部分能量轉(zhuǎn)變成電磁波發(fā)射出來,這種情況叫做軔致輻射。 .(四)軔致輻射26

在軔致輻射中,入射電子的能量一部分轉(zhuǎn)化為輻射電磁波的能量hv,其波長在X線范圍內(nèi),在醫(yī)用X線中占有特別重要的地位;另一部分轉(zhuǎn)化為出射電子的動能,出射電子的方向?qū)l(fā)生改變。軔致輻射的特點:(1)軔致輻射是在核電場作用下的一種能量轉(zhuǎn)化形式。(2)軔致輻射所產(chǎn)生的X線是一束波長不等的連續(xù)光譜。.在軔致輻射中,入射電子的能量一部分轉(zhuǎn)化為輻射電27造成軔致輻射產(chǎn)生的X線是一束波長不等的連續(xù)光譜的原因(一)加在X線管兩端的高壓是脈動直流電壓,使得到達陽極的各個高速電子的動能并不相同;(二)高速電子在進入核電場前通過電離或激發(fā)所失去的動能并不相同;(三)各個高速電子在原子核電場中被阻止的情形不一樣,離核越近,受核電場組織作用越強,由動能轉(zhuǎn)化為光能的部分能量越多,輻射X線的波長越短,反之波長就越長。.造成軔致輻射產(chǎn)生的X線是一束波長不等的連續(xù)光譜的原因(一)加28..29連續(xù)X線1.連續(xù)譜線的最短波長從強度分布曲線看出,每一種電壓條件下連續(xù)譜線都有一個最短波長極限,且隨電壓的升高而變小。.連續(xù)X線.30中心波長對應(yīng)一定KV值的連續(xù)X線譜的強度是隨波長的變化而連續(xù)變化,除在短波長方向上有一個最短波長極限外,每一條曲線都有一個強度最大值,在連續(xù)譜中最大強度所對應(yīng)的波長叫中心波長。.中心波長.31位移規(guī)則 由連續(xù)X線譜看出,隨著管電壓升高,各種波長的強度均相應(yīng)地增加,同時,各曲線所對應(yīng)的強度最大值和最小波長均向短波方向移動,即最短波長和中心波長隨管電壓升高而向短波移動,這種現(xiàn)象稱為連續(xù)X線譜的位移規(guī)則。連續(xù)X線的總強度X線強度的定義:X線強度是垂直于X線束的單位面積上,在單位數(shù)間內(nèi)通過的光子數(shù)和每個光子能量的乘積。經(jīng)驗公式:

I=k1IZVV

式中I為管電流;Z為靶面焦點材料原子序數(shù);K1為常數(shù)。約等于1.1;此式說明,X線強度分別與靶物質(zhì)的原子序數(shù)Z與X線管管電流I成正比。這是由于原子序數(shù)越高,核電場作用越強,因而軔致輻射產(chǎn)生的X線強度也越大;而管電流越大,說明單位時間內(nèi)撞擊靶面的電子數(shù)目越多,故產(chǎn)生的X線強度也越大。(這兩個因素只影響X線的量,而不影響X線的質(zhì)。).位移規(guī)則 .32X線的總強度與管電壓的平方成正比,但管電壓的變化不僅影響X線的量,也影響X線的質(zhì)。隨著管電壓升高,最短波長與中心波長均向短波方向移動,X線束中高能成分相對于低能成分增加要顯著得多。.X線的總強度與管電壓的平方成正比,但管電壓的變33342.標識(特征)X線譜特征譜線特點:①電壓↑到一定值(同一材料),出現(xiàn)線狀譜②不同材料線狀譜形狀和位置均不同(1).物理過程.342.標識(特征)X線譜特征譜線特點:①電壓↑到一定值34產(chǎn)生機理

標識X射線譜的產(chǎn)生相理與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。標識(特征)X線是高能電子沖擊把物質(zhì)內(nèi)層軌道電子而產(chǎn)生的。一個常態(tài)的原子處于最低能級狀態(tài),也就是說,它要永遠保持其內(nèi)層軌道電子是滿員的。如果從鎢原子移去一個電子,就會造成這個原子有剩余的正電荷,而成為正離子。原子恢復(fù)正常狀態(tài)時,K層電子空位常由L層電子補充,這是因為L層電子的能量多。當電子從L層轉(zhuǎn)換到K層時,將把多余的能量作為X線光子放出。這種放射就稱為K特性放射。.產(chǎn)生機理標識X射線譜的產(chǎn)生相理與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密35L層電子的空位,可由M層電子補充,多余的能量的放出,又產(chǎn)生一個X線光子,稱為L特性放射,但其能量要比K特性放射小得多。外層軌道電子的躍遷也會產(chǎn)生特性放射,它的能量就會更小,多屬于熱波或被X線管壁吸收掉的長波X線。.L層電子的空位,可由M層電子補充,多余的能量的放出,又產(chǎn)生一3637鎢靶原子的特征輻射示意圖原因:原子中內(nèi)層電子躍遷所產(chǎn)生.需要指出:在X線產(chǎn)生中,特征X線很少部分診斷、治療中,主要是連續(xù)X線。

.37鎢靶原子的特征輻射示意圖原因:原子中內(nèi)層電子躍遷所產(chǎn)生.37標識X線的特點任何元素的特征X線的波長是固定不變的它只與靶原子的結(jié)構(gòu)有關(guān),不同的靶原子有不同波長的特征X線。在醫(yī)用診斷X線中,僅K系標識X線有用,其他各系如L、M、N……各系。由于波長較長,能量低均被X線管壁和濾過層所吸收。標識X線只有在一定管電壓下才能出現(xiàn),.標識X線的特點.38標識X射線的強度特征

K系標識X射線的強度與管電壓、管電流的關(guān)系為:當I標/I連最大,工作電壓為K系激發(fā)電壓的3~5倍時,連續(xù)譜造成的衍射背影最小。.標識X射線的強度特征K系標識X射線的強度與管電壓、管電流的39第一節(jié):固定陽極X線管一、結(jié)構(gòu)(一)陽極:陽極的主要作用是阻擋高速運動的電子流而產(chǎn)生X線,同時將曝光時產(chǎn)生的熱量輻射或傳導(dǎo)出去;其次是吸收二次電子和散亂射線,陽極由靶面、銅體、陽極罩和陽極柱四部分組成。靶面:接受高速運動的電子流轟擊,產(chǎn)生X線(曝光)靶面材料一般都選用鎢(Z=74),鎢的特點::熔點高(3370℃),蒸發(fā)率低,原子序數(shù)大,又有一定的機械強度,易于機械加工。鎢的缺點是導(dǎo)熱率小,受電子轟擊后產(chǎn)生的熱量不能很快地傳導(dǎo)出去銅體:使用真空熔焊方法將靶面焊接在無氧銅體上,借助銅體良好的散熱性能提高靶面散熱能力。.第一節(jié):固定陽極X線管一、結(jié)構(gòu).40..41陽極罩:由無氧銅制成,裝在靶外面,它的作用是吸收二次電子,并吸收部分散亂X線。

⑴結(jié)構(gòu):頭部圓口面對陰極,是高速運動的電子流轟擊靶面的通道;側(cè)下部圓口向外,是X線的輻射通道,⑵二次電子:高速運動的電子流轟擊靶面時,會有少量的電子從靶面反射和釋放出來,這部分電子稱為二次電子.⑶危害:①其能量較大(約為原來的99%),轟擊到玻璃殼內(nèi)壁上,將使玻璃殼溫度升高而釋放氣體,降低管內(nèi)真空度或使玻璃殼擊穿;②二次電子再次被陽極吸引轟擊到靶面上時,由于沒有經(jīng)過聚焦,將輻射出非焦點散射X線,使X線影像質(zhì)量降低;③二次電子還會附著在玻璃壁上,造成整個管壁電位分布極不均勻,產(chǎn)生縱向應(yīng)力,易致玻璃壁損壞。陽極柱:由紫銅制成,將銅體引出管外,通過與油之間的熱傳導(dǎo)將熱量傳導(dǎo)出去。.陽極罩:由無氧銅制成,裝在靶外面,它的作用是吸收二次電子,42..43(二)陰極:

陰極由燈絲和集射罩組成,其作用是發(fā)射電子與對電子聚焦。

1.燈絲:由鎢制成,繞成螺管狀,作用是發(fā)射電子。燈絲通電后,溫度將逐漸上升,至一定溫度后開始發(fā)射電子。接到燈絲兩端的電壓一般為交流5~10V、50Hz,燈絲電流一般為2~9A,3~6A的占多數(shù)。調(diào)節(jié)燈絲的加熱電壓即可改變燈絲發(fā)射的電子數(shù)量;燈絲溫度與發(fā)射電子的數(shù)量關(guān)系是呈指數(shù)的非線性關(guān)系燈絲點燃時間越長,工作溫度越高,鎢的蒸發(fā)越快,燈絲壽命越短。2.集射罩(聚焦罩):由鎳或鐵鎳合金制成,其作用是對燈絲發(fā)射的電子進行聚焦。當燈絲發(fā)射大量電子后接通管電壓時在電場作用下電子將以高速飛向陽極。但由于電子之間相互排斥致使電子呈散射狀,特別是在管電壓較低時散射更顯著。為使電子集中成束狀飛向陽極,將燈絲裝入集射罩內(nèi),集射罩與燈絲一端相接,從而獲得與燈絲相同的負電位,并借助其幾何形狀,迫使電子成束狀飛向陽極,達到聚焦的目的。

.(二)陰極:.44..45..463、X射線管的陰極——產(chǎn)生電子類型:圓焦點型線焦點型1)結(jié)構(gòu)與類型結(jié)構(gòu):燈絲、聚焦杯.3、X射線管的陰極——產(chǎn)生電子類型:圓焦點型線焦點型147(三)玻璃殼:

多采用耐高溫、絕緣強度高

、膨脹系數(shù)小的鉬玻璃制成,它的作用是支撐陰陽兩極和保持管內(nèi)真空度。真空度為防止X線管管內(nèi)氣體放電,保證陰極發(fā)射的電子能暢通無阻擋地高速飛向陽極,管內(nèi)的真空度應(yīng)保持在133.3×10-7Pa(10-7mmHg)以下。.(三)玻璃殼:.48二、X線管的焦點(一)實際焦點陽極靶面上電子撞擊的面積稱為實際焦點。即燈絲發(fā)射的電子經(jīng)聚焦后在靶面上的瞬間轟擊面積。實際焦點的寬度取決于聚焦罩的形狀、寬度和深度(二)有效焦點實際焦點在X線投照方向上的投影稱為有效焦點或目視焦點,設(shè)靶面與投射方向夾角為Q,實際焦點的長度為b,寬度為a,那么在Q方向上投影后,其寬度不變,而長度變?yōu)閎sinQ,因此有效焦點為absinQ.顯然有效焦點與X線投照方向有關(guān),愈近陽極端,Q角愈小,有效焦點愈小,這就是有效焦點的方位特性。當投照方向與X線管軸相垂直時,這時的Q角稱為靶角或陽極傾角。實際焦點在與X線管軸相垂直方向上的投影稱為標稱有效焦點(簡稱標稱焦點)。

.二、X線管的焦點.49..50..51(四)焦點的方位性.(四)焦點的方位性.52

阻礙影像清晰度提高的主要原因是運動模糊和幾何模糊??朔\動模糊需要縮短曝光時間,但為了有足夠的能量成像就需要增加X線管的功率,就需要增大焦點尺寸;產(chǎn)生幾何模糊是因為非點光源的問題,克服幾何模糊需要減小焦點尺寸。對于固定陽極X線管來說二者是相互矛盾的。因為陽極焦點面受溫度的影響,限制了其功率,要提高功率就必須增大焦點面積,這又使影像的幾何模糊度增加,二者不能兼顧。為了解決這一矛盾,滿足醫(yī)學(xué)成像要求,1927年人們制造出旋轉(zhuǎn)陽極X線管。.阻礙影像清晰度提高的主要原因是運動模糊和幾何模53

有效焦點與成像質(zhì)量有效焦點尺寸越小,影像清晰度就越高減小有效焦點,勢必減小實際焦點,X線管的功率隨之減小,曝光時間需增加,這將會引起運動模糊。.有效焦點與成像質(zhì)量.54第二節(jié)旋轉(zhuǎn)陽極X線管

(一)特點旋轉(zhuǎn)陽極X線管能夠較好地解決克服運動模糊與幾何模糊這一矛盾,也就是說它有較大的實際焦點與較小的有效焦點。在短時間(0.1秒)運用時他可以在同樣大小的有效焦點之下將負載增大到幾倍之多。(二)結(jié)構(gòu):由陽極、陰極和玻璃殼三部分組成

1.陽極:主要由靶面、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、軸承和定子

靶面:靶面具有6°-18°之間的傾斜角,由錸鎢合制造,鑲在一個直徑為70~150mm之間的由鉬或石墨制成基體圓盤上,其中心鉚接在鉬制細桿上,鉬桿的另一端與轉(zhuǎn)子相連,要求有良好的運動平衡性。靶面鑲在鉬或石墨基體上,這種結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(1)錸鎢合金靶面的晶粒較細,抗熱脹性能好,再結(jié)晶溫度高,使靶面在高溫下不易龜裂;(2)X線輻射率下降較慢;(3)木和石墨的比重較小,而比熱較大,這種復(fù)合靶的重量增加不多,但熱容量卻大大增加了。定子組件裝在管壁外面,與壁內(nèi)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成異步電動機。

.第二節(jié)旋轉(zhuǎn)陽極X線管(一)特點.55

轉(zhuǎn)子:它由無氧銅制成,通過鉬桿與靶盤和靶面連為一體,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,靶盤和靶面隨之轉(zhuǎn)動。其表面黑化,熱輻射能力較強。旋轉(zhuǎn)陽極X線管的啟動電機與小型單相異步電機的結(jié)構(gòu)和原理相似,只是轉(zhuǎn)子裝在X線管的玻璃殼內(nèi),而定子線圈裝在X線管玻璃殼的外面。轉(zhuǎn)軸裝入由無氧銅或純鐵制成的軸承套中,兩端各裝一只軸承。陽極轉(zhuǎn)速越高,單位時間內(nèi)承受高速運動的電子流轟擊的圓環(huán)面積越大,X線管的功率就越大,當然,轉(zhuǎn)速的提高須考慮轉(zhuǎn)子的運動平衡、軸承等因素。(三)陰極與外殼旋轉(zhuǎn)陽極X線管的陰極與外殼的結(jié)構(gòu)與固定陽極X線管基本相同。.轉(zhuǎn)子:它由無氧銅制成,通過鉬桿與靶盤和靶面連為一56厚重的陽極圓盤牢裝在軸承中旋轉(zhuǎn)的軸上,在同一軸上還裝有一個銅質(zhì)圓柱,作為感應(yīng)電子動的轉(zhuǎn)子,電動機的定子則套在X射線管玻殼的外面,流經(jīng)定子繞組的電流建立起一個旋轉(zhuǎn)磁場,帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,也就帶動了陽極旋轉(zhuǎn),管子的陰極裝有卷成螺旋管狀的鎢燈絲,其位置偏離管子中心軸線。因此,在陽極旋轉(zhuǎn)時實際焦點沿著它的表面旋轉(zhuǎn)著,其軌跡為一圓環(huán),這就使得所產(chǎn)生的熱量分布在一個連續(xù)運動著的環(huán)狀面上。焦點上單位面積所承受的熱量變小,就明顯提高了X射線管的功率,雖然實際焦點面積較大,但有效焦點卻很小,提高了X射線影像的清晰度。旋轉(zhuǎn)陽極的實際焦點與有效焦點如圖所示。.厚重的陽極圓盤牢裝在軸承中旋轉(zhuǎn)的軸上,在同一軸上還裝有一個銅57旋轉(zhuǎn)陽極陰極有效焦點實際焦點.旋轉(zhuǎn)陽極陰極有效焦點實際焦點.58

..59陰極燈絲陽極靶X光+-轉(zhuǎn)子定子旋轉(zhuǎn)陽極X線球管的結(jié)構(gòu).陰極燈絲陽極靶X光+-轉(zhuǎn)子定子旋轉(zhuǎn)陽極X線球管的結(jié)構(gòu).60..61..62

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由下式?jīng)Q定:

式中n為轉(zhuǎn)速,為定子中電源頻率,p為定子的極數(shù),一般等于2。由于存在轉(zhuǎn)差率,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約落后于磁場轉(zhuǎn)速的10%左右。所以,對中速管(50Hz),轉(zhuǎn)速2700轉(zhuǎn)/min

;對高速管(150Hz),實際轉(zhuǎn)速8500轉(zhuǎn)/min左右。若電源頻率提高到300Hz,實際轉(zhuǎn)速可達15000轉(zhuǎn)/min。旋轉(zhuǎn)陽極轉(zhuǎn)速達到額定值時(需要0.8~1.6s)才接通負載,產(chǎn)生X線。.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由下式?jīng)Q定:.63

轉(zhuǎn)速越高,X線管的功率越大。它們之間的關(guān)系如下:

式中P為功率,K為常數(shù),n為轉(zhuǎn)速,d為焦點軌道直徑。可見功率與轉(zhuǎn)速和靶面直徑的平方根成正比。當速度增加到2倍時,允許功率增加到1.4倍左右。靶盤直徑越大,熱容量越大,散熱速度也越快,X線管的功率也增大。.轉(zhuǎn)速越高,X線管的功率越大。它們之間的關(guān)系如下:.64

旋轉(zhuǎn)陽極X線管的功率是基于陽極轉(zhuǎn)速達到額定值時的功率,如果在陽極轉(zhuǎn)速尚未達到額定值時曝光,將會造成X線管的靶面熔化損壞。因此,使用旋轉(zhuǎn)陽極X線管的X線機均設(shè)有旋轉(zhuǎn)陽極啟動、延時、保護電路。曝光結(jié)束、啟動電機斷電后,轉(zhuǎn)子因慣性將有較長的靜轉(zhuǎn)時間(從切斷啟動電機定子電源開始到轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動所用的時間),靜轉(zhuǎn)時間一般為數(shù)分鐘至幾十分鐘,靜轉(zhuǎn)是無用的空轉(zhuǎn),制造噪聲且磨損軸承,因此有必要在曝光結(jié)束后即對旋轉(zhuǎn)陽極進行制動,這樣可減少噪聲,延長軸承的壽命,進而延長X線管的壽命。對高速旋轉(zhuǎn)陽極X線管來講,制動可使旋轉(zhuǎn)陽極迅速越過臨界轉(zhuǎn)速(引起共振的臨界轉(zhuǎn)速為5000~7000r/min),避免X線管損壞。對于低速旋轉(zhuǎn)陽極X線管,如果轉(zhuǎn)子的靜轉(zhuǎn)時間低于30s,就說明軸承已明顯磨損。.旋轉(zhuǎn)陽極X線管的功率是基于陽極轉(zhuǎn)速達到額定值時的功率65..663、軸承與軸承的潤滑軸承由耐熱合金鋼制成,可以承受較高的工作溫度(約400℃左右)。為避免過多的熱量傳導(dǎo)到軸承,把陽極端的轉(zhuǎn)軸外徑做得較細或用管狀鉬桿,減少熱傳導(dǎo),少量由陽極靶面?zhèn)鲗?dǎo)過來的熱量則大部分通過轉(zhuǎn)子表面輻射出去??梢?,旋轉(zhuǎn)陽極X線管與固定陽極X線管的散熱方式不同,靶面受高速運動的電子流轟擊所產(chǎn)生的巨大熱量主要依靠熱輻射進行散熱,散熱效率低,連續(xù)負荷后陽極熱量急劇增加,靶盤溫度不斷上升,為防止由此造成的X線管損壞,先進X線機的X線管裝置內(nèi)設(shè)有溫度限制保護裝置,對X線管給予相應(yīng)的保護。軸承的潤滑劑都采用固體潤滑材料,如二硫化鉬、銀、鉛等。選用不同的潤滑材料,轉(zhuǎn)子的靜轉(zhuǎn)時間亦有不同。.3、軸承與軸承的潤滑軸承由耐熱合金鋼制成,可以承67★散熱方式固定陽極管的散熱方式主要是熱傳導(dǎo),旋轉(zhuǎn)陽極管的散熱方式主要是熱輻射。軸承的工作溫度不能越過460℃。為了避免過多的熱量傳導(dǎo)到軸承,靶面與轉(zhuǎn)子之間的連接采用外徑較細的管狀鉬桿。為了增大轉(zhuǎn)子的熱輻射,一般把轉(zhuǎn)子表面黑化。盡管如此,軸承的工作溫度仍達到400℃左右,所以軸承材料要采用耐熱合金鋼,如高速工具鋼。由于熱輻射的散熱速度較慢,在使用旋轉(zhuǎn)陽極X線管時,在兩次曝光之間必須要有充分的間歇時間,以防熱容量過載而損壞管子。.★散熱方式.68

X線管中的三個電量管電壓:指加于X線管陰陽極之間的電壓峰值,單位為千伏(KV)

管電流:指曝光時間內(nèi)由陽極流向陰極的電流(由曝光時間內(nèi)陰極飛向陽極的電子構(gòu)成),單位是毫安(MA).

燈絲加熱電壓(電流):指加于X線管陰極燈絲兩端的電壓,單位是伏特(V)(流過燈絲的電流,單位是安培(A).

.X線管中的三個電量.69

X線管的特性與參數(shù)

特性(一)陽極特性曲線陽極特性曲線(Ia~Ua)是在一定的燈絲加熱電流下,管電壓(Ua)與管電流(Ia)之間的關(guān)系

①燈絲前端發(fā)射出來的電子,它們在靜電場作用下飛往陽極,這部分電子的運動不受阻力;②燈絲側(cè)面發(fā)射出來的電子,這部分電子的運動特點是在空間發(fā)生交叉后飛向陽極,因此它們的運動要受到一定的阻力;③燈絲后端發(fā)射出來的電子,由于電子之間相互排斥和燈絲的屏蔽作用,致使電場作用力很微弱,因此這部分電子滯留在燈絲后面的空間,形成“空間電荷”,空間電荷只能隨著管電壓的升高而逐漸飛向陽極。..70..71

燈絲發(fā)射特性曲線燈絲發(fā)射特性曲線(Ia~If)是在一定的管電壓下,管電流(Ia)與燈絲加熱電流(If)的關(guān)系補償?shù)脑瓌t是:當管電壓變高時,適當減小燈絲加熱電流,以使管電流不隨管電壓的變化而變化。反之,當管電壓變低時,則適當增加燈絲加熱電流。.燈絲發(fā)射特性曲線.72..73..74

X線管的負載特性曲線:是X線管允許的陽極負載(耗散)功率與曝光時間的關(guān)系曲線。負載特性曲線分四部分:

Ⅰ:用于單次攝影。曝光時間很短(0.1秒)。陽極耗散功率變成焦點的溫升。這段時間內(nèi)陽極耗散功率P不變,在這一段時間內(nèi)允許的功率是最大的,可達額定功率。

Ⅱ:用于單次攝影。曝光時間較長(幾秒)。允許耗散功率P與√t成反比,焦點上的熱量向靶盤內(nèi)傳遞。

Ⅲ:用于重復(fù)攝影。工作時間較長(10秒),焦點上的熱量向全陽極靶盤傳遞。使整個陽極靶盤溫度升高,這一段內(nèi)允許的陽極耗散功率由陽極靶盤的熱容量決定,所以允許的耗散功率與時間t成反比。

Ⅳ:用于長時間曝光如透視。曝光時間可無限延長(幾十秒至幾分鐘)。這是耗散的功率變成熱能經(jīng)陽極靶盤輻射到玻璃殼外,再由管套內(nèi)的油傳到導(dǎo)管套上,向空氣中發(fā)散,這時的功率P恒定,但此時允許耗散功率很小。如標稱50KW的X線管。在Ⅳ區(qū)內(nèi)只允許耗散0.3KW...75..76X線管的容量容量的計算

P=1/1000(UI)

式中P為功率(kW),U為管電壓有效值(kV),I為管電流有效值(mA).在不同整流方式中,管電壓和管電流的波形不同,其管電壓峰值與有效值、管電流平均值與有效值均不相同,有一定的換算關(guān)系。代表容量對某X線管在一定整流方式和曝光時間條件下的最大容量稱為代表容量(或稱標稱容量)。對固定陽極X線管的代表容量是指在單相全波整流電路中,曝光時間為1秒時所能承受的最大功率。旋轉(zhuǎn)陽極X線管的代表容量是在三相六管全波整流電路中,曝光時間為0.1秒時所能承受的最大功率。.X線管的容量.77選擇題X線管內(nèi)高速電子得動能取決于AX線管燈絲加熱電壓B兩極間得管電壓C靶物質(zhì)的原子序數(shù)D管電流關(guān)于X線產(chǎn)生條件的敘述,錯誤的是A電子源B高速電子流C阻礙電子流的靶面D高速電子與靶面物質(zhì)相互作用的結(jié)果EX線管的靶面均由鉬制成產(chǎn)生X線必備條件中,電子源來于A靶物質(zhì)B陽極面C高電壓D陰極罩E燈絲的加熱X線的產(chǎn)生利用了靶物質(zhì)的三個特性是(選三項)A軌道電子結(jié)合能B靶物質(zhì)的面積C核電場D靶物質(zhì)的熱傳遞效應(yīng)E原子存在于最低能級的需要.選擇題X線管內(nèi)高速電子得動能取決于.78關(guān)于連續(xù)X線的敘述,錯誤的是AX線光子的能量決定于電子的能量B電壓越高,產(chǎn)生的X線補充越短CX射線譜是連續(xù)能譜D70KVp以下不產(chǎn)生連續(xù)X線.關(guān)于連續(xù)X線的敘述,錯誤的是.79單項選擇題關(guān)于X線的質(zhì),說法不正確的是:(

)A、代表X線穿透力B、與X線波長成正比

C、與靶物質(zhì)原子序數(shù)有關(guān)D、與管電壓呈正比

關(guān)于固定陽極X線球管,說法有誤的是:(

)A、X線管的靶面熱量主要通過熱傳導(dǎo)散熱B、焦點尺寸大,負載功率有限C、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜D、由于陽極固定,使用壽命較長.單項選擇題關(guān)于X線的質(zhì),說法不正確的是:().803、旋轉(zhuǎn)陽極X線管的陽極旋轉(zhuǎn)的目的是:(

A、提高X線產(chǎn)生質(zhì)B、增大X線產(chǎn)生的量

C、使單位面積陽極靶面受熱減小,從而增大球管的功率,減小焦點

4、關(guān)于實際焦點與有效焦點,下列說法不正確的是:(

A、實際焦點指燈絲發(fā)射電子聚焦后轟擊在陽極靶面上的面積

B、實際焦點一定的情況下,減小靶角可以減小有效焦點

C、有效焦點指實際焦點在X線管長軸方向的投影

D、有效焦點越小得到的影像越清晰旋轉(zhuǎn)陽極X線管的陽極旋轉(zhuǎn)的目的是:(

)A、提高X線產(chǎn)生質(zhì)B、增大X線產(chǎn)生的量

C、使單位面積陽極靶面受熱減小,從而增大球管的功率,減小焦點關(guān)于實際焦點與有效焦點,下列說法不正確的是:(

)A、實際焦點指燈絲發(fā)射電子聚焦后轟擊在陽極靶面上的面積B、實際焦點一定的情況下,減小靶角可以減小有效焦點C、有效焦點指實際焦點在X線管長軸方向的投影D、有效焦點越小得到的影像越清晰.3、旋轉(zhuǎn)陽極X線管的陽極旋轉(zhuǎn)的目的是:()

A、提高X81固定陽極X線管陽極頭上罩有陽極帽,其作用是(

)A、平衡陽極重量B、固定靶面

C、散熱D、吸收二次電子及部分吸收散射線旋轉(zhuǎn)陽極X線管的陽極結(jié)構(gòu):(

)A、陽極頭、轉(zhuǎn)子B、陽極頭、陽極柄

C、靶面、鉬桿、轉(zhuǎn)子D、陽極帽、轉(zhuǎn)子、鉬桿.固定陽極X線管陽極頭上罩有陽極帽,其作用是().82關(guān)于X線管陽極特性曲線,描述正確的是:(

)A、燈絲加熱電流在某一恒定值下,管電流與管電壓的關(guān)系B、管電流在某一恒定值下,燈絲加熱電流與管電壓的關(guān)系C、管電壓在某一恒定值下,燈絲加熱電流與管電流的關(guān)系D、燈絲加熱電流在某一恒定值下,電源電壓與管電壓的關(guān)系.關(guān)于X線管陽極特性曲線,描述正確的是:().83關(guān)于連續(xù)X線的波譜將隨管電壓升高變化的敘述,錯誤的是A管電壓升高時,最短波長向長波一側(cè)移動;B管電壓升高時,強度曲線向短波一側(cè)移動;C管電壓升高時,最強波長向短波一側(cè)移動;D管電壓升高時,產(chǎn)生的X線總量將以管電壓二次方比例增大。.關(guān)于連續(xù)X線的波譜將隨管電壓升高變化的敘述,錯誤的是.84X線中最短波長指的是A電子接近原子核減速,丟失能量轉(zhuǎn)換的X線光子B電子與原子核碰撞,全部能量轉(zhuǎn)換的X線光子C電子與核外電子碰撞,丟失能量轉(zhuǎn)換的X線光子D電子擊脫核內(nèi)層電子,外層電子躍遷釋放的X線光子E電子穿透原子與另外原子核作用,丟失能量轉(zhuǎn)換的X線光子.X線中最短波長指的是.85關(guān)于特征X線敘述,正確的是AX線波長僅與管電壓有關(guān)B內(nèi)層軌道電子發(fā)射出的X線為特征X線CX射線譜是連續(xù)能量譜D管電壓升高特征放射能量增加E管電壓升高特征射線的百分比減少.關(guān)于特征X線敘述,正確的是.86關(guān)于特征X線敘述,錯誤的是A特征X線又稱為標識射線B疊加在連續(xù)X射線譜上C波長為一定數(shù)值的X線D代表一些強度較強的X線E是高速電子與原子核作用的結(jié)果.關(guān)于特征X線敘述,錯誤的是.87關(guān)于X線性質(zhì)的敘述,錯誤的是AX線與紫外線一樣為電磁波BX線具有波動和微粒的二象性CX線具有干涉與衍射現(xiàn)象D光電效應(yīng)證明了它的波動性.關(guān)于X線性質(zhì)的敘述,錯誤的是.88屬于X線化學(xué)效應(yīng)的是A穿透作用B電離作用C熒光作用D衍射作用E感光作用.屬于X線化學(xué)效應(yīng)的是.89醫(yī)學(xué)X射線影像設(shè)備-X線及其產(chǎn)生原理.醫(yī)學(xué)X射線影像設(shè)備-X線及其產(chǎn)生原理.90X線的本質(zhì);

X線的特性;

X線與物質(zhì)的相互作用;

X線的產(chǎn)生機理;

X線管結(jié)構(gòu)與工作原理;

;.X線的本質(zhì);

X線的特性;

X線與物質(zhì)的相互作用;

X線91

X射線的本質(zhì)------電磁波

波長介于紫外線、γ射線之間,波長范圍 :0.01-100A,醫(yī)學(xué)應(yīng)用波長為0.01-1A,其中用于成像的波長為0.1-1A,用于治療的波長為0.01-0.1A.

由于X線光子能量大,能使物質(zhì)電離,屬于電離輻射。X線同時具有波動性和微粒性。即波粒二象性。.

X射線的本質(zhì)------電磁波

波92X線的波動性表現(xiàn)在具有干涉、衍射和偏振等波動特性;并以一定的波長和頻率在空間傳播;在真空中的傳播速度與光速相同。X線的波長(λ)頻率(ν)和波速(c)的關(guān)系為λ=c/νX線的粒子性主要表現(xiàn)為,以光子形式在輻射和吸收時具有能量、質(zhì)量和動量。

E=h×νE:光子能量h:普郎克常數(shù)

mφ=E/c2.X線的波動性表現(xiàn)在具有干涉、衍射和偏振等波動特性;并以93..94X線的特性

由于X線光子能量大,使它具有一系列特殊性質(zhì)。醫(yī)學(xué)上正是利用X線的這些個性實現(xiàn)X線成像或做治療。X線的特性一物理特性穿透作用電離作用熒光作用熱作用二化學(xué)作用感光作用著色作用三生物效應(yīng).X線的特性由于X線光子能量大,使它具有一系列特殊性質(zhì)95X線的穿透作用

X線波長很短,x線光子能量很大(x線能量E=h*v=hc/λ)具有很強的穿透力,能穿透一般可見光不能穿透的各種不同密度的物質(zhì),穿透過程中受到一定程度的吸收即衰減。X線的穿透力與X線光子能量密切相關(guān),光子能量愈大,穿透力也愈強;反之,其穿透力愈弱。另一方面,X線的穿透力還與被照體的密度和厚度相關(guān),密度越大,對X線吸收越多,X線穿過的越少,X線穿透性是X線成像的基礎(chǔ)。.X線的穿透作用

X線波長很短,x線光子能量很大(x線能量96X線的電離作用物質(zhì)受X線照射時,是核外電子脫離原子軌道,這種作用叫做電離。在固體和液體中電離后的正、負離子將很快復(fù)合,不易收集。但在氣體中的電離電荷卻很容易收集起來,利用電離電荷的多少來測定X線的照射量,多種X線測量儀器正是根據(jù)這個原理制成的。由于電離作用,使氣體能夠?qū)щ姟⒛承┪镔|(zhì)可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng);在有機體內(nèi)可以誘發(fā)各種生物效應(yīng)。電離作用是X線損傷和治療的基礎(chǔ)。.X線的電離作用物質(zhì)受X線照射時,是核外電子脫離97熒光作用有些物質(zhì)如磷、鉑氫化鋇、硫鋅化鎘、鎢酸鈣等,受X線照射后,由于電離或激發(fā)使原子處于激發(fā)狀態(tài),在回到基態(tài)過程中,由價電子的能級躍遷而輻射出可見光或紫外線光譜,這種光譜就是熒光,而X線使物質(zhì)發(fā)生熒光的作用叫做熒光作用。熒光強弱取決于X線的強弱。在X線成像設(shè)備中利用這種熒光作用制成了熒光屏、增感屏、影像增強器中的輸入屏和輸出屏等。.熒光作用有些物質(zhì)如磷、鉑氫化鋇、硫鋅化鎘、鎢酸98熱作用物質(zhì)吸收的X線能量最終絕大部分轉(zhuǎn)換為熱量,使物體溫度升高,這就是熱作用。.熱作用物質(zhì)吸收的X線能量最終絕大部分轉(zhuǎn)換為熱量99化學(xué)作用

(一)感光作用當X線照射到膠片的溴化銀上的時候,由于電離作用,使溴化銀藥膜起化學(xué)變化,出現(xiàn)銀粒沉淀,這就是X線的感光作用。銀粒沉淀的多少,由膠片受X線照射量而定,再經(jīng)化學(xué)顯影,變成黑色的金屬銀,構(gòu)成X線圖像,未感光的溴化銀則被定影液溶去。X線攝影就是利用這種X線化學(xué)感光作用,使組織影像出現(xiàn)在膠片上。.化學(xué)作用

(一)感光作用.100化學(xué)作用(二)著色作用某些物質(zhì)如鉑氰化鋇、鉛玻璃、水晶等,經(jīng)X線長期照射后,其結(jié)晶體脫水而改變顏色,這就叫著色作用。.化學(xué)作用(二)著色作用.101生物效應(yīng)X線對生物組織細胞具有破壞、瓦解的作用,稱為X線的生物效應(yīng)。.生物效應(yīng)X線對生物組織細胞具有破壞、瓦解的作用,稱為X線的生102X線與物質(zhì)的相互作用診斷用X線領(lǐng)域內(nèi),X線與物質(zhì)的相互作用形式主要為光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。(一)光電效應(yīng)(1)光電效應(yīng)的定義:X線與物質(zhì)相互作用時,X線光子的能量全部給與了物質(zhì)原子的殼層電子。原子中獲得能量的電子擺脫原子核的束縛,成為自由電子。而X線光子則被物質(zhì)的原子吸收。這一過程稱為光電效應(yīng)。.X線與物質(zhì)的相互作用診斷用X線領(lǐng)域內(nèi),X線與103(2)光電效應(yīng)的產(chǎn)物:光電效應(yīng),在攝影用X線能量范圍內(nèi),是和物質(zhì)作用的主要形式之一嗎,它是以光子擊脫原子的內(nèi)層軌道電子而發(fā)生,光電效應(yīng)有三個產(chǎn)物:特征放射、光電子(也叫負離子)和正離子(既缺少電子的原子)。.(2)光電效應(yīng)的產(chǎn)物:光電效應(yīng),在攝影用X線能量范圍內(nèi),是和104光電效應(yīng)光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件:光子能量與電子結(jié)合能必須接近相等才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。光電效應(yīng)發(fā)生的幾率與光子能量的三次方成反比,與被照物的原子序數(shù)的三次方成正比。光電效應(yīng)在X線攝影中的實際意義:光電效應(yīng)不產(chǎn)生有效的散射,對膠片不產(chǎn)生灰霧.光電效應(yīng)可增加影像的對比度。X線影像的對比,產(chǎn)生于不同組織的吸收差異,這種吸收差別愈大,則對比度愈高,因為光電效應(yīng)的幾率和原子序數(shù)的三次方成正比,所以光電效應(yīng)可擴大不同元素所構(gòu)成的組織的影像對比。在光電效應(yīng)中,光子的能量全部被吸收,增加了受檢者的輻射劑量。.光電效應(yīng)光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件:光子能量與電子結(jié)合105康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)也稱散射效應(yīng)或康普頓散射。它是X線診斷能量范圍內(nèi),X線與物質(zhì)相互作用的另一種主要形式。當一個光子擊脫外層軌道上的電子時,入射光子就會偏轉(zhuǎn)以新的方向散射出去。光子的能量一部分作為反跳電子的動能,而絕大部分是作為光子散射,一個光子偏轉(zhuǎn)以后,能保留多大能量由它的原始能量和偏轉(zhuǎn)的角度來決定。偏轉(zhuǎn)的角度愈大,能量的損失就愈多。

散射光子的方向是任意的,光子的能量愈大,它的偏轉(zhuǎn)角度就愈小。X線診斷能量范圍內(nèi),散射光子仍保留大部分能量,只有很少的能量傳給電子。在X線攝影中所遇到的散射線,幾乎都是來自這種散射。.康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)也稱散射效應(yīng)或康普頓散射106產(chǎn)生條件1.產(chǎn)生自由電子;2.使電子作定向的高速運動;3.在其運動的路徑上設(shè)置一個障礙物使電子突然減速或停止。.產(chǎn)生條件1.產(chǎn)生自由電子;.107產(chǎn)生原理

在醫(yī)學(xué)X線成像設(shè)備中,X線是在高度真空的X線管中產(chǎn)生的。

在X線管中,高速運動的電子與物體碰撞時,電子的速度驟然降低,在這一過程中能量轉(zhuǎn)換,電子的運動受阻失去動能,其中一小部分(1%左右)能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線,而絕大部分(99%左右)能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。.產(chǎn)生原理在醫(yī)學(xué)X線成像設(shè)備中,X線是在高108

高速電子與靶原子相互作用存在以下四個物理過程。..109

電離原子外層價電子或內(nèi)層電子在高速電子作用下完全脫離了原子軌道,使原子變成離子,這一過程稱為電離。高速電子的動能轉(zhuǎn)化為以下三部分:一部分能量消耗在內(nèi)、外層電子的脫出功,這部分能量見伴隨著發(fā)射光學(xué)光譜(由外層電子軌道躍遷產(chǎn)生)和標識X射線(有內(nèi)層電子軌道躍遷產(chǎn)生)以光能的形式釋放出來;另一部分轉(zhuǎn)化為二次電子(被擊出的軌道電子)得動能;第三部分轉(zhuǎn)化為出射電子的動能,出射電子以較低的能量,并改變方向射出,然后與其他原子或原子核發(fā)生作用…….電離.110

電離過程中向外發(fā)射的光譜有兩種:一種是由于外層價電子脫離原子軌道,離子結(jié)合自由電子變?yōu)樘幱诩ぐl(fā)態(tài)的原子,再回到基態(tài)過程中發(fā)射出可見光普,另一種發(fā)射光譜是由于內(nèi)層電子脫離軌道,使原子處于激發(fā)狀態(tài),通過內(nèi)層電子的躍遷而輻射標識射線。

.電離過程中向外發(fā)射的光譜有兩種:一種是由于外層111..112

(二)激發(fā)

高速電子(或二次電子)撞擊原子外層電子,由于作用較弱,不足以使其電離,僅將其推入高能級的空殼層,使原子處于激發(fā)狀態(tài),這種作用叫做激發(fā)。

入射電子的動能,一部分轉(zhuǎn)化為方向改變、速度變小的出射電子的動能,另一部分是被原子吸收的激發(fā)能。處在激發(fā)態(tài)的原子將發(fā)射光學(xué)光譜。這部分光能最終導(dǎo)致固體分子熱運動加快;溫度上升,全部轉(zhuǎn)化為熱能。

. (二)激發(fā) 113(三)彈性散射

高速電子受原子核的作用而改變運動方向但是能量不變,稱為彈性散射。這種作用沒有光譜輻射,也沒有能量損失。由于陽極靶內(nèi),物質(zhì)的密度很高,散射的距離很短,高速電子將很快在改變的方向上與其他原子或原子核相遇,發(fā)生新的作用。

.(三)彈性散射

高速電子受原子核的作用而改變114

(四)軔致輻射高速電子在原子核的電場作用下,速度突然變小時,它的一部分能量轉(zhuǎn)變成電磁波發(fā)射出來,這種情況叫做軔致輻射。 .(四)軔致輻射115

在軔致輻射中,入射電子的能量一部分轉(zhuǎn)化為輻射電磁波的能量hv,其波長在X線范圍內(nèi),在醫(yī)用X線中占有特別重要的地位;另一部分轉(zhuǎn)化為出射電子的動能,出射電子的方向?qū)l(fā)生改變。軔致輻射的特點:(1)軔致輻射是在核電場作用下的一種能量轉(zhuǎn)化形式。(2)軔致輻射所產(chǎn)生的X線是一束波長不等的連續(xù)光譜。.在軔致輻射中,入射電子的能量一部分轉(zhuǎn)化為輻射電116造成軔致輻射產(chǎn)生的X線是一束波長不等的連續(xù)光譜的原因(一)加在X線管兩端的高壓是脈動直流電壓,使得到達陽極的各個高速電子的動能并不相同;(二)高速電子在進入核電場前通過電離或激發(fā)所失去的動能并不相同;(三)各個高速電子在原子核電場中被阻止的情形不一樣,離核越近,受核電場組織作用越強,由動能轉(zhuǎn)化為光能的部分能量越多,輻射X線的波長越短,反之波長就越長。.造成軔致輻射產(chǎn)生的X線是一束波長不等的連續(xù)光譜的原因(一)加117..118連續(xù)X線1.連續(xù)譜線的最短波長從強度分布曲線看出,每一種電壓條件下連續(xù)譜線都有一個最短波長極限,且隨電壓的升高而變小。.連續(xù)X線.119中心波長對應(yīng)一定KV值的連續(xù)X線譜的強度是隨波長的變化而連續(xù)變化,除在短波長方向上有一個最短波長極限外,每一條曲線都有一個強度最大值,在連續(xù)譜中最大強度所對應(yīng)的波長叫中心波長。.中心波長.120位移規(guī)則 由連續(xù)X線譜看出,隨著管電壓升高,各種波長的強度均相應(yīng)地增加,同時,各曲線所對應(yīng)的強度最大值和最小波長均向短波方向移動,即最短波長和中心波長隨管電壓升高而向短波移動,這種現(xiàn)象稱為連續(xù)X線譜的位移規(guī)則。連續(xù)X線的總強度X線強度的定義:X線強度是垂直于X線束的單位面積上,在單位數(shù)間內(nèi)通過的光子數(shù)和每個光子能量的乘積。經(jīng)驗公式:

I=k1IZVV

式中I為管電流;Z為靶面焦點材料原子序數(shù);K1為常數(shù)。約等于1.1;此式說明,X線強度分別與靶物質(zhì)的原子序數(shù)Z與X線管管電流I成正比。這是由于原子序數(shù)越高,核電場作用越強,因而軔致輻射產(chǎn)生的X線強度也越大;而管電流越大,說明單位時間內(nèi)撞擊靶面的電子數(shù)目越多,故產(chǎn)生的X線強度也越大。(這兩個因素只影響X線的量,而不影響X線的質(zhì)。).位移規(guī)則 .121X線的總強度與管電壓的平方成正比,但管電壓的變化不僅影響X線的量,也影響X線的質(zhì)。隨著管電壓升高,最短波長與中心波長均向短波方向移動,X線束中高能成分相對于低能成分增加要顯著得多。.X線的總強度與管電壓的平方成正比,但管電壓的變1221232.標識(特征)X線譜特征譜線特點:①電壓↑到一定值(同一材料),出現(xiàn)線狀譜②不同材料線狀譜形狀和位置均不同(1).物理過程.342.標識(特征)X線譜特征譜線特點:①電壓↑到一定值123產(chǎn)生機理

標識X射線譜的產(chǎn)生相理與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。標識(特征)X線是高能電子沖擊把物質(zhì)內(nèi)層軌道電子而產(chǎn)生的。一個常態(tài)的原子處于最低能級狀態(tài),也就是說,它要永遠保持其內(nèi)層軌道電子是滿員的。如果從鎢原子移去一個電子,就會造成這個原子有剩余的正電荷,而成為正離子。原子恢復(fù)正常狀態(tài)時,K層電子空位常由L層電子補充,這是因為L層電子的能量多。當電子從L層轉(zhuǎn)換到K層時,將把多余的能量作為X線光子放出。這種放射就稱為K特性放射。.產(chǎn)生機理標識X射線譜的產(chǎn)生相理與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密124L層電子的空位,可由M層電子補充,多余的能量的放出,又產(chǎn)生一個X線光子,稱為L特性放射,但其能量要比K特性放射小得多。外層軌道電子的躍遷也會產(chǎn)生特性放射,它的能量就會更小,多屬于熱波或被X線管壁吸收掉的長波X線。.L層電子的空位,可由M層電子補充,多余的能量的放出,又產(chǎn)生一125126鎢靶原子的特征輻射示意圖原因:原子中內(nèi)層電子躍遷所產(chǎn)生.需要指出:在X線產(chǎn)生中,特征X線很少部分診斷、治療中,主要是連續(xù)X線。

.37鎢靶原子的特征輻射示意圖原因:原子中內(nèi)層電子躍遷所產(chǎn)生.126標識X線的特點任何元素的特征X線的波長是固定不變的它只與靶原子的結(jié)構(gòu)有關(guān),不同的靶原子有不同波長的特征X線。在醫(yī)用診斷X線中,僅K系標識X線有用,其他各系如L、M、N……各系。由于波長較長,能量低均被X線管壁和濾過層所吸收。標識X線只有在一定管電壓下才能出現(xiàn),.標識X線的特點.127標識X射線的強度特征

K系標識X射線的強度與管電壓、管電流的關(guān)系為:當I標/I連最大,工作電壓為K系激發(fā)電壓的3~5倍時,連續(xù)譜造成的衍射背影最小。.標識X射線的強度特征K系標識X射線的強度與管電壓、管電流的128第一節(jié):固定陽極X線管一、結(jié)構(gòu)(一)陽極:陽極的主要作用是阻擋高速運動的電子流而產(chǎn)生X線,同時將曝光時產(chǎn)生的熱量輻射或傳導(dǎo)出去;其次是吸收二次電子和散亂射線,陽極由靶面、銅體、陽極罩和陽極柱四部分組成。靶面:接受高速運動的電子流轟擊,產(chǎn)生X線(曝光)靶面材料一般都選用鎢(Z=74),鎢的特點::熔點高(3370℃),蒸發(fā)率低,原子序數(shù)大,又有一定的機械強度,易于機械加工。鎢的缺點是導(dǎo)熱率小,受電子轟擊后產(chǎn)生的熱量不能很快地傳導(dǎo)出去銅體:使用真空熔焊方法將靶面焊接在無氧銅體上,借助銅體良好的散熱性能提高靶面散熱能力。.第一節(jié):固定陽極X線管一、結(jié)構(gòu).129..130陽極罩:由無氧銅制成,裝在靶外面,它的作用是吸收二次電子,并吸收部分散亂X線。

⑴結(jié)構(gòu):頭部圓口面對陰極,是高速運動的電子流轟擊靶面的通道;側(cè)下部圓口向外,是X線的輻射通道,⑵二次電子:高速運動的電子流轟擊靶面時,會有少量的電子從靶面反射和釋放出來,這部分電子稱為二次電子.⑶危害:①其能量較大(約為原來的99%),轟擊到玻璃殼內(nèi)壁上,將使玻璃殼溫度升高而釋放氣體,降低管內(nèi)真空度或使玻璃殼擊穿;②二次電子再次被陽極吸引轟擊到靶面上時,由于沒有經(jīng)過聚焦,將輻射出非焦點散射X線,使X線影像質(zhì)量降低;③二次電子還會附著在玻璃壁上,造成整個管壁電位分布極不均勻,產(chǎn)生縱向應(yīng)力,易致玻璃壁損壞。陽極柱:由紫銅制成,將銅體引出管外,通過與油之間的熱傳導(dǎo)將熱量傳導(dǎo)出去。.陽極罩:由無氧銅制成,裝在靶外面,它的作用是吸收二次電子,131..132(二)陰極:

陰極由燈絲和集射罩組成,其作用是發(fā)射電子與對電子聚焦。

1.燈絲:由鎢制成,繞成螺管狀,作用是發(fā)射電子。燈絲通電后,溫度將逐漸上升,至一定溫度后開始發(fā)射電子。接到燈絲兩端的電壓一般為交流5~10V、50Hz,燈絲電流一般為2~9A,3~6A的占多數(shù)。調(diào)節(jié)燈絲的加熱電壓即可改變燈絲發(fā)射的電子數(shù)量;燈絲溫度與發(fā)射電子的數(shù)量關(guān)系是呈指數(shù)的非線性關(guān)系燈絲點燃時間越長,工作溫度越高,鎢的蒸發(fā)越快,燈絲壽命越短。2.集射罩(聚焦罩):由鎳或鐵鎳合金制成,其作用是對燈絲發(fā)射的電子進行聚焦。當燈絲發(fā)射大量電子后接通管電壓時在電場作用下電子將以高速飛向陽極。但由于電子之間相互排斥致使電子呈散射狀,特別是在管電壓較低時散射更顯著。為使電子集中成束狀飛向陽極,將燈絲裝入集射罩內(nèi),集射罩與燈絲一端相接,從而獲得與燈絲相同的負電位,并借助其幾何形狀,迫使電子成束狀飛向陽極,達到聚焦的目的。

.(二)陰極:.133..134..1353、X射線管的陰極——產(chǎn)生電子類型:圓焦點型線焦點型1)結(jié)構(gòu)與類型結(jié)構(gòu):燈絲、聚焦杯.3、X射線管的陰極——產(chǎn)生電子類型:圓焦點型線焦點型1136(三)玻璃殼:

多采用耐高溫、絕緣強度高

、膨脹系數(shù)小的鉬玻璃制成,它的作用是支撐陰陽兩極和保持管內(nèi)真空度。真空度為防止X線管管內(nèi)氣體放電,保證陰極發(fā)射的電子能暢通無阻擋地高速飛向陽極,管內(nèi)的真空度應(yīng)保持在133.3×10-7Pa(10-7mmHg)以下。.(三)玻璃殼:.137二、X線管的焦點(一)實際焦點陽極靶面上電子撞擊的面積稱為實際焦點。即燈絲發(fā)射的電子經(jīng)聚焦后在靶面上的瞬間轟擊面積。實際焦點的寬度取決于聚焦罩的形狀、寬度和深度(二)有效焦點實際焦點在X線投照方向上的投影稱為有效焦點或目視焦點,設(shè)靶面與投射方向夾角為Q,實際焦點的長度為b,寬度為a,那么在Q方向上投影后,其寬度不變,而長度變?yōu)閎sinQ,因此有效焦點為absinQ.顯然有效焦點與X線投照方向有關(guān),愈近陽極端,Q角愈小,有效焦點愈小,這就是有效焦點的方位特性。當投照方向與X線管軸相垂直時,這時的Q角稱為靶角或陽極傾角。實際焦點在與X線管軸相垂直方向上的投影稱為標稱有效焦點(簡稱標稱焦點)。

.二、X線管的焦點.138..139..140(四)焦點的方位性.(四)焦點的方位性.141

阻礙影像清晰度提高的主要原因是運動模糊和幾何模糊??朔\動模糊需要縮短曝光時間,但為了有足夠的能量成像就需要增加X線管的功率,就需要增大焦點尺寸;產(chǎn)生幾何模糊是因為非點光源的問題,克服幾何模糊需要減小焦點尺寸。對于固定陽極X線管來說二者是相互矛盾的。因為陽極焦點面受溫度的影響,限制了其功率,要提高功率就必須增大焦點面積,這又使影像的幾何模糊度增加,二者不能兼顧。為了解決這一矛盾,滿足醫(yī)學(xué)成像要求,1927年人們制造出旋轉(zhuǎn)陽極X線管。.阻礙影像清晰度提高的主要原因是運動模糊和幾何模142

有效焦點與成像質(zhì)量有效焦點尺寸越小,影像清晰度就越高減小有效焦點,勢必減小實際焦點,X線管的功率隨之減小,曝光時間需增加,這將會引起運動模糊。.有效焦點與成像質(zhì)量.143第二節(jié)旋轉(zhuǎn)陽極X線管

(一)特點旋轉(zhuǎn)陽極X線管能夠較好地解決克服運動模糊與幾何模糊這一矛盾,也就是說它有較大的實際焦點與較小的有效焦點。在短時間(0.1秒)運用時他可以在同樣大小的有效焦點之下將負載增大到幾倍之多。(二)結(jié)構(gòu):由陽極、陰極和玻璃殼三部分組成

1.陽極:主要由靶面、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、軸承和定子

靶面:靶面具有6°-18°之間的傾斜角,由錸鎢合制造,鑲在一個直徑為70~150mm之間的由鉬或石墨制成基體圓盤上,其中心鉚接在鉬制細桿上,鉬桿的另一端與轉(zhuǎn)子相連,要求有良好的運動平衡性。靶面鑲在鉬或石墨基體上,這種結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(1)錸鎢合金靶面的晶粒較細,抗熱脹性能好,再結(jié)晶溫度高,使靶面在高溫下不易龜裂;(2)X線輻射率下降較慢;(3)木和石墨的比重較小,而比熱較大,這種復(fù)合靶的重量增加不多,但熱容量卻大大增加了。定子組件裝在管壁外面,與壁內(nèi)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成異步電動機。

.第二節(jié)旋轉(zhuǎn)陽極X線管(一)特點.144

轉(zhuǎn)子:它由無氧銅制成,通過鉬桿與靶盤和靶面連為一體,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,靶盤和靶面隨之轉(zhuǎn)動。其表面黑化,熱輻射能力較強。旋轉(zhuǎn)陽極X線管的啟動電機與小型單相異步電機的結(jié)構(gòu)和原理相似,只是轉(zhuǎn)子裝在X線管的玻璃殼內(nèi),而定子線圈裝在X線管玻璃殼的外面。轉(zhuǎn)軸裝入由無氧銅或純鐵制成的軸承套中,兩端各裝一只軸承。陽極轉(zhuǎn)速越高,單位時間內(nèi)承受高速運動的電子流轟擊的圓環(huán)面積越大,X線管的功率就越大,當然,轉(zhuǎn)速的提高須考慮轉(zhuǎn)子的運動平衡、軸承等因素。(三)陰極與外殼旋轉(zhuǎn)陽極X線管的陰極與外殼的結(jié)構(gòu)與固定陽極X線管基本相同。.轉(zhuǎn)子:它由無氧銅制成,通過鉬桿與靶盤和靶面連為一145厚重的陽極圓盤牢裝在軸承中旋轉(zhuǎn)的軸上,在同一軸上還裝有一個銅質(zhì)圓柱,作為感應(yīng)電子動的轉(zhuǎn)子,電動機的定子則套在X射線管玻殼的外面,流經(jīng)定子繞組的電流建立起一個旋轉(zhuǎn)磁場,帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,也就帶動了陽極旋轉(zhuǎn),管子的陰極裝有卷成螺旋管狀的鎢燈絲,其位置偏離管子中心軸線。因此,在陽極旋轉(zhuǎn)時實際焦點沿著它的表面旋轉(zhuǎn)著,其軌跡為一圓環(huán),這就使得所產(chǎn)生的熱量分布在一個連續(xù)運動著的環(huán)狀面上。焦點上單位面積所承受的熱量變小,就明顯提高了X射線管的功率,雖然實際焦點面積較大,但有效焦點卻很小,提高了X射線影像的清晰度。旋轉(zhuǎn)陽極的實際焦點與有效焦點如圖所示。.厚重的陽極圓盤牢裝在軸承中旋轉(zhuǎn)的軸上,在同一軸上還裝有一個銅146旋轉(zhuǎn)陽極陰極有效焦點實際焦點.旋轉(zhuǎn)陽極陰極有效焦點實際焦點.147

..148陰極燈絲陽極靶X光+-轉(zhuǎn)子定子旋轉(zhuǎn)陽極X線球管的結(jié)構(gòu).陰極燈絲陽極靶X光+-轉(zhuǎn)子定子旋轉(zhuǎn)陽極X線球管的結(jié)構(gòu).149..150..151

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由下式?jīng)Q定:

式中n為轉(zhuǎn)速,為定子中電源頻率,p為定子的極數(shù),一般等于2。由于存在轉(zhuǎn)差率,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約落后于磁場轉(zhuǎn)速的10%左右。所以,對中速管(50Hz),轉(zhuǎn)速2700轉(zhuǎn)/min

;對高速管(150Hz),實際轉(zhuǎn)速8500轉(zhuǎn)/min左右。若電源頻率提高到300Hz,實際轉(zhuǎn)速可達15000轉(zhuǎn)/min。旋轉(zhuǎn)陽極轉(zhuǎn)速達到額定值時(需要0.8~1.6s)才接通負載,產(chǎn)生X線。.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由下式?jīng)Q定:.152

轉(zhuǎn)速越高,X線管的功率越大。它們之間的關(guān)系如下:

式中P為功率,K為常數(shù),n為轉(zhuǎn)速,d為焦點軌道直徑??梢姽β逝c轉(zhuǎn)速和靶面直徑的平方根成正比。當速度增加到2倍時,允許功率增加到1.4倍左右。靶盤直徑越大,熱容量越大,散熱速度也越快,X線管的功率也增大。.轉(zhuǎn)速越高,X線管的功率越大。它們之間的關(guān)系如下:.153

旋轉(zhuǎn)陽極X線管的功率是基于陽極轉(zhuǎn)速達到額定值時的功率,如果在陽極轉(zhuǎn)速尚未達到額定值時曝光,將會造成X線管的靶面熔化損壞。因此,使用旋轉(zhuǎn)陽極X線管的X線機均設(shè)有旋轉(zhuǎn)陽極啟動、延時、保護電路。曝光結(jié)束、啟動電機斷電后,轉(zhuǎn)子因慣性將有較長的靜轉(zhuǎn)時間(從切斷啟動電機定子電源開始到轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動所用的時間),靜轉(zhuǎn)時間一般為數(shù)分鐘至幾十分鐘,靜轉(zhuǎn)是無用的空轉(zhuǎn),制造噪聲且磨損軸承,因此有必要在曝光結(jié)束后即對旋轉(zhuǎn)陽極進行制動,這樣可減少噪聲,延長軸承的壽命,進而延長X線管的壽命。對高速旋轉(zhuǎn)陽極X線管來講,制動可使旋轉(zhuǎn)陽極迅速越過臨界轉(zhuǎn)速(引起共振的臨界轉(zhuǎn)速為5000~7000r/min),避免X線管損壞。對于低速旋轉(zhuǎn)陽極X線管,如果轉(zhuǎn)子的靜轉(zhuǎn)時間低于30s,就說明軸承已明顯磨損。.旋轉(zhuǎn)陽極X線管的功率是基于陽極轉(zhuǎn)速達到額定值時的功率154..1553、軸承與軸承的潤滑軸承由耐熱合金鋼制成,可以承受較高的工作溫度(約400℃左右)。為避免過多的熱量傳導(dǎo)到軸承,把陽極端的轉(zhuǎn)軸外徑做得較細或用管狀鉬桿,減少熱傳導(dǎo),少量由陽極靶面?zhèn)鲗?dǎo)過來的熱量則大部分通過轉(zhuǎn)子表面輻射出去??梢?,旋轉(zhuǎn)陽極X線管與固定陽極

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