X射线原理（共9篇）
X射线原理 篇1
摘要：介绍了X射线管的工作原理,归纳总结了X线球管故障分析和排除常见方法。
关键词：X射线管,原理,故障
1.X射线管工作原理
X射线管实际上就是一只在高电压下工作的真空二极管,它有两个电极:一个是用于发射电子的灯丝,作为阴极,另一个是用于接受电子轰击的靶材,作为阳极,它们被密封在高真空的玻璃或陶瓷外壳内。按照产生电子的方式,X射线管可分为充气管和真空管两类;根据密封材质不同,可分为玻璃管、陶瓷管和金属陶瓷管;根据用途不同,可分为医疗X射线管和工业X射线管;根据密封方式不同,可分为开放式X射线管即在使用过程中需要不断抽真空,密闭式X射线管即生产X射线管时抽真空到一定程度后立即密封,使用过程中无需再次抽真空。X射线管供电部分至少包含有一个使灯丝加热的低压电源和一个给两极施加高电压的高压发生器。当钨丝通过足够的电流使其产生电子云,且有足够的电压(千伏等级)加在阳极和阴极间,使得电子云被拉往阳极。此时电子以高能高速的状态撞击钨靶,高速电子到达靶面,运动突然受到阻止,其动能的一小部分便转化为辐射能,以X射线的形式放出,以这种形式产生的辐射称为轫致辐射。改变灯丝电流的大小可以改变灯丝的温度和电子的发射量,从而改变管电流和X射线强度的大小。改变X光管激发电位或选用不同的靶材可以改变入射X射线的能量或在不同能量处的强度。由于受高能电子轰击,X射线管工作时温度很高,需要对阳极靶材进行强制冷却。虽然X射线管产生X射线的能量效率十分低下,但是在目前,X射线管依然是最实用的X射线发生器件,已经广泛应用于X射线类仪器。目前医疗用途主要分为诊断用X射线管和治疗用X射线管。
2.X射线管的常见故障分析
故障一:旋转阳极转子的故障
(1)现象
(1)电路正常,但转速明显下降;静转时间短;曝光时阳极不转动;(2)曝光时,管电流剧增,电源保险丝熔断;阳极靶面某点被熔化。
(2)分析
长期工作后导致轴承磨损变形及间隙改变,固体润滑剂分子结构也会改变。
故障二:X射线管阳极靶面损坏
(1)现象
(1)X射线输出量显著下降,X射线胶片感光度不足;(2)由于阳极金属被高温蒸发,可见玻璃壁镀有薄薄的金属层;(3)通过放大镜,可见靶面有龟裂、裂纹及熔蚀等现象;(4)焦点严重熔化时溅落的金属钨可能使X射线管爆裂损坏。
(2)分析
(1)过负荷使用。有两种可能:一种是过载保护电路失灵使一次曝光过载;另一种是多次曝光,
造成累积性过载而熔化蒸发;(2)旋转阳极X射线管转子卡死或启动保护电路出现故障,在阳极不转动或转速过低的情况下曝光,导致阳极靶面瞬间熔化蒸发;(3)散热不良。如散热体与阳极铜体接触不够紧密或油垢过多。
故障三:X射线管灯丝开路
(1)现象
(1)曝光时无X射线产生,毫安表无指示;(2)通过X射线管窗口可见灯丝不亮;(3)测量X射线管灯丝,阻值为无穷大。
(2)分析
(1)X射线管灯丝电压过高,烧断灯丝;(2)X射线管真空度被破坏,大量的进气使灯丝通电后迅速氧化烧断。
故障四:摄影没有X线产生的故障
(1)现象
(1)摄影也没有X线产生。
(2)分析
(1)若摄影也没有X线产生,则一般先去判断高压是否能够正常送至球管,直接在刚接灯泡处测量电压即可。以北京万东为例,一般高压变压器初次级电压比为3:1000,当然注意机器事先预留下的空间。该空间主要由于电源、自耦变压器等存在着内阻,曝光时损耗加大,从而导致的输入电压等下降的现象,该损耗与毫安选择有关,毫安越大,损耗越大,则空载检测电压也应该越高。
所以,当维修人员测量出的电压超出3:1000以外的一定范围内数值也属于正常,该超出数值与毫安选择有关,毫安越大,此数值也越大。由此可判断高压初级电路是否有问题。
X射线原理 篇2
1、了解X衍射的基本原理以及粉末X衍射测试的基本目的；
2、掌握晶体和非晶体、单晶和多晶的区别；
3、了解使用相关软件处理XRD测试结果的基本方法。实验原理
1、晶体化学基本概念
晶体的基本特点与概念：①质点（结构单元）沿三维空间周期性排列（晶体定义），并有对称性。②空间点阵：实际晶体中的几何点，其所处几何环境和物质环境均同，这些“点集”称空间点阵。③晶体结构=空间点阵+结构单元。非晶部分主要为无定形态区域，其内部原子不形成排列整齐有规律的晶格。
对于大多数晶体化合物来说，其晶体在冷却结晶过程中受环境应力或晶核数目、成核方式等条件的影响，晶格易发生畸变。分子链段的排列与缠绕受结晶条件的影响易发生改变。晶体的形成过程可分为以下几步：初级成核、分子链段的 图1 14种Bravais点阵
表面延伸、链松弛、链的重吸收结晶、表面成核、分子间成核、晶体生长、晶体生长完善。Bravais提出了点阵空间这一概念，将其解释为点阵中选取能反映空间点阵周期性与对称性的单胞，并要求单胞相等棱与角数最多。满足上述条件棱间直角最多，同时体积最小。1848年Bravais证明只有14种点阵。晶体内分子的排列方式使晶体具有不同的晶型。通常在结晶完成后的晶体中，不止含有一种晶型的晶体，因此为多晶化合物。反之，若严格控制结晶条件可得单一晶型的晶体，则为单晶。
2、X衍射的测试基本目的与原理
X射线是电磁波,入射晶体时基于晶体结构的周期性，晶体中各个电子的散射波可相互干涉。散射波周相一致相互加强的方向称衍射方向。衍射方向取决于晶体的周期或晶胞的大小,衍射强度是由晶胞中各个原子及其位置决定的。由倒易点阵概念导入X射线衍射理论, 倒易点落在Ewald 球上是产生衍射必要条件。1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是X射线衍射的基本原理。衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示：
2dsinn 式中d为晶面间距；n为反射级数；θ为掠射角；λ为X射线的波长。布拉格方程是X射线衍射分析的根本依据。
X 射线衍射(XRD)是所有物质，包括从流体、粉末到完整晶体，重要的无损分析工具。对材料学、物理学、化学、地质、环境、纳米材料、生物等领域来说，X射线衍射仪都是物质结构表征，以性能为导向研制与开发新材料，宏观表象转移至微观认识,建立新理论和质量控制不可缺少的方法。其主要分析对象包括：物相分析(物相鉴定与定量相分析)。晶体学（晶粒大小、指标化、点参测定、解结构等）。薄膜分析(薄膜的厚度、密度、表面与界面粗糙度与层序分析，高分辨衍射测定单晶外延膜结构特征)。织构分析、残余应力分析。不同温度与气氛条件与压力下的结构变化的原位动态分析研究。微量样品和微区试样分析。实验室及过程自动化、组合化学。纳米材料等领域。仪器与试剂
仪器型号及生产厂家：丹东浩元仪器有限公司DX-2700型衍射仪。测试条件：管电压40KV；管电流40mA；X光管为铜靶，波长1.5417Å；步长0.05°，扫描速度0.4s；扫描范围为20°～80°。试剂：未知样品A。4 实验步骤
1、打开电脑主机电源。
2、开外围电源：先上拨墙上的两个开关，再开稳压电源（上拨右边的开关，标有稳压）。
3、打开XRD衍射仪电源开关（按下绿色按钮）。
4、开冷却水：先上拨左边电源开关，再按下RUN按钮，确认流量在20左右方可。
5、开高压（顺时针旋转45°，停留5s，高压灯亮）。
6、打开XRD控制软件XRD Commander。
7、防光管老化操作：按照20KV、5mA；25KV、5mA；30KV、5mA；35KV、5mA；40KV、5mA；40KV、40mA程式分次设置电压、电流，每次间隔3分钟。设置方法：电压、电流跳到所需值后点set。
8、设置测试条件：设置扫描角度为3°~80°，步长0.05°，扫描速度0.4s。
9、点击Start开始测试。
10、降高压：将电压、电流分别降至20KV，5mA后，点击Set确认。
11、关高压：逆时针旋转45°，高压灯灭。
12、等待5min，再关闭冷却水，先关RUN，再关左边电源。
13、关闭控制软件（XRD Commander）。
14、关XRD衍射仪电源开关（按下红色按钮）。
15、关电脑。
16、关外围电源。实验数据及结果
本实验测定了一种粉末样品的XRD图谱并对测定结果进行物相检索，判断待测样品主要成分、晶型及晶胞参数。粉末样品的XRD图谱：
图2 未编号粉末样品X-Ray衍射图谱 实验结果分析与讨论
数据处理：对图谱进行物相检索
结论：经过对样品谱图进行物相检索，发现该粉末样品中含有两种晶相，主相为Sr2CaMoO6,另外一种杂相为SrMoO4.7 思考题
1、简述X射线衍射分析的特点和应用。
答：X射线衍射仪具有易升级，操作简便和高度智能化的特点，灵活地适应地矿、生化、理化等多方面、各行业的测试分析与研究任务。X 射线衍射(XRD)是所有物质，包括从流体、粉末到完整晶体，重要的无损分析工具。对材料学、物理学、化学、地质、环境、纳米材料、生物等领域来说，X射线衍射仪都是物质结构表征，以性能为导向研制与开发新材料，宏观表象转移至微观认识,建立新理论和质量控制不可缺少的方法。其主要分析对象包括：物相分析(物相鉴定与定量相分析)。晶体学（晶粒大小、指标化、点参测定、解结构等）。薄膜分析(薄膜的厚度、密度、表面与界面粗糙度与层序分析，高分辨衍射测定单晶外延膜结构特征)。织构分析、残余应力分析。不同温度与气氛条件与压力下的结构变化的原位动态分析研究。微量样品和微区试样分析。实验室及过程自动化、组合化学。纳米材料等领域。
2、简述X射线衍射仪的工作原理。
X射线原理 篇3
1972年,英国工程师豪斯菲尔德发明了X射线断层成像(X-ray compute tomography),简称X-CT,X-CT的发明,引起了发射医学领域的一场深刻的技术革命,是医学发射诊断学的重大成就之一。这种现代医学成像技术是以测定X射线通过人体后的衰减系数为基础,运用相关数学方法经过计算机处理,获得生物体某一部位的断层图像。与普通X射线透视和摄影相比,X-CT可以获得更加清晰的人体解剖图像。
1 X-CT成像的基本原理。
设有n个厚度为l的小立方体体素,如图1所示,每个小立方体近似地认为是均匀的介质,衰减系数分别为:µ1、µ2...µn,入射X射线的强度为I0。
X-CT所获得的图像为人体断层图像,在人体横断面上按照一定大小划分成n×n个体素组成的矩阵,称为体素矩阵。设每个体素的衰减系数分别为µ11、µ12µnn,如图2所示,只要求出体素矩阵中每个体素的衰减系数,就可以根据其数值的大小利用计算机建立人体断层的图像。当X射线穿过体素矩阵的第一行体素时,由探测器测得X射线的I0和In,可以计算出第一行体素的投影值;同理,把X射线管和探测器向下平移到第二行、第三行、…、第n行,就可以计算出n个投影值,根据(1)式,可以建立n个关于衰减系数的线性方程,而体素矩阵中共有n2个衰减系数,需要n2个线性独立的方程才能求解,为此,可以将X射线管和探测器旋转一个角度,如图2B所示,然后依次平移,又可以获得一组投影值,这种通过旋转X射线管和探测器并依次平移获得投影值的方法,称为扫描,通过不断的扫描,就可以建立n2个线性独立的方程,通过计算机运算就能求出体素矩阵中每个体素的衰减系数,依据衰减系数的大小,计算机就可以绘制出由n2个像素构成的人体断层图像。
2图像重建
根据建立的联立方程求解衰减系数值,图3A是一个简单的2×2体素矩阵组成的层面,µ11、µ12µ21µ22为四个体素的衰减系数,假设所求结构为图3B中数值,按照水平和垂直方向扫描,可得µ11+µ12=7、µ21+µ22=11、µ11+µ21=5、µ12+µ22=13四个方程,其中只有三个是独立的,另取左上右下对角线扫描可得方程µ11+µ22=10;将此方程和以上任意三个联立可求得µ11=2、µ12=5、µ21=3、µ22=8,这样就可以得到图3B的µ值矩阵。
根据所得µ值矩阵,计算机可以生成由若干不同灰度的小方块排列成相应的矩阵,矩阵中的小方块称为像素,像素的灰度强弱与µ值矩阵中的µ值的大小有关。在图像重建时,计算机首先把µ值转变为CT值[2]:
CT值的单位是HU,上式中µW=0.19cm-1为水在X射线光子能量为73Ke V时的线性衰减系数,按照上式,水的衰减系数为0HU,空气的CI值为-1000HU,致密骨的CT值大约为1000HU,这样,人体内各个组织器官的CT值在-1000HU和1000HU之间,因此,X-CT所建立的断层图像实际上是由CT值矩阵生成的像素矩阵,图像中每个像素灰度的强弱是根据CT值的大小确定的。
摘要：当前,X射线计算机断层成像技术在医学诊断领域具有重要应用,这种技术是根据测定X射线通过人体后的衰减系数,利用计算机获得生物体某一部位的清晰断层图像,根据获取的人体生理图像分析,对某些重大疾病的早期诊断提供可靠的依据。
关键词：X射线断层成像,衰减系数,反投影法
参考文献
[1]侯玉林,楼渝英主编.医用物理学[M].西安交通大学出版社,2012(08):229.
X射线衍射的应用 篇4
晶体的X射线衍射图象实质上是晶体微观结构形象的一种精细复杂的变换。每种晶体结构与其X射线衍射图之间都有着一一对应的关系。任何一种晶态物质都有自己独立的X射线衍射图谱, 不会因为它种物质混聚在一起而产生变化。这就是X射线衍射物相分析方法的依据。因此每种物质都必有其特有的衍射图谱。
X射线的分析方法主要是照相法和衍射仪法。劳厄等人在1912年创用的劳厄法，利用固定的单晶试样和准直的多色x射线束进行实验；Broglie于1913年首先应用的周转晶体法，利用旋转或回摆单晶试样和准直单色X射线束进行实验；德拜（Debye）、谢乐（Scherrer）和HuU在1916年首先使用粉末法，利用粉末多晶试样及准直单色X射线进行实验。在照相技术上做出重要贡献的有Seemann聚焦相机、带弯晶单色器的Guinier’相机及Straumanis不对称装片法。1928年Geiger与Miiller首先应用盖革计数器制成衍射仪，但效率均较低。现代衍射仪是在20世纪40年代中期按Friedman设计制成的，包括高压发生器、测角仪和辐射计数器等的联合装置，由于目前广泛应用电子计算机进行控制和数据处理，已达到全自动化的程度。1定性分析
1.1物相定性定量分析原理
物相分析包括物相定性分析和定量分析。物相定性分析, 就是说只要我们辨认出, 样品的粉末衍射图分别是和哪些已知的晶体粉末衍射 相关, 那么我们就可以断定该样品是由哪些晶体物相混合而组成的。显然, 要把这一原理顺利地付诸应用, 需要积累有大量的各种已知化合物的衍射图资料、数据作为参考标准, 而且还要有一套实用的查找、对比的方法, 才能迅速完成未知物衍射图的辨认、解释, 得出其相组成的鉴定结论。而物相定量分析, 是在定性分析的基础上, 通过多次衍射扫描, 再计算出每一物相所占的百分比含量。
任何物质都有其反映该物质的衍射图谱, 即衍射线条具有一定的晶面间距d值和相对强度I/ I。当未知样品为多相混合物时, 其中的各相分都将在衍射图上贡献出自己所特有的一组衍射峰(一组d值)。因此当样品中含有一定量的某种相分时, 则其衍射图中的某些d值与相对强度I, 必定与这种相分所特有的一组d值与相对强度I 全部或至少仍有的强峰(当含量较少时)相符合。由此可见, 描述每张衍射图的d值和相对强度I/ I1 值, 是鉴定各种物相的手模脚印。十分明显, 如果事先对一切纯净的单相物质进行测定, 并将其d值和相对强度I/ I1保存在卡片上, 这就是粉末衍射标准数据卡片。目前, 内容最丰富、规模最大的多晶衍射数据集是由JCPDS编的粉未衍射卡片集(PDF)。(JCPDS是Joint Committeeon Powder DiffractionStandards(粉未衍射标准联合委员会)的缩写)。至1987年, JCPDS卡片集有37集, 化合物总数已超过50000种, 并且PDF数据卡片的数目以每年2000张的速度在增长。现在将我们测得的样品衍射图的d值和相对强度I/ I1与PDF卡片一一比较, 若某种物质的d值和I/ I1与某一卡片全部都能对上, 则可初步肯定样品中含有此种物质(或相分), 然后再将样品中余下的线条与别的卡片对比, 这样便可逐次地鉴定样品中所含的各种相分。1.2晶体X射线衍射图的获得和数据分析基础 1.3定性分析举例(a)实验条件
仪器：采用日本理学Rigaku 公司的D/Max-2400X型射线衍射仪,Cu 靶Kα辐射，X 射线波长为0.154 056nm，管电压40 kV，管电流100 mA）测试样品的晶型和粒度；采用JEM-1200EX 型透射电子显微镜观察粒子的形貌, 加速电压为80 kV；温度：19.5℃(室温)。(b)X 射线衍射分析
样品的X 射线衍射谱如图1 所示，图中各衍射峰与标准晶态银卡片上的保持一致，粉末呈面心立方结构的晶态。衍射谱图中未见其它杂质物相衍射峰的存在，故所制产物为纯净的银粉。同时由于反应产物粒径细小衍射峰明显宽化。样品的晶粒尺寸用XRD 峰的半高宽根据Scherrer 公式d=0.89/(Bcosθ)估算，式中K 为常数，用铜靶时近似为0.89；波长为λ=1.540 56A ；d 为粒径；θ为衍射角；B 为主峰半峰宽所对应的弧度值。以(111)晶面衍射峰为基准计算得晶粒尺寸为22 nm。
图1: Ag 纳米粉的X 射线衍射谱图(XRD Pattern o f Ag nano-particles)
2.点阵常数的精确测定
任何一种晶体材料,在一定条件下都有确定的点阵常数。
当外界条件（如温度、压力以及化学成分、内应力等）变化时，点阵常数都会随之改变；同种合金在不同的热处理制度下会析出点阵常数不同的同一相。精确测定这些变化对研究材料的相变、固溶体含量及分解、晶体热膨胀系数、内应力、晶体缺陷等诸多问题非常有用。所以精确测定点阵常数的工作是十分必要的。
2.1 传统的测量理论
测量衍射角和衍射强度(2θ~ I)曲线。为此, 首先根据X 射线衍射的布拉格(Bragg)公式:
2dsinθ=λ
其中λ是衍射波长, 将库中读出的晶面间距d值转换为衍射角度值2θ。根据粉末衍射原理,我们选取了高斯(Gauss)分布曲线作为模拟显示的衍射峰分布曲线, 高斯公式如下所示:
I(2θ)= AI0exp{-2(θ-θ0)2/σ2} 其中, 2θ0和I0是某一衍射峰的角度值和强度值, A和σ为参数, 适当选取可以调整峰在屏幕上的高度和尖锐程度。2.2点阵常数测定的基本原理
通过衍射角，晶体指数，射线波长等数据来计算点阵常数值 : 若为立方晶系,有：
2sin在已知晶体结构的情况下，通过任何一个衍射峰的位置(θ或d值)就可以计算出晶体的点阵常数(a)机械零点误差校正: 只有通过精确调整设备的机械零点，现代X射线衍射仪都有自动调整程序，通过反复调光来校准机械零点
(b)试样转动与计数器转动角度的匹配误差校正: 由于样品转动与计数器转动速度不匹配，导致衍射峰位置的偏移。可以通过标准硅作校正。aH2K2L2Δ（2θ）=A0+A1*（2θ）+A2*（2θ）2+A3*（2θ）3+A4*（2θ）4 式中Δ（2θ）=2θ计算-2θ测量，A0，A1，A2，A3，A4为最小二乘法的最佳匹配参数 2.3误差与校正
2.3.1计数测量系统滞后误差: 现代X射线衍射仪由于使用计算机采集数据，基本上不存在这种误差.(a)折射校正: X射线在空气中的折射率非常接近1，当点阵常数变化在10-5数量级时，需要进行校正，校正公式为：
2dsin(1sin2) 对于立方晶系，a校=a测（1+δ）
2.7021062物质密度晶胞中的电子总数晶胞中总原子量(b)温度校正: 当实验温度不在25℃时，需要进行温度校正。这是由于在晶体点阵中原子中心相对点阵结点在各个方向有热振动位置偏移,当X射线入射晶体而对布喇格公式加以温度校正
（c）由于样品吸收误差校正: X射线具有一定的穿透能力，内层物质参与衍射，使衍射线位移
.2sin22Rμ线吸收系数，R：测角仪半径
（d）X射线束水平发散及垂直发散引起的误差校正: 由于参与衍射的X射线不是完全平行的射线，由于水平方向和垂直方向发散导致的误差可表示为：
d12222cos[]22d12sin12sin式中:α为X射线束水平发散角;δ
1、δ2为入射线和衍射线光路上的有效轴向发散角（梭拉光阑片间距/沿光路方向的片长）（e）布喇格角测量误差:
式中:△θM为衍射线条位置θ角处测量偏离值.2.4点阵常数精确测量的应用: 2.4．1立方晶系点阵常数的测定（a）原理：
2l=πDθ/90o（1）
D — 相机直径(mm)θ—度
sin2θ= λ2(H2+K2+L2)/ 4a2（2）
sin2θ1: sin2θ2: … :sin2θn=
(H12+K12+L12):(H22+K22+L22):…(Hn2+Kn2+Ln2)（b）实验方法：
测定样品为W粉(GW13/ A982327)和Co粉(Co/ 992427),其粒度分别为1125μm和1157μm。实验采用Rigaku D/ max23C X射线衍射仪。W粉点阵常数测定采用CuKα1 和CoKα1 双辐射;Co粉采用CoKα1和FeKα。三种辐射分别采用Ni、Fe和Mn滤波。点阵常数精确测定时,扫描速度为1°/ min ,步进为0101°;一般相分析时,扫描速度为4°/ min ,步进为0.02°。根据需要保留Kα1 和Kα2 谱线或去除Kα2 的单一Kα1 谱线。衍射实验中确保获得足够的高角度谱线。衍射线的2θ值经随机Si标样修正,Si 标样的点阵常数为a= 0.543 082 5nm±0.000 003 6 nm。用图解外推法外推到cos2θ= 0(2θ= 180°)处确定点阵常数。
（c）实验结果：
1），W粉点阵常数的测定结果：
图2为W粉的Cu辐射X射线衍射高角度谱线,图3为W粉的Co辐射X射线衍射高角度谱线。表1为W粉Cu辐射衍射数据,表2为W粉Co辐射衍射数据。表
1、表2中的2θ(修)数据是标准Si标样在相同辐射下各谱线应有的2θ值与相同衍射条件下获得的Si衍射谱线,各谱线的2θ值之间的差值△2θ,作△2θ～2θ曲线,修正对应的W、Co衍射记录的2θ(衍)值,得到的修正值2θ(修)。表中由各谱线计算的点阵常数a 是按立方晶系点阵常数计算式计算的,其计算公式示于该两表下注释之中。根据表1和表2中双辐射(Cu和Co辐射)的CuKα1和CoKα1 的高角度谱线,绘制a～cos2θ图,用图解外推法外推到cos2θ= 0(2θ= 180°)处确定点阵常数(见图3),确定结果为W粉的点阵常数a= 0.316 462 nm。用Cu靶和Co靶单独按上述方法和程序,并利用Kα2辐射,确定W粉点阵常数分别为a= 0.316 454 nm(Cu靶)和a= 0.316 461 nm(Co靶)。
图2，W粉的Cu辐射X射线衍射高角度谱线(CuKαl,步进0.01°)
图3, W粉的Co辐射X射线衍射高角度谱线(CoKαl,步进0.01°)
2），Co粉点阵常数的测定结果
Co粉的Co辐射(CoKα1)X射线衍射高角度谱线和Co粉的Fe辐射(FeKα)X射线衍射高角度谱线分别示于图5和图6。表3和表4分别列出Co粉Co辐射和Co粉Fe辐射的衍射数据。Co粉X射线衍射数据的2θ值Si标样修正和cos2θ外推法与上述W衍射相同。图7为用外推法确定Co粉点阵常数的图解。为提高图解精确度仍然采用双辐射(CoKα1 和FeKα1)。采用双辐射图解外推法,外推到cos2θ= 0(2θ= 180°)确定的Co粉点阵常数为a= 0.354 410 nm。同样,在研究中还对Co粉的Co辐射和Fe辐射,按相同方法和程序,并利用Kα2辐射
数据,单独确定Co粉的点阵常数,结果是a= 0.3 5 4 1 2 nm(Co靶)和a= 0.354 342 nm(Fe靶)。图5 Co粉的Co辐射X射线衍射高角度谱线(CoKα1,步进0.01°)
图6 Co粉的Fe辐射X射线衍射高角度谱线(FeKα,步进0.01°)
图7用图解外推法确定Co点阵常数 ○———FeKα1;×———CoKα1
3），Co粉的点阵结构类型: Co 存在两种点阵结构类型: fcc 和hcp。为了解常温下Co粉的点阵结构状态,用Co辐射(适合于鉴定fcc结构)和Fe辐射(适合于鉴定hcp结构)对Co粉进行相分析。衍射结果如图8和图9所示。无论是Co靶还是Fe靶的衍射谱均显示Co粉在常温状态下,在衍射的宽广2θ范围内,相应的fcc谱线均出现,而且强度大,谱线清晰。仅发现低角度的hcp(100)和hcp(101)微弱谱线,相对强度分别为2 %和3 % ,其余hcp谱线均未出现,或强度微弱被高强度的fcc谱线所掩盖或进入背底。X射线衍射谱表明常温下Co粉中fcc占绝对优势,即常温Co粉以fcc为主。图8 Co粉的Co辐射X射线衍射谱(CoKα1,步进0.02°)
图9 Co粉的Co辐射X射线衍射谱(FeKα,步进0.02°)
二，电子衍射的应用
透射电子显微镜（transmission electron microscope;TEM）是指：在一个高真空系统中，由电子枪发射电子束，穿过被研究的样品，经电子透镜聚焦放大，在荧光屏上显示出高度放大的物像，还可作摄片记录的一类最常见的电子显微镜。
在光学显微镜下无法看清小于0.2µm的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。
电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由照明系统、成像系统、真空系统、记录系统、电源系统5部分构成，如果细分的话：主体部分是电子透镜和显像记录系统，由置于真空中的电子枪、聚光镜、物样室、物镜、衍射镜、中间镜、投影镜、荧光屏和照相机。
电子显微镜是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜。高速的电子的波长比可见光的波长短（波粒二象性），而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制，因此电子显微镜的理论分辨率（约0.1纳米）远高于光学显微镜的分辨率（约200纳米）。1.透射电子显微镜进行晶体结构分析及表面形貌或微观组织结构分析： 1.1高分辨透射电镜样品制备
因叶腊石矿复式板片的层状微结构特征，在样品进行透射电镜观察时不需进行超薄切片处理，而直接采用经超声分散的样品进行粉体形貌与选区电子衍射的观察量取一定量粉体于无水乙醇中进行稀释，粉体样品与无水乙醇的量比约1mg:50ml。超声分散样品，超声时间1h取少量滴于铜网上，烘干待进行高分辨透射电镜测试。1.2实验仪器
叶腊石晶体结构特征采用FEI Tecnai G2F30S-TWIN场发射高分辨透射电镜观察，其点分辨率0.18nm，工 作 电 压300kV，采 用CCD 照 相机，曝光时间1s。叶腊石原矿粉体化学 成 分 分析采用 ARL ADVANT X型荧光光谱仪测定 粉晶 XRD物 相 鉴 定 采 用 Rigaku D/Max=2500V，CuKa射线，连续扫描模式。1.3叶腊石微结构形貌特征
高分辨透射电镜下叶腊石粉体形貌特征如图1所示，从图1a,b 中可明显看出，粉体颗粒大小与形态非均一化 此外，在图 1c中还清楚地观察到叶腊石微晶颗粒的薄层状形貌，该薄片厚度约为8~10nm，推测叶腊石的纳米尺寸效应可能与其耐高温及耐化学腐蚀性有较密切的联系。
因透射电镜观察样品形貌景深的弱势，上述叶腊石粉体的微晶薄层状形貌特点经场发射扫描电镜观察，形貌如图 所示，其中图 为图 中虚线区域 的放大图片 在图 中，可以看见多层叶腊石微晶薄片聚集态结构 鉴于叶腊石粉体的纳米级微晶薄层微结构特点及纳米粉体的团聚效应，笔者认为在叶腊石矿深加工领域，特别是制备分散的且具有较小长径比的超细粉体具有一定的局限性。
图1 叶腊石粉体的形貌
图2叶腊石微结构“复”式层状结构的 SEM图片
1.4叶腊石晶格条纹相及电子衍射花样分析
在叶腊石晶体的高分辨透射电镜图片中，可以较清晰地发现其晶体结构的二维晶格像(图3)在图3a中，虚线区域 F的放大图片见实线框区域所示，其中可呈现出典型的二维晶格像 图3b为 F区域所对应的选区电子衍射图像，从其衍射花样可得到被检测的区域样品为一典型的单晶结构。
据图 3b中的电子衍射花样，可进行衍射花样的二维标定与被检测物相及相应晶型的鉴定，衍射花样示意见图4, 从图4 选区电子衍射花样的结构模拟示意可知，距中心透射斑点o 距离由近及远三衍射点分别A,B,C，其中 OA,OB间距分别为 d1(0.4744nm)与d2(0.3841nm)，且 与d2所在矢量方向所夹锐角为78.3 鉴于上述对衍射花样的标定，可以看出对于高分辨透射电镜下观察的叶腊石晶体而言，其晶格同时发生较明显的畸变(晶格膨胀)在本实验观察中，叶腊石晶体在(020)和(113)晶面分别产生0.02998nm与0.04999nm 滑移，同时所观察到的晶面夹角也出现由理论值向小角度偏移趋势。
此外，本工作中还多次的在同一视域中，观察到规则的不同定向的晶格条纹像，且可辨析 的 清晰程度也存在着明显的不同。
图3叶腊石晶体结构的二维晶格条纹像及对应的选区电子衍射图
(SAED)
图4选区电子衍射花样结构模拟
三,利用电子探针进行成分分析
电子探针，Electron Microprobe，全名为电子探针X射线显微分析仪，又名微区X射线谱分析仪。可对试样进行微小区域成分分析。除H、He、Li、Be等几个较轻元素外，都可进行定性和定量分析。电子探针的大批量是利用经过加速和聚焦的极窄的电子束为探针，激发试样中某一微小区域，使其发出特征X射线，测定该X射线的波长和强度，即可对该微区的元素作定性或定量分析。将扫描电子显微镜和电子探针结合，在显微镜下把观察到的显微组织和元素成分联系起来，解决材料显微不均匀性的问题，成为研究亚微观结构的有力工具。电子枪发射的电子束被聚光镜聚集成直径为纳米级的细束。一种分析仪器，可以用来分析薄片中矿物微区的化学组成。该仪器将高度聚焦的电子束聚焦在矿物上，激发组成矿物元素的特征X射线。用分光器或检波器测定荧光X射线的波长，并将其强度与标准样品对比，或根据不同强度校正直接计数出组分含量。
电子探针又称微区X射线光谱分析仪、X射线显微分析仪。其原理是利用聚焦的高能电子束轰击固体表面，使被轰击的元素激发出特征X射线，按其波长及强度对固体表面微区进行定性及定量化学分析。主要用来分析固体物质表面的细小颗粒或微小区域，最小范围直径为1μm左右。分析元素从原子序数3(锂)至92(铀)。绝对感量可达10-14至10-15g。近年形成了扫描电镜—显微分析仪的联合装置，可在观察微区形貌的同时逐点分析试样的化学成分及结构。广泛应用于地质、冶金材料、水泥熟料研究等部门。
1.工作原理
电子探针有三种基本工作方式：点分析用于选定点的全谱定性分析或定量分析，以及对其中所含元素进行定量分析；线分析用于显示元素沿选定直线方向上的浓度变化；面分析用于观察元素在选定微区内浓度分布。由莫塞莱定律可知，各种元素的特征X射线都具有各自确定的波长，通过探测这些不同波长的X射线来确定样品中所含有的元素，这就是电子探针定性分析的依据。而将被测样品与标准样品中元素Y的衍射强度进行对比，就能进行电子探针的定量分析。当然利用电子束激发的X射线进行元素分析，其前提是入射电子束的能量必须大于某元素原子的内层电子临界电离激发能。
电子探针可以对试样中微小区域（微米级）的化学组成进行定性或定量分析。可以进行点、线扫描（得到层成分分布信息）、面扫描分析（得到成分面分布图像）。还能全自动进行批量（预置9999测试点）定量分析。由于电子探针技术具有操作迅速简便（相对复杂的化学分析方法而言）、实验结果的解释直截了当、分析过程不损坏样品、测量准确度较高等优点，故在冶金、地质、电子材料、生物、医学、考古以及其它领域中得到日益广泛地应用，是矿物测试分析和样品成分分析的重要工具。
2.利用电子探针进行定量分析 2.1对试样要求：
在扫描电子显微镜中对厚试样如钢铁或其他合金进行微区成分分析时，要求对试样表面进行抛光．用光谱仪进行分析时要用仪器上带有的光学显微镜严格确定试样表面的高度(试样表面聚焦清楚时电子束激发的x射线点源正好在聚焦圆上)，电子束应固定在试样图像的中心，电子束偏离中心较远时点源将偏离聚焦圆．用能谱仪进行分析时，对x射线的定位要求可适当降低．
用线扫描和面扫描分析模式可以得到某一元素的线分布或面分布，但精确度比上述定点测量显著降低．在透射电子显微镜中判别试样是否符合薄试样判据，如试样厚度超过薄试样的范围，就需要考虑吸收修正和二次荧光修正． 2.2适当选择加速电压：
电离截面峰值在过电压比约为3的地方，选择的加速电压应使各元素的过电压比在2—10之间(对扫描电子显微镜中的厚试样而言)或过电压比尽量增大(对透射电子显微镜中的薄试样而言)．对厚试样如过电压比小于1．5，分析准确度将显著降低；如试样中有轻元素，过电压比不宜太大(但要照顾到临界激发能高的元素)，因为过高的加速电压使轻元素标识谱的范围向深处扩展，使吸收效应的修正精确度下降．一般分析Cu合金、Fe合金时用25 kV加速电压；分析含有大量轻元素的试样时用15—20 kV加速电压．薄试样的信号较弱，透射电子显微镜的加速电压如增加到100kV，甚至200kV时，信号—噪声比有所增大，分析精确度有所提高。2.3分析实例(a)1.定点分析：
将电子束固定在要分析的微区上，用波谱仪分析时，改变分光晶体和探测器的位置，即可得到分析点的X射线谱线；用能谱仪分析时，几分钟内即可直接从荧光屏（或计算机）上得到微区内全部元素的谱线。
镁合金中的析出相CaMgSi的鉴别
Spectrum1 位置析出相富含Ca、Mg、Si元素(b)线分析：
将谱仪（波、能）固定在所要测量的某一元素特征X射线信号（波长或能量）的位置把电子束沿着指定的方向作直线轨迹扫描，便可得到这一元素沿直线的浓度分布情况。改变位置可得到另一元素的浓度分布情况。(c)面分析：
电子束在样品表面作光栅扫描，将谱仪（波、能）固定在所要测量的某一元素特征X射线信号（波长或能量）的位置，此时，在荧光屏上得到该元素的面分布图像。改变位置可得到另一元素的浓度分布情况。也是用X射线调制图像的方法。
镁合金中的析出相Mg2Si的鉴别
X射线原理 篇5
关键词：X射线机,充电原理,快速检修
0 引言
意大利VILLA移动式X射线机主要由微机控制电路、组合机头、车架组成; 具有功能强大、操作简单、移动性好、安全可靠的特点, 适用于急诊室、手术室、住院病房等。意大利VILLA公司生产的VISITOR T15机型、功率为15 k W, 使用单相220 V电源可以输出50 ~ 200 m A、40 ~125 k V的X射线, 该机的高压电路采用高频逆变技术, 逆变器前级采用电容充电方式供电, 逆变电路使用绝缘栅双极型晶体管 ( IGBT) 作为功率开关管。控制面板可显示相关数据和信息, 可调节k V, m As两项曝光参数。
1 电容充放电电路及原理
由于随机未提供详细的电路图, 根据用户操作手册提供的原理框图和故障处理信息, 按照实物画出电容充电板基本电路原理图见附图1所示。该机整个充放电电路由市电滤波、全桥式整流、稳压直流滤波、PWM控制、DC - DC高频变换、放电电路、充电电容组、充电状态检测组成。
市电220V/50Hz经交流滤波, 全桥整流器整流, TH1三端双向可控硅稳压, C52 - C54直流滤波, 得到320V的直流电压, 作为开关变换器的电源, 保险F2起过载保护作用。通过由CPU控制25KHz的PWM高频方波脉冲驱动TR2、Q10、Q11、C61、C62、TR4输出 ± 340V直流电压, 实现DC - DC的控制变换。供2组, 每组6个, 共12个17000μF /350V储能电容充电。黄色的B4 - Ld6、B4 - Ld7指示TR2的工作状态。绿色的B4 - Ld3 ( + VC) 、B4 - Ld4 ( - VC) 经R106、R121分压指示全部电容的电压, 当小于± 35V时, 灯熄灭。电容组部分 ( CAPACITORS BATTERY) 的每个电容并联1个Ld ( Ld1 - 6) 指示每个电容充电状态, 当电压大于280VDC时亮起, 否则不亮, 每个电容串联1个快速保险丝, 用于电流短路时保护电容。电流互感器L2检测TR4初级电流。DISCHARGE CONTROL、Q5、TR3、TH2、PB1、R1 ( 80Ω /150W) 组成放电电路, 其中PB1为手动放电开关, R1为放电电阻, DC1为手动放电信号检测与输出。D26、R107 - 109和SCR STATE DETECTOR组成放电状态检测电路输出信号至CPU。
2 故障快速检修案例
2. 1 故障现象
临床报使用时出现死机现象, 到达现场检修时机器正常, 此种情况重复出现。
2. 2 分析与检修
此种故障间歇发生, 时有时无, 无报错信息, 常发生在当天首次开机时, 检修时故障现象消失, 较难查找故障点。根据经验此类故障主要由接触不良, 连接点氧化, 元器件老化处于临界点, 或软件不稳定造成的。先用直观法, 检查各Ld指示是否正常, 电路之间的连接是否良好, 电路板上是否存在虚焊脱焊现象, 是否存在氧化点。经查没有发现以上异常情况。由于机器检修时, 能正常开机工作, 未能模拟出故障现象, 暂排除控制电路和软件故障。使用万用表测量主电路个点的输入输出电压。当测量到电容充电电路时, 测得正极端充电电容组的电压340V, 负极端充电电容组的 电压310V, 正常状态 下, 二组电压 都应为340V。说明负极端电容组有部分电容出现老化, 储能性能降低, 属于元器件老化处于临界点。出现前述故障现象, 一般应考虑更换电容。由于是进口机器, 采用的电容容量较高 ( 17000μF, 350V) , 较难快速采购到该元件。根据测得值, 判断老化情况不是很严重, 故采用二组电容组之间, 互换部分电容, 达到快速维修的目的。互换后, 开机测试, 测得正负极端电压分别为338V、337V, 虽比正常电压略低, 但能达到正负极充电电压平衡, 机器能正常工作, 使用2年该故障现象未再出现。
3 小结
对于此种间歇性故障现象, 往往在初始阶段对我们维修工程师造成不小的困惑, 在临床初始报修时, 无功而返。因此要求我们工程师在充分了解机器的工作原理基础上, 熟悉机器内部的电路, 这样有助于在无明确故障现象的情况下, 分部分段的查找故障点。快速有效的修复故障是我们的追求, 当我们碰到有些元器件一时无法采购到时, 就可以考虑采用调换法, 在机器内部挖潜。本案例就是利用此方法, 达到快速修复机器的目的。
参考文献
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X射线原理 篇6
1 基本原理
X射线管的冷却除了管套上的油冷系统外,还有一套水冷系统,就是通过油泵将管套内的油循环至热交换片,再通过水循环系统将热交换片中的热量传出,并通过制冷系统冷却后,传送至热交换片到达管套,达到冷却X射线管的目的。所以,整个冷却系统由油循环系统、水循环系统、制冷系统、温度探测器、控制电路等组成。油循环系统主要由油泵、油循环传感器、热交换片、温度探测器等组成,其作用是将X射线管的热量通过变压器油循环至热交换片,并实时监控X射线管的散热状态;水循环系统主要由水泵、水循环传感器、水箱、皮管、水温探测器等组成,其作用是将热交换片中热量循环至制冷系统;制冷系统主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、风扇、温度控制器等组成,其作用是通过蒸发器冷却水循环中的热水。开机后,油泵开始工作,X射线管管套内的油与热交换片进行循环流动,当X射线管工作一段时间后,油温上升至40℃时,水循环系统和制冷系统工作,即水泵、压缩机和冷却风扇工作,X射线管的冷却系统全面启动,保证X射线管不会过热而停止工作,冷却系统面板上有水温显示,正常状态下应该在20℃左右。
2 故障检修
X射线管在连续产生X射线后,阳极很快就会产生大量的热,如果不及时冷却,很容易造成X射线管的损坏,所以,当X射线管的阳极温度达到限值时,控制电路立即发出信号,切断X射线的产生,并在显示屏上发出X射线管过热警示信息,说明X射线管冷却系统发生了故障。常见的问题多为水循环系统故障或制冷系统故障。
2.1 水循环系统故障
当水循环系统发生故障时,在控制台显示屏上将显示警示信息,说明水没有循环,在X射线管没有过热之前,X射线仍然可以产生,但随着X射线的不断产生,阳极的热量不断增加,当温度达到限值时,控制电路立即切断X射线的产生。所以,当发现水没有循环,应立即检查,排除故障。首先检查水循环系统的水泵是否工作,如果没有工作,再看一下压缩机和风扇,如果也不工作,则检查供电电源,因为水泵的电源与压缩机和风扇的电源是从机柜送过来的同一组电源,为110V的交流电,测量一下即可知道。如果仅水泵不工作,一种可能是水泵坏了,还有一种可能是油温度探测器损坏了,以至于油温超过40℃时,仍然没有送出水泵工作的信号。检查油温探测器是否损坏,最简单的方法是将温度探测器的信号插头XJ212拔下,相当于最大阻值,水泵应立即工作,如果还不工作应该是水泵损坏。水泵可以向厂家单独订购,或者用国产水泵代用。
2.2 制冷系统故障
当制冷系统发生故障时,循环水的温度将逐渐上升,从制冷系统面板上的温度显示即可看出,此时X射线管阳极的热量不能散发,温度越来越高,直至过热保护。这种故障的最大可能是压缩机损坏,还有就是制冷剂泄漏,如果压缩机是工作的,并且测量工作电流在5A左右,说明压缩机工作正常,加制冷剂试试,如果温度明显下降,说明有泄漏的地方,检漏并处理后加制冷剂即可正常运行。如果压缩机不工作,并测量供电电压正常(110V),关机后检查压缩机启动电容,如果正常,用钳型电流表测量开机时的瞬时启动电流,若为几十安培,并且保护器立即动作,说明压缩机损坏了,必须更换,但是厂家没有压缩机的单独订购号,只能更换整个冷却系统,并且价格昂贵,需近60万元人民币。仔细分析制冷系统,其原理与冰箱、空调是一样的,所以修理这种故障并不难,可以自行维修:更换一只同型号的压缩机,抽真空后重新充制冷剂(R134a型)即可。但是在国内要买到同型号的压缩机不太容易,其型号为AJ150AT-165-B4,标称工作电压为交流100V,实际测量为110V。因此,我们想办法改装,购买了一只功率和尺寸相近、但工作电压为交流220V的三洋压缩机,价格6000多元,型号为CAJ4492Y,制冷剂也用R134a型,另外还购买了一只工作电压为110V的进口交流接触器,将原来压缩机的110V工作电压接到交流接触器的线包上,接触器的一端接220V的输入电压,可以从机器的机柜中引出,也可以另外连接,交流接触器的另一端接新压缩机,提供工作电压,将压缩机的铜管焊接好并检漏后,抽真空。电路和水路接好后,通电,但此时压缩机可能不会工作,因机器没有使用,X射线管的热量还没达到冷却的要求,所以接触器上没有110V电压,为了能使压缩机工作而充制冷剂,最方便的方法是将温度探测器信号插头XJ212拔下,此时交流接触器立即得电工作,220V电压通过交流接触器加到压缩机而工作,充制冷剂时,用钳型电流表监测其工作电流,控制在4.5~5A范围内即可。关机后,将XJ212插头插好,准备就绪后即可正常开机使用。
经一个多月的临床使用,结果X射线管冷却系统工作一切正常,其温度能控制在正常范围之内。此方法简单可行,并且可以节省昂贵的维修费用。
参考文献
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X射线高压控制功能 篇7
现在国内生产的高压控制器都是用各种型号的触摸屏控制, 来完成对管电压、管电流、开高压时间、故障报警等命令, 这种X射线高压控制器体积大, 操作十分不方便。但随着现代科技的发展, 我们采用计算机把所有的操作界面嵌入到电脑显示屏中, 操作者可以能过电脑就是以进行操作, 这样操作者可以通过计算机完成整套X射线开高压及图像处理操作, 大大提高检测速度及系统的安全性。
2 X射线高压控制功能介绍
X射线高压控制就是去掉以往用的触摸屏, 把触摸屏内的所有功能嵌入到计算机中, 把触摸屏的界面在计算机中显示, 如设定管电压, 管电流的值可以自行设制参数大小, 可以对焦点进行选择, 拍片时可以对曝光时间进行设定。开/关高压, 操作者在也不用左右操作, 只要用图像处理的电脑就可以实现。通过计算机与PLC相通讯来达到数据交互来达到管电压, 管电流可控。动态实时采集管电压与管电流, 并在X射线控制软件中显示出来。
在状态显示栏内可以显示几种功能, 第一种是X-射线在没有开高压时显示绿色的, 当开高压以后就是闪烁黄绿显示, 第二种是本系统训机与以网训机一样, 第三铅门连锁, 第四种是故障显示, 故障显示中包括水温保护, 流量保护, 如出现故障会在计算机上显示文字提示。操作者对X射线高压控制操作界面简单易懂, 最大限度的减少操作步骤, 最快速度的达到操作人员的最终需求。
3 计算机软件设计
计算机通信协议约定:
我们选择比较实用开发同期短, 面相对像编程, 它专用在.NET Framework平台上进行开发的一门新型编程语言, 这种高级语言是C#.NET。由于计算机上带有标准串行通信接口RS232, 而西门子S7-200PLC通信接口是RS485, 这两种接口通讯传输方式不同, 所以要想计算机与PLC进行通信, 还得要RS232转换成RS485电缆一根, 这样计算机与S7-200PLC可以相互通信, 计算机能够快速S7-200PLC获得所需的通讯数据, 这就是通信。通信定义是计算机与外界的信息交换, 而通信协议是指通信双方的一种约定, 约定包括数据格式, 同步方式, 传送速度, 传送步骤, 检测纠错方式, 以及控制字符等问题做出统一规定, 通信双方必须共用遵守, 因此也叫做通信控制规程。西门子S7-200 PLC之间或者PLC与PC之间通信有很多种方式:
3.1 自由口通信
自由口通讯是通过用户程序可以控制S7-200CPU通讯口的操作模式。利用自由口模式, 可以实现用户定义的通讯协议连接多种智能设备。通过使用接受中断, 发送中断, 发送指令 (XMT) 和接受指令 (RCV) , 用户程序控制通讯口的操作。在自由口模式下, 通讯协议完全由用户程序控制。通过SMB30 (口0) 允许自由口模式, 而且只有在CPU处于RUN模式时才能允许。当CPU处于STOP模式时, 自由口通讯停止, 通讯口转换成正常的PPI协议操作。
3.2 PPI点对点通信
西门子的PPI (Point to Point) 通讯协议采用主从式的通讯方式, 一次读写操作的步骤包括:首先上位机发出读写命令, PLC作出接收正确的响应, 上位机接到此响应则发出确认申请命令, PLC则完成正确的读写响应, 回应给上位机数据。这样收发两次数据, 完成一次数据的读写。
3.3 MPI多点通信
MPI可以是主从协议或主主协议。协议如何操作有赖于设备类型。如果是S7-300CPU, 那么就建立主主网络, 因为所有的S7-300CPU都是网络主站。如果设备是S7-200CPU, 那么就建立主从连接, 因为S7-200CPU是从站。地址数据区校验区结束符MPI总是在两个相互通讯的设备之间建立连接。一个连接可能是两个设备之间的非公用连接。另一个主站不能干涉两个设备之间已经建立的连接。主站为了应用可以短时间建立一个连接, 或无限的保持连接断开。
4 计算机软件及PLC程序设计
在编写代码前, 需要你对整个控制系统工艺结构要了解, 编写控制系统工艺结构流程图, 了解通讯协议报文格式或制定通讯协议报文格式, 制定通讯传输速度是多少, 这是前期开发程序条件。由于我采用通讯报文格式是西门子标准通讯报文格式, 因此我在编写代码时候必须以西门子报文格式为准。每组数据都包含特殊的起始和结束标志位、源于站地址和目的站地址、数据长度、数据完整性检查几部分。只要相互的波特率相同, 三个协议可在同一网络上运行而不互相影响。
(1) 读写申请的数据报文格式如图1。
(2) PLC接收到读写命令, 校验后正确, 返回的数据格式为E5H。
(3) 在采用上位机与PLC通讯时, 上位机采用C#.NET编程, 计算机采用PC/PPI电缆编程连接口, 通讯系统采用主从结构, 上位机遵循PPI协议格式, 发出读写申请, PLC返回相应的数据到计算机内存空间。
通过内置软件控制门控制发送数据, 避免传输线拥堵问题, 这个我可以告诉你, 是不行的, 因为西门子PLC不支持这个功能。为了避免出现PLC没有响应或误动作或读取数据不准确的情况, 只有设定合理时序然后再传输数据, 使得第一条指令与第二条指令有一定时间差, 这样就可以避免PLC没有响应等一些问题。
总之, 该系统具备与计算机图像处理软件集成在一起使用, 也可以分别单独使用该软件。代替触摸屏后操作者不用两边操作, 直接通过电脑能完成图像处理软件操作及开关高压操作, 大大提高检测速度及X射线高压控制系统的安全性。
摘要：X射线高压控制器是一种开关高压的操控平台, 通过编程逻辑控制器 (PLC) 将操控平台嵌入到计算机显示上, 来实现对X射线高压开关等功能的控制。
X射线诊断设备简介 篇8
100年来,X射线成像技术不断地发展,包括使用影像增强管、增感屏、旋转阳极X射线管及断层摄影等微电子技术的发展和某些器件的改进,使新颖的X射线成像装置不断问世。如X射线数字减影造影技术(DSA),它可以减除其他图像背景,清晰地显示血管的图像。又如数字摄影机(CR),采用涂有荧光体微结晶平板(影像板),来替代胶片,X射线照射后会产生潜像,然后用激光激励,经采样后得到数字图像。影像板用均匀光照射后可消除潜像,因而可重复使用达1000次,成为无胶片射线机。
X射线诊断设备这个“大家族”的成员随着科技的发展而不断增多,现在除了常规的X射线摄影系统外,还有很多数字化的新成员,如:CT(Computed Tomography,电子计算机X射线断层扫描技术)、DR(Digital Radiography,直接数字化X射线摄影技术)、DSA(Digital Subtraction Angiography,数字减影血管造影技术)。
1 X射线摄影屏、胶片系统
X射线成像是基于待成像物体各组成部分组织的密度不同,因而对X射线的衰减不同,从而形成透射X射线强度差异,导致在乳胶片上成像的。
入射强度为I0的X射线通过厚度为x的物体,输出X射线强度I1与该物体的衰减系数μ有关,即:
如果X射线通路上有n种组织,其衰减系数与厚度分别是μi和xi,则输出X射线强度I2为:
作为接收器的平板荧光屏,将出射的X射线能量转换为可见光。由于屏的亮度较低,只能在暗室中观察。为了解决荧光屏亮度低的问题,人们研究出了影像增强管。在影像增强管中,碘化铯等材料制成的荧光屏和光电阴极紧密相接。入射的X射线与荧光屏作用后产生可见光,可见光又使光电阴极产生电子,这些电子经过一个透镜系统加速并聚焦在输出荧光屏上。使带有影像增强管的X射线图像质量明显改善,可以在明室内观察,达到临床应用的要求。这就是我们常说的X光透视检查。病人的检查结果需要备案,以便对病人的发病史和治疗过程进行跟踪,使用涂上感光乳剂的胶片与荧光增强屏组成的屏、胶片系统,可以得到高分辨的X射线图像,胶片所记录的X射线图像可以长期保留和备案。
1.1 胸透
胸透全称荧光透视,为常用X线检查方法。它是利用X线具有穿透性、荧光性和摄影效应的特性,使人体在荧屏上形成影像。由于人体组织有密度和厚度的差别,当X线穿透人体不同组织时,X线被吸收的程度不同,所以到达荧屏上的X线量就有差异,形成黑白对比不同的影像,为医生的诊断提供依据。
利用X线对疾病做出诊断在临床应用非常广泛。健康查体最常做的是胸部的X线检查,最基本的就是胸透。
胸透可以看到胸部的软组织、骨骼(包括胸椎)、纵隔(心脏、大血管、气管、食管等)、气管和支气管、胸膜、肺组织等,可以诊断肺和气管的先天性疾病,
如发育异常、肺部的各种炎症、急慢性支气管炎、比较明显的支气管扩张症、肺气肿或肺水肿、各型肺结核、肺肿瘤、胸腔积液、气胸、纵隔肿瘤、心脏形态异常等。
胸透的放射线量在X线检查中是最大的,做一次胸透就相当于拍10次X光照片检查。但胸透检查一般也在数十秒,所以对人体的危害十分有限。成年人做一次胸透几乎没有明显危害。
1.2 X射线消化道检查
X线检查时,由于人体各种器官、组织的密度和厚度不同,所以显示出黑白的自然层次对比。但在人体的某些部位,尤其是腹部,因为内部好几种器官、组织的密度大体相似,必须导入对人体无害的造影剂(如医用硫酸钡),人为地提高显示对比度,才能达到理想的检查效果。这种检查方法临床上叫做X射线造影检查。X射线造影检查使用得较多的是胃肠钡餐造影和钡剂灌肠造影。这项检查安全、无创伤、无副作用。但有些患者,如急性呼吸道感染病人,严重心、肝、肾功能不全病人,以及碘试验阳性的病人,一般不适宜做这项检查。
消化道钡餐和钡灌肠X射线检查有助于了解整个胃肠道动力状态,能够诊断胃、十二指肠溃疡、胃穿孔、胃出血及幽门梗阻等多种疾病。近年来,应用气钡双重造影已提高了阳性率。胆管胆囊造影有助于了解胆囊浓缩功能,判断有无结石;经皮肝胆管造影可区别梗阻性黄疸的原因。选择性腹腔动脉造影对肝脏及其他肿瘤、消化道出血等都有诊断价值。
2 CT(电子计算机X射线断层扫描技术)
CT是一种功能齐全的病情探测仪器,它是Computed Tomography(电子计算机X射线断层扫描技术)的简称。X-CT自1972年由英国电子工程师亨斯费尔德发明后至今已历经四代产品。扫描时间已由几分钟缩短至数秒,图像清晰度也由1万个像素提高到几十万个像素(单片)。据称第五代CT的实验样机也已研制成功,能准确反映内脏和血液的动态情况,但尚未形成成品投放市场。
2.1 X-CT的基本成像原理
CT是用X线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描,由探测器接收透过该层面的X线,转变为可见光后,由光电转换变为电信号,再经模拟/数字转换器(analog/digital converter)转为数字,输入计算机处理。图像形成的处理有如对选定层面分成若干个体积相同的长方体,称之为体素(voxel)。扫描所得信息经计算而获得每个体素的X线衰减系数或吸收系数,再排列成矩阵,即数字矩阵(digital matrix),数字矩阵可存贮于磁盘或光盘中。经数字/模拟转换器(digital/analog converter)把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块,即像素(pixel),并按矩阵排列,即构成CT图像。所以,CT图像是重建图像。每个体素的X线吸收系数可以通过不同的数学方法算出。
2.2 X-CT的基本组成
CT设备主要由以下三部分组成:扫描部分由X线管、探测器和扫描架组成;计算机系统,将扫描收集到的信息数据进行贮存运算;图像显示和存储系统,将经计算机处理、重建的图像显示在电视屏上,或用多幅照相机或激光照相机将图像摄下来。
探测器从原始的1个发展到现在的多达4800个。扫描方式也从平移/旋转、旋转/旋转、旋转/固定,发展到新近开发的螺旋CT扫描(spiral CT scan)。计算机容量大、运算快,可达到立即重建图像。
由于扫描时间短,可避免运动产生的伪影,如呼吸运动的干扰,从而提高图像质量;层面是连续的,所以不致于漏掉病变,而且可行三维重建,注射造影剂作血管造影可得CT血管造影(CT angiography,CTA)。超高速CT扫描所用扫描方式与前者完全不同,扫描时间可短到40ms以下,每秒可获得多帧图像。由于扫描时间很短,可摄得电影图像,能避免运动所造成的伪影,因此,适用于心血管造影检查以及小儿和急性创伤等不能很好配合检查的患者检查。
2.3 X-CT断层图像的特点
(1)与二维X射线透视和摄影技术的直接物理成像不同,CT图像是通过计算机按照某种数学模型计算出来的结果并重建的图像。图像的质量完全取决于所采用的算法。
(2)就图像剖面而言,二维X射线透视和摄影技术得到的图像是X射线从前到后穿透人体得到的人体正面像,而CT断层图像则是从上向下看到的水平剖面。
(3)二维X射线透视和摄影技术得到的图像没有物体形状、大小和彼此间的空间关系,较难理解。CT技术使我们能够看到人体的内部,让传统的平面的医学图像立体化了。
(4)CT图像是由一定数目由黑到白不同灰度的像素按矩阵排列所构成。这些像素反映的是相应体素的X线吸收系数。不同CT装置所得图像的像素大小及数目不同,大小可以是1.0×1.0mm,0.5×0.5mm不等;数目可以是256×256,即65536个,或512×512,即262144个不等。显然,像素越小,数目越多,构成图像越细致,即空间分辨力(spatial resolution)越高。CT图像的空间分辨力不如X线图像高。
(5)CT图像是以不同的灰度来表示,反映器官和组织对X线的吸收程度。因此,与X线图像所示的黑白影像一样,黑影表示低吸收区,即低密度区,如含气体多的肺部;白影表示高吸收区,即高密度区,如骨骼。但是与X线图像相比,CT的密度分辨力高。因此,人体软组织的密度差别虽小,吸收系数虽多接近于水,也能形成对比而成像。这是CT的突出优点。所以,CT可以更好地显示由软组织构成的器官,如脑、脊髓、纵隔、肺、肝、胆、胰以及盆部器官等,并在良好的解剖图像背景上显示出病变的影像。
2.4 X-CT的检查范围
(1)头部:脑出血,脑梗塞,动脉瘤,血管畸形,各种肿瘤,外伤,出血,骨折,先天畸形等。
(2)胸部:肺、胸膜及纵隔各种肿瘤,肺结核,肺炎,支气管扩张,肺脓肿,囊肿,肺不张,气胸,骨折等。
(3)腹、盆腔:各种实质器官的肿瘤、外伤、出血,肝硬化,胆结石,泌尿系统结石、积水,膀胱、前列腺病变,某些炎症、畸形等。
(4)脊柱、四肢:骨折,外伤,骨质增生,椎间盘病变,椎管狭窄,肿瘤,结核等。
(5)骨骼、血管三维重建成像。
(6)CTA(CT血管成像):大动脉炎,动脉硬化闭塞症,主动脉瘤及夹层等。
(7)甲状腺疾病:甲状腺腺瘤、甲状腺腺癌等。
(8)其他:眼科及眼眶肿瘤,外伤;副鼻窦炎、鼻息肉、肿瘤、囊肿、外伤等。
由于CT的高分辨力,可使器官和结构清楚显影,能清楚显示出病变。在临床上,神经系统与头颈部CT诊断应用早,对脑瘤、脑外伤、脑血管意外、脑的炎症与寄生虫病、脑先天畸形和脑实质性病变等诊断价值大。
在五官科诊断中,对于框内肿瘤、鼻窦、咽喉部肿瘤,特别是内耳发育异常有诊断价值。
在呼吸系统诊断中,对肺癌的诊断、纵隔肿瘤的检查和瘤体内部结构以及肺门及纵隔有无淋巴结转移诊断都是比较可靠的。
在心脏大血管和骨骼肌肉系统的检查中也是有诊断价值的。
在骨关节疾病方面,多数情况可通过简便、经济的常规X射线检查确诊,因此使用CT检查相对较少。
3 DR(直接数字化X射线摄影系统)
DR(Digital Radiography),即直接数字化X射线摄影系统,由电子暗盒、扫描控制器、系统控制器、影像监示器等组成,是直接将X线光子通过电子暗盒转换为数字化图像。
3.1 DR基本工作原理
DR是一种X射线直接转换技术,它利用硒作为X线检测器,将X射线影像信息转化为数字影像信息。DR系统无光学散射而引起的图像模糊,其清晰度主要由像素尺寸大小决定。其曝光宽容度相对于普通的增感屏-胶片系统体现出某些优势:DR由于采用数字技术,动态范围广,有很宽的曝光宽容度,因而允许照相中的技术误差,即使在一些曝光条件难以掌握的部位,也能获得很好的图像;DR可以根据临床需要进行各种图像后处理,如各种图像滤波、窗宽窗位调节、放大漫游、图像拼接以及距离、面积、密度测量等,为影像诊断中的细节观察、前后对比、定量分析提供技术支持。
就目前而言,DR电子暗盒的结构14 in×17 in(1in=2.54 cm)由4块7.5 in×8 in所组成,每块的接缝处由于工艺的限制不能做得没缝,且一旦其中一块损坏必将导致4块全部更换,不但费用昂贵,还需改装已有的X线机设备。
DR系统较适用于透视与点片摄影及各种造影检查,由于单机工作时的通量限制,不易取代大型医院中多机同时工作的常规X线摄影设备,但较适用于小医疗单位和诊所的一机多用目的。
3.2 数字化X射线影像技术的特点
(1)它最突出的优点是分辩率高,图像清晰、细腻,医生可根据需要进行诸如数字减影等多种图像后处理,以期获得理想的诊断效果。
(2)该设备在透视状态下,可实时显示数字图像,医生再根据患者病症的状况进行数字摄影,然后通过一系列影像后处理如边缘增强、放大、黑白翻转、图像平滑等功能,从中提取出丰富可靠的临床诊断信息,尤其对早期病灶的发现可提供良好的诊断条件。
(3)数字化X射线机形成的数字化图像比传统胶片成像所需的X射线剂量要少,因而它能用较低的X射线剂量得到高清晰的图像,同时也使病人减少受X射线辐射的危害。
(4)由于它改变了已往传统的胶片摄影方法,可使医院放射科取消原来的图像管理方式和省去片库房,而以计算机无片化档案管理方法取而代之,从而节省大量的资金和场地,极大地提高工作效率。此外,由于数字化X射线图像的出现,结束了X射线图像不能进入医院PACS系统的历史,为医院进行远程专家会诊和网上交流提供了极大的便利。另外,该设备还可进行多幅图像显示,进行图像比较,以利于医生准确判别、诊断。通过图像滚动回放功能,还可为医生回忆整个透视检查过程。
4 DSA(数字减影血管造影技术)
数字减影血管造影技术(Digital Subtraction Angiography,DSA)是一种新的X线成像系统,是常规血管造影术和电子计算机图像处理技术相结合的产物。普通血管造影图像具有很多的解剖结构信息,例如骨骼、肌肉、血管及含气腔隙等等,彼此相互重叠影响,若要想单纯对某一结构或组织进行细微观察就较为困难。
DSA的成像基本原理是将受检部位没有注入造影剂和注入造影剂后的血管造影X线荧光图像,分别经影像增强器增益后,再用高分辨率的电视摄像管扫描,将图像分割成许多的小方格,做成矩阵化,形成由小方格中的像素所组成的视频图像,经对数增幅和模/数转换为不同数值的数字,形成数字图像并分别存储起来,然后输入电子计算机处理并将两幅图像的数字信息相减,获得的不同数值的差值信号,再经对比度增强和数/模转换成普通的模拟信号,获得了去除骨骼、肌肉和其他软组织,只留下单纯血管影像的减影图像,通过显示器显示出来。通过DSA处理,使血管的影像更为清晰,在进行介入手术时更为安全。
4.1 DSA的主要组成部分
(1)带有影像增强器电视系统的X线诊断机;
(2)高压注射器;
(3)电子计算机图像处理系统;
(4)操作台:用来输入数据,控制采像,贮存及显示图像;
(5)磁盘或磁带机:用来存储图像信息;
(6)多幅照相机:把显示的图像用胶片拍摄下来以便诊断和存档之用。
4.2 DSA的主要优点
(1)对比度分辨率高。DSA血液中造影剂浓度达5%即可显影,而常规胶片-增感屏血管造影则需30%~40%的浓度才能显影。
(2)减去了血管以外的背景,尤其使与骨骼重叠的血管能清楚显示。
(3)由于造影剂用量少、浓度低,可选用较细的导管,损伤小,比较安全,对肝、肾功能的要求较常规造影放宽。
(4)节省胶片使造影价格低于常规造影。
(5)DSA具有多种图像后处理功能,特别是能够进行三维血管重建。
4.3 DSA的临床应用
DSA现已被广泛应用于呼吸、消化、神经、泌尿生殖及骨骼系统等的肿瘤和其他疾病的诊断以及左心、冠状动脉的病变诊断,如可以清晰显示各种动脉瘤、动脉狭窄、闭塞、动静脉畸形。
4.4 在介入治疗中的应用价值
经皮血管内导管治疗是介入放射治疗的主要部分,现已广泛用于各种疾病的治疗,如动脉内灌注化疗栓塞术治疗肿瘤、动脉栓塞治疗大出血和血管畸形、血管溶栓术、血管成形术、血管内支撑器、经颈静脉肝内门体分流术等。在常规血管造影设备下进行介入治疗远不如在DSA系统下操作方便。由于DSA能实时观察到造影结果、动态观察导管、导丝和造影剂等的行程,可反复重放,另外还有路图技术(road mapping),大大方便选择性和超选择性插管,可以节省常规造影需要的洗胶片时间,减少导管在动脉内停留时间,从而缩短了造影和介入治疗的时间,减少可能发生的并发症。同时DSA造影剂用量小、浓度低,减少了造影副反应。
摘要：本文概述了X射线成像技术在医学中的应用,对X射线产品的组成、特点、成像原理以及应用范围做了详细介绍,并重点介绍了数字X射线成像技术。与传统胶片成像相比,数字X射线成像具有很多优点,包括:射线剂量低、图像分辨率高、图像信息量大、便于管理以及可实现图像传输等优点,因此得到广泛应用,发展趋势良好。
X射线公诸于世 篇9
1896年1月5日, 在柏林物理学会会议上展出了很多X射线的照片, 同一天, 维也纳《新闻报》也报道了发现X光的消息。这一伟大的发现立即引起人们的极大关注, 并很快传遍全世界。X射线是德国物理学家威廉·康拉德·伦琴在做一项试验的时候偶然发现的。
1895年11月8日, 伦琴像往常一样, 吃过午饭后又钻进了实验室, 摆弄当时最奇特的光学仪器——真空的“克鲁克斯——希托夫管”。傍晚, 当他再次接通用黑纸包住的管子的电源, 以研究其产生的阴极射线时, 偶然发现约两米远的凳子上出现一片亮光。原来, 那儿放着一块做别的实验用的涂有铂氰化钡 (一种荧光物质) 的硬纸板。他觉得很奇怪, 是什么原因使这原来并不发光的纸板发光了呢?他敏锐地猜测, 很可能是管子发出的某种“东西”到达纸板, 使铂氰钡发光, 但不会是阴极射线, 因为它仅能穿透几厘米的空气。于是他关闭电源, 这时亮光消失, 如此反复几次, 证实了他的猜测。由于管子发出的“东西”性质不确定, 伦琴就把这种现象命名为“X光”——X是数学上通常采用的未知数符号。1896年1月23日, 维尔兹堡大学教授克里克尔称“X光”为“伦琴射线”。一项改变世界面貌的发现就这样诞生了。