CT球管技术发展历程：从固定阳极到碳纳米管
CT球管技术发展历程：从固定阳极到碳纳米管
CT球管是CT扫描仪的核心部件，其技术发展经历了从固定阳极到旋转阳极，再到最新的碳纳米管技术的演变。本文将详细介绍CT球管的工作原理、技术特点以及未来的发展方向。
第一代和第二代扫描仪使用固定阳极、油冷的X射线管，但由于对输出功率增加的需求，旋转阴极X射线管在CT中变得普遍。
传统固定阳极CT管
传统固定阳极CT管的工作原理是：当阴极钨丝通过足够的电流时，使其产生白热现象，电子会从钨的表面逸出形成电子云。通过施加在X射线管阴极和阳极之间的高电压产生磁场，使阴极表面上的游离电子撞击阳极钨靶。在这个过程中，约1%的能量将转换成X射线，剩下的能量转换成热能。
传统的固定阳极CT管存在一个主要问题：靶点会集中在钨靶的一个点上面，这个点的热量较为集中，导致输出功率较低。为了解决这个问题，旋转阳极CT管应运而生。
旋转阳极CT管
旋转阳极CT管的阳极以高速旋转，该盘通常由铼、钨和钼（RTM）合金和其他材料制成，具有小的目标角度（通常为12度）和每分钟3600到10000转的旋转速度。这样，电子击中钨靶时不会集中在一点，而是分散到一个圆周上，提高了导热能力。冷却方式有风冷、直接油冷或直接水冷。
西门子的“0兆球管”通过阳极直接油冷，使球管阳极冷却率和产热率几乎相等。即使在最大负荷条件下，球管仍可以及时冷却下来，远远少于进行下次操作所需要的时间，因此球管始终不会热保护。这使得制造商不需要使用大热容量的球管。
通过提高定子绕组的频率，可以实现每分钟10,000转的旋转速度。早期的滚珠轴承技术因机械问题限制了X射线管的性能，因此引入了液体轴承方法。阳极组件的静止轴由包含镓基液态金属合金的槽构成。在阳极旋转期间，液体被迫进入槽中，产生了盘与液体之间的水动力效应。
飞利浦iMRC 移动阳极CT管（液体轴承）
当X射线管长时间不使用时，需要进行预热程序。预热有两个目的：一是使气体分子的分布重新建立，避免放电；二是使灯丝逐步加温到工作状态，从低条件慢慢向高条件曝光。此外，空气校准是为了校准探测器和前置放大器的工作点。对于液态金属轴承球管，预热还可以减小球管的应力，延长使用寿命。
目前主流的CT球管技术基本上没有发生变化，它们都使用加热的丝丝，类似于老式白炽灯泡，以在真空管内产生电子来生成X射线。丝越热，获得的电子越多，产生的X射线就越多。因此，传统的X射线管体积大、重量重、温度高且速度慢（需要预热）。
碳纳米管（CNT）电子发射器的出现改变了这一现状。碳纳米管X射线管使用场发射而不是热电发射来产生电子，因此无须预热，具有低功耗、寿命长的特点。场发射是通过金属表面的极强电场而产生电子流的过程。碳纳米管被认为是物理学上理想的场发射器，因为它们具有极其尖锐的尖端，CNT通常宽10纳米但长20-50微米，并具有与金属相同的电学性质。由于它们的理想场发射性质，CNT可以产生非常高的电子流。
碳纳米管CT球管
然而，碳纳米管CT球管也面临一些挑战：
- 昂贵：在大面积上制造理想的碳纳米管需要一种复杂的微波等离子体制造工艺，这是昂贵且难以扩展的。
- 不可重复：由于微波等离子体过程的固有变化，每次制造相同的发射器都非常具有挑战性。
- 不稳定：如果单个碳纳米管受损或不理想，整个结构可能会变得不稳定。
- 无法扩展：随着目标电流的增加，所需的碳纳米管数量和发射器矩阵的尺寸增加，稳定性和可重复性的挑战呈指数级增加。
目前，生产CT球管的主要厂家包括GE、飞利浦、西门子、佳能、联影、瑞能医疗、昆山医源、麦默真空、电科睿视、思柯拉特、昊志影像（主要是碳纳米管冷阴极CT球管）、Micro-X（碳纳米管冷阴极CT球管）等。