X线的物理特性（经典实用）

1、X线的物理特性 X线的物理学基础 X线的物理特性 一、X线的发现与产生 二、X线产生的原理 三、X线的本质与特性 四、X线强度 五、X线与物质的相互作用 六、X线的吸收与衰减 X线的物理特性 X线的发现 o1895年11月8日，德国物理学家伦琴用一个高 真空玻璃管和一台产生高压的小型机器做实验 时，发现了X线。 o1895年11月22日，伦琴用X线为其夫人拍摄 了一张手的照片。 o1901年，伦琴被授予诺贝尔物理学奖。 X线的物理特性 X线的产生 oX线的产生是能量转换的结果。 99%99%以上的动能产生热量，不到以上的动能产生热量，不到1%1%的动能转换成的动能转换成X X线。线。 oX线的

2、产生需要具备4个条件： 电子源电子源 高电压高电压 高真空度高真空度 适当的障碍物适当的障碍物 X线的物理特性 X线的产生原理 o X线的产生是高速电子与阳极靶物质的原子相互作用 中能量转换的结果。是利用了阳极靶物质的三个特性： 核电场、轨道电子结合能和原子存在于最低能级的需要。 o 每个电子能量=电子的电荷*X线管电压 E=eV （e=1.60*10-19库伦） X线的物理特性 连续放射 （韧致放射） o高速电子与靶物质原子核作用的结果。当高速电子接近 原子核时，受核电场的吸引，偏离原有方向，失去能量 而减速。此时电子丢失的能量以光子的形式放射出来， 这种放射叫连续放射。 oX线光子的能量取

3、决于：电子接近核的情况、电子的能 量和核电荷。 o入min=1.24/kVp（nm） o连续射线的波长只与管电压有关，管电压越高，波长越 短，X线的强度越大。 X线的物理特性 o由图可见：高速投射的 电子，受核电场的吸引， 偏离原有方向。 o管电压相同时，偏离角 度越大，产生的连续放 射X线能量就越大。 o偏离角度相同时，管电 压越大，产生的连续放 射X线能量就越大。 X线的物理特性 特征放射 （标识放射） o高速电子击脱靶物质原子的内 层轨道电子，而产生的一种放 射方式。一个常态原子经常处 于最低能级状态，他永远保持 其内层轨道电子是满员的。当 靶物质原子的K层电子被高速 电子击脱时，K层电

4、子的空缺 将由外层电子跃迁补充，外层 电子的能级要比内层电子的能 级高，因此多余的能量作为X 线光子释放出来，产生K系特 性放射。 X线的物理特性 o特征放射的X线光子能量与冲击靶物质的高速电子能量 无关，只服从于靶物质的原子特性。 同种靶物质的K系特性放射波长为一定数值。 （管电压在70kVp以上，钨靶才能产生特征X线。） o高速电子必须具有能击脱K层电子的最低能量，即具有 一个最低的激发电压，也称限界电压。 o在以钨靶X线球管产生的X线诊断能量范围内，特征X线 产生的几率与球管的关系大致为： 70kVp以下，不产生K特性X线。 80150kVp，K特性X线占10%28%。 150kVp以上

5、，特性X线减少。 X线的物理特性 X线的本质 oX线的本质是电磁波，它具有一定的波长和频率；由于 X线光子的能量大，可是物质产生电离，故又属电磁波 中的电离辐射。X线和其他电磁波一样，具有波动和微 粒的二重性，这是X线的本质。 （1）X线的微粒性：把X线看作一个个的微粒光子组成，光子 具有一定的能量和一定的动质量，但无静止质量。X线与物质作用 时表现出微粒性，每个光子都具有一定的能量，能产生光电效应， 能激发荧光物质发出荧光等现象。 （2）X线的波动性：X线以波动方式传播，是一种横波。X线在传 播时表现了他的波动性，具有频率和波长，并有干涉、衍射反射 和折射现象。 X线的物理特性 X线的特性

6、o一、物理效应 穿透作用：X线具有一定的穿透能力。穿透能力主要与自身的波长 有关，以及被穿透物质的原子序数、密度和厚度有关。 荧光作用：荧光物质（钨酸钙），在X线的照射下被激发，释放出 可见的荧光。 电离作用：物质在足够能量的X线光子照射下，能击脱物质原子轨 道的电子，产生电离。也是X线剂量、X线治疗、X线损伤的基础。 干涉、衍射、反射与折射：这些光学特性在X线显微镜、波长测定、 物质结构分析中得到应用。 X线的物理特性 o二、化学效应 感光作用：X线具有光化学作用，可是摄影胶片感光。 着色作用：某些物质经X线长期照射后，使其结晶脱水变色。 如 铅玻璃经X线长期照射后着色 o三、生物效应 X线

7、是电离辐射，他对生物细胞，特别是增殖性强的细胞有抑制、 损伤，甚至使其坏死的作用，它是放射治疗的基础。 X线的物理特性 X线的产生效率 o产生X线所消耗的总能量与阴极电子能量之比，称作X 线的发生效率。 =X线消耗的总能量/阴极电子能量 =k(V2ZI/VI)=kVZ（%） V：管电压， Z：靶物质原子序数， I：管电流， k=1.110-9 ，为系数。 X线的物理特性 X线强度 oX线强度是垂直于X线束的单位面积上，在单位时间内 通过的光子数和能量的总和，及线束中的光子数乘以每 个光子能量。在实际应用中，常以量与质的乘积表示X 线强度。量是线束中的光子数，质则是光子的能量（也 称穿透力）。

8、o用管电流（mAs）表示X线的量； o用管电压（KV）表示X线的质。 X线的物理特性 影响X线强度的因素 oX线强度受管电压、管电流、靶物质以及高压波形的影 响。 o一、管电压 X线光子的能量，取决于冲击电子的能量大小，而电子 的能量又由管电压kVp来决定。管电压决定X线最大能 量的性质。 在管电压为峰值时，最短波长的X线的能量也将接近管电压的能量。 增加管电压也将增加产生X线的量。所以X线强度的增加与管电压 的平方成正比。 X线的物理特性 o二、管电流 管电流越大，灯丝周围的电子云越多，冲击靶物质后产生的X线光 子数就越多。所以管电压一定时，X线强度决定于管电流 o三、靶物质 在一定的管电压

9、和管电流下，放射量的多少决定于靶 物质。靶物 质的原子序数越高，产生X线效率就越高。 由于钨的原子序数较高（Z=74）且熔点较高（3370），所以 靶物质一般选用钨靶，或钨合金（铼钨合金） 连续射线：靶物质的原子序数决定X线量的产生； 特征X线：靶物质的原子序数决定产生X线波长的性质。 X线的物理特性 o四、高压波形 o X线发生器产生的高压都是脉动式的。 o有两种形式：单相电源的半波和全波 o 三相电源的6脉冲和12脉冲 o 当整流后的脉动电压越接近峰值，其X线强度越大；峰值电压相 同时，三相电源比单相电源产生的硬射线要多。 X线的物理特性 X线质的表示方式 o半值层（HVL）：X线强度衰减

10、到初始值的一半时，所 需的标准吸收物质的厚度。诊断用X线的半值层一般用 毫米铝（mmAl）表示，在1.54mmAL之间。 对同样质的X线来说，不同物质的半值层是不一样的；但就同种 物质，半值层大的X线质硬，半值层小的质软。 o电子的加速电压（管电压） o有效能量：在连续X线情况下使用这一概念。 o软射线和硬射线：将低能量X线称为软射线，将高能量 X线成为硬射线。 oX线波普分布：它表示了X线的波长分布或能量分布。 此分布将根据X线管固有滤过、附加滤过、管电压、管 电流、整流方式等因素而变化。 X线的物理特性 X线强度的空间分布 o高速电子撞击阳极靶面，所产生的X线分布与阳极倾角 有关。 阳极倾

11、角是指垂直于X线管长轴的平面与靶面的夹角。 在通过X线管长轴且垂直于有效焦点平面内，近阳极端 X线强度弱，近阴极端强，最大值约在100处，其分布 是非对称性的，这种现象成为阳极效应。阳极倾角越小， 阳极效应越明显。 在通过X线管短轴且垂直于有效焦点平面，在900处最 大，分布基本上是对称的。 X线的物理特性 X线的不均等性 o诊断用X线主要是连续X线和特征X线的混合。连续X线 的波长由最短波长到长波长领域是一个很广的范围。这 种X线成为不均等X线，由于滤过板的使用，长波长领 域的X线被吸收，成为近似均等X线。 o这种均等度以不均等度h或表示。 h=H2/H1（H1：第一半值层；H2：第二半值层

12、） 或=eff/0 （0：最短波长，eff：有效波长） 均等X线下，h=1， =1，不均等X线h1，1。 X线的物理特性 o有效波长：单一能量波长的半值层等于连续X线的半值 层时，此波长称作有效波长（ eff ） o有效电压：产生有效波长的最短波长的管电压，称作有 效电压。 o有效能量：将有效电压用能量单位（keV）表示时，此 能量为有效能量。 X线的物理特性 X线与物质的相互作用 oX线与物质的相互作用形式有：相干散射、光电效应、 康普顿效应、电子对效应、光核反应等。 X线的物理特性 相干散射（约占诊断X线的5%） oX线与物质相互作用能发生干涉的散射过程，称为相干 散射。 o一个束缚电子吸

13、收入射光子能量跃迁到高能级，随即放 出一个能量等于入射光子能量的散射光子，由于电子未 脱离原子，所以光子能量是损失可忽略不计，相干散射 不产生电离过程。 o 发生几率与物质的原子序数成正比，随光子能量的增 大而急剧减少 X线的物理特性 光电效应 oX线与物质相互作用时，X 线光子能量（hv）全部给 予了物质原子的壳层电子， 获得能量的电子摆脱原子 核的束缚成为自由电子 （即光电子），而X线光 子本身则被物质的原子吸 收，这一过程称为光电效 应。光电效应的产物：特 性放射，光电子（负离 子），正离子（缺少电子 的原子）以及俄歇电子。 X线的物理特性 光电效应产生的条件及发生几率 o1、光子能量与

14、电子结合能，必须“接近相等”才容易 产 生光电效应。光子的能量要稍大于电子的结合能 或等于电子的结合能。（碘的K层电子结合能为 33.2KeV） o 光子能量的增加，会使光电作用的机率下降，光电效 应与能量的三次方成反比。 o2、轨道电子结合的越紧越容易产生光电效应。 高原子序数元素比低原子序数元素的轨道电子结合的 紧。因此比较容易产生光电效应，所以光电效应发生的 几率随着原子序数的增加而很快增加，其发生几率与原 子序数的三次方成正比。 X线的物理特性 光电效应在X线摄影中的实际意义 o一、光电效应不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾。 o二、光电效应可增加射线对比度。其发生几率与物质原 子序数

15、的三次方成正比，因此可扩大不同元素所构成的 组织影像对比 o三、光电效应中，因光子的能量全部被吸收，这使患者 接受的照射量比任何其他作用都多。 X线的物理特性 康普顿效应 o当一个光子在击脱原子 外层轨道上的电子时， 入射光子损失部分能量， 并改变原来传播方向， 变成散射光子，轨道上 的电子从入射光子处获 得部分能量脱离原子核 束缚，按一定方向射出， 成为成为反冲电子。 X线的物理特性 康普顿效应发生几率 o与物质的原子序数成正比 o与入射光子的能量呈反比 o与入射光子的波长成正比 X线的物理特性 电子对效应 o一个具有足够能量的光子，在与靶原子核发生相互作用 时，光子突然消失，同时转化为一对

16、正、负电子，这个 作用过程称为电子对效应。 X线的物理特性 光核反应 o所谓的光核作用，就是光子与原子核作用而发生的核反 应。 o某些核素在进行光核反应时，不但产生中子，而且反应 的产物是放射性核素。 X线的物理特性 X线的吸收与衰减 oX线强度在其传播过程中，将以距离平方反比的规律衰 减，此法则，它在X线管点焦点、真空传播的条件下成 立。 o物质也会导致X线的衰减。在诊断X线能量范围内，X线 与物质相互作用形式主要是光电效应和康普顿效应。 在光电效应下：X线光子被吸收 在康普顿效应：X线光子被散射 X线的物理特性 X线的滤过 o一、固有滤过（铝当量） 指X线机本身的滤过，包括X线管的管壁、绝

17、缘油层、窗口的滤过板。 铝当量：一定厚度的铝板和其他物质对X线具有同等量的 衰减时，此滤过板的厚度称为滤过物质的铝当量。 o二、附加滤过 广义上讲，从X线管窗口至检查床之间，所通过材料的滤过总和为 附加滤过 X线的物理特性 X线在物质中的指数衰减规律 o I=I0e-X （X=0，I=I0） I0：X线到达物体表面的强度 I：X线到达厚度为X时的强度 X：吸收物质厚度（m） 此法则成立条件有两个，一是X线为单一能量射线，一是X线为窄束。 X线的物理特性 o单能窄束X线在通过物体时，只有X线光子能量减少， 而无能量的变化，其指数衰减规律是X线强度在物质层 中都以在相同的比例衰减。 o宽束的衰减与

18、吸收物质种类和厚度、X线能量、X线源 与探测器的几何学的配置等因素有关。 X线的物理特性 衰减系数 o一、线衰减系数 将X线透过物质的量以长度（m）为单位时，X线的衰减系数，称 作线衰减系数，单位m-1 o二、质量衰减系数 将X线透过物质的量以质量厚度（kg.m-2）为单位时，X线的衰减 系数称作质量衰减系数，单位m2/kg o三、总衰减系数 总衰减系数即是光电衰减系数、相干散射衰减系数、康 普顿衰减系数和电子对效应的衰减愈大。 X线的物理特性 影像X线衰减的因素 o一、射线能量和原子序数对衰减的影响 o 对高原子序数的物质（如碘化钠）在整 个X线诊断能量范围内主要是光电作用。作 为水和骨骼，则随X线能量增加，康普顿散 射占了主要地位。对低原子序数的物质，当 X线能量增加时，透过量增加，而衰减减少； 对高原子序数物质，当X线能量增加时，透 过量有可能下降。 X线的物理特性 o二、密度对衰减