第二章第一节X线产生和性质

1、第二章第二章 放射物理基础放射物理基础 第一节第一节 X X线产生和性质线产生和性质 一、一、X X线发现线发现 1895年11月8日，德国物理学家 WCRontgen做阴极射线管(cathode ray tube，CRT)实验时，出乎意料地发 现了一种肉眼看不见的“光线”，它能 穿透许多物质，并能使铂氰化钡发出荧 光。叫X射线，简称X线或X光，又称伦琴 射线。 1901年，伦琴为此获得诺贝尔奖。 一、一、X X线发现线发现 发现X线三个月后，维也纳一家医院首先 用它协助外科手术。使用的是充气X线管， 产生的X线量甚微，拍摄一张头颅片需要 曝光20 min。是X线在医学中应用的初始 阶段。 从

2、伦琴发现X线到现在的100多年里，X线 日益广泛地应用在医学诊断和治疗上， 而且在物质结构分析、工业探伤、科研物质结构分析、工业探伤、科研 等方面都发挥了巨大作用。 二、二、X X线的本质和特性线的本质和特性 * *( (一一)X)X线的本质线的本质 是一种电磁波。波长很短，大约与晶体 内呈周期排列的原子间距同一数量级， 在110-10m左右。 与可见光、红外线、紫外线、射线一样， 属于电磁辐射(electro magnetic radiation)，是电磁波；这些电磁波的 本质完全相同，波长或频率有差别。 * *( (一一)X)X线的本质线的本质 X线波长很短，介于紫外线和射线之间， 约为1

3、0-810-12 m；频率很高，约在 3101631020 Hz。 由于光子能量不同，电磁辐射分为电离 辐射和非电离辐射。 非电离辐射：非电离辐射：微波、红外线、可见光等， 由于光子能量小，不能引起物质电离的 辐射； 电离辐射：电离辐射：紫外线、X线、射线等，于 光子能量大，能使物质产生电离的辐射。 * *( (一一)X)X线的本质线的本质 * *1. X1. X线具有波动性线具有波动性 X线与其它电磁波一样具 有波动和微粒性；与可见光一样具有衍射、偏 振、反射、折射等现象。 波动性波动性 表现在以一定的波长和频率在空间传 播；是一种横波，传播速度在真空中与光速相 同，可以用波长、频率(fre

4、quency) 描述。 * *( (一一)X)X线的本质线的本质 * *2. X2. X线具有微粒性线具有微粒性 波动性不能解释它的光 电效应、荧光作用、电离作用等；只能用爱 因斯坦的光量子理论，即把X线束看做是由一 个个微粒-X光子组成的来解释。 与物质相互作用发生能量交换时，突出表现 了它的粒子性。 微粒性微粒性 主要表现为X线光子在辐射和吸收时 具有能量、质量和动量。X线的波长、频率、 波速c和能量E、质量m关系： E=h =c/E=h =c/ (2-1) h为普朗克常数，h=6.62610-34 Js。 * *( (二二)X)X线的基本特性线的基本特性 X线是电磁波，有电磁波的通性。

5、直线传播 不带电 干涉、衍射、反射、折射作用 波长很短、能量很大 1 1物理特性：物理特性：穿透性、荧光作用、电离穿透性、荧光作用、电离 作用、热作用作用、热作用 2 2化学效应：化学效应：感光作用、着色作用感光作用、着色作用 3. 3. 生物效应：生物效应：X线在生物体内能产生电 离和激发作用，使生物体产生生物效应。 1 1物理特性物理特性 (1)(1)穿透性：波长短，光子能量大，穿透物质的穿透性：波长短，光子能量大，穿透物质的 能力强。能力强。 穿透性与其波长、物质的性质、结构有关。Z 高、大的物质，吸收X线多，穿透性差。 不透过性组织：骨骼系统，含有大量的钙质，钙 的Z(20)较高，骨吸

6、收X线最多； 中等透过性组织：软组织(结缔组织、肌肉、 软骨等)及体液都是由氢、碳、氮、氧等低Z原 子组成，与水相近； 可透性组织：脂肪组织成分与软组织相似，但 排列稀疏，比软组织小，X线的透过性较好； 肺部、胃肠道、付鼻窦及乳突内等均含有气体， 也是由氢、氮、氧等组成，但分布非常稀疏， 密度很小，透过性能很好。 1 1物理特性物理特性 (2)(2)荧光作用：荧光作用： 荧光物质：荧光物质：X线照射某些物质时，物质的 原子被激发或电离；当恢复到基态时， 放射出可见荧光的物质，如CaWO4、铂氰 化钡、银激活的硫化锌等。 透视用的荧光屏，摄影用的增感屏，影 像增强器中的输入屏和输出屏，测定辐 射

7、量的闪烁晶体、荧光玻璃等是利用X线 的荧光作用制造的。 1 1物理特性物理特性 (3)(3)电离作用：电离作用： 具有足够能量的X光子能击脱物质原子的轨道 电子产生一次电离，脱离原子的电子再与其它 原子碰撞，还会产生二次电离。 在固体和液体中，电离后的正、负离子能很快 地复合不易收集；气体中的电离电荷却很容易 收集起来。 根据电离电荷的多少来测定X线的照射 (exposure) 量。多种测定照射量仪器的探头， 如电离室、正比计数管、盖革-弥勒计数管等 都是利用这个原理制成。 是X线对于肌体损伤和治疗的基础。 1 1物理特性物理特性 (4)(4)热作用：热作用： 物质吸收X线能量，最终绝大部分都

8、将 变为热能，使物体产生温升。 测定吸收剂量的量热法是利用X线的热 作用。 2 2化学效应化学效应 (1)(1)感光作用：感光作用： X线具有光化作用，可使胶片乳剂感光，能使 很多物质发生光化学反应。 人体X线摄影及工业制品的无损探伤检查、X线 照射量及其分布的测定等，是利用这一特性。 (2)(2)着色作用：着色作用： 某些物质经X线长期照射后，其结晶体脱水渐 渐改变颜色。如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等， 经X线长期照射后会着色。 3 3生物效应生物效应 X线在生物体内能产生电离和激发作用，使 生物体产生生物效应。生物细胞特别是增殖 性强的细胞，经一定量的X线照射后，可以 产生抑制、损伤、甚至坏死

9、。 人体组织吸收一定量X线后，因其对X线敏感 程度的不同而出现种种反应，这一作用可在 放射治疗中得到充分应用。 X线对人体的正常组织有一定的损伤作用， 必须注意非受检部位和非治疗部位的屏蔽防 护，放射工作者应注意自身防护。 三、三、X X线的产生线的产生 * *( (一一)X)X线产生条件线产生条件 基本条件： 要有一个电子源，提供足够数量的电子； 要有一个能经受高速电子撞击产生X线的靶面； 要有高速电子流。需具备： a.高电压产生的强电场强电场，使电子从中获得高速运 动的动能； b.是有一个真空度较高的空间真空度较高的空间，使电子在高速运 动中不受气体分子的阻挡而降低能量，同时保 护X线管灯

10、丝不致因氧化而被烧毁。 ( (二二)X)X线产生装置线产生装置 医用X线机分为诊断机和治疗机两大类。 用于透视、摄影和特殊检查的X线机统 称为诊断用X线机；诊断用X线机的管电 压一般在40150kV。 用于疾病治疗的统称为治疗用X线机。 由主机、机械装置及辅助设备等几部分 组成。 主机：是产生X线的最基本组成部件， 由X线管、高压发生器、控制台组成。 ( (二二)X)X线产生装置线产生装置 ( (二二)X)X线产生装置线产生装置 * *1 1X X线管线管 X线机的心脏。是高真空度 的热电子式X线管。 是在特制的玻璃管内插入两个电极，一 个是产生和发射热电子的阴极(负极) （cathode）；

11、 一个是阳极(anode)，也叫阳极靶面 (anode target)，是高速电子撞击的目 标。 管内真空度高达10-6 mm汞柱。 ( (二二)X)X线产生装置线产生装置 阴极由灯丝和集射罩组成。 灯丝电压愈高，温度愈高，每秒钟蒸发出的电 子数愈多。在阴极和阳极间加上高电压时，从 灯丝中蒸发出来的热电子在强电场的作用下奔 向阳极形成管电流。 阳极主体是铜圆柱体，对着阴极的端面上镶嵌 着一块钨板(钨靶)；是高速电子撞击的目标， 产生X线的地方。从阴极飞来的高速电子的动 能，99%以上都在阳极上变为热能，不到1的 能量变为X线能。阳极材料既要熔点高、导热 性能好；又要Z高，可提高X线的产生效率。

12、 ( (二二)X)X线产生装置线产生装置 ( (二二)X)X线产生装置线产生装置 *实际焦点实际焦点(actual focal spot)(actual focal spot) ：阴极 灯丝射向阳极的高速电子流，经聚焦后 撞击在阳极靶面上的面积(焦点)。 X线管的灯丝是螺管状，理想的实际焦点 在靶面上形成的是一近似矩形。 实际焦点的大小取决于聚焦槽的形状、 宽度和深度。 聚焦槽与灯丝位置及其电位分布影响阴 极电子流的分布，形成主焦点与副焦点。 ( (二二)X)X线产生装置线产生装置 *有效焦点有效焦点(effective focal spot)(effective focal spot) ：

13、实际焦点在X线投射方向上的投影面积。 一般为长方形。 阳极角阳极角：阳极面与X线投射方向之间的夹 角。一般在1020。 管壳的作用是维持一个高真空度的空间， 并起着固定阳极和阴极的作用。 ( (二二)X)X线产生装置线产生装置 ( (二二)X)X线产生装置线产生装置 2 2高压发生器高压发生器 X线管需要的电能应满 足：一个是使X线管灯丝加热放射出电子； 另一个是使这些电子加速奔向阳极。 X线发生器中设有灯丝电路和高压电路， 还有限时电路控制X线的照射时间。 ( (二二)X)X线产生装置线产生装置 3 3控制台控制台 是X线机的控制中心。有多 个开关和选择键(旋扭)，如电源开关、 工作方式选择

14、键、mA选择键、kV选择键、 照射时间选择键等。 4 4机械装置和辅助设备机械装置和辅助设备 检查床、立柱、支架、轨道等 四、四、X X线产生原理线产生原理 ( (一一) )电子与物质相互作用电子与物质相互作用 高速电子被靶物质阻止的过程复杂。高速电子 带负电荷，在物质中主要与原子核的正电场及 轨道电子的负电场发生作用。 电子在碰撞过程中的能量损失分为碰撞损失和 辐射损失两种。 碰撞损失只涉及原子的外层电子，这部分能量 将全部变为热； 辐射损失涉及内层电子和原子核。电子与靶原 子因碰撞而损失能量过程，就是发生能量转换 的过程。 * *( (二二)X)X线产生原理线产生原理 X线是在能量转换中产

15、生的。 X线组成：连续X线、特征X线。是这两种 成分组成的混合射线。 1 1连续连续X X线线 连续辐射又称轫致辐射 (bremsstrahlung)。它是高速电子与靶 原子核相互作用时产生的、具有连续波 长的X线。 连续辐射构成连续X线谱(continuous X- ray spectrum)，与可见光的白光相似， 是包括多种能量光子的混合射线。 1 1连续连续X X线线 (1)(1)连续连续X X线产生的物理过程：线产生的物理过程：轫致辐射是辐射 损失的一种，是产生连续X线的机制。 当一个带电体在外电场中速度变化时，带电体 将向外辐射电磁波。高速电子进入到原子核附 近的强电场区域、然后飞离

16、强电场区域完成一 次电子与原子核的相互作用时，电子的速度大 小和方向必然发生变化。 电子向外辐射电磁波损失能量E，电磁波的 频率由 E =h确定。电子的这种能量辐射叫 轫致辐射，这种辐射所产生能量为h的电磁波 称为X线光子。 1 1连续连续X X线线 由于每个高速电子与靶原子作用时的相 对位置不同，且每个电子与靶原子作用 前具有的能量也不同，所以各次相互作 用对应的辐射损失也不同，因而发出的 X线光子频率也互不相同(图2-7)。 大量的X线光子组成了具有频率连续的X 线光谱。 1 1连续连续X X线线 1 1连续连续X X线线 * *(2)(2)连续连续X X线的最短波长：线的最短波长： X线

17、强度是随波长的变化而连续变化的。每条 曲线都有一个峰值；曲线在波长增加的方向上 都无限延展，强度越来越弱；在短波方向上， 曲线都存在一个波长极限，称为最短波长 (min)。随着kV升高，辐射强度均相应地增强； 同时，各曲线所对应的强度峰值和min的位置 均向短波方向移动。 光子能量(E)与频率(v)成正比，与波长()成 反比，如果波长最短(min)，则频率最高 (max)，光子能量最大。 1 1连续连续X X线线 * *(2)(2)连续连续X X线的最短波长：线的最短波长： hmax = eU eU c h min eU hc min nm kVU)( 4 .12 min 1 1连续连续X X

18、线线 * *(3)(3)影响连续影响连续X X线的因素：线的因素： kV(U)、mA(i)一定时，与阳极靶面的Z成正比， 即I连Z。阳极靶面Z越高，X线的强度越大。 其次是管电流(mA)，在管电压U、靶材料(Z)一 定时，X线的强度取决于管电流。mA越大，在X 线管中被加速的电子数量越多，产生的X线强 度也就越大，即I连mA。 第三是管电压(U or kV) ，X线束中光子的最 大能量等于被加速电子的动能，电子的动能E eU，改变U，光子的最大能量也改变了，整 个X线谱曲线的形状将发生变化。 1 1连续连续X X线线 1 1连续连续X X线线 *最大强度对应的波长值称为最强波长。 最强 最强

19、1.51.5min min X线诊断中，以最强 最强为中心，邻近两侧的 波段起主要作用。 1 1连续连续X X线线 连续X线谱中每条曲线下的面积表示连续X线的 总强度，即： 由于滤过不同，连续X线的平均能量，一般为最 大能量的1/31/2，如最高能量为100keV的连 续X线，其平均能量在40keV左右。 *平均波长约为最短波长的2.5倍。即： 平均 平均 2.5 2.5 min min dII min 连 2特征特征X X线线 特征辐射又称标识辐射(characteristic radiation)，与连续辐射的产生机理完全不同。 (1)(1)特征特征X X线产生的物理过程：线产生的物理过程

20、：钨的X线谱，管 电压65kV时为连续X线；管电压升至100kV、 150kV和200kV时，在三条连续谱线上叠加了一 组波长位置不变、强度很大的线状光谱。线状 光谱的波长与kV无关，完全由靶材料性质决定。 不同靶材料都有自己特定的线状光谱，它表征 靶物质的原子结构特性。这种辐射称为特征辐 射，由此产生的X线称为特征X线。 2特征特征X X线线 2特征特征X X线线 2特征特征X X线线 (2)(2)特征特征X X线的激发电压：线的激发电压：靶原子的轨道电子在 原子中具有确定的结合能，只有当入射高速电 子的动能大于其结合能时，才有可能被击脱造 成电子空位，产生特征X线。特征X线是在原子 内层电

21、子的跃迁中产生的。 产生特征X线必须有一个激发电压(即kV)，例 如，要激发K系射线，高速电子的能量(eUk)至 少要击脱一个K电子所作的功(Wk)，K系的激 发电压应满足： eUkeUkWkWk 2特征特征X X线线 表表2-2 2-2 几种靶材料产生几种靶材料产生K K、L L系特征辐射的激发电压系特征辐射的激发电压(kV)(kV) 靶材料 Z K系激发电压 L系激发电压 铝(A1) 13 1.56 0.09 铜(Cu) 29 8.98 0.95 钼(Mo) 42 20.00 2.87 银(Ag) 47 25.5 3.97 锡(Sn) 50 29.18 4.14 钨(W) 74 69.51

22、 12.09 铅(Pb) 82 88.00 15.86 2特征特征X X线线 (3)(3)影响特征影响特征X X线的因素：线的因素： K系特征X线强度(Ik)：I Ik k =K =K2 2i(Ui(UU Uk k) )n n i为管电流；U为管电压；Uk为K系激发电 压；K2和n均为常数，n约等于1.51.7。 K系特征X线的强度与i成正比，kV大于激 发电压时才发生K系放射，并随kV的继续 升高K系强度迅速增大。 2特征特征X X线线 X线两种成分中特征X线只占很少一部分。 钨靶X线管，低于K系激发电压(69.51kV) 不会产生K系辐射；管电压在80150kV 时，特征X线只占1028；

23、 管电压 高于150kV，特征X线相对减少；高于 300kV时，两种成分相比，特征X线可以 忽略。 医用X线主要使用的是连续辐射，但在物 质结构的光谱分析中使用的是特征辐射。 五、五、X X线的量与质线的量与质 * *X X线强度：线强度：指在垂直于X线传播方向单位 面积上、单位时间内通过光子数量与能 量乘积的总和。常用X线强度来表示X线 的量。 * *1 1X X线的量线的量 X线光子的数目。对于由 相同能量的光子组成的单能辐射，其辐 射强度为： I= N hI= N h N为单位时间内通过单位横截面积上的X 线光子数；hv为每个光子的能量。 * *1 1X X线的量线的量 对于辐射是由能量

24、完全确定的(h1、h2) 光子组成的线状谱，辐射强度： 对于辐射是由一切可能能量(由零至某一最大 值Emax)的光子组成的连续谱，其辐射强度为： 每秒通过S面积的辐射能E： E EI IS S X线强度的SI单位是Jm-2s-1。 ii hNI dEEENI E max 0 )( * *1 1X X线的量线的量 由于X线光子的能量大，穿透本领强， 直接准确地测定X线的量是困难的， 但可用间接的方法来测量。 在X线的诊断应用中，可以用X线管 的管电流mA与照射时间s的乘积来反 应X线的量，通常以mAs为单位。 * *2 2X X线的线的质质 表示X线的硬度，即穿透物质本领的大小。 X线的质只与光

25、子能量有关，与光子数无 关。 一般X线束的成分是连续能谱，当它穿透 物质后能量分布又有不同变化，完整地 描述它的线质比较复杂。 常用表示射线穿透能力的半价层(half value layer，HVL)来表示X线的质。 * *2 2X X线的质线的质 * *半价层半价层HVLHVL：是使一束X线的强度衰减到 其初始值一半时所需要的标准物质的厚 度。 诊断用X线常用铝作为表示HVL的物质， HVL愈大表示X线的质愈硬。 X线诊断中，以X线管管电压(kV)值来近 似描述X线的质。kV愈高，电子从电场中 得到的能量愈多，撞击阳极靶的力量愈 强，产生的X线的穿透本领愈大。 kV愈高，也提高了X线的强度：

26、I IK Ki ikVkVn n 六、影响六、影响X X线产生的因素线产生的因素 ( (一一) )靶物质靶物质 连续X线的强度与 靶物质的原子序 数 (atom number) Z成正比(I I连 连 Z Z)。 kV和mA都相同， 阳极靶的Z高，X 线的强度也正比 地增大。 ( (一一) )靶物质靶物质 锡的Z为50，K系特征X线为2529keV； 钨的Z为74，K系特征X线约在5870keV； 铅的Z82，K系特征X线在7288keV。 特征X线完全由靶物质的原子结构特性决 定。靶物质的Z愈高，轨道电子的结合能 就愈大，特征X线的能量也就愈大，就需 要更高的激发电压。 ( (二二) )管电

27、压管电压 X线束中的最大光子能量等于高速电子的 最大动能，电子的最大动能又决定于kV 的峰值。改变kV也就改变了最大光子的 动能，整个X线谱的形式也将随之发生变 化。 mA不变时，随着kV的增高，连续X线谱的 min min和 最强 最强都向短波方向(高能端)移动， X线束中的高能成分增多，X线的质提高。 X线强度与kV的平方成正比：IkV2 ( (三三) )管电流管电流 电流的大小并不影 响X线的质，但在一 定的kV下，X线的强 度决定于mA。mA愈 大，撞击阳极靶面 的电子数愈多，产 生的X线强度也就愈 大。 实际X线强度与mA成 正比：ImA ( (四四) )高压波形高压波形 X线发生器

28、使用的都是脉动高压，有单相半波 和全波；三相六脉冲和十二脉冲。 不论高压波形怎样，min min只决定于kV的峰值 (kVp)。但脉动电压时的X线辐射强度都比峰值 相应的恒定电压的低。 在kVp相同的情况下，六脉冲和十二脉冲所产 生的X线比全波整流的硬线成分多，且在mA相 同的情况下，X线的辐射强度也比较高。是因 为全波整流的X线管工作的大部分时间都比峰 值时的恒定电压低，六脉冲和十二脉冲的电压 更接近蜂值时的恒定电压。 八、八、X X线强度空间分布线强度空间分布 1 1厚靶周围厚靶周围X X线强度的空间分布线强度的空间分布 * *阳极效应：阳极效应：靠近阳极端的射线最弱，靠近阴 极端的最强的

29、现象。而且靶角愈小，下降的程 度愈大。这种愈靠近阳极，X线强度下降得愈 多的现象，就是“足跟”效应，也称阳极效应。 当靶面阳极角为20时，在通过X线管长轴且 垂直于焦点平面的平面内测定，则近阳极端X 线强度小，近阴极端X线强度大。最大值在 110处，分布是非对称性的。在通过X线管短 轴且垂直于焦点平面的平面内测定，90处最 大，其分布基本上是对称的。 1 1厚靶周围厚靶周围X X线强度的空间分布线强度的空间分布 2 2薄靶周围薄靶周围X X线强度的空间分布线强度的空间分布 表示不同kV下不同薄靶 中产生的X线在周围空间 的分布情况。不同角度上 的矢径长度代表在该方向 上X线强度，即从电子束 入射的靶点到各曲线的长 度表示X线在该方向上的 强度。 高能电子束冲击靶时产 生的X线集中向前方，