第三章 X线的产生

1、本质本质 第三章第三章 X 射线的产生射线的产生 高频电磁波高频电磁波（10161020Hz） 波动性波动性（，f， T）干涉、衍射、干涉、衍射、 偏振偏振 粒子性粒子性（m，p，E） 光子、光电效应、光子、光电效应、 荧光、电离作用荧光、电离作用 波粒二象性波粒二象性 hfE h p 特性特性 物理物理 特性特性 化学化学 特性特性 生物生物 特性特性 1、在均匀、各 向的介质中直线 传播 2、不带电 3、穿透本领强 4、荧光作用 5、电离作用 6、热作用 1、感光作用 2、着色作用 可使细胞产生 抑制、损伤、 坏死。 生物作用生物作用 -X-X射线射线 物理特性物理特性 穿透作用是穿透作用

2、是X线透视、摄影基础线透视、摄影基础 X X线具有强穿透性作用，其穿透能力和光子能线具有强穿透性作用，其穿透能力和光子能 量有关，还和物质结构性质有关。量有关，还和物质结构性质有关。 Z Z吸收吸收穿透穿透 穿透作用同时也是选择穿透作用同时也是选择X线线 防护材料基础防护材料基础 生物作用生物作用 -X-X射线射线 物理特性物理特性 电离作用是电离作用是X线损伤、治疗基础线损伤、治疗基础 X X线能导致物质原子或分子电离线能导致物质原子或分子电离 X X线线 气体气体电荷电荷 电离电离产生产生 测量测量 剂量计剂量计 电离作用也是测量电离作用也是测量X线量基础线量基础 生物作用生物作用 -X-

3、X射线射线 物理特性物理特性 荧光作用荧光屏、增感屏基础荧光作用荧光屏、增感屏基础 X X线能导致物质原子激发，在原子跃回基态时线能导致物质原子激发，在原子跃回基态时 候发出可见荧光。候发出可见荧光。 光致发光！光致发光！ 生物作用生物作用 -X-X射线射线 光化学作用光化学作用 光化学作用用于摄影检查光化学作用用于摄影检查 生物效应生物效应 生物效应放射治疗基础，同时也是放生物效应放射治疗基础，同时也是放 射人员防护原因。射人员防护原因。 能使胶片感光！能使胶片感光！ 能使生物细胞产生生理和病理变化！能使生物细胞产生生理和病理变化！ 生物作用生物作用 一、一、X X线产生的条件线产生的条件

4、高速电子流高速电子流 阳极靶阳极靶 高压电场高压电场 真空真空 X 射线的产生射线的产生 (1). (1). X-X-射线管射线管 (2). (2). 低压源低压源 (510v)(510v) (3). (3). 高压高压 源源 (10(104 410105 5v )v ) 二二. . 装置装置 X 射线的产生射线的产生 核心部分核心部分 l X射线的产生装置： uX X射线管射线管 u低压电源低压电源E1E1 u高压电源高压电源E2E2 X X射线产生射线产生 X射线机的示意图射线机的示意图 X 射射 线线 管管 毫毫 安安 计计 E 2 高高 压压 电电 源源 E1低压电源低压电源 A K

5、l X X射线是在高度真空的射线是在高度真空的X X射射 线管中产生的，是高速电子线管中产生的，是高速电子 与阳极靶面相互作用的结果与阳极靶面相互作用的结果 球管球管 阳极阻止高速电子流阳极阻止高速电子流 阴极产生电子阴极产生电子 旋转阳极旋转阳极 固定阳极固定阳极 钨丝钨丝 球管球管 阳极固定球管阳极固定球管 阳极固定球管阳极固定球管 由由阳极阳极、阴极阴极和和玻璃壳玻璃壳组成。组成。 （一）阳极（一）阳极： 由靶面、铜体、阳极罩、阳极柱组成。由靶面、铜体、阳极罩、阳极柱组成。 作用作用：产生：产生X X线、散热、吸收二次电子和散线、散热、吸收二次电子和散 射线。射线。 （二）（二）阴极阴极

6、： 由灯丝和集射罩组成。由灯丝和集射罩组成。 作用作用：发射电子和对电子聚焦。：发射电子和对电子聚焦。 （三）（三）玻璃壳玻璃壳： 作用作用：支撑阴阳两级和保持管内真空度。：支撑阴阳两级和保持管内真空度。 低压电源和高压电源低压电源和高压电源 低压电源低压电源：主要供给钨丝，产生电子流：主要供给钨丝，产生电子流 高压电流高压电流：主要在阴阳两极间产生高压，加：主要在阴阳两极间产生高压，加 速电子流速电子流 三、三、X线的产生机制线的产生机制 X线谱由两部分组成线谱由两部分组成 1、连续连续X线谱线谱 2、特征特征X线谱线谱 X 射线的产生射线的产生 1、连续连续X射线的产生原理射线的产生原理

7、韧致辐射韧致辐射 高速电子进入到原高速电子进入到原 子核附近的强电场区域（路程子核附近的强电场区域（路程 伴随库仑力的变化过程），电伴随库仑力的变化过程），电 子的速度大小和方向必然变化，子的速度大小和方向必然变化， 以电磁波的形式向外辐射能量，以电磁波的形式向外辐射能量， 即损失的能量即损失的能量直接转化直接转化成成X线。线。 由于电子与靶原子核的相对位由于电子与靶原子核的相对位 置是任意的，电子进入靶的初置是任意的，电子进入靶的初 动能经过多少次碰撞辐射而完动能经过多少次碰撞辐射而完 全丧失也不确定，故辐射出的全丧失也不确定，故辐射出的 X线波长连续分布。线波长连续分布。 连续连续X线谱线

8、谱 2 2 1 mveU Max hf h eU f Max minmax fc UeU hc 19 834 min 106 . 1 1031063. 6 nm )( 24. 1 min kVU 1、连续连续X射线的产生原理射线的产生原理 X线的最短波长线的最短波长 min min minmin 1、连续连续X射线的产生原理射线的产生原理 影响因素影响因素 a、与靶原子序数成正比与靶原子序数成正比 b、与管电流大小与管电流大小成成正比正比 c、与管电压与管电压2 2次方次方成成正比正比 2 KiZUI 1、连续连续X射线的产生原理射线的产生原理 例例1 :求管电压为求管电压为100KV时时X线

9、的最短线的最短 波长和最大光子能量波长和最大光子能量。 解解 nm0124. 0 100 1.24 )( 24. 1 min kVU 92 834 1010241 10310636 . . min hc hfE Max eV10J. 5 14 1061 2、特征特征X射线的产生原理射线的产生原理 nuclear k LM Exciting inter electron High speed electron 2、特征特征X射线的产生原理射线的产生原理 （1 1）特征特征X线的产生过程线的产生过程 高速电子进入靶物质后，其动能被靶高速电子进入靶物质后，其动能被靶 原子内壳层电子获得，一部分用来脱

10、原子内壳层电子获得，一部分用来脱 离原子核束缚作功（逸出功）；另一离原子核束缚作功（逸出功）；另一 部分变成逸出后电子的动能。部分变成逸出后电子的动能。 当电子逸出后，原子当电子逸出后，原子 内壳层就出现了空位，内壳层就出现了空位， 外壳层电子将向内壳外壳层电子将向内壳 层填充，辐射的电磁层填充，辐射的电磁 波波（ X线）线）由两能级由两能级 差确定差确定 E2- E1= hf21 2、特征特征X射线的产生原理射线的产生原理 （2）特征的激发电压特征的激发电压 靶原子的轨道电子在原子中有确定的结靶原子的轨道电子在原子中有确定的结 合能合能W。当炸弹电子的动能大于内层电子结当炸弹电子的动能大于内

11、层电子结 合能时，才可能使电子逸出造成空位，产生合能时，才可能使电子逸出造成空位，产生 X射线。射线。 炸弹电子的动能大小完全由管电压确定炸弹电子的动能大小完全由管电压确定 WeU U = W/e 为最低激发电压。为最低激发电压。Uk UL UM UN X光子辐射以光子辐射以K系为主。系为主。 2、特征特征X射线的产生原理射线的产生原理 （3）影响特征影响特征X射线的因素射线的因素 i为管电流；为管电流；U为管电压；为管电压；Uk为为K系激发电压；系激发电压； K2和和n均为常数，均为常数， n约等于约等于1.5 1.7 n KK UUiKI)( 2 需要指出需要指出:特征特征X线只占很少一部

12、分线只占很少一部分 医用医用X线主要使用连续辐射部分线主要使用连续辐射部分 物质结构的光谱分析用特征辐射物质结构的光谱分析用特征辐射 特征谱线位置特征谱线位置(频率大小频率大小)只与物质结构有关。只与物质结构有关。 特征谱线的强度特征谱线的强度（K系系） 四四、 X 射线的量与质射线的量与质 X线量和质的定义线量和质的定义 X X射线的强度射线的强度 单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积 的的X X射线能量，叫作射线能量，叫作X X线的强度。线的强度。 使使X X射线强度增加的方法：射线强度增加的方法： 1 1）增加管电流：使单位时间内轰击阳靶的高）增加

13、管电流：使单位时间内轰击阳靶的高 速电子数目增多速电子数目增多 2 2）增加管电压：使每个光子的能量增大）增加管电压：使每个光子的能量增大 X X线量线量 X X线的量：线的量： 指指X X射线束的光子数。通常以射线束的光子数。通常以X X线管的管线管的管 电流与电流与X X线照射时间乘积，即毫安秒来表示线照射时间乘积，即毫安秒来表示 X X线的量。线的量。 X X线质（硬度）线质（硬度） lX X射线的射线的质（硬度）质（硬度）是指它的是指它的贯穿本领，决贯穿本领，决 定于波长定于波长。波长愈短的。波长愈短的X X射线，光子的能量射线，光子的能量 愈大，贯穿本领愈强，它的硬度就愈大，愈大，贯

14、穿本领愈强，它的硬度就愈大， 常用于深部治疗。常用于深部治疗。 lX X射线的硬度由管电压控制，管电压愈高，射线的硬度由管电压控制，管电压愈高， 轰击阳极的电子动能就愈大，发射光子的轰击阳极的电子动能就愈大，发射光子的 能量也愈大，能量也愈大，X X射线愈硬。因此，在医学上射线愈硬。因此，在医学上 通常用通常用管电压来衡量管电压来衡量X X射线的硬度。射线的硬度。 名名 称称管电压管电压(kV)最短波长最短波长(nm)主要用途主要用途 极软极软X射线射线 软软X射线射线 硬硬X射线射线 极硬极硬X射线射线 520 20100 250以上以上 0.250.062 0.0620.012 0.005

15、以下以下 软组织摄影，表皮治疗软组织摄影，表皮治疗 透视和摄影透视和摄影 较深组织治疗较深组织治疗 深部组织治疗深部组织治疗 100250 0.0120.005 四四、 X 射线的量与质射线的量与质 1、影响、影响X线线 量的因素量的因素 I U2iZt （1）靶原子靶原子 Z （2）管电流管电流 （3）管电压管电压 （4）投照时间投照时间 2、影响、影响X线质的因素线质的因素 影响影响X光子频率的因素光子频率的因素 取决于管电压的大小取决于管电压的大小 种类种类管电压管电压(kV) 最短波长最短波长() 最大频率最大频率(MHz)应用应用 极软线极软线 软线软线 硬线硬线 极硬线极硬线 5

16、20 20 100 100250 250以上以上 2.5 0.62 0.62 0.12 0.12 0.05 小于小于0.05 (1.2 4.8) 1012 (4.8 25) 1012 (25 60) 1012 大于大于60 1012 软组织摄影及软组织摄影及 表皮治疗表皮治疗 透视与照相透视与照相 深部组织治疗深部组织治疗 四四、 X 射线的量与质射线的量与质 五、五、X线的产生效率线的产生效率 在在X线管中产生线管中产生X线能量与加速电子线能量与加速电子 所消耗电能的比值叫所消耗电能的比值叫X线的产生效率线的产生效率 用连续用连续X线的总线的总 强度表示强度表示X线的辐线的辐 射功率射功率(

17、 (极少的特极少的特 征征X X线可忽略线可忽略) ) 加速电压产生的加速电压产生的 总功率总功率 ( (大部分转大部分转 换成热能换成热能) ) 为管电为管电 流与管电压的乘积流与管电压的乘积 2 KiZUI 199 104 . 1101 . 1 VK iU KZU iU KiZU 2 X线管产生线管产生X线的线的 效率一般不足效率一般不足1%, 绝大部分生成热而绝大部分生成热而 使靶面大幅升温。使靶面大幅升温。 例例2：求钨：求钨(Z=74)靶靶 在管电压为在管电压为100kV 时时X线的产生效率。线的产生效率。 加速电压加速电压X线能线能(%)热能热能(%) 40kV 70kV 100kV 150kV 4MV 20MV 0.4 0.6 0.8 1.3 36 70 99.6 99.4 99.2 98.7 64 30 钨靶在不同电压值的效率钨靶在不同电压值的效率 解：解： %9 . 01074102 . 1 59 KZU X线的产生效率线的产生效率 六六、 X 射线强度的空间分布射线强度的空间分布 薄靶薄靶 六六、 X 射线强度的空间分布射线强度的空间分布 厚靶厚靶 足跟效应：沿垂向散射的足跟效应：沿垂向散射的 X线束，靠近靶一侧的光 线束