X 线的产生和性质

1、低气压放电现象：1836年，英国科学家法拉第发现，稀薄气体放电时，会产生一种绚丽的辉光。因为它是由阴极发出的，后来物理学家把这种辉光称为“阴极射线”（cathode ray） 。为探明阴极射线，许多科学家进行了艰巨的研究。盖斯勒管（Geissler tube） 当管中为大气压，电压至数万伏，不放电；当管中为大气压，电压至数万伏，不放电； 继续加压，产生白色火花放电；继续加压，产生白色火花放电； 抽出空气，放电所需电压随气压降低而降低；抽出空气，放电所需电压随气压降低而降低； 气压气压5mmHg5mmHg，气体发出明亮的光辉，颜色由气体决，气体发出明亮的光辉，颜色由气体决定；定； 0. 5mmH

2、g0. 5mmHg，阴极附近产生克罗克斯（，阴极附近产生克罗克斯（CrocksCrocks）黑）黑暗区；暗区； 0. 1mmHg0. 1mmHg，全黑玻璃壁产生荧光（阴极射线撞，全黑玻璃壁产生荧光（阴极射线撞击）；击）； 高度真空，无论电压多高，不放电。高度真空，无论电压多高，不放电。基础知识 18611861年，英国科学家克罗克斯（年，英国科学家克罗克斯（CrocksCrocks）发现通电）发现通电的阴极射线管会产生亮光，于是就拍下来，可显影后发现的阴极射线管会产生亮光，于是就拍下来，可显影后发现整张干版一片模糊。他认为干版有毛病退给厂家。整张干版一片模糊。他认为干版有毛病退给厂家。 克罗克

3、斯克罗克斯也曾发现抽屉里保存在暗盒里的胶卷莫名也曾发现抽屉里保存在暗盒里的胶卷莫名其妙地感光报废，他找到胶片厂商，指斥其产品低劣。其妙地感光报废，他找到胶片厂商，指斥其产品低劣。 在伦琴发现在伦琴发现X光的五年前，美国科学家古德斯柏德在光的五年前，美国科学家古德斯柏德在实验室里偶然洗出了一张实验室里偶然洗出了一张X射线透视底片。但他将其归因于射线透视底片。但他将其归因于照片的冲洗药水或冲洗技术，把这一照片的冲洗药水或冲洗技术，把这一“偶然偶然”弃之于垃圾弃之于垃圾堆中。堆中。 一个伟大的发现就这样一次次与他们失之交臂！一个伟大的发现就这样一次次与他们失之交臂！ 基础知识科学发现的偶然性与必然性

4、科学发现的偶然性与必然性18451845年年3 3月月2727日生于荷兰；日生于荷兰；18681868年毕业于苏黎世联邦工程学院；年毕业于苏黎世联邦工程学院；18721872年伦琴到斯特拉斯堡大学任副教授；年伦琴到斯特拉斯堡大学任副教授；18751875年成为霍恩海堡农业专科学校的教授；年成为霍恩海堡农业专科学校的教授；18791879年年18881888年主持吉森大学物理学讲座；年主持吉森大学物理学讲座；18891889年年18931893年任耶拿大学和乌德勒兹两年任耶拿大学和乌德勒兹两大学的教授；大学的教授；18941894年年19001900年任维尔茨堡大学校长和慕年任维尔茨堡大学校长和

5、慕尼黑物理研究所所长。尼黑物理研究所所长。伦琴生平简介伦琴生平简介基础知识 伦琴伦琴是柏林和慕尼黑科学院的通讯院士。是柏林和慕尼黑科学院的通讯院士。伦琴在五十年的研究工作中，一共发表了五十多伦琴在五十年的研究工作中，一共发表了五十多篇论文。他在研究电磁现象中还发现，在充电的篇论文。他在研究电磁现象中还发现，在充电的固定平行板电容器中，使介质旋转，能够产生磁固定平行板电容器中，使介质旋转，能够产生磁场，就好象有电流流动一样。这一假想的电流，场，就好象有电流流动一样。这一假想的电流，人们称为伦琴电流。此外，伦琴还在弹性、液体人们称为伦琴电流。此外，伦琴还在弹性、液体的毛细作用、气体比热、热在晶体中

6、的传导、压的毛细作用、气体比热、热在晶体中的传导、压电效应以及偏振光的磁致旋转等方面也都有研究。电效应以及偏振光的磁致旋转等方面也都有研究。 19231923年年2 2月月1010日日伦琴伦琴因患癌症在慕尼黑逝世。因患癌症在慕尼黑逝世。基础知识 1895 1895年年1010月年过半百的伦琴用克罗克斯管研究高真空放月年过半百的伦琴用克罗克斯管研究高真空放电。他吃住在实验室，一连做了电。他吃住在实验室，一连做了7 7个星期的实验。个星期的实验。1111月月8 8日，日，他用黑纸把阴极射线管严密地包起来，电流通过时，两米开他用黑纸把阴极射线管严密地包起来，电流通过时，两米开外一个涂了亚铂氰化钡的小

7、屏发出明亮的荧光。伦琴证明了外一个涂了亚铂氰化钡的小屏发出明亮的荧光。伦琴证明了这种效应是由一种看不见的射线引起的，它能穿过纸和这种效应是由一种看不见的射线引起的，它能穿过纸和2 23 3厘米厚的木头，能穿过薄铝片，但不能穿过较厚的金属和其厘米厚的木头，能穿过薄铝片，但不能穿过较厚的金属和其他致密物质。如果把手放在管子与荧光屏之间，可以看到手他致密物质。如果把手放在管子与荧光屏之间，可以看到手上的骨骼。这种能透过不透光物质而又看不见的射线伦琴称上的骨骼。这种能透过不透光物质而又看不见的射线伦琴称为为X X线。线。二、二、X线的发现线的发现(Discovery of X-ray)基础知识 189

8、5年12月28日，伦琴在维尔兹堡大学作了一次X射线的学术报告，并公布了世界上第一张X光照片伦琴夫人的手骨照片，引起了世界的轰动 。X射线的新闻发布不久，美国人就用它发现了患者足部的子弹。伦琴夫人的手骨照片基础知识1896年1月23日 物理医学会纪念演讲基础知识X 射线的波动性与粒子性是X 射线具有的客观属性波动性： 1913年德国物理学家劳厄(MV. Laue)等发现X射线衍射现象，从而证实了X射线本质是一种电磁波，它与可见光一样，X射线以光速沿直线传播，其电场强度矢量E和磁场强度矢量H相互垂直，并位于垂直于X射线传播方向的平面上。通常X射线波长范围为100.001nm，衍射分析中常用波长在0

9、.050.25nm范围内。粒子性： X射线在空间传播具有粒子性，或者说X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续的粒子流，这些粒子叫光量子，每个光量子具有能量： 每个光量子的能量是X射线的最小能量单位。当它和其他元素的原子或电子交换能量时只能一份一份地以最小能量单位被原子或电子吸收。 chhE760nm400nm 可见光可见光 电电 磁磁 波波 谱谱红外线红外线 紫外线紫外线 射射 线线X射线射线长波无线电波长波无线电波61010101410181022102104108101210161020102410010频率频率Hz1610810波长波长m4104100108101210短波无线电波短

10、波无线电波无线电波无线电波cm1.0m1034760nmnm1065nm400nm760可见光可见光红外线红外线5nmnm4000.04nmnm5nm04.0紫外光紫外光x 射线射线 射线射线（三）X线的特性1物理特性（1）穿透作用：穿透能力与X线光子的能量成正比，波长短的X线光子能量大、穿透能力强，另外还与被照物体的密度有关。（2）荧光作用：当X线照射某些荧光物质(如钨酸钙等)时能激发产生荧光，荧光屏、影像增强器、增感屏等都利用了这一特性。14（3）电离作用：物体受X线照射时，使核外电子脱离原子轨道，即电离作用。自动曝光控制系统的电离室、X线放射治疗等利用了该特性。（4）热作用 （5）干涉、

11、衍射、反射、折射作用2化学特性（1）感光作用：是X线摄影的基础（2）着色作用：使某些物质(如铂氰化钡)的结晶体脱水而改变颜色。3生物效应 生物细胞经一定剂量X线的照射会受到抑制、损伤、坏死，生物效应既有利又有弊 在X线诊断和治疗中主要利用了X线的穿透、荧光、电离、感光、生物等特性。16当高速带电粒子撞击物质受阻而突然减速时，能够产生X 射线。医学影像诊断所用的X线产生设备是X线管（X-ray tube，球管）。X射线的产生需要的基本条件是：1.要有一个电子源，能根据需要，随时提供足够数量的电子，这个电子源称为阴极（cathode）；2.要有一个能经受高速电子撞击而产生线的靶，即阳极（anode

12、）；3.要有高速电子流。两个方面，其一是高压电场，使电子获得动能；其二是有高真空环境，使电子在运动中不受气体分子的阻挡和电离放电而降低能量，同时也能保护灯丝不致因氧化而被烧毁。4.高度真空(P10-4Pa)的环境X射线管的构造：外壳：硬质玻璃管，高真空。阴极：电子源，发射电子流（钨丝）。阳极：靶，受高速电子轰击阴极阴极阳极阳极金属靶X X 射射 线线1E2EX 射线射线冷却水冷却水 U UL L U UM M U UN N X X光子辐射以光子辐射以K K系为主。系为主。影响特征影响特征X X射线的因素射线的因素i i为管电流；为管电流；U U为管电压；为管电压；U Uk k为为K K系激发电

13、压；系激发电压；K K2 2和和n n均为常数，均为常数， n n约等于约等于1.5 1.71.5 1.7nKKUUiKI)(2 需要指出需要指出: :特征特征X X线只占很少一部分线只占很少一部分, ,医用医用X X线主要使用连续辐射线主要使用连续辐射, ,部分物质部分物质结构的光谱分析用特征辐射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 K系）系）连续谱的形状与靶的材料无关。连续谱存在一最大的能量值，它取决于管电压。标识辐射的X射线波长是由跃迁的电子能量差决定的，与高速电子的能量（

14、管电压）无直接关系，主要决定于靶物质的原子序数，原子序数越高，产生的标识辐射的波长越短。 60 产生机制产生机制管电压管电压特性特性用途用途连续连续谱谱韧致辐射韧致辐射50kv50kv以下以下管电压变，管电压变，强度曲线强度曲线变。短波变。短波极限极限医用医用标识标识谱谱由较高能级的由较高能级的电子跃迁到内电子跃迁到内壳层的空位产壳层的空位产生生70kv70kv以上以上管电压变，管电压变，特征曲线特征曲线不不变。变。化学元素化学元素分析、原分析、原子壳层结子壳层结构分析构分析第五节第五节X X 射线的量与质射线的量与质X X线量和质的定义线量和质的定义 1 1、影响、影响X X线线 量的因素量

15、的因素I I U U2 2iZtiZt（1 1）靶原子）靶原子 Z Z（2 2）管电流）管电流（3 3）管电压）管电压（4 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 2020 100100250250以上以上2.5 0.620.62 0.120.12 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

16、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第六节第六节X X线的产生效率线的产生效率 在在X X线管中产生线管中产生X 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 X线的产生效率线的产生效率 用连续用连续X X线的线的总强度表示总强度表示X X线的线的辐射功率辐射功率( (极少的极少的特征特征X X线可忽略线可忽略) ) 加速电压产生加速电压产生的总功率的总功率 ( (大部分大部分转换成热能转换成热能) ) 为管为管电流与管电压的乘电流与管电压的乘积积2KiZUI 99104 . 1101 . 1 KiUKZUiUKiZU

17、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(%)40kV70kV100kV150kV4MV20MV0.40.60.81.3367099.699.499.298.76430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 . 159 KZU l从阳极靶上发射的X射线在不同的方位角上，辐射强度不同。这种不均匀分布称为辐射强度空间分布或辐射场的角分

18、布。它主要取决于入射电子的能量、靶物质及靶厚度等因素。 薄靶周围X射线强度的角分布 厚靶产生的X射线空间分布第七节第七节X X 射线强度的空间分布射线强度的空间分布低能电子束冲击薄靶产生的低能电子束冲击薄靶产生的X X射线强度射线强度分布，主要集中在与电子束成垂直的分布，主要集中在与电子束成垂直的方向上；沿着电子束方向上方向上；沿着电子束方向上X X射线强度射线强度相对较小；与电子束相反方向上相对较小；与电子束相反方向上X X射线射线强度近似为零。靶越薄，上述结论越强度近似为零。靶越薄，上述结论越正确。正确。 根据薄靶产生根据薄靶产生X X射线的空间分布的特点，射线的空间分布的特点，在管电压较低时，利用反射式靶在技术在管电压较低时，利用反射式靶在技术上很有好处；但对使用超高压上很有好处；但对使用超高压X X射线管射线管时，管电压