X线的产生和性质

1、什么是什么是x x线？线？一、一、x x线线的发现的发现 1895年年11月月8日日，德国科学家，德国科学家伦琴伦琴在其实验室作阴极在其实验室作阴极射线管射线管（crt）的气体放电现象实验时意外发现的气体放电现象实验时意外发现x射线射线，也称也称伦琴射线伦琴射线。 1901年，伦琴因此成为第一个诺贝尔物理学奖得主。年，伦琴因此成为第一个诺贝尔物理学奖得主。 发现发现x射线射线后三个月，协助首例外科手术，后三个月，协助首例外科手术，20min拍拍摄摄1张头颅片。张头颅片。 x x线的本质和特性线的本质和特性 x x线线的的本质本质 1.1.具有具有波动性波动性 干涉、衍射、反射、折射干涉、衍射、

2、反射、折射。 2.2.具有具有微粒性微粒性 光电效应、荧光作用、电离作用。光电效应、荧光作用、电离作用。 3.3.具有具有波粒二象性波粒二象性 x x线线在传播中在传播中波动性；波动性；x x线线与物质与物质相互作用时相互作用时粒子性粒子性x x线的特性线的特性 1.物理特性物理特性 （1 1）穿透性穿透性：x x线线成像的基础。成像的基础。 （2 2）荧光作用荧光作用：x x线线照射某些照射某些荧光物质荧光物质（如钨酸钙）时（如钨酸钙）时能激发产生荧光，能激发产生荧光，荧光屏、增感屏、影像增强器、闪烁晶荧光屏、增感屏、影像增强器、闪烁晶体体等都利用了这一特性。等都利用了这一特性。 （3 3）

3、电离作用电离作用：x x线线放射治疗放射治疗的的基础基础。 （4 4）热作用热作用：x x线线被物质吸收，绝大部分最终都将变成被物质吸收，绝大部分最终都将变成热能热能，使物体升温。，使物体升温。x x线的特性线的特性 2.2.化学特性化学特性 （1 1）感光作用感光作用：x x线线摄影摄影的的基础基础。 （2 2）着色作用着色作用： 3.3.生物效应特性生物效应特性 生物组织经一定量的生物组织经一定量的x x射射线照射，会产生电离和激发，使线照射，会产生电离和激发，使细胞受到损伤、抑制、死亡或通过遗传变异影响下一代，细胞受到损伤、抑制、死亡或通过遗传变异影响下一代，这种现象称为这种现象称为x

4、x射线射线的的生物效应生物效应。这一特性在。这一特性在放射治疗放射治疗中中得到充分利用。得到充分利用。三、三、x x线的产生线的产生产生产生x x线线必须具备三个必须具备三个基本条件基本条件：电子源电子源高速电子高速电子 阳极靶面阳极靶面x x线产生的装置线产生的装置 1.x1.x线管线管 （1 1）阴极阴极 由由灯丝灯丝（钨丝绕制而成）和（钨丝绕制而成）和集射罩集射罩组成。组成。 （2 2）阳极阳极 是使高速电子突然受阻而产生是使高速电子突然受阻而产生x x线线的地方。的地方。 （3 3）管壳管壳 是维持一个是维持一个高真空度高真空度的空间，并起着的空间，并起着固定固定阳阳极和阴极的作用。极

5、和阴极的作用。 在实际应用中，有固定阳极在实际应用中，有固定阳极x x线线管和管和旋转阳极旋转阳极x x线管线管。两者。两者产生产生x x线线的原理完全相同，但后者的原理完全相同，但后者容量大、性能好容量大、性能好，是一，是一种种理想的理想的x x线管线管。x x线球管线球管旋转阳极旋转阳极x x线管线管x x线球管线球管 实际焦点（实际焦点（actual focal spotactual focal spot）：）：阴极灯丝射向阳极的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高速电子流，经聚焦后撞击在阳极靶面上的面积面积。从灯丝。从灯丝正面发射的电子撞击在靶面上形成正面发射的电

6、子撞击在靶面上形成主焦点主焦点，从灯丝侧方发，从灯丝侧方发射的电子撞击在靶面上形成射的电子撞击在靶面上形成副焦点副焦点。主焦点与副焦点共同。主焦点与副焦点共同形成实际焦点，理想的实际焦点近似形成实际焦点，理想的实际焦点近似矩形矩形。 有效焦点（有效焦点（effective focal spoteffective focal spot）：）：实际焦点在实际焦点在x x线投线投射方向上的投影面积。一般为射方向上的投影面积。一般为长方形长方形。 阳极面与阳极面与x x线线投射方向之间的夹角叫投射方向之间的夹角叫阳极角阳极角（一般为（一般为10100 0- -20200 0）。）。x x线线产生的装置

7、产生的装置 2.2.高压发生器高压发生器 包含包含灯丝电路灯丝电路（使（使x x线线管灯丝加热而放管灯丝加热而放射出电子），射出电子），高压电路高压电路（使电子加速奔向阳极）以及（使电子加速奔向阳极）以及限时限时电路电路（控制（控制x x线线照射时间）。照射时间）。 3.3.控制台控制台 是整个是整个x x线线机的机的控制中心控制中心。控制台上有多个。控制台上有多个开关和选择键，如电源开关，工作方式，开关和选择键，如电源开关，工作方式，kvkv、mama、照射时照射时间等选择键。间等选择键。 4.4.机械装置和辅助设备机械装置和辅助设备 如检查床、天地轨、支架、如检查床、天地轨、支架、影像增强

8、系统、影像增强系统、x-x-电视等。电视等。四、四、x x线产生原理线产生原理 电子与物质相互作用电子与物质相互作用 电子在碰撞过程中的能量损失可分为电子在碰撞过程中的能量损失可分为碰撞损失碰撞损失和和辐辐射损失射损失。 1.1.碰撞损失碰撞损失 凡属电子与原子的外层电子作用而损失的能凡属电子与原子的外层电子作用而损失的能量统称为量统称为碰撞损失碰撞损失，碰撞损失的能量最后全部变为，碰撞损失的能量最后全部变为热热。 2.2.辐射损失辐射损失 高速电子与原子的内层电子或原子核相互作高速电子与原子的内层电子或原子核相互作用而损失的能量统称为用而损失的能量统称为辐射损失辐射损失。 总之，运动电子在物

9、质中碰撞的结果，导致总之，运动电子在物质中碰撞的结果，导致能量的转换能量的转换，电子的电子的动能动能变为变为热能、电离能热能、电离能和和辐射能辐射能。即。即 e=ee=e热热+e+e电离电离+e+e辐射辐射 三种能量的分配比例，则因电子的能量及物质的性质而异三种能量的分配比例，则因电子的能量及物质的性质而异。x x线的产生原理线的产生原理 x x线线是在能量装换中产生的。对是在能量装换中产生的。对x x线线进行光谱分析发现进行光谱分析发现它由它由两部分两部分组成，组成，一部分一部分是高速电子与靶原子核相互作用是高速电子与靶原子核相互作用产生的产生的连续连续x x线线；另一部分另一部分是高速电子

10、在与靶原子的内层是高速电子在与靶原子的内层轨道电子相互作用中产生的标识靶原子特性的轨道电子相互作用中产生的标识靶原子特性的特征特征x x线线。可见可见x x线线是由这两种成分组成的是由这两种成分组成的混合射线混合射线。x x线的产生原理线的产生原理 1.1.连续连续x x线线 连续辐射连续辐射又称又称轫致辐射（轫致辐射（bremsstrahlung bremsstrahlung rediationrediation）。它是。它是高速电子与靶原子核相互作用高速电子与靶原子核相互作用时产生时产生的、具有的、具有连续波长连续波长的的x x线。连续辐射构成线。连续辐射构成连续连续x x线谱线谱（con

11、tinuous x-ray spectrumcontinuous x-ray spectrum），是包括多种能量光子，是包括多种能量光子的的混合射线。混合射线。连续连续x x线线 连续连续x x线产生线产生的的物理过程物理过程：轫致辐射轫致辐射是辐射损失的一种，是辐射损失的一种，它是产生连续它是产生连续x x线线的的机制机制。 由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同，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，所以各次且每个电子与靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次作用对应的辐射损失也不同，因此发出的作用对应的辐射损失也不同，因此发出的x x

12、线线光子频率也光子频率也互不相同。大量的互不相同。大量的x x线光子线光子组成了具有频率连续的组成了具有频率连续的x x线光谱线光谱。 连续连续x x线的最短波长线的最短波长钨在较低管电压下的连续钨在较低管电压下的连续x射线谱射线谱连续连续x x线的最短波长线的最短波长 由由上图上图可知，连续可知，连续x x线谱的线谱的x x线线强度是随着波长的变化而连强度是随着波长的变化而连续变化的。每条曲线都有一个续变化的。每条曲线都有一个峰值峰值；曲线在波长增加的方；曲线在波长增加的方向上都无限延展，但强度越来越弱；在波长减小（短波）向上都无限延展，但强度越来越弱；在波长减小（短波）方向上，曲线都存在一

13、个波长极限，称为方向上，曲线都存在一个波长极限，称为最短波长最短波长（min）。）。连续连续x x线的最短波长线的最短波长 光子能量光子能量（e e）与频率与频率（）成成正比正比，与波长，与波长（）成成反反比比，如果波长最短，如果波长最短（minmin），），则频率最高则频率最高（ maxmax），），表表明光子的能量最大。根据能量转换和守恒法则，光子能量明光子的能量最大。根据能量转换和守恒法则，光子能量的最大极限的最大极限（ h h maxmax ）只能等于入射电子在只能等于入射电子在x x线线管加速管加速电场中所获得的能量电场中所获得的能量（eueu），），即即 h h maxmax= e

14、u= eu h.c/h.c/min=min=eueu minmin=hc/eu=hc/eu 把把h h、c c、e e代入上式，则代入上式，则 min=min=1.24/u1.24/u（kvkv）nmnm可见，连续可见，连续x x线线的的最短波长最短波长只与只与管电压管电压有关。有关。影响连续影响连续x x线强度的因素线强度的因素管电流、管电压和靶物质对连续管电流、管电压和靶物质对连续x x线的影响线的影响 由由上图上图可知，在管电压可知，在管电压kvkv、管电流、管电流i i一定时，连续一定时，连续x x线线的强度的强度i i与阳极靶面的原子序数与阳极靶面的原子序数z z成正比；在管电压成正

15、比；在管电压kvkv、靶、靶材料材料（z z）一定时，管电流越大，产生一定时，管电流越大，产生x x线线强度越大；管电强度越大；管电流、靶材料流、靶材料（z z）一定时，管电压升高，一定时，管电压升高，x x线线强度越大。强度越大。 连续连续x x线线的的总强度总强度i i连连=k.i.z.kv=k.i.z.kvn n 式中常数式中常数k=1.1k=1.11010-9-91.41.41010-9-9 根据实验和计算得出，根据实验和计算得出，最强波长最强波长约在最短波长的约在最短波长的1.51.5倍倍处。处。 即：即： 最强最强= =1.51.5 minmin特征特征x x线线 特征辐射特征辐射

16、又称又称标识辐射标识辐射。 特征特征x x线产生的线产生的物理过程物理过程：不同靶材料都有自己特定的：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，而与其他因素线状光谱，它表征靶物质的原子结构特性，而与其他因素无关。这种辐射称为特征辐射，由此产生的无关。这种辐射称为特征辐射，由此产生的x x线称为线称为特征特征x x线线。 当在当在x x线管的管电压下加速的电子能量线管的管电压下加速的电子能量hh大于靶原子内大于靶原子内层电子的结合能时，就有一定的概率使高速电子将内层电层电子的结合能时，就有一定的概率使高速电子将内层电子打出成为子打出成为自由电子（光电子）自由电子（光电子），从

17、而原子内层电子层出，从而原子内层电子层出现空位而处于现空位而处于激发态激发态。按照能量分布原则，处于高能态的。按照能量分布原则，处于高能态的外层电子必然要向内层跃迁填补内层外层电子必然要向内层跃迁填补内层电子空位电子空位，便释放出，便释放出能量能量（ h h ）等于电子跃迁前等于电子跃迁前（e2e2）、后、后（e1e1）两能级两能级之差的之差的特征特征x x线光子线光子，即：，即： h= eh= e2 2 -e -e1 1 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

18、合能时，才有可能被击脱造成电子空位，产生子的动能大于其结合能时，才有可能被击脱造成电子空位，产生特征特征x x线线。产生特征。产生特征x x线线必须有一个必须有一个激发电压激发电压（即管电压），使高速电子的（即管电压），使高速电子的能量能量（hh）至少要等于或大于击脱一个至少要等于或大于击脱一个k k电子所做的功电子所做的功（w w），即：，即： hwhw 式中式中w w为为脱出功脱出功或或结合能结合能。当。当h=wh=w 时，时，kv=w/ekv=w/e为为最低激发电压最低激发电压。 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影响特征影响特征x x线的

19、因素线的因素 研究证明，研究证明，k k系特征系特征x x线线的强度的强度（i ik k）可用下式表示：可用下式表示： i ik=k=k k2 2i(kv-kvi(kv-kvk k）n n 式中式中kvkvk k为为k k系激发电压；系激发电压；k k2 2和和n n均为常数。均为常数。 由由上式上式可见，可见，k k系特征系特征x x线线的强度与管电流成的强度与管电流成正比正比，管，管电压大于激发电压时才发生电压大于激发电压时才发生k k系放射系放射，并随管电压的升高，并随管电压的升高k k系强度迅速增大。系强度迅速增大。五、五、x x线的量与质线的量与质 1. 1.x x线线的的量量 就是就是x x线线光子数目光子数目。 在在x x线的临床应用中，可以用线的临床应用中，可以用x x线线管的管电流管的管电流mama与照射时与照射时间间s s的乘积来反映的乘积来反映x x线的量，通常以线的量，通常以masmas为单位。为单位。 2.2.x x线线的的质质 又叫又叫线质线质，它表示，它表示x x线线的的硬度硬度，即穿透物质，即穿透物质本领的大小。本领的大小。x x线质只与线质只与光子能量光子能量有关而与有关而与光子数光子数无关。无关。 在在x x线线的放射应用中，常以的放射应用中，常以x