第十六章X射线PPT课件

1、X射线的发现德国物理学家伦琴于1895年11月8日发现X射线 1901年诺贝尔物理学奖 第一张人体X光片 劳厄用晶体衍射实验证明X射线是一种波长较短的电磁波。获得1914年诺贝尔物理学奖 第1页/共56页第一节第一节 X X射线的产生射线的产生一、X射线的产生装置1、产生X射线的方法和条件常用的方法： 让高速运动的带电粒子撞击物质(障碍物)受到阻挡，而突然减速时，由于它们相互作用产生X射线。第2页/共56页该方法产生X射线的基本条件是：、有高速运动的电子流；、有适当的障碍物靶（金属）。其作用是：用来阻止电子的运动，把电子的动能转变为X射线的能量。产生X射线的另一种方法是：由加速的高能带电粒子直

2、接辐射X射线，同步辐射就属于这种方法。第3页/共56页 此外，用受激辐射产生激光的方法也可以产生X射线。 目前，医学诊断和治疗设备主要采用高速电子(几十兆电子伏特)受阻的方法辐射X射线。第4页/共56页2、 X射线的产生装置 产生X射线的基本装置主要包括四个组成部分：X射线管；低压电源；高压电源；整流电路。第5页/共56页第6页/共56页主要组成：阴极阳极现代的X射线管结构示意图第7页/共56页X射线管( 俗称球管)照片第8页/共56页早期的放射治疗用X线管第9页/共56页 X射线管是一个高度真空的硬质玻璃管，管内封有阴极和阳极。阴极钨丝卷绕成螺旋形，单独由低压电源（一般为510V）供给电流，

3、使其炽热而发射电子。电流愈大，灯丝温度愈高，单位时间内发射的电子愈多。阳极通常是铜制的圆柱体，在柱端斜面上嵌上一小块钨板，作为接受高速电子冲击的靶。第10页/共56页阴阳两极间所加的电压为几十千伏到几百千伏的直流高压管电压。阴极发射的热电子在电场的作用下高速奔向阳极，形成管电流。这些高速电子突然被钨靶阻止时，就有X射线向四周辐射。医用X射线装置都采用交流供电，结构比较复杂。见图161。第11页/共56页第12页/共56页 高速电子轰击阳极时，电子的动能转变为的X射线的能量不到1，99以上的能量都转变为热，使阳极的温度升高。 阳极上直接受到电子轰击的区域-靶，应当选用熔点高的物质。理论和实验表明

4、：在同样速度和数目的电子轰击下，原子序数Z不同的各种物质做成的靶所辐射的X射线的光子总数或光子总能量是不同的，光子总能量近似与Z2成正比。第13页/共56页Z越大发生X射线的效率越高。 在兼顾熔点高、原子序数大和其他一些技术要求时，钨（Z74）和它的合金是最适当的靶材料。 在需要波长较长的X射线的情况下，因采用的管电压较低，用钼（Z42）作为靶更好一些。阳极整体用导热系数较大的铜做成。可采用不同的散热方法降低阳极的温度。第14页/共56页3、实际焦点与有效焦点实际焦点- 灯丝发射的电子，经聚焦加速灯丝发射的电子，经聚焦加速后在阳极靶面上的后在阳极靶面上的撞击面积撞击面积 。实际焦点的大小和灯丝

5、实际焦点的大小和灯丝的形状有关。的形状有关。 长灯丝长灯丝所形成的焦点所形成的焦点叫叫大焦点大焦点， 短灯丝短灯丝所形成的焦点所形成的焦点叫叫小焦点小焦点。abcabcdd第15页/共56页有效焦点-实际焦点实际焦点在垂自于在垂自于X射线管射线管轴线轴线方向上方向上的的投影面积投影面积 。焦点就是一个实际的焦点就是一个实际的X射线源射线源。一般X射线管的阳极靶面均做成斜面，钨靶为一矩形。abcabcdd第16页/共56页靶倾角靶倾角定义为：靶的表面与垂直于电子定义为：靶的表面与垂直于电子流方向的流方向的夹角夹角。第17页/共56页 设实际焦点的长设实际焦点的长度为度为ab，宽度为，宽度为bc。

6、经过投影后，有。经过投影后，有效焦点的宽度效焦点的宽度bc仍仍等于实际焦点的宽等于实际焦点的宽度，而有效焦点的度，而有效焦点的长度长度ab则变成了则变成了absin，比实际焦比实际焦点的长度短点的长度短。所以。所以有效焦点有效焦点比比实际焦实际焦点点小小。实际焦点和有效焦点的关系实际焦点和有效焦点的关系：abcabcddabbasin第18页/共56页实际焦点的面积为：bcab有效焦点的面积近似为：sinabbc有效焦点与靶的倾斜度有关，大约只有实际焦点的 到 ，近似正方形。2141电子在靶上撞击的面积较大，但X射线却像是从较小的面积上发射出来的。焦点愈小，X射线透视或照相时在荧光屏或照相底片

7、上所成的像就愈清晰。第19页/共56页一般诊断用的X射线管采用小焦点。治疗用的X射线管采用大焦点。 为了降低阳极靶面的温度，大功率的X射线管多采用旋转阳极，使受撞击面不断改变，将热量分散到较大的面积上。第20页/共56页 二、X射线的强度和硬度1、X射线的强度定义为： 单位时间内通过与X射线方向垂直的单位面积的辐射能量，单位为 。2mW若用表示X射线的强度，则nniniihNhNhNhNI22111第21页/共56页式中 分别表示单位时间通过垂直于X射线方向单位面积的能量为 的光子数。nNNN21、1hnhh、2使X射线强度增加的两种方法：增加管电流，使单位时间内轰击阳极靶的高速电子数目增多，

8、从而增加所产生的光子数目N；增加管电压，可使每个光子的能量 增加。h第22页/共56页 由于光子数目不容易测出，故在管电压一定的情况下，通常采用管电流的毫安数(mA)来间接表示X射线的强度大小，称为毫安率。 在管电压一定的情况下， X射线管灯丝电流越大，灯丝温度越高，发射的热电子数目越多，管电流就越大。 常用调节灯丝电流的方法来改变管电流，以达到控制X射线强度的目的。第23页/共56页X射线的总辐射能量定义为： X射线通过任一截面的总辐射能量不仅与管电流成正比，且还与照射时间成正比。 管电流的毫安数(mA)与辐射时间(s)的乘积。其单位为：mAs。第24页/共56页2、X射线的硬度 X射线的硬

9、度是指X射线的贯穿本领。 它只由X射线的波长（即单个光子的能量）决定，与光子的数目无关。对于一定的吸收物质，X射线被吸收愈少则贯穿的量愈多，X射线就愈硬，或者说其硬度愈硬。其贯穿本领越大。第25页/共56页管电压电子动能X射线光子的能量X射线的硬度同样，由于单个X光子的能量不易测出，所以，在医学上常用管电压的千伏数(kV)来表示X射线的硬度，称为千伏率，并通过调节管电压来控制X射线的硬度。提高X射线硬度的方法：增加管电压。第26页/共56页 在医学上，根据用途把X射线按硬度分为极软、软、硬和极硬四类。第27页/共56页 第二节 X 射 线 谱X射线谱 X射线管发出的X射线，包含各种不同的波长成

10、分，将其强度按波长的顺序排列开来的图谱。X射线谱包括两个部分：连续X射线谱或称连续谱；标识X射线谱或称标识谱。 连续谱与靶物质无关，但不同的物质有不同的标识谱。第28页/共56页第29页/共56页一、连续X射线谱1、连续X射线谱产生的机制 连续X射线的发生是轫致辐射过程。轫致辐射： 当高速电子流撞击阳极靶受到制动时，电子在原子核的强电场作用下，速度的量值和方向都发生急剧变化，一部分动能转化为光子的能量 而辐射出去的过程。h第30页/共56页2、连续谱特性连续X射线产生的条件： 当X射线管在管电压较低时才产生连续X射线谱。第31页/共56页在波长减少的方向上，曲线都存在一个最短波长X射线强度随波

11、长的变化而连续变化每条曲线都有一个峰值曲线在波长增加方向上无限延展，强度越来越弱连续连续X射线发射谱的基本特征：射线发射谱的基本特征：30kV20kV40kV50kV0.10123456780.020.040.060.08波长波长(nm)相对强度相对强度I钨靶在较低管电压下的连续X射线发射谱第32页/共56页相对强度短波极限强度为零的相应波长是连续谱中的最短波长，称为短波极限(min) 。管电压不同连续谱的位置不同。第33页/共56页当管电压增大时，各波长的强度都增大，且强度最大的波长和短波极限都向短波方向移动。管电压增大，短波极限变小。 设管电压为U，电子电量为e，则电子具有的动能为eU，这

12、就是光子可能具有的最大能量 ， 是与短波极限 对应的最高频率，由此可得maxhmaxmineUchhminmax第34页/共56页Uehc 1min上式表明，连续X射线谱的最短波长与管电压成反比。nmkVU)(242. 1min 连续X射线谱的强度同时受到靶原子序数、管电流及管电压的影响。第35页/共56页 在管电流、管电压一定的情况下，靶原子序数愈高连续谱强度愈大。以上讨论的是钨靶X射线管在50kV以下工作的情况，此时波长在0.025nm以上，只出现连续X射线。当管电压继续升高到70kV以上时，连续谱在0.02nm附近就叠加了4条谱线（标识谱线），当电压继续升高时，连续谱发生很大改变，但这4

13、条谱线在图中的位置却始终不变，即其波长不变。第36页/共56页二、标识X射线 标识谱线 任何靶的标识X射线谱都是唯一的，可以作为此靶的标识(特征)，故称为标识X射线谱图中的4条谱线就是图16-3中未分开的K线。第37页/共56页第38页/共56页1、标识X射线产生的微观机制产生的机制产生的机制：高速电子流：高速电子流与与靶物质中靶物质中电子电子发生作用发生作用，使其低能级，使其低能级(内壳层内壳层)出现空位，其高能级出现空位，其高能级(外壳层外壳层)电子向低能级跃迁产生标识电子向低能级跃迁产生标识X射线。射线。 多电子原子的核外电子分多电子原子的核外电子分壳层壳层围绕原子核运动围绕原子核运动，

14、不同，不同壳层的电子与原子核之间，存在大小不同的层的电子与原子核之间，存在大小不同的结合能结合能。 越靠近原子核的电子，越靠近原子核的电子，其结合能越大其结合能越大，电子，电子所处的所处的能级就越低能级就越低；相反，由于内层电子的屏蔽作；相反，由于内层电子的屏蔽作用，离原子核用，离原子核较远较远的外层电子的的外层电子的结合能就比较小结合能就比较小，相应地所处的相应地所处的能级就比内层电子高得多能级就比内层电子高得多。第39页/共56页轨道电子轨道电子从外层向从外层向内层跃迁内层跃迁的过程中的过程中必定释放必定释放出多余的出多余的能量，这能量，这个能量就个能量就以以X射线辐射线辐射的形式射的形式

15、表现出来表现出来。 第40页/共56页第41页/共56页X射线的能量射线的能量就等于这就等于这两个轨道电子结合能之差两个轨道电子结合能之差。 除除K层外，当靶原子中的其他层电子被击出时，层外，当靶原子中的其他层电子被击出时，相似的相似的标识标识X射线也会产生。射线也会产生。 由于离核愈远，能级差愈小，所以L线系各谱线的波长比K线系的大些。同理，M线系的波长又更大些。第42页/共56页 电子由电子由L、M、N等能等能级较高的壳层级较高的壳层向向K层跃迁，层跃迁，便产生能量不便产生能量不同的同的K系标识系标识X射线。以此射线。以此类推，会产生类推，会产生L系标识系标识X射线射线。但这些跃迁。但这些

16、跃迁并不是同时在并不是同时在同一个原子中同一个原子中发生的。发生的。 下图给出了钨原子的下图给出了钨原子的K、L 、M和和N层的能级层的能级以及产生的标识射线。以及产生的标识射线。第43页/共56页结论结论：轨道电子从外层向内层的跃迁产生标识轨道电子从外层向内层的跃迁产生标识X射线射线。 由于不同原子的由于不同原子的电子结合能电子结合能不同，其产生的不同，其产生的标识标识X射线的能量射线的能量也也千差万别千差万别。之所以称这种类型的。之所以称这种类型的X射射线辐射为线辐射为标识辐射标识辐射是因为是因为它代表了靶原子的特点它代表了靶原子的特点。 随着随着靶原子原子序数的增加靶原子原子序数的增加，

17、标识标识X射线能量也射线能量也会增加会增加。 从前面的讨论可知，只有从前面的讨论可知，只有当入射电子的动能大当入射电子的动能大于靶原子的某一壳层电子的结合能时于靶原子的某一壳层电子的结合能时，才能产生标识，才能产生标识X射线。射线。第44页/共56页几种靶材料产生K、L系特征X射线的激发电压(kV) 靶材料靶材料原子序数原子序数K系激发电系激发电压压L系激发电压系激发电压铝铝(Al)铜铜(Cu)钼钼(MO)钨钨(W)铅铅(Pb)13294274 821.568.8920.0069.5188.000.090.952.8712.0915.86第45页/共56页产生标识X射线的条件：钨靶Z=74管电

18、压大于70kV时；钼靶Z=42管电压小于70kV时；管电压变化，同一种靶的标识谱的位置不变。第46页/共56页2、标识谱特性在标识X射线谱中，电子由不同能级跃迁到内层同一壳层的空位时产生的谱线组成一个线系。 标识X射线谱是原子外层电子向内层空位跃迁所发出的，因此各原子的标识谱有相似的结构。第47页/共56页每一个线系都有一个最短波长边界，这就是一个自由电子(或近似地认为是最外层价电子)进入该空位时发出的光子的波长。由于原子中各个内层轨道的能量相对于真空能量的差别是随着原子序数增加的，因此，原子序数愈高的元素，它的各个标识X射线系的波长也愈短。第48页/共56页标识谱线的波长由阳极靶材料决定，不同元素制成的靶具有不同的线状X射线谱，并可作为这些元素的“标识”。X射线管需要加几十千伏的电压才能激发出某些标识X射线系。 医用X射线管发出的主要是连续X射线，标识X射线在全部X射线中所占的分量很少。第49页/共56页 标识X射线的研究，对于认识原子的壳层结构和化学元素分析都是非常有用的。 在医学和生物学方面，应用X射线