X线发生与物质的作用

昆明医科大学第二附属医院杨青射线的产生与物质的相互作用一X线发生

第一节X射线产生原理及性质第二节X线管第三节高压发生器第四节控制台X射线的基本性质波长很短的不可见电磁波穿透作用

能量大，能穿透一般光线不能穿透的物质，包括人体荧光作用

荧光屏、增感屏、影像增强器的输入屏感光作用电离作用

电离室、正比计数管、盖革弥勒计数管X射线的本质X线的本质是电磁辐射，电磁波、光波与可见光、红外线、紫外线、伽马射线一样波粒二相性X射线产生原理电子源；高压电场及真空；适当的阻挡物(金属靶面)来承受高速电子的能量，使高速电子所带的动能转变成X线。X射线的质

X射线的质是指X射线能量的大小，可用X线管的管电压来描述X射线的质，单位为kV。不同质的X射线的用途名称最短波长管电压(kV)用途滤过板材料极软X射线2.5～0.625～40软组织摄影、表皮治疗胶纸板软X射线0.62～0.1240～150透视和摄影铝硬X射线0.12～0.05150～250较深组织治疗铜超硬X射线0.05以下250以上深部组织治疗锡、铅X射线的量

X射线的量是指单位时间内通过X射线入射方向的垂直的单位面积内的X射线光子数的多少。通常用管电流I(mA)和曝光时间t(s)的乘积来描述。即毫安秒(mAs)。

X-Ray质

---由KV决定，高KV质高，低KV质低，

代表X线的穿透力(对比度)。

X-Ray量

---由mA(X线量)和s(曝光时间)决定

表明曝光总量(黑化度)。质和量对胶片曝光的影响X、射线与物质的相互作用能量传递方式：X、射线是一种比紫外线的波长短得多的电磁波，它与物质相互作用时，能产生次级带电粒子（主要是电子）和次级光子，通过这些次级带电粒子的电离、激发把能量传递给物质；能量损失方式：X、射线与物质相互作用，不是通过多次小能量的损失逐渐消耗其能量，而是在一次作用过程中就可能损失大部分或全部能量；作用过程：在0.110MeV能量范围内，主要的是光电效应、康普顿效应和电子对效应；射程：X、射线在物质中不存在射程的概念。光电效应能量为h的光子通过物质时，与原子的某一壳层中的一个轨道电子相互作用，把全部的能量传递给这个电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子（光电子）。此效应称为光电效应。

光电效应发生光电效应的条件有二：（1）入射光子的能量必须大于某壳层电子的结合能；即：

E=h-Be>0（2）为了满足能量守恒和动量守恒，必须有第三者参加，即发射光电子后的整个原子参加。因此，自由电子不能吸收γ射线能量而成为光电子，γ射线只与受束缚电子才能发生光电效应光电效应束缚的越紧的轨道电子，发生光电效应的几率越大，所以K层和L层发生光电效应的几率最大；如果入射光子的能量大于K层电子的结合能，则K层电子发生光电效应的几率约为80%；发射光电子后留下的空穴被外壳层的电子填充时，将发射特征X射线、紫外可见光（荧光辐射），或发射俄歇电子（俄歇效应）发生光电效应的特点低能γ光子与高Z物质相互作用时，发生光电效应占优势。光电效应光电子的发射呈角分布，且和入射光子的能量有关。当光子能量很低时，光电子与入射光子成900角射出的概率最大。随着入射光子能量的增加，光电子的发射角变小。康普顿效应能量为h的光子与原子内一个轨道电子相互作用时，光子交给轨道电子部分能量后，其频率发生改变并与入射方向成角散射（康普顿散射光子），获得足够能量的轨道电子与光子入射角成角方向射出（康普顿反冲电子）。此种过程称康普顿效应。康普顿效应受原子核束缚得愈弱的轨道电子发生康普顿效应的几率愈大，在实际处理时，忽略轨道电子的结合能，把康普顿效应看成是入射光子和自由电子的弹性碰撞，在这种弹性碰撞过程中，入射光子与散射光子和反冲电子之间，遵循能量守恒和动量守恒，并考虑相对论能量和动量的关系，可以推得散射光子的能量为：上式中，Eg

和Eg

ʹ分别为入射与散射光子的能量，q为散射角，mec2为电子的静质量能=0.511MeV。康普顿效应由于入射光子的能量分配给散射光子和反冲电子，因此反冲电子的能量E等于入射光子的能量与散射光子的能量之差。当θ＝180°时，反冲电子的能量最大，为：电子对效应

在原子核场或原子的电子场中，一个光子转化成一对正、负电子，称为电子对效应电子对效应发生电子对效应的条件是：1.在原子核场中，要求入射光子的能量hѵ≥2mec2（1.02MeV），在原子的电子场中，要求入射光子的能量hv≥4mec2（2.04MeV）。2.为了满足电子对效应过程中的能量守恒和动量守恒，必须有原子核或壳层电子参加。电子对效应在原子核场中发生的几率，远远大于在原子的电子场中发生的几率。射线三种主要相互作用与光子能量、吸收物质原子序数的关系γ射线在物质中的减弱γ光子束穿过一定厚度的物质后，由于光子与物质的核外电子或原子核的库仑场发生各种相互作用后，有的被散射离开了原来的入射束，有的光子经过多次相互作用，其全部能量转移给了电子，本身不存在了，从而使原来入射束中的光子数被减少，这叫做γ射线在物质中的减弱，也称之为“吸收”。这里所说的“吸收”与带电粒子耗尽其能量后停留在物质中所称的吸收不同，这里的“吸收”是指γ光子把它的能量最终转化为电子的动能后，光子本身不存了中子与物质的相互作用轻元素（氢）可以作为快中子的良好减速剂；在中子的防护中，常用含氢物质和原子量小的物质（水、聚乙烯、石蜡、石墨、氢化锂）作为快中子的减速剂。一个好的中子慢化剂（亦称减速剂）除了要大以外，其弹性散射的截面也要大，而对中子的吸收截面必须很小。因此，在反应堆中常用轻水、重水或石墨作慢化剂。在对快中子的屏蔽防护中，常选用含氢材料如水，石蜡等和石墨作为快中子的减速剂。辐射俘获辐射俘获又称为（n,γ）反应。中子射入靶核后，与靶核形成激发态的复合核，然后复合核通过放出一个或几个光子而回到基态，不再发射其他粒子，中子被靶核吸收，此过程叫辐射俘获对于慢中子和中能中子，主要的反应是弹性散射和辐射俘获，其他的反应很少发生。对于轻核和中量核主要是弹性散射，对于重核（非幻数核）主要是辐射俘获，重核对慢中子的俘获截面很大1.带电粒子与物质相互作用辐射生物学效应辐射生物学效应（ionizingradiationbiologicaleffect）是指在一定条件下,射线作用于生物机体,从机体吸收辐射能量开始,引起机体电离或激发，引发体内的各种变化及其转归，使人体中生物大分子(如蛋白质分子，DNA分子和酶)的结构破坏，进一步影响组织或器官的正常功能，严重时导致机体死亡。复杂的过程最初的物理阶段：只持续很短的时间（10-13秒），在这一瞬间能量沉积在细胞内并引起电离或激发。物理－化学阶段：大约持续10-10秒。在这段时间中，离子与其他水分子相互作用形成一些新产物。化学阶段：持续10-8秒至几秒钟，在此期间，反应产物与细胞的重要有机分子相互作用,自由基和氧化剂可能破坏构成染色体的复杂分子。生物阶段：在这个阶段，时间长短从几秒到几十年，这要看特定的症状而定,可能导致细胞早期死亡；阻止细胞分裂或延迟细胞分裂；细胞永久性的变形，一直可持续到子代细胞。X射线与人体相互作用X射线强度随入射深度呈指数衰减；与物质密度有关，密度越大，对X射线衰减越多，如骨骼中的钙和磷等，对X射线吸收较多，而肌肉中含有的氢、碳和氧等对X射线吸收较少。碘、钡通常用作造影剂。与X射线能量有关，能量越大，被吸收和散射的越少，穿透力越强。能量不同70,000V110,000V当X射线穿出人体。。。拍胸片时，只有约1%的X射线穿出人体；散射射线的危害：形成噪声并显著降低图像对比度；胶片感光，为什么到达胶片的射线越多，冲洗之后的胶片越黑？加与不加滤线栅返回什么使胶片发黑？X射线对人体X射线撞击原子，使其电离，被轰电子又有可能撞击其他原子，单个光子可能造成成百上千个生物分子电离；被电离的分子，处于不稳定状态，可能发生化学反应；DNA是细胞增殖、遗传的物质基础，是引起细胞生化、生理改变的关键性物质；若受损DNA还能自我复制，则可能形成肿瘤或白血病；若卵细胞或精子受损，则他们的后代可能异常；若胎儿的DNA受损，则发育畸形。二X线管固定阳极X线管旋转阳极X线管特殊X线管球管参数管套阳极柄阴极灯丝真空玻璃管焦点固定阳极X线管阳极靶面

一般用钨制成。

优点：熔点高—3370度；高温下，蒸汽压低，蒸发少，可延长X线管的使用寿命。

缺点：导热率小，热量不能很快传导。需通过真空熔焊把钨靶焊接在无氧铜体上，以增强靶面的散热。

固定阳极X线管的靶面静止不动，高速运动的电子流总是轰击在靶面固定的同一位置上。由于单位面积上所承受的最大功率是一定的（200W/mm2），所以固定阳极Ｘ线管的功率是有限的。二次电子高速运动的电子流轰击靶面时，会有少量的电子从靶面反射和释放出来，这部分电子称为二次电子。二次电子有害无益，其能量较大（约为原能量的99%），轰击到玻璃壳内壁上，将使玻璃壳温度升高而释放气体，降低管内真空度或使玻璃壳击穿；二次电子再次被阳极吸引轰击到靶面上时，由于没有经过聚焦，将辐射出非焦点散射Ｘ线，使Ｘ线影像质量下降。阳极帽

阳极帽固定在阳极上，并罩在靶面的四周，与阳极同电位，故可吸收50%~60%的二次电子，并可吸收一部分散射Ｘ线，从而保护Ｘ线管并提高影像质量。阳极柄

阳极柄固定Ｘ线管并将曝光时产生的热量传导出去。它与阳极头的铜体相连，其管外部分浸在油中，通过与油之间的热传导，将靶面的热量传导出去。阴极固定阳极X线管的阴极结构灯丝由钨制成（发射电子能力强、高温下不易蒸发、良好的延展性、容易加工成细丝），其作用是辐射热电子。灯丝通电后，温度逐渐升高，到一定温度（约2100K）后开始辐射热电子。灯丝发射电流与温度有关，温度低于2400K时，随着温度升高，发射电流增加较慢；温度高于2400K时，灯丝温度稍提高一点，发射电流即增加很多。

灯丝点燃时间越长，工作温度越高，钨的蒸发越快，灯丝寿命越短。缩短灯丝的点燃时间可延长灯丝的寿命。如果灯丝电流比额定值升高5%，灯丝寿命缩短一半，所以灯丝加热电流应严格限制在额定值以下，同时应尽量缩短高温点燃时间。阴极头

对灯丝发射电子进行聚焦。将灯丝装入一个用镍或铁镍合金等制成的长方形罩中，该罩称集射罩。集射罩具有与灯丝相同的负电位，并借其几何形状，达到聚焦目的。实际焦点与有效焦点对X线成像质量影响最大的因素之一就是X线管的焦点。实际焦点---灯丝辐射的热电子在靶面上的轰击面积。有效焦点---实际焦点在X线投照方向上的投影。实际焦点与有效焦点的关系

设实际焦点宽为a，长为b，则投影后宽度不变，长度为bsin，即有效焦点＝实际焦点＊sin

表示阳极靶面与Ｘ线投照方向的夹角。

一般固定阳极Ｘ线管的靶角为15～20度减小有效焦点面积可通过减小靶角来实现，但靶角太小，由于Ｘ线辐射强度分布的变化，投照方向的Ｘ线量将大大减少。焦点大小对影像清晰度的影响X-Ray焦点---有效焦点愈小,影像清晰度越高，图像锐利度越好。有效焦点与成像质量

有效焦点尺寸越小，影像清晰度越高。减小有效焦点，势必减小实际焦点，Ｘ线管的功率随之减小，要达到相同的曝光程度，则曝光时间需增加，这将会引起运动模糊。可见，对于固定阳极Ｘ线管，减小焦点面积以提高清晰度和增大Ｘ线管功率以缩短曝光时间、减小运动模糊是一对矛盾。小焦点---影像清晰。但是焦点越小，在焦点上集聚的能量越高，产生的热量也就越高。因为只有约１%的电能转化为X射线的能量，99%以上的能量转化为热能。最终将导致焦点面熔化。解决办法：

双焦点技术、旋转阳极技术和水或油循环冷却技术焦点小会产生什么问题？双焦点技术

功率较大的Ｘ线管为了协调不同功率与焦点的关系，阴极装有两根长短和粗细都不同的灯丝，长的灯丝加热电压高，辐射热电子多，形成大焦点；短的灯丝加热电压低，辐射热电子少，形成小焦点，这种Ｘ线管称为双焦点Ｘ线管。在透视时使用小焦点在摄影时使用大焦点高压正KV负KV大焦灯丝小焦灯丝大焦灯丝变压器小焦灯丝变压器CLCCS阳极双焦点技术透视

管电流小，＜5mA，时间长（几分钟），图像追求动态特性，观察活动脏器，对图像分辨率要求低摄影

管电流30~1000mA，时间短，<1S固定阳极Ｘ线管优缺点优点

结构简单、价格低缺点

焦点尺寸大、瞬时负载功率小在小型Ｘ线发生装置中仍被采用旋转阳极技术

通过阳极旋转来扩大焦点面积，提高球管的散热率，从而提高球管的功率。旋转阳极球管旋转阳极球管的靶面旋转速率有2700rpm、8500rpm(3倍频)，甚至16000rpm(6倍频)。

旋转阳极Ｘ线管较好地解决了提高功率和缩小焦点之间的矛盾，其最大优点是瞬时负载功率大、焦点小。功率多为20~50kW，高者可达150kW，是固定阳极Ｘ线管的5~9倍。有效焦点为1~2mm，从而大大提高了影像清晰度。旋转阳极实验装置金属壳旋转阳极球管靶面与靶盘靶盘直径70~150mm钨制成——表面龟裂、粗糙，辐射Ｘ线能力下降

表面与内层间温差产生热应力，靶面产生裂纹；钨在1100度以上发生再结晶，表面龟裂铼钨合金靶面，钼或石墨靶基——表面龟裂、粗糙减轻，热容量大，有效提高Ｘ线管连续负荷能力（50kW，1*1mm焦点）

铼钨合金靶面晶粒变细，抗热胀性提高，再结晶温度上升靶面上开细膨胀缝，消除机械应力，减轻龟裂散热与温度保护

旋转阳极Ｘ线管与固定阳极Ｘ线管的散热方式不同，靶面受高速运动电子流轰击所产生的巨大热量主要依靠热辐射进行散热，散热效率低，连续负载后阳极热量急剧增加，靶盘温度不断上升。为防止由此造成的Ｘ线管损坏，有些Ｘ线机的Ｘ线管装置内设有温度限制保护装置，以保护Ｘ线管。水或油循环冷却技术真空油在CT中使用油循环X线管在心血管造影X线机中使用水循环X线球管特殊Ｘ线管金属陶瓷大功率Ｘ线管三极Ｘ线管软Ｘ线管ＣＴ用Ｘ线管金属陶瓷大功率Ｘ线管玻璃球壳Ｘ线管缺点

用硬质玻璃制成的Ｘ线管，随着Ｘ线管使用时间增长，由于灯丝蒸发和阳极靶面龟裂处钨蒸发，会使玻璃壳内壁附着一层金属钨的沉积物，沉积层与阳极相连形成第二阳极，致使一部分高速运动电子轰击玻璃壳使其侵蚀，最终导致玻璃壳击穿，Ｘ线管损坏。

金属陶瓷大功率Ｘ线管将玻璃壳改为由金属和陶瓷组合而成。金属部分位于Ｘ线管中间并接地，以吸收二次电子，焦点处开有铍窗以使Ｘ线通过。金属靠近阴极一端嵌入陶瓷内，金属靠近阳极一端嵌入玻璃壳中。玻璃与陶瓷部分起绝缘作用．解决了普通Ｘ线管由于管壁击穿而损坏的问题，可将灯丝加热到较高温度，以提高Ｘ线管的负荷。栅控Ｘ线管栅控Ｘ线管是在普通Ｘ线管的阳极和阴极之间加了一个控制栅极。栅控X线管的阴极结构栅控X线管控制原理

当栅极对阴极加一个负电压（-2~-5kV）或负脉冲电压时，阴极发射的热电子完全飞不到阳极上，不产生Ｘ线。负电压或负脉冲电压消失时，产生Ｘ线。由于脉冲电压信号无机械惯性延时，控制灵敏，因此可实现快速连续Ｘ线摄影，摄影频率可达200帧/秒。栅控X线管可制成没有实体栅极而有特殊形状的聚焦杯。负偏压较低时，一部分电子飞向阳极，聚焦形成窄电子流，获得很小的焦点，即微焦点（可获得0.1*0.1mm的微焦点）。微焦点Ｘ线管常用于放大Ｘ线摄影。栅控X线管瞬时曝光时间临界值为1ms，灯丝发射特性差，不能产生大的管电流，不适用于大功率Ｘ线机，主要应用于Ｘ线电影摄影、Ｘ线电视。0.2mm焦点，腹部血管造影放大2倍；0.1mm焦点，手、足血管造影放大3倍软Ｘ线管对乳房等软组织Ｘ线摄影时，普通Ｘ线管得不到满意效果。为提高Ｘ线影像的对比度，须用大剂量软Ｘ线。软组织摄影最适宜波长为0.06~0.09nm，软Ｘ线管可辐射出波长为0.063nm和0.07nm的特征Ｘ线。摄影时主要利用钼靶辐射的特征Ｘ线。钼靶辐射Ｘ线波谱软Ｘ线管特点Ｘ线输出窗的固有过滤小（铍窗）；低管电压时能产生大管电流；焦点小0.03mm钼片过滤

对0.063nm以下Ｘ线强烈选择吸收，吸收0.07nm以上较软Ｘ线ＣＴ用Ｘ线管管电流100~600mA管电压100~140kV扫描时间0.5~7S主要参数通常ＣＴ扫描一层图像需数百mAS，为了满足诊断需要，要连续数十层扫描，故ＣＴ用Ｘ线管要有大的热容量。所以ＣＴ管结构、靶面材料、灯丝热变形系数、旋转轴承的自由膨胀系数、高温下的真空保持等，都要求有特殊的工艺措施才能保证在上述严格条件下正常运转。靶面采用新型复合靶结构，大体积石墨基以增大热容量，外壳多为金属或陶瓷材料，配有油循环系统以尽快散热。管电压(KV)管电流(mA)曝光时间(S)热容量X射线阳极阴极灯丝变压器高压变压器管电压管电流X线管的参数热容量

曝光时阳极靶面产生大量的热，同时伴随冷却，如果生热快，散热慢，则阳极将积累热量。阳极积累的热量越多，冷却速度越大。X线管处于最大冷却率时，允许承受的最大热量称为热容量。热容量的单位除了焦耳（J）外，还使用热单位（heatunit,HU）。

1J=1kV(有效值)*1mA(有效值)*1s1HU=1kV(峰值)*1mA(平均值)*1s单相全波整流情况下，换算关系：1HU=0.77J热容量1功率热量热容量散热率热容量2功率每次曝光产生的热量热容量散热率球管参数举例Ｘ线管真空度检验冷高压试验－Ｘ线管灯丝不加热，两极间加高压如有辉光，且强度随管电压增加而增强，说明该Ｘ线管的真空度不良；如在较低千伏试验时，管内就充满辉光，说明此管已严重含气，不能使用。影响Ｘ线管寿命的因素灯丝灯丝电压升高5%，发射量增大50%，寿命减少一半；电压降低5%，寿命延长一倍。当灯丝截面积由于蒸发减少10%，灯丝就有烧断可能。阳极靶面被打得凹凸不平或局部融化均会造成输出量急剧下降，即报废。超负荷使用会缩短Ｘ线管的寿命。负荷为正常的110%时，Ｘ线管寿命只有60%，如果负荷只用到80%，Ｘ线管寿命可能达到300%。图像质量受X线管的管电压影响，电压越高，X射线能量越大，对比度越低；受滤线栅影响，不加滤线栅，则对比度低；受胶片盒里荧光物质厚度影响，越厚，则分辨率越低；病人移动，则（分辨率低）图像模糊；X射线焦点越大，则（分辨率低）图像越模糊。三大权衡（trade-off）X线管电压低，则对比度好，但病人吃线多；高，则对比度差，病人吃线少；使用滤线栅，则去除散射，图像对比度高，但病人吃线多；不使用，则图像对比度差，病人吃线少；胶片盒中荧光物质越厚，则吸收的X射线越多，需要的剂量越少，但对比度越差；越薄，则吸收的X射线越少，需要的剂量多，但对比度好；在允许的条件下，以降低剂量为优先。第三节高压发生器高压变压器灯丝变压器高压整流器高压电缆、高压插头及插座高压交换闸高压发生器高压发生器外形高压发生器内部结构高压变压器结构灯丝变压器结构高压整流器

将高压变压器输出的交流高压变为直流高压的电子元件。现代Ｘ线机的高压整流器都采用半导体整流器，应用最广泛的是高压硅堆。由许多单晶硅做成的二极管用银丝串联而成。它具有体积小、机械强度高、绝缘性好、寿命长、性能稳定等优点。使用时要浸入油中，油温不超过70度。高压电缆的构造高压电缆的构造高压电缆的插头、插座高压交换闸

在大、中型诊断Ｘ线机中，多备有两个或两个以上Ｘ线管，以一机多用。多个Ｘ线管共用一个高压发生器，需高压交换闸切换。继电器式、电动机式第四节控制台控制台必须满足Ｘ线管产生Ｘ线的下列基本要求可调管电流（调节灯丝加热电压）可调管电压（控制Ｘ线质）可调曝光时间X线管空间电荷补偿灯丝发射的部分热电子滞留于灯丝表面，称空间电荷。随管电压增加，由于空间电荷管电流也增加，称为空间电荷效应。

P81图为保证管电流的准确性，随着管电压增加，适当降低灯丝加热电压，使管电流保持不变，称X线管空间电荷补偿。自动曝光控时

在Ｘ线通过被照物体后，以达到胶片上所需的感光剂量来决定曝光时间。感光剂量满足后，自动切断高压，结束曝光。分光电和电离室自动曝光控时。电离室自动曝光控时

电离室在两个金属板平行电极上加直流高压，中间为气体。Ｘ线照射时，气体被电离，离子在强电场作用下形成电流，电流大小与Ｘ线辐射强度成正比。当Ｘ线辐射强度大时，电离电流大，曝光时间短；Ｘ线辐射强度小时，电离电流小，曝光时间自动延长。旋转阳极启动、延时与保护

旋转阳极Ｘ线管的功率是基于阳极转速达到额定值时的功率。如在未达到转速时