X线的物理特性

X线物理学基础X线的物理特性第1页一、X线发觉与产生二、X线产生原理三、X线本质与特征四、X线强度五、X线与物质相互作用六、X线吸收与衰减X线的物理特性第2页X线发觉1895年11月8日，德国物理学家伦琴用一个高真空玻璃管和一台产生高压小型机器做试验时，发觉了X线。1895年11月22日，伦琴用X线为其夫人拍摄了一张手照片。1901年，伦琴被授予诺贝尔物理学奖。X线的物理特性第3页X线产生X线产生是能量转换结果。

99%以上动能产生热量，不到1%动能转换成X线。X线产生需要具备4个条件：

电子源高电压高真空度适当障碍物

X线的物理特性第4页X线产生原理X线产生是高速电子与阳极靶物质原子相互作用中能量转换结果。是利用了阳极靶物质三个特征：核电场、轨道电子结合能和原子存在于最低能级需要。每个电子能量=电子电荷*X线管电压E=eV（e=1.60*10-19库伦）

X线的物理特性第5页连续放射（韧致放射）高速电子与靶物质原子核作用结果。当高速电子靠近原子核时，受核电场吸引，偏离原有方向，失去能量而减速。此时电子丢失能量以光子形式放射出来，这种放射叫连续放射。X线光子能量取决于：电子靠近核情况、电子能量和核电荷。入min=1.24/kVp（nm）连续射线波长只与管电压相关，管电压越高，波长越短，X线强度越大。X线的物理特性第6页由图可见：高速投射电子，受核电场吸引，偏离原有方向。管电压相同时，偏离角度越大，产生连续放射X线能量就越大。偏离角度相同时，管电压越大，产生连续放射X线能量就越大。X线的物理特性第7页特征放射（标识放射）高速电子击脱靶物质原子内层轨道电子，而产生一个放射方式。一个常态原子经常处于最低能级状态，他永远保持其内层轨道电子是满员。当靶物质原子K层电子被高速电子击脱时，K层电子空缺将由外层电子跃迁补充，外层电子能级要比内层电子能级高，所以多出能量作为X线光子释放出来，产生K系特征放射。X线的物理特性第8页特征放射X线光子能量与冲击靶物质高速电子能量无关，只服从于靶物质原子特征。同种靶物质K系特征放射波长为一定数值。

（管电压在70kVp以上，钨靶才能产生特征X线。）高速电子必须含有能击脱K层电子最低能量，即含有一个最低激发电压，也称限界电压。在以钨靶X线球管产生X线诊疗能量范围内，特征X线产生几率与球管关系大致为：

70kVp以下，不产生K特征X线。80~150kVp，K特征X线占10%~28%。150kVp以上，特征X线降低。

X线的物理特性第9页X线本质X线本质是电磁波，它含有一定波长和频率；因为X线光子能量大，可是物质产生电离，故又属电磁波中电离辐射。X线和其它电磁波一样，含有波动和微粒二重性，这是X线本质。

（1）X线微粒性：把X线看作一个个微粒——光子组成，光子含有一定能量和一定动质量，但无静止质量。X线与物质作用时表现出微粒性，每个光子都含有一定能量，能产生光电效应，能激发荧光物质发出荧光等现象。（2）X线波动性：X线以波动方式传输，是一个横波。X线在传输时表现了他波动性，含有频率和波长，并有干涉、衍射反射和折射现象。X线的物理特性第10页X线特征一、物理效应

穿透作用：X线含有一定穿透能力。穿透能力主要与本身波长相关，以及被穿透物质原子序数、密度和厚度相关。

荧光作用：荧光物质（钨酸钙），在X线照射下被激发，释放出可见荧光。

电离作用：物质在足够能量X线光子照射下，能击脱物质原子轨道电子，产生电离。也是X线剂量、X线治疗、X线损伤基础。

干涉、衍射、反射与折射：这些光学特征在X线显微镜、波长测定、物质结构分析中得到应用。

X线的物理特性第11页二、化学效应感光作用：X线含有光化学作用，可是摄影胶片感光。

着色作用：一些物质经X线长久照射后，使其结晶脱水变色。如铅玻璃经X线长久照射后着色三、生物效应

X线是电离辐射，他对生物细胞，尤其是增殖性强细胞有抑制、损伤，甚至使其坏死作用，它是放射治疗基础。X线的物理特性第12页X线产生效率产生X线所消耗总能量与阴极电子能量之比，称作X线发生效率。

η=X线消耗总能量/阴极电子能量=k(V2ZI/VI)=kVZ（%）V：管电压，Z：靶物质原子序数，I：管电流，k=1.1×10-9，为系数。X线的物理特性第13页X线强度X线强度是垂直于X线束单位面积上，在单位时间内经过光子数和能量总和，及线束中光子数乘以每个光子能量。在实际应用中，常以量与质乘积表示X线强度。量是线束中光子数，质则是光子能量（也称穿透力）。用管电流（mAs）表示X线量；用管电压（KV）表示X线质。X线的物理特性第14页影响X线强度原因X线强度受管电压、管电流、靶物质以及高压波形影响。一、管电压X线光子能量，取决于冲击电子能量大小，而电子能量又由管电压kVp来决定。管电压决定X线最大能量性质。

在管电压为峰值时，最短波长X线能量也将靠近管电压能量。增加管电压也将增加产生X线量。所以X线强度增加与管电压平方成正比。X线的物理特性第15页二、管电流管电流越大，灯丝周围电子云越多，冲击靶物质后产生X线光子数就越多。所以管电压一定时，X线强度决定于管电流三、靶物质在一定管电压和管电流下，放射量多少决定于靶物质。靶物质原子序数越高，产生X线效率就越高。因为钨原子序数较高（Z=74）且熔点较高（3370℃），所以靶物质普通选取钨靶，或钨合金（铼钨合金）连续射线：靶物质原子序数决定X线量产生；特征X线：靶物质原子序数决定产生X线波长性质。

X线的物理特性第16页四、高压波形

X线发生器产生高压都是脉动式。有两种形式：单相电源半波和全波三相电源6脉冲和12脉冲当整流后脉动电压越靠近峰值，其X线强度越大；峰值电压相同时，三相电源比单相电源产生硬射线要多。X线的物理特性第17页X线质表示方式半值层（HVL）：X线强度衰减到初始值二分之一时，所需标准吸收物质厚度。诊疗用X线半值层普通用毫米铝（mmAl）表示，在1.5~4mmAL之间。

对一样质X线来说，不一样物质半值层是不一样；但就同种物质，半值层大X线质硬，半值层小质软。电子加速电压（管电压）有效能量：在连续X线情况下使用这一概念。软射线和硬射线：将低能量X线称为软射线，将高能量X线成为硬射线。X线波普分布：它表示了X线波长分布或能量分布。此分布将依据X线管固有滤过、附加滤过、管电压、管电流、整流方式等原因而改变。X线的物理特性第18页X线强度空间分布高速电子撞击阳极靶面，所产生X线分布与阳极倾角相关。阳极倾角是指垂直于X线管长轴平面与靶面夹角。在经过X线管长轴且垂直于有效焦点平面内，近阳极端X线强度弱，近阴极端强，最大值约在100处，其分布是非对称性，这种现象成为阳极效应。阳极倾角越小，阳极效应越显著。在经过X线管短轴且垂直于有效焦点平面，在900处最大，分布基本上是对称。X线的物理特性第19页X线不均等性诊疗用X线主要是连续X线和特征X线混合。连续X线波长由最短波长到长波长领域是一个很广范围。这种X线成为不均等X线，因为滤过板使用，长波长领域X线被吸收，成为近似均等X线。这种均等度以不均等度h或ω表示。

h=H2/H1（H1：第二分之一值层；H2：第二半值层）或ω=λeff/λ0（λ0：最短波长，λeff：有效波长）均等X线下，h=1，

ω=1，不均等X线h＞1，ω＞1。X线的物理特性第20页有效波长：单一能量波长半值层等于连续X线半值层时，此波长称作有效波长（λeff）有效电压：产生有效波长最短波长管电压，称作有效电压。有效能量：将有效电压用能量单位（keV）表示时，此能量为有效能量。X线的物理特性第21页X线与物质相互作用X线与物质相互作用形式有：相干散射、光电效应、康普顿效应、电子对效应、光核反应等。X线的物理特性第22页相干散射（约占诊疗X线5%）X线与物质相互作用能发生干涉散射过程，称为相干散射。一个束缚电子吸收入射光子能量跃迁到高能级，随即放出一个能量等于入射光子能量散射光子，因为电子未脱离原子，所以光子能量是损失可忽略不计，相干散射不产生电离过程。发生几率与物质原子序数成正比，随光子能量增大而急剧降低X线的物理特性第23页光电效应X线与物质相互作用时，X线光子能量（hv）全部给予了物质原子壳层电子，取得能量电子摆脱原子核束缚成为自由电子（即光电子），而X线光子本身则被物质原子吸收，这一过程称为光电效应。光电效应产物：特征放射，光电子（负离子），正离子（缺乏电子原子）以及俄歇电子。X线的物理特性第24页光电效应产生条件及发生几率1、光子能量与电子结合能，必须“靠近相等”才轻易产生光电效应。光子能量要稍大于电子结合能或等于电子结合能。（碘K层电子结合能为33.2KeV）光子能量增加，会使光电作用机率下降，光电效应与能量三次方成反比。2、轨道电子结合越紧越轻易产生光电效应。高原子序数元素比低原子序数元素轨道电子结合紧。所以比较轻易产生光电效应，所以光电效应发生几率伴随原子序数增加而很快增加，其发生几率与原子序数三次方成正比。X线的物理特性第25页光电效应在X线摄影中实际意义一、光电效应不产生有效散射，对胶片不产生灰雾。二、光电效应可增加射线对比度。其发生几率与物质原子序数三次方成正比，所以可扩大不一样元素所组成组织影像对比三、光电效应中，因光子能量全部被吸收，这使患者接收照射量比任何其它作用都多。X线的物理特性第26页康普顿效应当一个光子在击脱原子外层轨道上电子时，入射光子损失部分能量，并改变原来传输方向，变成散射光子，轨道上电子从入射光子处取得部分能量脱离原子核束缚，按一定方向射出，成为成为反冲电子。X线的物理特性第27页康普顿效应发生几率与物质原子序数成正比与入射光子能量呈反比与入射光子波长成正比X线的物理特性第28页电子对效应一个含有足够能量光子，在与靶原子核发生相互作用时，光子突然消失，同时转化为一对正、负电子，这个作用过程称为电子对效应。X线的物理特性第29页光核反应所谓光核作用，就是光子与原子核作用而发生核反应。一些核素在进行光核反应时，不但产生中子，而且反应产物是放射性核素。X线的物理特性第30页X线吸收与衰减X线强度在其传输过程中，将以距离平方反比规律衰减，此法则，它在X线管点焦点、真空传输条件下成立。物质也会造成X线衰减。在诊疗X线能量范围内，X线与物质相互作用形式主要是光电效应和康普顿效应。在光电效应下：X线光子被吸收在康普顿效应：X线光子被散射X线的物理特性第31页X线滤过一、固有滤过（铝当量）指X线机本身滤过，包含X线管管壁、绝缘油层、窗口滤过板。

铝当量：一定厚度铝板和其它物质对X线含有同等量衰减时，此滤过板厚度称为滤过物质铝当量。

二、附加滤过广义上讲，从X线管窗口至检验床之间，所经过材料滤过总和为附加滤过

X线的物理特性第32页X线在物质中指数衰减规律I=I0e-μX（X=0，I=I0）I0：X线抵达物体表面强度I：X线抵达厚度为X时强度X：吸收物质厚度（m）此法则成立条件有两个，一是X线为单一能量射线，一是X线为窄束。

X线的物理特性第33页单能窄束X线在经过物体时，只有X线光子能量降低，而无能量改变，其指数衰减规律是X线强度在物质层中都以在相同百分比衰减。宽束衰减与吸收物质种类和厚度、X线能量、X线源与探测器几何学配置等原因相关。X线的物理特性第34页衰减系数一、线衰减系数

将X线透过物质量以长度（m）为单位时，X线衰减系数，称作线衰减系数，单位m-1二、质量衰减系数将X线透过物质量以质量厚度（kg.m-2）为单位时，X线衰减系数称作质量衰减系数，单位m2/kg三、总衰减系数总衰减系数即是光电衰减系数、相干散射衰减系数、康普顿衰减系数和电子对效应衰减愈大。X线的物理特性第35页影像X线衰减原因一、射线能量和原子序数对衰减影响对高原子序数物质（如碘化钠）在整个X线诊疗能量范围内主要是光电作用。作为水和骨骼，则随X线能量增加，康普顿散射占了主要地位。对低原子序数物质，