医学物理学新书第16章

第16章X射线"inrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedbythediscoveryoftheremarkablerayssubsequentlynamedafterhim"TheNobelPrizeinPhysics1901WilhelmRöntgen一、X射线发生装置第一节X射线的产生X射线发生的基本条件①高速运动的电子流②阻止电子流运动的障碍物——靶

2.X射线发生装置X射线管、低压电源、高压电源、整流装置。（1）X射线管

(X-raystube)由钨丝制成，单独用低压电源供电，以加热钨丝发射热电子

用铜制成圆柱体和钨板制成，圆柱体的端面做成斜面，正对阴极，接收阴极电子。在阳极斜面正对电子流的位置处嵌有一小块钨片，作为电子轰击的目标。通常称为钨靶是接受高速电子流撞击的靶。阻止高速运动的电子的运动。阳极:靶：阴极:管电压(tube-voltage):在阴极和阳极之间加上几十kV到几百kV的高电压，形成强电场。X射线管两极之间的电压称为管电压，以kV为单位。测量管电压的电压表是千伏计管电流(tube-current):阴极发出的热电子在强电场的作用下加速，变成高速电子飞向阳极，形成管电流。通过X射线管的电流称为管电流，以mA为单位（2）降压变压器(step-downtransformer)供给灯丝加热，发射热电子。灯丝电压很低，降压变压器将220v的电压降到10多伏，供给灯丝加热，发射出热电子。调节灯丝电路中的可变电阻R可以控制灯丝电流的大小，以改变钨丝发射的热电子的数目，从而控制管电流的大小。（3）升压变压器(step-uptransformer)供给X射线管的管电压。旋转开关S，改变原线圈的圈数，改变管电压的大小。S（4）全波桥式整流器

(full-wavebridge-typerectifier)S有四个二极管组成全波整流器，将交变的高压变为直流高压。此外，X射线发生装置还应包括灯丝稳压线路、延时电路和限时器、控制X射线管运动的装置及自动保护设备等部分。3.X射线产生的效率高速电子轰击阳极靶时，电子动能转变为热能和X射线能。电子的动能转变为热能的能量约为99.8％电子动能转变为X光子的能量约为0.2%3.X射线产生的效率阳极温度升高，阳极材料应选用熔点高、散热好，Z高的物质。因此，用铜做阳极，散热效果好，在端面嵌钨片，耐高温，Z高。X射线的转化效率，同样速度和数目的电子轰击原子序数Z不同的各种物质做成的靶，产生X射线光子的总数和光子总能量与Z2成正比。Z，产生X射线效率。按照X射管的功率的大小，阳极还将采用散热片通风冷却，或把阳极做成中空的，用流动的冷却油进行降温，或把整个X射线管完全浸在绝缘油中。4、有效焦点和实际焦点1.高速电子流在靶面上轰击的实际面积称为实际焦点.

图中ab为实际焦点2.实际焦点的投影面积称为有效焦点

图中absin为有效焦点

是靶面与垂直于电子流方向间的夹角

有效焦点

，图像愈清晰。但不易散热。在实际应用中，还可将固定阳极改为旋转阳极。旋转阳极是一个钨盘，高速电子束轰击的区域a×b不是固定在一处，而是均匀地分布在整个环面上，这样热量就分散在整个钨盘上，从而避免了局部温度过高的情形。

实际焦点的大小和灯丝的形状有关，长灯丝所形成的焦点叫大焦点，短灯丝形成的焦点叫小焦点。一般诊断用的X射线管采用小焦点，而治疗用X射线管则采用大焦点，因为治疗时需要X射线功率较高。二、X射线的强度与硬度1.单位时间内通过垂直于X射线方向单位面积的X光子的能量称为X射线的强度，用I表示。I表示X射线量的多少。单位：W·m-2设单位时间内通过垂直于X射线方向的单位面积上的光子数目为N，

在临床上，通常是在管电压保持一定的条件下，通过调节管电流来控制X射线的强度。在医学中常用管电流的mA数来表示X射线的强度。

通常的管电流在几个mA或几十mA。短时间暴光的管电流可达百mA以上。要改变X射线的强度，既可以改变管电流，也可以改变管电压。S可以通过调节灯丝电流的方法改变管电流，从而达到调节X射线强度的目的。

X射线的照射具有累积效应，必须考虑照射时间。在t时间内，X射线的总辐射能量等于It。在医学应用中，用管电流的毫安数(mA)与辐射时间(s)的乘积表示，即t时间内X射线的能量=管电流mA数×时间t(mA·s)2.X射线的硬度X射线对物质穿透能力的大小称为

X射线的硬度，它是表示X射线的“质”，X射线的硬度决定于X射线的波长(即X射线的能量)，而与光子数目无关。X射线管两端的管电压愈高，则轰击靶面的电子动能愈大，发射光子的能量也愈大。而能量愈大的光子愈不易被物质吸收，即管电压愈高产生的X射线愈硬。因此，在医学上通常用管电压的kV数来表示X射线的硬度。

调节管电压即可控制X射线的硬度，

U，h，，硬度根据X射线的用途，医学上把X射线按硬度分为极软、软、硬和极硬四类，它们的管电压、波长及用途见表13-1。名称管电压(kV)最短波长(nm)主要用途极软X射线5～200.25～0.062软组织摄影、表皮治疗软X射线20～1000.062～0.012透视和摄影硬X射线100～2500.012～0.005较深组织治疗极硬X射线

250以上0.005以下深部组织治疗表13-1X射线按硬度的分类

第二节

X射线谱通常X射线发生装置产生的X射线包含各种不同波长的成分，通过X射线摄谱仪得到的强度按照波长排列的图谱，称为X射线谱.X射线谱是由两部分组成：连续X射线谱或连续谱，标识X射线谱。一、连续X射线谱1．产生机制由于各个电子运动的轨迹到原子核的距离不同，速度变化情况也各不一样，所以每个电子损失的动能会不同，这样辐射出来的光子能量也会拥有不同的数值，从而形成具有各种频率的连续X射线谱。

韧致辐射产生连续X射线谱。韧致辐射当高速运动的电子接近原子核场是，电子在原子核场的强电场的作用下，电子的运动速度和方向都发生急剧的变化而损失动能，损失的能量转变为光能，以光子h的形式辐射出来，这种辐射称为韧致辐射。2．连续谱特性X射线的波长连续变化，有一强度极大值对应的波长Imax，有一最短波长min——短波极限在一定管电压下连续X射线与靶原子序数Z以及管电压U有关。Z原子核场减速电子的作用Ek放出的hI存在短波极限，说明在一定管电压下，电子与核电场作用时，电子的动能全部变成X光子的能量，这个光子的能量最大，频率最高，对应的波长最短，即U的单位：kV。U，minUminhI二、标识X射线谱

1．产生机制高速运动的电子与靶原子的内层电子相互作用(碰撞)，把能量传递给内层电子，内层电子跑出原子，使原子处于激发状态，高能状态的电子要填补电子的空位，并将多余的能量以光子的形式放射出来，形成标识X射线。如被打出去的是K层电子，则空出来的位置就会被外面的L层、M层或更外层的电子填补，并在跃迁过程中发出标识X射线，其射线能量等于两个能级的能量差。Kα线：Kβ线：Kγ线：这样发出的谱线，通常以Kα、Kβ、Kγ…表示，称为K线系不同能级的电子到达同一壳层的空位时发出的谱线组成一个线系，在一个线系中有一个最短的波长，是由自由电子（或近似认为是最外一层的电子）进入该空位时产生。如果空位出现在L层，电子迁过程中发出标识X射线，这样发出的谱线，通常以Lα、Lβ、Lγ…表示，称为L线系…靶原子内层电子的跃迁产生标识X射线谱2．标识谱特性对于一定的靶物质的原子，标识谱线的波长是一个定值，与管电压无关；由于每一种元素都有其特定波长的线状X射线谱，可成为这种元素的标识，所以叫做标识X射线谱。3．X射线微区分析每一种元素都有其特定波长的标识X射线谱，可以利用这一特征对未知元素成份的物体进行成分分析。用很细的电子射线束去轰击由未知元素组成的样品，采集样品中所含有的元素发出的标识X射线谱，根据谱特征，便可以确定样品的成分。由于电子射线束非常细，所以通常叫做电子探针，被轰击的区域也很微小，通常称为微区。所以这种分析样品的方法，称为X射线微区分析，或者电子探针微区分析。

第三节X射线的性质一、X射线的性质

1．电离作用X射线能使物质中的原子和分子电离。在X射线的照射下，气体能够电离导电，电离电流与X射线的强度成正比。因而，用电离可以测量X射线的强度。2．荧光作用X射线照射到许多物质上，如磷、铂氢化钡、硫化锌等物质上，能使物质发出荧光。3．光化学效应X射线能使很多物质发生光化学反应。它能使照相底片感光，这就是X射线的光化学作用，在医学中，用X射线的光化学作用照片。4．贯穿作用X射线穿透物质的能力就是X射线的贯穿作用或贯穿本领。不同的物质贯穿本领不同，医学上，根据这一性质，用于人体透视和照片，进行诊断和治疗。5．生物效应X射线照射生物体能使生物体的细胞损伤、生长受到抑制甚至死亡，这就是X射线的生物效应。它是放射治疗的基础。放射工作者必须对X射线加以防护。二、X射线的衍射1．X射线衍射的原理晶体成为X射线的衍射光栅

1912年劳厄用晶体衍射方法证明了X射线具有波动性，从而揭示了X射线的本质。通过X射线的晶体衍射，也对X射线谱进行研究，测量了X射线的波长。劳厄的X射线衍射1913年，英国布拉格父子用另一种方法研究了X射线衍射。当一束平行的单色X射线（波长为）以掠射角射到晶体上时，射线与各层（晶体可分为很多层原子层）原子接触，形成散射中心，向各个方向发出散射线，在各层原子层中所散射的子波射线中，只有按反射定律反射的射线才会产生干涉加强或削弱，这里重要的是干涉加强。根据干涉加强的条件，相邻两层的反射线的波程差为2dsin=k，k=1，2，3，…产生相长干涉，即产生加强反射。上式称为布拉格定律(Bragglaw)。

根据布拉格定律可得到X射线的波长为根据上述基本原理，布拉格父子设计出了X射线摄谱仪。X射线摄谱仪既能用于观察X射线衍射，又可用于拍摄X射线谱。其装置原理如图所示。有狭缝的铅屏称为准直器。2．X射线结构分析

X射线衍射可以用于研究晶体结构。同样方法也可在生物医学上研究有机体如细胞和蛋白质等的精细结构。现在这种研究已经发展成一门独立学科，称为X射线结构分析。第四节

物质对X射线的衰减规律当X射线进入物质以后，射线与物质相互作用，X射线能量转变为其它形式的能量，X射线通过一定厚度的物质以后，在原入射方向上，X射线强度减弱的现象叫做物质对X射线的吸收或X射线在物质中的衰减。一、单色X射线的吸收规律1．吸收规律一束单色X射线束的强度为I0，进入吸收物质的厚度为L处的强度为Iμ称为吸收物质的线性吸收系数。负号表示X射线在吸收物质中的强度随厚度的增加而减弱。

I0IL2．线性吸收系数μμ相当于X射线通过单位厚度的物质后强度减弱的分数值

L的单位：cm，μ的单位：cm-1μ表示物质对X射线吸收本领的大小。μ越大，则物质的吸收本领越大，射线在物质中的强度减弱得越快。3.质量吸收系数μm

物质的线性吸收系数μ与密度ρ的比值称为质量吸收系数。用μm表示

，即它表示X射线通过单位质量厚度后强度吸收的分数值，常用单位为cm2·g-1。μm仅与物质的特征有关，而与物质的密度和状态无关。

用μm表示物质对X射线吸收的宏观规律为：式中，Lm称为质量厚度，它等于单位面积中厚度为L的吸收层质量，单位为g·cm-2。

μm与X射线的波长和吸收物质的原子序数Z的关系为：

式中k为比例系数，Z是吸收物质的原子序数，是X射线的波长，

在3与4之间，与吸收物质和射线波长有关。吸收物质为水、空气和人体组织时，医学上常取3.5。

一定时，m

ZZ一定时，m34．半价层物质对X射线强度吸收一半的厚度，叫做该物质的半价层。用或表示。用半价层表示物质对X射线的吸收规律为当时，X射线通过的厚度为例：X射线被物质吸收时，要经过多少个半价层，强度才减少到原来的解：因为经过4个半价层后，强度变为原来的二、连续X射线的吸收规律对于医学上常用的低能X射线，光子能量在数十到数百keV之间，包含有各种不同的波长。由于各种物质的吸收都与射线波长有关，所以，这种含多种波长的