第2章 X射线物理

第二章X射线物理医学成像技术原理2第一节X射线的产生机制第二节X射线的探测原理第三节X射线成像的物理基础本章内容3第一节X射线的产生机制第二节X射线的探测原理第三节X射线成像的物理基础本章内容4Nick

Veasey的摄影艺术5是德国物理学家威廉·康拉德·伦琴(WilhelmKonradRöntgen)于1895年发现的,又名伦琴射线，;是一种波长较短的电磁波，波长约在0.001～10纳米，医学上应用的X射线波长约在0.001～0.1纳米(其中医学诊断为0.01～0.1纳米，治疗为0.001～0.01纳米);X射线是一种电磁波电磁波谱波段波长（米）无线电波微波红外线可见光紫外线X射线伽马射线103

10-2

10-5

0.5×0-610-810-1010-12

6X射线的光子能量比可见光的光子能量大几万至几十万倍，因此具有很高的穿透本领，能透过许多可见光不能穿透的物质，如纸、木料等X射线具有很强的穿透本领7X射线具有电离辐射X射线与机体细胞组织等相互作用，引起物质的原子或分子电离，可直接破坏机体内某些大分子结构，如使蛋白分子链断裂、破坏一些对物质代谢有重要意义的酶等，甚至可直接损伤细胞结构。另外射线可以通过电离机体内广泛存在的水分子，形成一些自由基，通过这些自由基的间接作用来损伤机体。8典型的X射线光谱由连续谱和特征谱组成9X射线的产生——原子结构b8e1-kmvwsvx8429416.gif(550×550)()原子的核式结构模型物质是有原子组成的，原子则是由原子核和核外电子构成的10X射线的产生——电子轨道及轨道结合能电子轨道：电子层从内到外依次称为K，L，M，N……轨道结合能：将一个轨道电子移出原子所需要的能量，所需的能量越高，说明该电子与原子核结合的越紧密，其所处轨道能级越低，越靠近原子核。11电子与靶原子的相互作用高速电子与靶原子的相互作用可分为以下四个物理过程——电离、激发、弹性散射和非弹性散射，这四个物理过程既相互独立又同时并存。高速电子12电子与靶原子的相互作用高速电子与靶原子“撞击”的结果产生两种能量损失：碰撞损失——高速电子与原子外层电子发生作用产生热量；辐射损失——高速电子与原子内层电子或原子核作用产生X射线；碰撞损失和辐射损失的占比由高速电子能量和靶原子序数决定碰撞损失/辐射损失≈816MeV/(Ek·Z)式中，Ek是高速电子的动能，Z是靶的原子序数13能量损失占比举例

假设入射电子的能量为100KeV，撞击在钨靶（Z=74）上，有多少能量占比产生了X射线？

碰撞损失/辐射损失≈816MeV/(Ek·Z)=816MeV/(100×10-3MeV×74)

=110.27

辐射损失占比=1/(110.27+1)=0.00899

所以，电子99.1%的能量以碰撞损失，转化为热能。仅有0.9%的能量产生了X射线。14辐射损失---韧致辐射

高速电子到了靶上，受靶原子核引力的作用而速度骤减，在这个过程中电子所损失的能量转成辐射能，以X射线光子的形式释放出来，这种辐射称为韧致辐射高速电子hν15韧致辐射的特点λ0=hc/Ee波长是连续的最短波长取决于入射电子能量不同能量入射电子在钨靶上产生的连续X射线16辐射损失---标识X射线

来源于原子轨道电子的跃迁，是高速电子与内层电子发生相互作用的结果17标识X射线的线系根据电子跃迁的轨道，可以分为几个线系。K线系是最内层(n=1)以外各层的电子跃迁到最内层的结果;L线系是第二层以外各层电子跃迁到第二层的结果;M、N……等线系依次类推。18标识X射线的线系

对于同处于第二层（n=2）的电子能量可能处于不同状态，处于不同状态的电子往最内层(n=1)跃迁是，可以得到不同能量的X射线，这些同属于Kα线的标识X射线分别被称为Kα1线、Kα2线等19标识X射线的产生条件和特点产生条件：入射电子动能>电子结合能特点：波长不连续，是线状谱反映原子内层结构20X射线谱21X射线管(X-raytube)：产生X射线

固定阳极X射线管及其结构22旋转阳极X射线管及其结构X射线管(X-raytube)：产生X射线23X射线管的结构24X射线管阴极灯丝加热产生电子（阴极）高千伏产生的电场和真空条件下产生高速电子流（电场）阻止高速电子的金属靶面（阳极）25X射线管的阳极阳极由阳极头、阳极帽、阳极柄三部分组成26X射线管的阴极阴极主要由灯丝、阴极头、玻璃芯柱等组成27X射线管的焦点实际焦点有效焦点

28X射线强度的空间分布—足跟效应入射电子出射X射线射线强度与阳极的距离足跟效应A阳极靶29X射线管影响X射线特征的两个重要参数管电压管电流30X射线的量与质由管电流与照射时间间接表示通常以毫安秒(mA·s)为单位。X射线的质：X射线的硬度（能量），即穿透物质本领的大小X射线的量：表示X射线束中的光子数目由管电压和滤过间接表示通常以千伏数（kV）为单位。31第一节X射线的产生机制第二节X射线的探测原理第三节X射线成像的物理基础本章内容32X射线与物质的相互作用主要相互作用：光电效应康普顿效应电子对效应X射线与物质的相互作用是探测X射线的前提和基础。当X射线穿透物质时，它与原子中的电子、原子核、带电粒子的电场等发生相互作用。次要相互作用：相干散射光核反应……33光电效应“光生电”的效应，即当能量为hv的光子通过物质时，与原子轨道电子发生相互作用，光子的全部能量交给电子，获得能量的电子摆脱原子核束缚成为自由电子，这样的过程称为光电效应光电效应示意图34h

:光子能量Ee:光电子的动能EB:原子第i层电子的结合能h

=Ee+EB

2.产生条件，入射光子能量要大于等于轨道电子结合能1、能量守恒光电效应的产生条件h

≥

EB

即35光电效应截面表示一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生光电效应的几率；大小与物质原子序数Z的四次方成正比，与物质所处的状态和物理状态无关，Z高的物质，光电效应截面大；大小还与X射线的能量有关，能量高，光电效应截面降低；光电效应由于与原子序数关系很大，所以能扩大不同元素的组织间吸收X射线的差别，增大组织对比度，且不受散射线的影响，减少了照片的灰雾36康普顿效应光子的非相干散射，是入射光子能量被部分吸收而产生散射光线的过程。康普顿散射示意图37康普顿效应

入射X射线的一部分能量传给电子，使之脱离原子而反冲出去，称为反冲电子，而入射光子与电子碰撞后，它的能量与运动方向都发生了变化，称为散射光子。由于散射光子的散射角并非定值，因此散射光子和反冲电子的能量是连续分布的康普顿散射示意图38康普顿效应截面

当入射光子能量很低时，康普顿散射截面与光子能量无关，仅与Z成正比，即

当入射光子能量很高时，此时截面与Z成正比，近似地与光子能量成反比，即在X线诊断中（透视和摄影），从病人身上产生的散射线占入射X射线总能量相当大的比例，而且此散射线较均匀的分布在整个空间，使X线影像呈灰雾效果，影像对比度降低39电子对效应“光生成正负电子对的效应”40电子对效应

一个具有足够能量的光子，在与原子核发生相互作用时，光子突然消失，同时转换为一对正负电子，这个过程称为电子对效应能量守恒所以能产生子对效应的X射线能量需在1.02MeV以上41X射线与物质的其它相互作用过程1.相干散射，也称瑞利散射光子与原子核作用，从原子核内击出数量不等的中子、质子和γ光子的作用过程。光核反应在诊断X射线能量范围内不可能发生。2.光核反应内层轨道电子吸收入射光子而跃迁到高能级，随即又放出一个能量约等于入射光子能量的散射光子的过程。在此过程中，不产生电离过程42三种主要效应的相对重要性对低能X与高原子序数的作用物质，光电效应占优势对中能X射线与低原子序数的作用物质，康普顿效应占优势对高能X射线与高原子序数的作用物质，电子对效应占优势43X射线与物质的相互作用系数基本概念：截面、线性衰减系数截面：

定义为一个入射光子与单位面积上一个靶粒子发生相互作用的概率，用符号

表示，单位为m2如果一个入射光子与物质存在多种相互独立的作用，则截面为：44X射线与物质的相互作用系数线性衰减系数设靶物质单位体积的粒子数为n，在厚度x处，单位面积上的光子数为N，则穿过dx薄层时，dN个光子与物质发生相互作用-dN=

Nndx

TIPS：如何理解这一公式？

ndx为靶物质单位面积

的粒子个数

为一个光子与单位面积上一个靶粒子发生相互作用的概率

ndx为单位面积靶物质上与一个光子发生相互作用的粒子数

Nndx为单位面积靶物质上与N个光子发生相互作用的粒子数

45X射线与物质的相互作用系数线性衰减系数设靶物质单位体积的粒子数为n，在厚度x处，单位面积上的光子数为N，则穿过dx薄层时，dN个光子与物质发生相互作用-dN=

Nndx

=n

为线性衰减系数，表示X射线光子与每单位厚度物质发生相互作用的概率，单位为m-1或cm-1。根据初始条件x=0时，N=N0，求解上述微分方程得其中46X射线与物质的相互作用系数线性衰减系数线性衰减系数可理解为X射线光子束穿过靶物质时在单位厚度上光子数减少的百分比。-dN=

Nndx-dN=μNdx47第一节X射线的产生机制第二节X射线的探测原理第三节X射线成像的物理基础本章内容48X射线穿过物质后，与物质中的原子一旦发生相互作用中的任何一种，将使原来能量为的光子或消失、或散射后能量改变并偏离原来的入射方向，X射线强度发生衰减，这就是X射线相关成像技术的物理基础X射线成像的物理基础作用物质入射X射线出射X射线强度高强度低49单能X射线在物质中的衰减规律

当入射的窄束X射线强度为I0，穿过的物质厚度为x，线性衰减系数为μ时，出射的X射线强度I为：对于宽束X射线而言，其在物质中的衰减规律与单能X射线相比，多了一个累积因子B，即：其中，积累因子B>150连续X射线在物质中的衰减规律连续窄束X射线衰减可简单理解为不同能量的单能X射线穿过物质后衰减的总和，即：用积分形式表示为：51单能与连续X射线在物质中的衰减比较穿过相同厚度时，光子数相同的连续X射线比单能X射线衰减强52连续X射线的硬化物质对低能X射线的吸收能力较强，大量低能X射线被物质完全吸收，导致X射线平均能量变高（即X射线的质变硬）。束线硬化示意图53X射线的滤过低能X射线的危害：导致束线硬化伪影、病人受到的辐射剂量大。使用X射线滤过方法提前使得X射线变硬固有滤过包括X线管的玻璃管壁、绝缘油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板；附加滤过