放射防护课件4.X射线的产生

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ProductionofX-raysRoentgen’sexperimentalapparatus(Crookestube)thatledtothediscoveryofthenewradiationon8Nov.1895–hedemonstratedthattheradiationwasnotduetochargedparticles,butduetoanasyetunknownsource,hence“x”radiationor“x-rays”Knownas“theradiographofBeraRoentgen’shand”taken22Dec.18951X射线产生的历史:1895/11/8X射线的本质与特性：本质------波粒二象性X射线的产生装置（产生条件、X射线管、X射线管的焦点）X射线的产生机制X射线辐射场的空间分布本节课主要内容2THANKYOU!!!3X线的本质是一种电磁波。波长很短，大约与晶体内呈周期排列的原子间距同一数量级，在1×10-10m左右。与可见光、红外线、紫外线、γ射线一样，属于电磁辐射(electromagneticradiation)，是电磁波；这些电磁波的本质完全相同，波长或频率有差别。4X线的本质X线波长很短，介于紫外线和γ射线之间，约为10-8～10-12m；频率很高，约在3×1016～3×1020Hz。由于光子能量不同，电磁辐射分为电离辐射和非电离辐射。5X线的本质非电离辐射：微波、红外线、可见光等，由于光子能量小，不能引起物质电离的辐射；电离辐射：紫外线、X线、γ射线等，由于光子能量大，能使物质产生电离的辐射。6X线的本质X射线与其它电磁波一样具有波动和微粒性；与可见光一样具有衍射、偏振、反射、折射等现象。7X线的本质波动性表现在以一定的波长和频率在空间传播；是一种横波，传播速度在真空中与光速相同，可以用波长、频率(frequency)描述。波动性不能解释它的光电效应、荧光作用、电离作用等；只能用爱因斯坦的光量子理论，即把X线束看做是由一个个微粒--X光子组成的来解释。

8X线的本质与物质相互作用发生能量交换时，突出表现了它的粒子性。主要表现为X射线光子在辐射和吸收时具有能量、质量和动量。X射线的波长、频率、光速c和能量E、质量m关系：

9X线的基本特性X射线是电磁波，有电磁波的通性。

直线传播，不带电，干涉、衍射、反射、折射作用，波长很短、能量很大1．物理特性：穿透性、荧光作用、电离作用、热作用2．化学效应：感光作用、着色作用3.生物效应10物理特性(1)穿透性：由于X射线波长短，具有较高的能量，物质对其吸收较弱，因此它有很强的贯穿本领。对于X射线来说，大多数物质是透明的或半透明的。X射线的贯穿本领不仅与X射线的能量有关，还与被穿透的物质本身结构和原子性质有关。Z高、ρ大的物质，吸收X线多，穿透性差。

11物理特性不透过性组织：骨骼系统，含有大量的钙质，钙的Z(20)较高，骨吸收X线最多；中等透过性组织：软组织(结缔组织、肌肉、软骨等)及体液都是由氢、碳、氮、氧等低Z原子组成，ρ与水相近；12物理特性可透性组织：脂肪组织成分与软组织相似，但排列稀疏，ρ比软组织小，X线的透过性较好；肺部、胃肠道、副鼻窦及乳突内等均含有气体，也是由氢、氮、氧等组成，但分布非常稀疏，密度很小，透过性能很好。13物理特性易透性组织中等透射性组织不易透射性组织气体脂肪组织结蒂组织肌肉组织软骨血液骨骼表1人体组织对X射线的穿透性

1415物理特性(2)荧光作用：荧光物质：X射线照射某些物质时，物质的原子被激发或电离；当恢复到基态时，放射出可见荧光的物质，如CaWO4、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉等。透视用的荧光屏，摄影用的增感屏，影像增强器中的输入屏和输出屏，测定辐射量的闪烁晶体、荧光玻璃等是利用X线的荧光作用制造的。X射线的发现也是基于它的荧光作用。16物理特性(3)电离作用：具有足够能量的X光子能击脱物质原子的轨道电子产生一次电离，脱离原子的电子再与其它原子碰撞，还会产生二次电离。在固体和液体中，电离后的正、负离子能很快地复合不易收集；气体中的电离电荷却很容易收集起来。根据电离电荷的多少来测定X线的照射(exposure)量。多种测定照射量仪器的探头，如电离室、正比计数管、盖革-弥勒计数管等都是利用这个原理制成。是X线对于肌体损伤和治疗的基础。17物理特性(4)热作用：物质吸收X射线能量，最终绝大部分都将变为热能，使物体产生温升。测定吸收剂量的量热法是利用X射线的热作用。18化学效应(1)感光作用：X射线具有光化作用，可使胶片乳剂感光，能使很多物质发生光化学反应。人体X射线摄影及工业制品的无损探伤检查、X射线照射量及其分布的测定等，是利用这一特性。(2)着色作用：某些物质经X射线长期照射后，其结晶体脱水渐渐改变颜色，称为着色作用或脱水作用。如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，经X线长期照射后会着色。19

生物效应

X射线在生物体内能产生电离和激发作用，使生物体产生生物效应。生物细胞特别是增殖性强的细胞，经一定量的X射线照射后，可以产生抑制、损伤、甚至坏死。人体组织吸收一定量X射线后，因其对X射线敏感程度的不同而出现种种反应，这一作用可在放射治疗中得到充分应用。X射线对人体的正常组织有一定的损伤作用，必须注意非受检部位和非治疗部位的屏蔽防护，放射工作者应注意自身防护。20X射线的产生装置高速带电粒子撞击物质受阻而突然减速时都能产生X射线。X射线必须具备三个基本条件：1、应有一个电子源，能根据需要随时提供足够数量的电子。2、应能够获得高速电子流。电场、真空3、要有一个能够经受高速电子撞击而产生X射线的靶。21X射线的产生装置医用X线机分为诊断机和治疗机两大类。用于透视、摄影和特殊检查的X线机统称为诊断用X线机；诊断用X线机的管电压一般在40～150kV。用于疾病治疗的统称为治疗用X线机。由主机、机械装置及辅助设备等几部分组成。主机：是产生X线的最基本组成部件，由X线管、高压发生器、控制台组成。2223X射线的产生装置高压发生器X射线管需要的电能应满足：一个是使X射线管灯丝加热放射出电子；另一个是使这些电子加速奔向阳极。X射线发生器中设有灯丝电路和高压电路，还有限时电路控制X射线的照射时间。24X射线的产生装置控制台是X射线机的控制中心。有多个开关和选择键(旋扭)，如电源开关、工作方式选择键、mA选择键、kV选择键、照射时间选择键等。机械装置和辅助设备

检查床、立柱、支架、轨道等25X射线的产生装置X射线管X线机的心脏。是高真空度的热电子式X射线管。在特制的玻璃管内插入两个电极，一个是产生和发射热电子的阴极（cathode）；一个是阳极(anode)，也叫阳极靶面(anodetarget)，是高速电子撞击的目标。26X射线的产生装置管壳的作用是维持一个高真空度的空间，并起着固定阳极和阴极的作用。管内真空度高达10-6mm汞柱。管壳必须有不漏气、耐高温、绝缘性能好及对X线吸收较少等特性。2728©UWandBrentK.StewartPhD,DABMP29

X-rayTubesBushberg,etal.,TheEssentialPhysicsofMedicalImaging,2nded.,p.103.29©UWandBrentK.StewartPhD,DABMP30

X-rayTubesBushberg,etal.,TheEssentialPhysicsofMedicalImaging,2nded.,p.103.30©UWandBrentK.StewartPhD,DABMP31

X-rayTubesBushberg,etal.,TheEssentialPhysicsofMedicalImaging,2nded.,p.103.31X射线管阴极由灯丝和集射罩组成。灯丝采用高熔点的钨丝（熔点3410°C）绕制而成。灯丝电压愈高，温度愈高，每秒钟蒸发出的电子数愈多。在阴极和阳极间加上高电压时，从灯丝中蒸发出来的热电子在强电场的作用下奔向阳极形成管电流。32灯丝电流的大小由一个灯丝电路来控制，形成的电流变化范围从几个到几十个安培不等。灯丝电流是X射线管的一个主要技术指标。阴极发射电子的发射率取决于它发射电子时的温度和灯丝电流。X射线管33从灯丝发射的电子经高压加速后撞击在靶上，此时加在两极之间的加速电压称为管电压，这种加速后的电子束流称为管电流。管电流的变化范围从几个到几百个毫安培。X射线管34管电压和灯丝电流对管电流的影响在诊断中为了获取大的管电流和有用的X射线能量，要选取大的灯丝电流和40kV~140kV间的管电压。35X射线管阳极主体是铜圆柱体，对着阴极的端面上镶嵌着一块钨板(钨靶)；是高速电子撞击的目标，产生X线的地方。从阴极飞来的高速电子的动能，99%以上都在阳极上变为热能，不到1％的能量变为X线能。阳极材料既要熔点高、导热性能好；又要Z高，可提高X线的产生效率。36目前有两种类型的阳极：固定的和旋转的。固定阳极X射线管常用于牙科X线成像系统、某些移动式的成像系统以及其它不需要大的管电流和大功率的特殊用途的系统。一般的X射线管通常使用旋转阳极。X射线管37X射线管38X射线管39X射线管在普通的摄影中，用钨作为靶材料具有以下的原因：①钨原子序数较高（Z=74），使其产生X射线的效率高和产生高能X射线；②钨的热传导性几乎与铜的完全相同，它是一种能够有效散热的金属；③钨具有很高的熔点3410℃（相比较而言，铜的熔点为1100℃）。因此，在大的管电流下，钨仍能承受而不会出现伤痕或起泡。40下表总结了一些靶材料的特性，所有这些材料均具有良好的散热能力。元素元素符号原子序数K特征X射线熔点钨钼铑WMoRh74424569keV20keV23keV3410°C2600°C3200°C41实际焦点：灯丝发射的电子，经聚焦加速后撞击在阳极靶上的面积称为实际焦点。焦点就是一个实际的X射线源。有效焦点：X射线管的实际焦点在垂直于X射线管轴线方向上投影的面积，称为有效焦点。

X射线管的焦点42X射线管的焦点43X射线管的焦点阳极角：阳极面与X线投射方向之间的夹角。一般在10°～20°。X线管的灯丝是螺管状，理想的实际焦点在靶面上形成的是一近似矩形。实际焦点的大小取决于聚焦槽的形状、宽度和深度。4445X射线管的实际焦点和有效焦点的大小直接影响X射线管的散热和影像的清晰度。面积越大，对散热越有利。但实际焦点越大，有效焦点的面积也增大，必然引起在胶片上所形成影像的清晰度。若用缩短灯丝长度或减小靶倾角来缩小有效焦点，必然使单位面积上的电子密度增加，实际焦点的温度快速上升，阳极将不能承受较大的功率。X射线管的焦点46X射线管的焦点因此，两方面的情况都要考虑。大多数诊断X射线管的靶倾角在6°～17°间变化。在阳极上设计出两种靶倾角，即双角度靶面能够产生两种尺寸的焦点。将双角度靶面和不同长度的灯丝结合起来就可以产生出非常灵活的摄影条件。47X射线的产生机制1.电子与物质的相互作用

2.连续X射线

3.特征X射线

4.影响X射线发射谱的因素

481.电子与物质的相互作用在X射线管中，从阴极发射的电子，经阴极、阳极间的电场加速后，电子的速度已非常高。例如，在100kV管电压下，电子抵达靶时，速度可达0.55c(c为光速)。这些电子轰击X射线管靶的重金属原子时，它们便将其动能传递给了靶原子。491.电子与物质的相互作用这些相互作用发生在穿入靶面不太深的地方。当相互作用发生时，发射电子将会慢下来并最终完全停止。事实上，这些相互作用十分复杂。一般情况下，电子在失去它的全部能量前要经受很多次与靶原子的碰撞，其能量损失分为碰撞损失和辐射损失。501.电子与物质的相互作用碰撞损失只涉及原子的外层电子。高速电子与原子的外层电子发生作用时，可以使原子激发或电离。碰撞损失的能量最后全部转化为热。511.电子与物质的相互作用辐射损失只涉及原子的内层电子和原子核。高速电子除与原子的外层电子发生碰撞而损失能量外，也可能电离原子的内层电子，将能量转化为特征辐射；另外，高速电子还可能与靶原子核发生相互作用，将能量转化为轫致辐射。

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这里，T是高速电子的动能（以MeV为单位），Z是靶物质的原子序数。例如，100kV管电压下，电子撞击在钨靶上，99%的能量以碰撞损失，仅有1%的能量产生X射线。

53电子与物质的相互作用在X线管中产生的X线能与加速电子所消耗电能的比值，叫做X线的产生效率。K：常数，约等于1.1×10-9~1.4×10-9V-1Z：阳极靶物质的原子序数U：管电压（伏），i：管电流54X线组成：连续X线、特征X线。是这两种成分组成的混合射线。连续X线连续辐射又称轫致辐射(bremsstrahlung)。它是高速电子与靶原子核相互作用时产生的、具有连续波长的X线。552.连续X射线

56钨靶在较低管电压下的连续X射线发射谱

5758影响连续X射线强度的因素：592.连续X射线602.连续X射线不同管电压对应不同的连续X线谱，每条谱线都有一个强度最大值，最大强度对应的波长称为最强波长。612.连续X射线由于滤过不同，连续X线的平均能量，一般为最大能量的1/3~1/2。62例：求管电压为100kV时，产生连续X线的最短波长、最强波长、平均波长和最大光子能量。633.特征X射线

643.特征X射线

653.特征X射线

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钨原子能级和K系、L系特征X射线

67©UWandBrentK.StewartPhD,DABMPConsideranatomwiththefollowingbindingenergies:K-shell,30keV;M-shell,0.7keV.Anelectronwithakineticenergyof25.3keVisejectedfromtheM-shellasanAugerelectronfollowingLtoKtransition.ThebindingenergyoftheL-shellelectronis_______keV.A.1.4B.4C.4.7D.15E.29.3GeneralQuestion-30keV?keV-0.7keVKLMe-25.3keV?keV68©UWandBrentK.StewartPhD,DABMP

E=25.3+0.7=26keVwhereEisequaltothedifferencebetweenthebindingenergiesoftheK-andL-shells.26keV=BEK-BEL=30keV-BEL;BEL=4keV.GeneralQuestion-30keV?keV-0.7keVKLMe-25.3keV?keV69只有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，才能产生特征X射线。

管电压U必须满足下式的关系：

式中Wi为第i层的结合能。当时，为最低管电压，称为特征X射线的激发电压

3.特征X射线

70表2几种靶材料产生K、L系特征X射线的激发电压(kV)靶材料原子序数K系激发电压L系激发电压铝（Al）铜（Cu）钼（Mo）钨（W）铅（Pb568.8920.0069.5188.000.090.952.8712.0915.8671影响特征X射线强度的因素：

3.特征X射线

72X线两种成分中特征X线只占很少一部分。钨靶X线管，低于K系激发电压(69.51kV)不会产生K系辐射；管电压在80～150kV时，特征X线只占10％～28％；73管电压高于150kV，特征X线相对减少；高于300kV时，两种成分相比，特征X线可以忽略。医用X射线主要使用的是连续辐射，但在物质结构的光谱分析中使用的是特征辐射。74

4.影响X射线发射谱的因素

100kV管电压下钨靶X射线发射谱？754.影响X射线发射谱的因素X射线能谱就是指X射线光子数随光子能量的分布。图中的虚线表示的是理论上的钨靶连续X射线能谱，实线表示的是经靶自吸收、固有滤过和附加滤过后的能谱。764.影响X射线发射谱的因素出现实线代表的X射线能谱，主要有以下四个方面的因素：①从阴极向阳极加速的电子不是都具有峰值动能，这与整流和高压发生器的类型有关。在与靶撞击时，许多电子都可能有很低的能量，这些电子只能产生低能量X线。②诊断X射线管靶相对比较厚。因此，很多轫致X射线都是高速电子与靶多次作用的结果。电子在每一次连续的作用中都会有能量的损失。③低能的X线更容易被靶自身吸收。④外部滤过几乎总是加在X射线管组件上。这些附加滤过会选择性地从线束中滤掉低能X射线。774.影