X 線的產(chǎn)生和性質(zhì)課件

1、X 線的產(chǎn)生和性質(zhì) 第一節(jié) X射線的發(fā)現(xiàn)一、背景（Background）低氣壓放電現(xiàn)象：1836年，英國(guó)科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)，稀薄氣體放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種絢麗的輝光。因?yàn)樗怯申帢O發(fā)出的，后來(lái)物理學(xué)家把這種輝光稱為“陰極射線”（cathode ray） 。為探明陰極射線，許多科學(xué)家進(jìn)行了艱巨的研究。蓋斯勒管（Geissler tube）當(dāng)管中為大氣壓，電壓至數(shù)萬(wàn)伏，不放電；繼續(xù)加壓，產(chǎn)生白色火花放電；抽出空氣，放電所需電壓隨氣壓降低而降低；氣壓5mmHg，氣體發(fā)出明亮的光輝，顏色由氣體決定；0. 5mmHg，陰極附近產(chǎn)生克羅克斯（Crocks）黑暗區(qū)；0. 1mmHg，全黑玻璃壁產(chǎn)生熒光（陰極射線撞

2、擊）；高度真空，無(wú)論電壓多高，不放電?；A(chǔ)知識(shí) 1861年，英國(guó)科學(xué)家克羅克斯（Crocks）發(fā)現(xiàn)通電的陰極射線管會(huì)產(chǎn)生亮光，于是就拍下來(lái)，可顯影后發(fā)現(xiàn)整張干版一片模糊。他認(rèn)為干版有毛病退給廠家。 克羅克斯也曾發(fā)現(xiàn)抽屜里保存在暗盒里的膠卷莫名其妙地感光報(bào)廢，他找到膠片廠商，指斥其產(chǎn)品低劣。 在倫琴發(fā)現(xiàn)X光的五年前，美國(guó)科學(xué)家古德斯柏德在實(shí)驗(yàn)室里偶然洗出了一張X射線透視底片。但他將其歸因于照片的沖洗藥水或沖洗技術(shù)，把這一“偶然”棄之于垃圾堆中。 一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)就這樣一次次與他們失之交臂！ 基礎(chǔ)知識(shí)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的偶然性與必然性 倫琴是柏林和慕尼黑科學(xué)院的通訊院士。倫琴在五十年的研究工作中，一共發(fā)表了五

3、十多篇論文。他在研究電磁現(xiàn)象中還發(fā)現(xiàn)，在充電的固定平行板電容器中，使介質(zhì)旋轉(zhuǎn)，能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，就好象有電流流動(dòng)一樣。這一假想的電流，人們稱為倫琴電流。此外，倫琴還在彈性、液體的毛細(xì)作用、氣體比熱、熱在晶體中的傳導(dǎo)、壓電效應(yīng)以及偏振光的磁致旋轉(zhuǎn)等方面也都有研究。 1923年2月10日倫琴因患癌癥在慕尼黑逝世。基礎(chǔ)知識(shí) 1895年10月年過(guò)半百的倫琴用克羅克斯管研究高真空放電。他吃住在實(shí)驗(yàn)室，一連做了7個(gè)星期的實(shí)驗(yàn)。11月8日，他用黑紙把陰極射線管嚴(yán)密地包起來(lái)，電流通過(guò)時(shí)，兩米開(kāi)外一個(gè)涂了亞鉑氰化鋇的小屏發(fā)出明亮的熒光。倫琴證明了這種效應(yīng)是由一種看不見(jiàn)的射線引起的，它能穿過(guò)紙和23厘米厚的木頭，能穿

4、過(guò)薄鋁片，但不能穿過(guò)較厚的金屬和其他致密物質(zhì)。如果把手放在管子與熒光屏之間，可以看到手上的骨骼。這種能透過(guò)不透光物質(zhì)而又看不見(jiàn)的射線倫琴稱為X線。二、X線的發(fā)現(xiàn)(Discovery of X-ray)基礎(chǔ)知識(shí)1896年1月23日 物理醫(yī)學(xué)會(huì)紀(jì)念演講基礎(chǔ)知識(shí)X射線特性X 射線的波動(dòng)性與粒子性是X 射線具有的客觀屬性波動(dòng)性： 1913年德國(guó)物理學(xué)家勞厄(MV. Laue)等發(fā)現(xiàn)X射線衍射現(xiàn)象，從而證實(shí)了X射線本質(zhì)是一種電磁波，它與可見(jiàn)光一樣，X射線以光速沿直線傳播，其電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量H相互垂直，并位于垂直于X射線傳播方向的平面上。通常X射線波長(zhǎng)范圍為100.001nm，衍射分析中常用波

5、長(zhǎng)在0.050.25nm范圍內(nèi)。粒子性： X射線在空間傳播具有粒子性，或者說(shuō)X射線是由大量以光速運(yùn)動(dòng)的粒子組成的不連續(xù)的粒子流，這些粒子叫光量子，每個(gè)光量子具有能量： 每個(gè)光量子的能量是X射線的最小能量單位。當(dāng)它和其他元素的原子或電子交換能量時(shí)只能一份一份地以最小能量單位被原子或電子吸收。 （三）X線的特性1物理特性（1）穿透作用：穿透能力與X線光子的能量成正比，波長(zhǎng)短的X線光子能量大、穿透能力強(qiáng)，另外還與被照物體的密度有關(guān)。（2）熒光作用：當(dāng)X線照射某些熒光物質(zhì)(如鎢酸鈣等)時(shí)能激發(fā)產(chǎn)生熒光，熒光屏、影像增強(qiáng)器、增感屏等都利用了這一特性。14（3）電離作用：物體受X線照射時(shí)，使核外電子脫離原

6、子軌道，即電離作用。自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)的電離室、X線放射治療等利用了該特性。（4）熱作用 （5）干涉、衍射、反射、折射作用第三節(jié) X射線的產(chǎn)生和裝置當(dāng)高速帶電粒子撞擊物質(zhì)受阻而突然減速時(shí)，能夠產(chǎn)生X 射線。醫(yī)學(xué)影像診斷所用的X線產(chǎn)生設(shè)備是X線管（X-ray tube，球管）。X射線的產(chǎn)生需要的基本條件是：1.要有一個(gè)電子源，能根據(jù)需要，隨時(shí)提供足夠數(shù)量的電子，這個(gè)電子源稱為陰極（cathode）；2.要有一個(gè)能經(jīng)受高速電子撞擊而產(chǎn)生線的靶，即陽(yáng)極（anode）；3.要有高速電子流。兩個(gè)方面，其一是高壓電場(chǎng)，使電子獲得動(dòng)能；其二是有高真空環(huán)境，使電子在運(yùn)動(dòng)中不受氣體分子的阻擋和電離放電而降低能量，

7、同時(shí)也能保護(hù)燈絲不致因氧化而被燒毀。4.高度真空(P10-4Pa)的環(huán)境2. X射線產(chǎn)生裝置X射線管的構(gòu)造：外殼：硬質(zhì)玻璃管，高真空。陰極：電子源，發(fā)射電子流（鎢絲）。陽(yáng)極：靶，受高速電子轟擊陰極陽(yáng)極+金屬靶X 射 線X 射線冷卻水 UL UM UN X光子輻射以K系為主。影響特征X射線的因素i為管電流；U為管電壓；Uk為K系激發(fā)電壓；K2和n均為常數(shù)， n約等于1.5 1.7需要指出:特征X線只占很少一部分,醫(yī)用X線主要使用連續(xù)輻射,部分物質(zhì)結(jié)構(gòu)的光譜分析用特征輻射.特征譜線位置(頻率大小)只與物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。特征譜線的強(qiáng)度（K系）連續(xù)譜的形狀與靶的材料無(wú)關(guān)。連續(xù)譜存在一最大的能量值，它取決于

8、管電壓。標(biāo)識(shí)輻射的X射線波長(zhǎng)是由躍遷的電子能量差決定的，與高速電子的能量（管電壓）無(wú)直接關(guān)系，主要決定于靶物質(zhì)的原子序數(shù)，原子序數(shù)越高，產(chǎn)生的標(biāo)識(shí)輻射的波長(zhǎng)越短。 60 產(chǎn)生機(jī)制管電壓特性用途連續(xù)譜韌致輻射50kv以下管電壓變，強(qiáng)度曲線變。短波極限醫(yī)用標(biāo)識(shí)譜由較高能級(jí)的電子躍遷到內(nèi)殼層的空位產(chǎn)生70kv以上管電壓變，特征曲線不變?；瘜W(xué)元素分析、原子殼層結(jié)構(gòu)分析第五節(jié)X 射線的量與質(zhì)X線量和質(zhì)的定義 1、影響X線 量的因素I U2iZt（1）靶原子 Z（2）管電流（3）管電壓（4）投照時(shí)間2、影響X線質(zhì)的因素影響X光子頻率的因素取決于管電壓的大小種類管電壓(kV)最短波長(zhǎng)()最大頻率(MHz)應(yīng)

9、用極軟線軟線硬線極硬線5 2020 100100250250以上2.5 0.620.62 0.120.12 0.05小于0.05(1.2 4.8)1012(4.8 25)1012(25 60)1012 大于601012軟組織攝影及表皮治療透視與照相深部組織治療第六節(jié)X線的產(chǎn)生效率 在X線管中產(chǎn)生X線能量與加速電子所消耗電能的比值叫X線的產(chǎn)生效率 用連續(xù)X線的總強(qiáng)度表示X線的輻射功率(極少的特征X線可忽略) 加速電壓產(chǎn)生的總功率 (大部分轉(zhuǎn)換成熱能) 為管電流與管電壓的乘積 X線管產(chǎn)生X線的效率一般不足1%,絕大部分生成熱而使靶面大幅升溫。例2：求鎢(Z=74)靶 在管電壓為100kV 時(shí)X線的

10、產(chǎn)生效率。加速電壓X線能(%)熱能(%)40kV70kV100kV150kV4MV20MV0.40.60.81.3367099.699.499.298.76430鎢靶在不同電壓值的效率解：從陽(yáng)極靶上發(fā)射的X射線在不同的方位角上，輻射強(qiáng)度不同。這種不均勻分布稱為輻射強(qiáng)度空間分布或輻射場(chǎng)的角分布。它主要取決于入射電子的能量、靶物質(zhì)及靶厚度等因素。 薄靶周圍X射線強(qiáng)度的角分布 厚靶產(chǎn)生的X射線空間分布第七節(jié)X 射線強(qiáng)度的空間分布薄靶周圍X射線強(qiáng)度的角分布低能電子束沖擊薄靶產(chǎn)生的X射線強(qiáng)度分布，主要集中在與電子束成垂直的方向上；沿著電子束方向上X射線強(qiáng)度相對(duì)較??；與電子束相反方向上X射線強(qiáng)度近似為零。靶越薄，上述結(jié)論越正確。 根據(jù)薄靶產(chǎn)生X射線的空間分布的特點(diǎn)，在管電壓較低時(shí)，利用反射式靶在技術(shù)上很有好處；但對(duì)使用超高壓X射線管時(shí)，管電壓過(guò)高，考慮能量分布因素，則需采用穿透式靶，電子從靶的一面射入，X射線從另一面射出。加速器產(chǎn)生的高能X射線用的就是穿透式靶。 Return厚靶產(chǎn)生的X射線空間分布用于醫(yī)療診斷方面的X射線管，其陽(yáng)極靶較厚。當(dāng)高能電子轟擊靶面時(shí)，不僅與靶面原子相互作用輻射X射線，而且還穿透到靶物質(zhì)內(nèi)部的一定深度，因此，除了靶表面輻射X射線外，在靶的深層，也能向外輻射X射線。如圖1-21，越靠近OC方向，穿過(guò)靶的厚度越厚，靶本身對(duì)它的吸收也越多；越靠近OA方向，靶對(duì)它吸