X線的物理特性課件

1、X線的物理學(xué)基礎(chǔ)一、X線的發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)生二、X線產(chǎn)生的原理三、X線的本質(zhì)與特性四、X線強(qiáng)度五、X線與物質(zhì)的相互作用六、X線的吸收與衰減X線的發(fā)現(xiàn)1895年11月8日，德國物理學(xué)家倫琴用一個高真空玻璃管和一臺產(chǎn)生高壓的小型機(jī)器做實驗時，發(fā)現(xiàn)了X線。1895年11月22日，倫琴用X線為其夫人拍攝了一張手的照片。1901年，倫琴被授予諾貝爾物理學(xué)獎。X線的產(chǎn)生X線的產(chǎn)生是能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果。 99%以上的動能產(chǎn)生熱量，不到1%的動能轉(zhuǎn)換成X線。X線的產(chǎn)生需要具備4個條件： 電子源 高電壓 高真空度 適當(dāng)?shù)恼系K物 X線的產(chǎn)生原理 X線的產(chǎn)生是高速電子與陽極靶物質(zhì)的原子相互作用中能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果。是利用了陽極靶物

2、質(zhì)的三個特性：核電場、軌道電子結(jié)合能和原子存在于最低能級的需要。 每個電子能量=電子的電荷*X線管電壓 E=eV （e=1.60*10-19庫倫） 由圖可見：高速投射的電子，受核電場的吸引，偏離原有方向。管電壓相同時，偏離角度越大，產(chǎn)生的連續(xù)放射X線能量就越大。偏離角度相同時，管電壓越大，產(chǎn)生的連續(xù)放射X線能量就越大。特征放射 （標(biāo)識放射）高速電子擊脫靶物質(zhì)原子的內(nèi)層軌道電子，而產(chǎn)生的一種放射方式。一個常態(tài)原子經(jīng)常處于最低能級狀態(tài)，他永遠(yuǎn)保持其內(nèi)層軌道電子是滿員的。當(dāng)靶物質(zhì)原子的K層電子被高速電子擊脫時，K層電子的空缺將由外層電子躍遷補充，外層電子的能級要比內(nèi)層電子的能級高，因此多余的能量作為

3、X線光子釋放出來，產(chǎn)生K系特性放射。X線的本質(zhì)X線的本質(zhì)是電磁波，它具有一定的波長和頻率；由于X線光子的能量大，可是物質(zhì)產(chǎn)生電離，故又屬電磁波中的電離輻射。X線和其他電磁波一樣，具有波動和微粒的二重性，這是X線的本質(zhì)。 （1）X線的微粒性：把X線看作一個個的微粒光子組成，光子具有一定的能量和一定的動質(zhì)量，但無靜止質(zhì)量。X線與物質(zhì)作用時表現(xiàn)出微粒性，每個光子都具有一定的能量，能產(chǎn)生光電效應(yīng)，能激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)出熒光等現(xiàn)象。 （2）X線的波動性：X線以波動方式傳播，是一種橫波。X線在傳播時表現(xiàn)了他的波動性，具有頻率和波長，并有干涉、衍射反射和折射現(xiàn)象。X線的特性一、物理效應(yīng) 穿透作用：X線具有一定的

4、穿透能力。穿透能力主要與自身的波長有關(guān)，以及被穿透物質(zhì)的原子序數(shù)、密度和厚度有關(guān)。 熒光作用：熒光物質(zhì)（鎢酸鈣），在X線的照射下被激發(fā)，釋放出可見的熒光。 電離作用：物質(zhì)在足夠能量的X線光子照射下，能擊脫物質(zhì)原子軌道的電子，產(chǎn)生電離。也是X線劑量、X線治療、X線損傷的基礎(chǔ)。 干涉、衍射、反射與折射：這些光學(xué)特性在X線顯微鏡、波長測定、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析中得到應(yīng)用。 二、化學(xué)效應(yīng) 感光作用：X線具有光化學(xué)作用，可是攝影膠片感光。 著色作用：某些物質(zhì)經(jīng)X線長期照射后，使其結(jié)晶脫水變色。 如 鉛玻璃經(jīng)X線長期照射后著色三、生物效應(yīng) X線是電離輻射，他對生物細(xì)胞，特別是增殖性強(qiáng)的細(xì)胞有抑制、損傷，甚至使其壞

5、死的作用，它是放射治療的基礎(chǔ)。X線強(qiáng)度X線強(qiáng)度是垂直于X線束的單位面積上，在單位時間內(nèi)通過的光子數(shù)和能量的總和，及線束中的光子數(shù)乘以每個光子能量。在實際應(yīng)用中，常以量與質(zhì)的乘積表示X線強(qiáng)度。量是線束中的光子數(shù)，質(zhì)則是光子的能量（也稱穿透力）。用管電流（mAs）表示X線的量；用管電壓（KV）表示X線的質(zhì)。影響X線強(qiáng)度的因素X線強(qiáng)度受管電壓、管電流、靶物質(zhì)以及高壓波形的影響。一、管電壓 X線光子的能量，取決于沖擊電子的能量大小，而電子的能量又由管電壓kVp來決定。管電壓決定X線最大能量的性質(zhì)。 在管電壓為峰值時，最短波長的X線的能量也將接近管電壓的能量。 增加管電壓也將增加產(chǎn)生X線的量。所以X線強(qiáng)

6、度的增加與管電壓的平方成正比。四、高壓波形 X線發(fā)生器產(chǎn)生的高壓都是脈動式的。有兩種形式：單相電源的半波和全波 三相電源的6脈沖和12脈沖 當(dāng)整流后的脈動電壓越接近峰值，其X線強(qiáng)度越大；峰值電壓相同時，三相電源比單相電源產(chǎn)生的硬射線要多。X線質(zhì)的表示方式半值層（HVL）：X線強(qiáng)度衰減到初始值的一半時，所需的標(biāo)準(zhǔn)吸收物質(zhì)的厚度。診斷用X線的半值層一般用毫米鋁（mmAl）表示，在1.54mmAL之間。 對同樣質(zhì)的X線來說，不同物質(zhì)的半值層是不一樣的；但就同種物質(zhì)，半值層大的X線質(zhì)硬，半值層小的質(zhì)軟。電子的加速電壓（管電壓）有效能量：在連續(xù)X線情況下使用這一概念。軟射線和硬射線：將低能量X線稱為軟射

7、線，將高能量X線成為硬射線。X線波普分布：它表示了X線的波長分布或能量分布。此分布將根據(jù)X線管固有濾過、附加濾過、管電壓、管電流、整流方式等因素而變化。X線強(qiáng)度的空間分布高速電子撞擊陽極靶面，所產(chǎn)生的X線分布與陽極傾角有關(guān)。 陽極傾角是指垂直于X線管長軸的平面與靶面的夾角。 在通過X線管長軸且垂直于有效焦點平面內(nèi)，近陽極端X線強(qiáng)度弱，近陰極端強(qiáng)，最大值約在100處，其分布是非對稱性的，這種現(xiàn)象成為陽極效應(yīng)。陽極傾角越小，陽極效應(yīng)越明顯。 在通過X線管短軸且垂直于有效焦點平面，在900處最大，分布基本上是對稱的。X線的不均等性診斷用X線主要是連續(xù)X線和特征X線的混合。連續(xù)X線的波長由最短波長到長

8、波長領(lǐng)域是一個很廣的范圍。這種X線成為不均等X線，由于濾過板的使用，長波長領(lǐng)域的X線被吸收，成為近似均等X線。這種均等度以不均等度h或表示。 h=H2/H1（H1：第一半值層；H2：第二半值層） 或=eff/0 （0：最短波長，eff：有效波長） 均等X線下，h=1， =1，不均等X線h1，1。有效波長：單一能量波長的半值層等于連續(xù)X線的半值層時，此波長稱作有效波長（ eff ）有效電壓：產(chǎn)生有效波長的最短波長的管電壓，稱作有效電壓。有效能量：將有效電壓用能量單位（keV）表示時，此能量為有效能量。X線與物質(zhì)的相互作用X線與物質(zhì)的相互作用形式有：相干散射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)、光核

9、反應(yīng)等。光電效應(yīng)X線與物質(zhì)相互作用時，X線光子能量（hv）全部給予了物質(zhì)原子的殼層電子，獲得能量的電子擺脫原子核的束縛成為自由電子（即光電子），而X線光子本身則被物質(zhì)的原子吸收，這一過程稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)的產(chǎn)物：特性放射，光電子（負(fù)離子），正離子（缺少電子的原子）以及俄歇電子。光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件及發(fā)生幾率1、光子能量與電子結(jié)合能，必須“接近相等”才容易產(chǎn) 生光電效應(yīng)。光子的能量要稍大于電子的結(jié)合能或等于電子的結(jié)合能。（碘的K層電子結(jié)合能為33.2KeV） 光子能量的增加，會使光電作用的機(jī)率下降，光電效應(yīng)與能量的三次方成反比。2、軌道電子結(jié)合的越緊越容易產(chǎn)生光電效應(yīng)。 高原子序數(shù)元素比低原子

10、序數(shù)元素的軌道電子結(jié)合的緊。因此比較容易產(chǎn)生光電效應(yīng)，所以光電效應(yīng)發(fā)生的幾率隨著原子序數(shù)的增加而很快增加，其發(fā)生幾率與原子序數(shù)的三次方成正比。康普頓效應(yīng)當(dāng)一個光子在擊脫原子外層軌道上的電子時，入射光子損失部分能量，并改變原來傳播方向，變成散射光子，軌道上的電子從入射光子處獲得部分能量脫離原子核束縛，按一定方向射出，成為成為反沖電子?？灯疹D效應(yīng)發(fā)生幾率與物質(zhì)的原子序數(shù)成正比與入射光子的能量呈反比與入射光子的波長成正比電子對效應(yīng)一個具有足夠能量的光子，在與靶原子核發(fā)生相互作用時，光子突然消失，同時轉(zhuǎn)化為一對正、負(fù)電子，這個作用過程稱為電子對效應(yīng)。光核反應(yīng)所謂的光核作用，就是光子與原子核作用而發(fā)生的

11、核反應(yīng)。某些核素在進(jìn)行光核反應(yīng)時，不但產(chǎn)生中子，而且反應(yīng)的產(chǎn)物是放射性核素。X線的吸收與衰減X線強(qiáng)度在其傳播過程中，將以距離平方反比的規(guī)律衰減，此法則，它在X線管點焦點、真空傳播的條件下成立。物質(zhì)也會導(dǎo)致X線的衰減。在診斷X線能量范圍內(nèi)，X線與物質(zhì)相互作用形式主要是光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。 在光電效應(yīng)下：X線光子被吸收 在康普頓效應(yīng)：X線光子被散射X線的濾過一、固有濾過（鋁當(dāng)量） 指X線機(jī)本身的濾過，包括X線管的管壁、絕緣油層、窗口的濾過板。 鋁當(dāng)量：一定厚度的鋁板和其他物質(zhì)對X線具有同等量的 衰減時，此濾過板的厚度稱為濾過物質(zhì)的鋁當(dāng)量。 二、附加濾過 廣義上講，從X線管窗口至檢查床之間，所通過

12、材料的濾過總和為附加濾過 X線在物質(zhì)中的指數(shù)衰減規(guī)律 I=I0e-X （X=0，I=I0）I0：X線到達(dá)物體表面的強(qiáng)度 I：X線到達(dá)厚度為X時的強(qiáng)度X：吸收物質(zhì)厚度（m）此法則成立條件有兩個，一是X線為單一能量射線，一是X線為窄束。 單能窄束X線在通過物體時，只有X線光子能量減少，而無能量的變化，其指數(shù)衰減規(guī)律是X線強(qiáng)度在物質(zhì)層中都以在相同的比例衰減。寬束的衰減與吸收物質(zhì)種類和厚度、X線能量、X線源與探測器的幾何學(xué)的配置等因素有關(guān)。衰減系數(shù)一、線衰減系數(shù) 將X線透過物質(zhì)的量以長度（m）為單位時，X線的衰減系數(shù)，稱作線衰減系數(shù)，單位m-1二、質(zhì)量衰減系數(shù) 將X線透過物質(zhì)的量以質(zhì)量厚度（kg.m-2）為單位時，X線的衰減系數(shù)稱作質(zhì)量衰減系數(shù)，單位m2/kg三、總衰減系數(shù) 總衰減系數(shù)即是光電衰減系數(shù)、相干散射衰減系數(shù)、康普頓衰減系數(shù)和電子對效應(yīng)的衰減愈大。影像X線衰減的因素一、射線能量和原子序數(shù)對衰減的影響 對高原子序數(shù)的物質(zhì)（如碘化鈉）在整個X線診斷能量范圍內(nèi)主要是光電作用。作為水和骨骼，則隨X線能量增加，康普頓散射占了主要地位。對低原子序數(shù)的物質(zhì)，當(dāng)X線能量增加時，透過量增加，而衰減減少；對高原子序數(shù)物質(zhì)，當(dāng)X線能量增加時，透過量有可能下降。