X 線的產(chǎn)生與性質(zhì)

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，后來物理學(xué)家把這種輝光稱為“陰極射線”（cathoderay）。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（Geisslertube）當(dāng)管中為大氣壓，電壓至數(shù)萬伏，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（陰極射線撞擊）；高度真空，無論電壓多高，不放電。基礎(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，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1845年3月27日生于荷蘭；1868年畢業(yè)于蘇黎世聯(lián)邦工程學(xué)院；1872年倫琴到斯特拉斯堡大學(xué)任副教授；1875年成為霍恩海堡農(nóng)業(yè)?？茖W(xué)校的教授；1879年—1888年主持吉森大學(xué)物理學(xué)講座；1889年—1893年任耶拿大學(xué)和烏德勒茲兩大學(xué)的教授；1894年—1900年任維爾茨堡大學(xué)校長(zhǎng)和慕尼黑物理研究所所長(zhǎng)。倫琴生平簡(jiǎn)介基礎(chǔ)知識(shí)

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，電流通過時(shí)，兩米開外一個(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)是由一種看不見的射線引起的，它能穿過紙和2－3厘米厚的木頭，能穿過薄鋁片，但不能穿過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。這種能透過不透光物質(zhì)而又看不見的射線倫琴稱為X線。二、X線的發(fā)現(xiàn)(DiscoveryofX-ray)基礎(chǔ)知識(shí)1895年12月28日，倫琴在維爾茲堡大學(xué)作了一次X射線的學(xué)術(shù)報(bào)告，并公布了世界上第一張X光照片——倫琴夫人的手骨照片，引起了世界的轟動(dòng)。X射線的新聞發(fā)布不久，美國(guó)人就用它發(fā)現(xiàn)了患者足部的子彈。倫琴夫人的手骨照片基礎(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(M．V.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10～0.001nm，衍射分析中常用波長(zhǎng)在0.05～0.25nm范圍內(nèi)。粒子性：

X射線在空間傳播具有粒子性，或者說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。760nm400nm

可見光

電磁波譜紅外線

紫外線

射線X射線長(zhǎng)波無線電波頻率波長(zhǎng)短波無線電波無線電波可見光紅外線紫外光

射線

射線（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2．化學(xué)特性（1）感光作用：是X線攝影的基礎(chǔ)（2）著色作用：使某些物質(zhì)(如鉑氰化鋇)的結(jié)晶體脫水而改變顏色。3．生物效應(yīng)生物細(xì)胞經(jīng)一定劑量X線的照射會(huì)受到抑制、損傷、壞死，生物效應(yīng)既有利又有弊…

在X線診斷和治療中主要利用了X線的穿透、熒光、電離、感光、生物等特性。16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-raytube，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Ｘ線的靶，即陽極（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，同時(shí)也能保護(hù)燈絲不致因氧化而被燒毀。4.高度真空(P<10-4Pa)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）。

陽極：靶，受高速電子轟擊陰極陽極+金屬靶X射線X射線冷卻水<X射線管的結(jié)構(gòu)為：X-raytubesCoolidgetubeModerntubewithrotatinganode固定陽極X線球管X線球管電子動(dòng)能99％轉(zhuǎn)換為熱能，燈絲及靶面采用鎢：熔點(diǎn)高（3370℃）、機(jī)械強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、延展性好。二次電子：高速電子轟擊靶面，少量電子反射回來形成二次電子，能量為原來的90％左右。危害：1.降低真空度

2.影響成像質(zhì)量陽極罩：吸收二次電子和散射線。集射罩：使電子集中，防止二次電子造成燈絲損害。陰極

一般由發(fā)射電子的燈絲和聚焦電子的凹面陰極體組成。用低壓電源對(duì)燈絲加熱，引起熱發(fā)射，提供足夠數(shù)量的電子，且使電子聚焦后去撞擊陽極。 常用兩種類型，圓焦點(diǎn)型和線焦點(diǎn)型。電子聚焦

從燈絲發(fā)射出的電子，由于庫侖力的作用而相互排斥，使電子流在向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)散。因此實(shí)際中采用凹面陰極體，置于燈絲后，且將燈絲一端與陰極體相連，接在同一電源上，使陰極體具有比燈絲電位更低的電位，使陰極體排斥電子，可起到使電子初聚焦的作用。陰極體可收集二次電子，防止危害發(fā)生。二次電子是由陽極發(fā)射(反射)出來的電子，二次電子可撞擊燈絲使其發(fā)生斷裂，撞在玻璃上可造成玻璃破裂。陽極。功能是產(chǎn)生X射線,按結(jié)構(gòu)分有固定式和旋轉(zhuǎn)式兩種。固定式陽極一般為鑲嵌在銅制圓柱柱端斜面上的小鎢塊（靶）,僅適用于管電流小，曝光時(shí)間較長(zhǎng)的便攜式牙科和骨科用的X光機(jī)中。旋轉(zhuǎn)陽極是將陽極和陽極體做成圓盤狀，并用小電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，這樣陽極時(shí)刻都以“新的靶面”接受電子束的轟擊，使產(chǎn)生的熱量均勻分散到整個(gè)靶面上，避免了局部過熱。.旋轉(zhuǎn)陽極X線球管（RotatingAnodeX-rayTube

）旋轉(zhuǎn)陽極X線球管X線球管旋轉(zhuǎn)陽極X線球管燈絲靶面定子轉(zhuǎn)軸X線球管旋轉(zhuǎn)陽極靶面示意圖有效焦點(diǎn)電子束X線球管陽極旋轉(zhuǎn)的靶面熱量分布有效焦點(diǎn)面積7mS曝光3000r/min7mS曝光6000r/minX線球管X射線的產(chǎn)生裝置主要包括三部分：X射線管、高壓電源及低壓電源，如圖3.2所示。X射線機(jī)的基本線路：mAT2(降壓變壓器）T1（升壓變壓器）整流

X射線管管電流I

管電壓KV220VR低壓電源高壓電源

220V第四節(jié)X射線的產(chǎn)生 在X射線管中，從陰極發(fā)射的熱電子，經(jīng)陰、陽兩極間的電場(chǎng)加速后，電子的速度已非常高。此高速電子與靶物質(zhì)相互作用，能量損失，速度驟減。這種相互作用十分復(fù)雜，一般情況下，電子在失去它的全部能量前要經(jīng)受很多次同靶原子的碰撞，其能量損失分為碰撞損失

(collisionloss)和輻射損失(raditionloss)兩種情況。 碰撞損失只涉及高速電子與外層電子的作用，碰撞損失的能量將全部轉(zhuǎn)化為熱能。而輻射損失則涉及高速電子與內(nèi)層電子和原子核的作用。通過輻射損失的能量，大部分是以X射線的形式輻射出去的，它不足電子總能量的1％。

X射線的產(chǎn)生連續(xù)X射線：高速運(yùn)動(dòng)電子與靶原子核作用。特征X射線：原子核外電子的躍遷。

+連續(xù)X射線41

對(duì)連續(xù)X射線譜的解釋一 根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的理論，一個(gè)帶負(fù)電荷的電子作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子周圍的電磁場(chǎng)將發(fā)生急劇變化，此時(shí)必然要產(chǎn)生一個(gè)電磁波，或至少一個(gè)電磁脈沖。由于極大數(shù)量的電子射到陽極上的時(shí)間和條件不可能相同，因而得到的電磁波將具有連續(xù)的各種波長(zhǎng)，形成連續(xù)X射線譜。

對(duì)連續(xù)X射線譜的解釋二量子力學(xué)概念，當(dāng)能量為ev的電子與靶的原子整體碰撞時(shí)，電子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式輻射出去，每碰撞一次，產(chǎn)生一個(gè)能量為hv的光子，即“韌致輻射”。大量的電子在到達(dá)靶面的時(shí)間、條件均不同，而且還有多次碰撞，因而產(chǎn)生不同能量不同強(qiáng)度的光子序列，即形成連續(xù)譜。連續(xù)輻射/韌致輻射： 高速帶電粒子在靶物質(zhì)的原子核電場(chǎng)作用下，改變運(yùn)動(dòng)方向和速度，所損失的動(dòng)能中，有一部分轉(zhuǎn)化為能量等于hν的光子輻射出去。 由于各帶電粒子與原子核相互作用情況不同，所以輻射出來的X射線光子能量也不一樣，具有連續(xù)的能譜分布。連續(xù)X射線譜的特征

連續(xù)譜的X射線強(qiáng)度是隨波長(zhǎng)的變化而連續(xù)變化的。每條曲線都有一個(gè)峰值；曲線在波長(zhǎng)增加的方向上都無限延伸，但強(qiáng)度越來越弱；在波長(zhǎng)減小的方向上，曲線都存在一個(gè)稱為短波極限波長(zhǎng)的極限值。隨著管壓的升高，輻射強(qiáng)度均相應(yīng)地增強(qiáng)。同時(shí)，各曲線所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度峰值和短波極限的位置均向短波方向移動(dòng)。X線的最短波長(zhǎng)λminλminλminλmin

h：普朗克常數(shù)

c：光速

V：加速電子的電場(chǎng)電壓

e：電子電荷量νmax

：X射線的頻率λmin：X射線的波長(zhǎng)設(shè)管電壓U，電子電量為e，則電子具有的動(dòng)能為eU，這也是光子可能具有的最大能量hνmax

，νmax是與短波極限λmin對(duì)應(yīng)的最高頻率，由此得到：

上式表明，連續(xù)X射線譜的最短波長(zhǎng)與管電壓成反比。管電壓愈高，則λmin愈短。這個(gè)結(jié)論可有圖13-4所示。把h、c、e的值代入上式，并取kV為電壓?jiǎn)挝?，nm為波長(zhǎng)單位，可得

影響因素a、與靶原子序數(shù)呈正比b、與管電流大小呈正比c、與管電壓n次方呈正比 連續(xù)X射線譜的強(qiáng)度同時(shí)受到靶原子序數(shù)、管電流及管電壓影響，其中靶原子序數(shù)大的原子核，電場(chǎng)作用強(qiáng)，電子損失能量多，輻射出來的光子能量大，產(chǎn)生的X射線的強(qiáng)度就大。X線的峰值波長(zhǎng)和平均波長(zhǎng)λmax例1求管電壓為100KV時(shí)X線的最短波長(zhǎng)、峰值波長(zhǎng)、平均波長(zhǎng)和最大光子能量。

解二、特征（標(biāo)識(shí)）X射線譜特征輻射/標(biāo)識(shí)輻射（characteristicX-radiation）： 當(dāng)高速電子與陽極靶面撞擊時(shí)，也可能與原子的內(nèi)層電子相互作用而將內(nèi)層電子轟出，使原子呈不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)具有較高勢(shì)能的外層電子填補(bǔ)內(nèi)層電子空位時(shí)，即釋放出多余的能量。這種能量的輻射稱為特征輻射。特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理 處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，此時(shí)外層電子將填充內(nèi)層空位，相應(yīng)伴隨著原子能量的降低。原子從高能態(tài)變成低能態(tài)時(shí)，多出的能量以X射線形式輻射出來。因物質(zhì)一定，原子結(jié)構(gòu)一定，兩特定能級(jí)間的能量差一定，故輻射出的特征X射波長(zhǎng)一定。特征X線的產(chǎn)生過程高速電子進(jìn)入靶物質(zhì)后，其動(dòng)能被靶原子內(nèi)殼層電子獲得，一部分用來脫離原子核束縛作功（逸出功）；另一部分變成逸出后電子的動(dòng)能。當(dāng)電子逸出后，原子內(nèi)殼層就出現(xiàn)了空位，外殼層電子將向內(nèi)殼層填充，輻射的電磁波（X線）由兩能級(jí)差確定E2-E1=hf21由于原子中各個(gè)內(nèi)層軌道的能量是隨著原子序數(shù)增加的，因此，原子序數(shù)愈高的元素，它的各個(gè)標(biāo)識(shí)X射線系的波長(zhǎng)也愈短。標(biāo)識(shí)譜線的波長(zhǎng)決定于陽極靶的材料，不同元素制成的靶具有不同的線狀X射線譜，并可以作為這些元素的標(biāo)識(shí)，這就是“標(biāo)識(shí)X射線”名稱的由來。標(biāo)識(shí)X射線主要用于認(rèn)識(shí)原子的殼層結(jié)構(gòu)和化學(xué)元素的分析。特征的激發(fā)電壓

靶原子的軌道電子在原子中有確定的結(jié)合能W。當(dāng)炸彈電子的動(dòng)能大于內(nèi)層電子結(jié)合能時(shí)，才可能使電子逸出造成空位，產(chǎn)生X射線。炸彈電子的動(dòng)能大小完全由管電壓確定U=W/e為最低激發(fā)電壓。Uk>UL>UM>UNX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關(guān)。連續(xù)譜存在一最大的能量值，它取決于管電壓。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IU2iZt（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)用極軟線軟線硬線極硬線5~2020~100100~250250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線的產(chǎn)生效率。加速電壓X線能(%)熱能(%)40kV70kV100kV150kV4MV20M