第二章第一節(jié)X線產(chǎn)生和性質

第二章第一節(jié)X線產(chǎn)生和性質第一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一一、X線發(fā)現(xiàn)1895年11月8日，德國物理學家W．C．Rontgen做陰極射線管(cathoderaytube，CRT)實驗時，出乎意料地發(fā)現(xiàn)了一種肉眼看不見的“光線”，它能穿透許多物質，并能使鉑氰化鋇發(fā)出熒光。叫X射線，簡稱X線或X光，又稱倫琴射線。1901年，倫琴為此獲得諾貝爾獎。第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一一、X線發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)X線三個月后，維也納一家醫(yī)院首先用它協(xié)助外科手術。使用的是充氣X線管，產(chǎn)生的X線量甚微，拍攝一張頭顱片需要曝光20min。是X線在醫(yī)學中應用的初始階段。從倫琴發(fā)現(xiàn)X線到現(xiàn)在的100多年里，X線日益廣泛地應用在醫(yī)學診斷和治療上，而且在物質結構分析、工業(yè)探傷、科研等方面都發(fā)揮了巨大作用。第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一★二、X線的本質和特性*(一)X線的本質是一種電磁波。波長很短，大約與晶體內(nèi)呈周期排列的原子間距同一數(shù)量級，在1×10-10m左右。與可見光、紅外線、紫外線、γ射線一樣，屬于電磁輻射(electromagneticradiation)，是電磁波；這些電磁波的本質完全相同，波長或頻率有差別。第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一*(一)X線的本質X線波長很短，介于紫外線和射線之間，約為10-8～10-12m；頻率很高，約在3×1016～3×1020Hz。由于光子能量不同，電磁輻射分為電離輻射和非電離輻射。非電離輻射：微波、紅外線、可見光等，由于光子能量小，不能引起物質電離的輻射；電離輻射：紫外線、X線、γ射線等，于光子能量大，能使物質產(chǎn)生電離的輻射。第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一*(一)X線的本質*1.X線具有波動性

X線與其它電磁波一樣具有波動和微粒性；與可見光一樣具有衍射、偏振、反射、折射等現(xiàn)象。波動性表現(xiàn)在以一定的波長和頻率在空間傳播；是一種橫波，傳播速度在真空中與光速相同，可以用波長、頻率(frequency)描述。第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一*(一)X線的本質*2.X線具有微粒性

波動性不能解釋它的光電效應、熒光作用、電離作用等；只能用愛因斯坦的光量子理論，即把X線束看做是由一個個微粒--X光子組成的來解釋。與物質相互作用發(fā)生能量交換時，突出表現(xiàn)了它的粒子性。微粒性主要表現(xiàn)為X線光子在輻射和吸收時具有能量、質量和動量。X線的波長、頻率、波速c和能量E、質量m關系：

E=hνλ=c/ν

(2-1)h為普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34J·s。第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一*(二)X線的基本特性X線是電磁波，有電磁波的通性。

直線傳播不帶電干涉、衍射、反射、折射作用波長很短、能量很大1．物理特性：穿透性、熒光作用、電離作用、熱作用2．化學效應：感光作用、著色作用3.生物效應：X線在生物體內(nèi)能產(chǎn)生電離和激發(fā)作用，使生物體產(chǎn)生生物效應。

第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1．物理特性(1)穿透性：波長短，光子能量大，穿透物質的能力強。穿透性與其波長、物質的性質、結構有關。Z高、ρ大的物質，吸收X線多，穿透性差。不透過性組織：骨骼系統(tǒng)，含有大量的鈣質，鈣的Z(20)較高，骨吸收X線最多；中等透過性組織：軟組織(結締組織、肌肉、軟骨等)及體液都是由氫、碳、氮、氧等低Z原子組成，ρ與水相近；可透性組織：脂肪組織成分與軟組織相似，但排列稀疏，ρ比軟組織小，X線的透過性較好；肺部、胃腸道、付鼻竇及乳突內(nèi)等均含有氣體，也是由氫、氮、氧等組成，但分布非常稀疏，密度很小，透過性能很好。第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1．物理特性(2)熒光作用：熒光物質：X線照射某些物質時，物質的原子被激發(fā)或電離；當恢復到基態(tài)時，放射出可見熒光的物質，如CaWO4、鉑氰化鋇、銀激活的硫化鋅等。透視用的熒光屏，攝影用的增感屏，影像增強器中的輸入屏和輸出屏，測定輻射量的閃爍晶體、熒光玻璃等是利用X線的熒光作用制造的。第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1．物理特性(3)電離作用：具有足夠能量的X光子能擊脫物質原子的軌道電子產(chǎn)生一次電離，脫離原子的電子再與其它原子碰撞，還會產(chǎn)生二次電離。在固體和液體中，電離后的正、負離子能很快地復合不易收集；氣體中的電離電荷卻很容易收集起來。根據(jù)電離電荷的多少來測定X線的照射(exposure)量。多種測定照射量儀器的探頭，如電離室、正比計數(shù)管、蓋革-彌勒計數(shù)管等都是利用這個原理制成。是X線對于肌體損傷和治療的基礎。第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1．物理特性(4)熱作用：物質吸收X線能量，最終絕大部分都將變?yōu)闊崮?，使物體產(chǎn)生溫升。測定吸收劑量的量熱法是利用X線的熱作用。第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2．化學效應(1)感光作用：X線具有光化作用，可使膠片乳劑感光，能使很多物質發(fā)生光化學反應。人體X線攝影及工業(yè)制品的無損探傷檢查、X線照射量及其分布的測定等，是利用這一特性。(2)著色作用：某些物質經(jīng)X線長期照射后，其結晶體脫水漸漸改變顏色。如鉑氰化鋇、鉛玻璃、水晶等，經(jīng)X線長期照射后會著色。第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一

3．生物效應

X線在生物體內(nèi)能產(chǎn)生電離和激發(fā)作用，使生物體產(chǎn)生生物效應。生物細胞特別是增殖性強的細胞，經(jīng)一定量的X線照射后，可以產(chǎn)生抑制、損傷、甚至壞死。人體組織吸收一定量X線后，因其對X線敏感程度的不同而出現(xiàn)種種反應，這一作用可在放射治療中得到充分應用。X線對人體的正常組織有一定的損傷作用，必須注意非受檢部位和非治療部位的屏蔽防護，放射工作者應注意自身防護。第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一三、X線的產(chǎn)生*(一)X線產(chǎn)生條件基本條件：①要有一個電子源，提供足夠數(shù)量的電子；②要有一個能經(jīng)受高速電子撞擊產(chǎn)生X線的靶面；③要有高速電子流。需具備：a.高電壓產(chǎn)生的強電場，使電子從中獲得高速運動的動能；b.是有一個真空度較高的空間，使電子在高速運動中不受氣體分子的阻擋而降低能量，同時保護X線管燈絲不致因氧化而被燒毀。第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(二)X線產(chǎn)生裝置醫(yī)用X線機分為診斷機和治療機兩大類。用于透視、攝影和特殊檢查的X線機統(tǒng)稱為診斷用X線機；診斷用X線機的管電壓一般在40～150kV。用于疾病治療的統(tǒng)稱為治療用X線機。由主機、機械裝置及輔助設備等幾部分組成。主機：是產(chǎn)生X線的最基本組成部件，由X線管、高壓發(fā)生器、控制臺組成。第十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(二)X線產(chǎn)生裝置第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(二)X線產(chǎn)生裝置*1．X線管

X線機的心臟。是高真空度的熱電子式X線管。是在特制的玻璃管內(nèi)插入兩個電極，一個是產(chǎn)生和發(fā)射熱電子的陰極(負極)（cathode）；一個是陽極(anode)，也叫陽極靶面(anodetarget)，是高速電子撞擊的目標。管內(nèi)真空度高達10-6mm汞柱。第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(二)X線產(chǎn)生裝置陰極由燈絲和集射罩組成。燈絲電壓愈高，溫度愈高，每秒鐘蒸發(fā)出的電子數(shù)愈多。在陰極和陽極間加上高電壓時，從燈絲中蒸發(fā)出來的熱電子在強電場的作用下奔向陽極形成管電流。陽極主體是銅圓柱體，對著陰極的端面上鑲嵌著一塊鎢板(鎢靶)；是高速電子撞擊的目標，產(chǎn)生X線的地方。從陰極飛來的高速電子的動能，99%以上都在陽極上變?yōu)闊崮?，不?％的能量變?yōu)閄線能。陽極材料既要熔點高、導熱性能好；又要Z高，可提高X線的產(chǎn)生效率。第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(二)X線產(chǎn)生裝置第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(二)X線產(chǎn)生裝置*實際焦點(actualfocalspot)

：陰極燈絲射向陽極的高速電子流，經(jīng)聚焦后撞擊在陽極靶面上的面積(焦點)。X線管的燈絲是螺管狀，理想的實際焦點在靶面上形成的是一近似矩形。實際焦點的大小取決于聚焦槽的形狀、寬度和深度。聚焦槽與燈絲位置及其電位分布影響陰極電子流的分布，形成主焦點與副焦點。第二十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(二)X線產(chǎn)生裝置*有效焦點(effectivefocalspot)

：實際焦點在X線投射方向上的投影面積。一般為長方形。陽極角：陽極面與X線投射方向之間的夾角。一般在10°～20°。管殼的作用是維持一個高真空度的空間，并起著固定陽極和陰極的作用。第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(二)X線產(chǎn)生裝置第二十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(二)X線產(chǎn)生裝置2．高壓發(fā)生器

X線管需要的電能應滿足：一個是使X線管燈絲加熱放射出電子；另一個是使這些電子加速奔向陽極。X線發(fā)生器中設有燈絲電路和高壓電路，還有限時電路控制X線的照射時間。第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(二)X線產(chǎn)生裝置3．控制臺是X線機的控制中心。有多個開關和選擇鍵(旋扭)，如電源開關、工作方式選擇鍵、mA選擇鍵、kV選擇鍵、照射時間選擇鍵等。4．機械裝置和輔助設備

檢查床、立柱、支架、軌道等第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一四、X線產(chǎn)生原理(一)電子與物質相互作用高速電子被靶物質阻止的過程復雜。高速電子帶負電荷，在物質中主要與原子核的正電場及軌道電子的負電場發(fā)生作用。電子在碰撞過程中的能量損失分為碰撞損失和輻射損失兩種。碰撞損失只涉及原子的外層電子，這部分能量將全部變?yōu)闊?；輻射損失涉及內(nèi)層電子和原子核。電子與靶原子因碰撞而損失能量過程，就是發(fā)生能量轉換的過程。第二十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一

*(二)X線產(chǎn)生原理X線是在能量轉換中產(chǎn)生的。X線組成：連續(xù)X線、特征X線。是這兩種成分組成的混合射線。1．連續(xù)X線連續(xù)輻射又稱軔致輻射(bremsstrahlung)。它是高速電子與靶原子核相互作用時產(chǎn)生的、具有連續(xù)波長的X線。連續(xù)輻射構成連續(xù)X線譜(continuousX-rayspectrum)，與可見光的白光相似，是包括多種能量光子的混合射線。第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1．連續(xù)X線(1)連續(xù)X線產(chǎn)生的物理過程：軔致輻射是輻射損失的一種，是產(chǎn)生連續(xù)X線的機制。當一個帶電體在外電場中速度變化時，帶電體將向外輻射電磁波。高速電子進入到原子核附近的強電場區(qū)域、然后飛離強電場區(qū)域完成一次電子與原子核的相互作用時，電子的速度大小和方向必然發(fā)生變化。電子向外輻射電磁波損失能量△E，電磁波的頻率由△E=hν確定。電子的這種能量輻射叫軔致輻射，這種輻射所產(chǎn)生能量為hν的電磁波稱為X線光子。第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1．連續(xù)X線由于每個高速電子與靶原子作用時的相對位置不同，且每個電子與靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用對應的輻射損失也不同，因而發(fā)出的X線光子頻率也互不相同(圖2-7)。大量的X線光子組成了具有頻率連續(xù)的X線光譜。第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1．連續(xù)X線第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1．連續(xù)X線*(2)連續(xù)X線的最短波長：X線強度是隨波長的變化而連續(xù)變化的。每條曲線都有一個峰值；曲線在波長增加的方向上都無限延展，強度越來越弱；在短波方向上，曲線都存在一個波長極限，稱為最短波長(λmin)。隨著kV升高，輻射強度均相應地增強；同時，各曲線所對應的強度峰值和λmin的位置均向短波方向移動。光子能量(E)與頻率(v)成正比，與波長(λ)成反比，如果波長最短(λmin)，則頻率最高(νmax)，光子能量最大。第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1．連續(xù)X線*(2)連續(xù)X線的最短波長：hνmax=eU第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1．連續(xù)X線*(3)影響連續(xù)X線的因素：kV(U)、mA(i)一定時，與陽極靶面的Z成正比，即I連∝Z。陽極靶面Z越高，X線的強度越大。其次是管電流(mA)，在管電壓U、靶材料(Z)一定時，X線的強度取決于管電流。mA越大，在X線管中被加速的電子數(shù)量越多，產(chǎn)生的X線強度也就越大，即I連∝mA。第三是管電壓(UorkV)

，X線束中光子的最大能量等于被加速電子的動能，電子的動能E＝eU，改變U，光子的最大能量也改變了，整個X線譜曲線的形狀將發(fā)生變化。第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1．連續(xù)X線

第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1．連續(xù)X線*最大強度對應的波長值稱為最強波長。

λ最強＝1.5λmin

X線診斷中，以λ最強為中心，鄰近兩側的波段起主要作用。第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1．連續(xù)X線連續(xù)X線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X線的總強度，即：由于濾過不同，連續(xù)X線的平均能量，一般為最大能量的1/3～1/2，如最高能量為100keV的連續(xù)X線，其平均能量在40keV左右。*平均波長約為最短波長的2.5倍。即：

λ平均＝2.5λmin

第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2．特征X線

特征輻射又稱標識輻射(characteristicradiation)，與連續(xù)輻射的產(chǎn)生機理完全不同。(1)特征X線產(chǎn)生的物理過程：鎢的X線譜，管電壓65kV時為連續(xù)X線；管電壓升至100kV、150kV和200kV時，在三條連續(xù)譜線上疊加了一組波長位置不變、強度很大的線狀光譜。線狀光譜的波長與kV無關，完全由靶材料性質決定。不同靶材料都有自己特定的線狀光譜，它表征靶物質的原子結構特性。這種輻射稱為特征輻射，由此產(chǎn)生的X線稱為特征X線。第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2．特征X線第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2．特征X線第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2．特征X線(2)特征X線的激發(fā)電壓：靶原子的軌道電子在原子中具有確定的結合能，只有當入射高速電子的動能大于其結合能時，才有可能被擊脫造成電子空位，產(chǎn)生特征X線。特征X線是在原子內(nèi)層電子的躍遷中產(chǎn)生的。產(chǎn)生特征X線必須有一個激發(fā)電壓(即kV)，例如，要激發(fā)K系射線，高速電子的能量(eUk)至少要≥擊脫一個K電子所作的功(Wk)，K系的激發(fā)電壓應滿足：

eUk≥Wk

第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2．特征X線

表2-2幾種靶材料產(chǎn)生K、L系特征輻射的激發(fā)電壓(kV)

靶材料 Z K系激發(fā)電壓L系激發(fā)電壓鋁(A1) 13 1.56 0.09銅(Cu) 29 8.98 0.95鉬(Mo) 42 20.00 2.87銀(Ag) 47 25.5 3.97錫(Sn) 50 29.18 4.14鎢(W) 74 69.51 12.09鉛(Pb) 82 88.00 15.86第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2．特征X線(3)影響特征X線的因素：K系特征X線強度(Ik)：Ik=K2i(U－Uk)n

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。K系特征X線的強度與i成正比，kV大于激發(fā)電壓時才發(fā)生K系放射，并隨kV的繼續(xù)升高K系強度迅速增大。第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2．特征X線X線兩種成分中特征X線只占很少一部分。鎢靶X線管，低于K系激發(fā)電壓(69.51kV)不會產(chǎn)生K系輻射；管電壓在80～150kV時，特征X線只占10％～28％；管電壓高于150kV，特征X線相對減少；高于300kV時，兩種成分相比，特征X線可以忽略。醫(yī)用X線主要使用的是連續(xù)輻射，但在物質結構的光譜分析中使用的是特征輻射。第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一五、X線的量與質*X線強度：指在垂直于X線傳播方向單位面積上、單位時間內(nèi)通過光子數(shù)量與能量乘積的總和。常用X線強度來表示X線的量。*1．X線的量

X線光子的數(shù)目。對于由相同能量的光子組成的單能輻射，其輻射強度為：I=NhνN為單位時間內(nèi)通過單位橫截面積上的X線光子數(shù)；hv為每個光子的能量。第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一*1．X線的量對于輻射是由能量完全確定的(hν1、hν2…)光子組成的線狀譜，輻射強度：對于輻射是由一切可能能量(由零至某一最大值Emax)的光子組成的連續(xù)譜，其輻射強度為：每秒通過S面積的輻射能E：

E＝I·S

X線強度的SI單位是J·m-2·s-1。第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一*1．X線的量由于X線光子的能量大，穿透本領強，直接準確地測定X線的量是困難的，但可用間接的方法來測量。在X線的診斷應用中，可以用X線管的管電流mA與照射時間s的乘積來反應X線的量，通常以mAs為單位。第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一*2．X線的質表示X線的硬度，即穿透物質本領的大小。X線的質只與光子能量有關，與光子數(shù)無關。一般X線束的成分是連續(xù)能譜，當它穿透物質后能量分布又有不同變化，完整地描述它的線質比較復雜。常用表示射線穿透能力的半價層(halfvaluelayer，HVL)來表示X線的質。第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一*2．X線的質*半價層HVL：是使一束X線的強度衰減到其初始值一半時所需要的標準物質的厚度。診斷用X線常用鋁作為表示HVL的物質，HVL愈大表示X線的質愈硬。X線診斷中，以X線管管電壓(kV)值來近似描述X線的質。kV愈高，電子從電場中得到的能量愈多，撞擊陽極靶的力量愈強，產(chǎn)生的X線的穿透本領愈大。kV愈高，也提高了X線的強度：I＝KikVn第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一六、影響X線產(chǎn)生的因素(一)靶物質連續(xù)X線的強度與靶物質的原子序數(shù)(atomnumber)Z成正比(I連∝Z)。kV和mA都相同，陽極靶的Z高，X線的強度也正比地增大。第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(一)靶物質錫的Z為50，K系特征X線為25～29keV；鎢的Z為74，K系特征X線約在58～70keV；鉛的Z＝82，K系特征X線在72～88keV。特征X線完全由靶物質的原子結構特性決定。靶物質的Z愈高，軌道電子的結合能就愈大，特征X線的能量也就愈大，就需要更高的激發(fā)電壓。第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(二)管電壓X線束中的最大光子能量等于高速電子的最大動能，電子的最大動能又決定于kV的峰值。改變kV也就改變了最大光子的動能，整個X線譜的形式也將隨之發(fā)生變化。mA不變時，隨著kV的增高，連續(xù)X線譜的λmin和λ最強都向短波方向(高能端)移動，X線束中的高能成分增多，X線的質提高。X線強度與kV的平方成正比：I∝kV2第五十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(三)管電流電流的大小并不影響X線的質，但在一定的kV下，X線的強度決定于mA。mA愈大，撞擊陽極靶面的電子數(shù)愈多，產(chǎn)生的X線強度也就愈大。實際X線強度與mA成正比：I∝mA第五十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一(四)高壓波形X線發(fā)生器使用的都是脈動高壓，有單相半波和全波；三相六脈沖和十二脈沖。不論高壓波形怎樣，λmin只決定于kV的峰值(kVp)。但脈動電壓時的X線輻射強度都比峰值相應的恒定電壓的低。在kVp相同的情況下，六脈沖和十二脈沖所產(chǎn)生的X線比全波整流的硬線成分多，且在mA相同的情況下，X線的輻射強度也比較高。是因為全波整流的X線管工作的大部分時間都比峰值時的恒定電壓低，六脈沖和十二脈沖的電壓更接近蜂值時的恒定電壓。第五十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一八、X線強度空間分布1．厚靶周圍X線強度的空間分布*陽極效應：靠近陽極端的射線最弱，靠近陰極端的最強的現(xiàn)象。而且靶角愈小，下降的程度愈大。這種愈靠近陽極，X線強度下降得愈多的現(xiàn)象，就是“足跟”效應，也稱陽極效應。當靶面陽極角為20°時，在通過X線管長軸且垂直于焦點平面的平面內(nèi)測定，則近陽極端X線強度小，近陰極端X線強度大。最大值在110°處