x射线的产生剖析

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1、放射物理与防护,李伟 山东医学高等专科学校,第三章 X射线的产生,第一节 X射线的发现及用途 第二节 X射线的本质与特性 第三节 X射线的产生条件及装置 第四节 X射线的产生原理 第五节 X射线的量与质 第六节 X射线的产生效率 第七节 X射线辐射场的空间分布,本章目录,学习目标,1.掌握：X射线的发现、本质与特性；X射线的发生条件与装置；X射线的量与质；X射线的产生效率。 2.熟悉：电子与物质的相互作用以及两种X射线的产生原理；X射线强度的空间分布。 3.了解：X射线的发现及用途。,第一节 X射线的发现及用途,一、X射线的发现过程,第一节 X射线的发现及用途,1895年11月8日，德国理学家

2、威廉康拉德伦琴在德国沃兹堡大学实验室用克鲁克斯管研究高真空下放电现象时，意外发现X射线。,威廉康拉德伦琴,第一节 X射线的发现及用途,1895年12月28日伦琴写出了他的第一篇关于X线的论文，发表后立即引起了人们极大的兴趣。,一、X线的历史,伦琴提交给威尔茨堡市物理医学会的论文 关于一种新射线的初步报告,第一节 X射线的发现及用途,一、X射线的发现过程,1901年,伦琴荣获了当年度首届诺贝尔物理学奖。,德国沃兹堡大学物理研究所（上图）,伦琴发现X线的实验室（左图）,二、X射线的用途,2.工业领域,晶体结构分析 工业探伤 货运集装箱 透视检查 科学研究 半导体、机械加工,第一节 X射线的发现及用

3、途,第二节 X射线的本质与特性,第二节 X射线的本质与特性,一、X射线的本质,X射线的本质属于电离辐射。频率为 波长为,第二节 X射线的本质与特性,一、X射线的本质,X射线具有电磁波的共性：波动性和粒子性,（一）X射线具有波动性,X射线与可见光一样，具有衍射、偏振、反射、折射等现象，说明X射线具有波动性。X线波动性主要表现在以一定的波长和频率在空间传播。它是一种横波，其传播速度在真空中与光速相同。,max2200PC型X射线衍射仪,第二节 X射线的本质与特性,一、X射线的本质,X线具有电磁波的共性：波动性和粒子性,（二）X射线具有粒子性,X射线的粒子性能解释X射线的光电效应、荧光作用、电离作用

4、等过程。依据量子论学说以及相对论的原理则：,第二节 X射线的本质与特性,二、X射线的基本特性,（一）物理特性,（三）生物特性,（二）化学特性,第二节 X射线的本质与特性,二、X射线的基本特性,（一）物理特性,1.X射线不可见，在均匀、各向同性的介质中直线传播 2.X射线不带电 经过电、磁场时不发生偏转 3.X射线穿透性 透视、摄影、CT等检查手段 按人体组织对X射线透射性能的不同分为三类：,第二节 X射线的本质与特性,二、X射线的基本特性,（一）物理特性,4.X射线荧光性 使物质发出荧光 5.X射线电离作用 放射治疗（损伤性） 6.X射线热作用 使物体升温（量热法） 7.X射线波动性 波长测定

5、、物质结构分析,X射线透视荧光屏 增感屏 影像增强器 闪烁计数器,第二节 X射线的本质与特性,二、X射线的基本特性,（三）生物效应特性,（二）化学特性,1.感光作用 X射线摄影和工业无损探伤检查 2.着色作用 脱水作用（结晶体脱水改变颜色）,X射线对生物组织、细胞具有损伤的作用，称为X射线的生物效应。X射线对人体不同组织的损伤程度是不同的。,第三节 X射线的产生条件及装置,第三节 X射线的产生,一、X射线的产生条件,在高真空管内高速行进成束的电子流撞击阳极靶(钨、钼等)时与原子核或内层电子相互作用而产生X射线，即高速电子流和靶物质相互作用的结果产生X线。归纳来讲，产生X线必须具备三个条件。,一

6、、X射线的产生条件,电子源(加热后得到并通过电场的作用力奔向阳极) 适当的靶物质(用高原子序数、高熔点的钨制成阳极) 高速电子流(A高电压产生的强电场B真空度高的空间),第三节 X射线的产生,二、X射线的发生装置,1.X射线机（装置）定义：电能 X射线能 2.X射线机分类,诊断机：用于透视、摄影和各种特殊检查的统称为诊断X射线机（CT、MRI、DSA）。,治疗机：用于疾病治疗的统称为治疗X射线机(加速器、Co60治疗机)。,第三节 X射线的产生,二、X射线的发生装置,3.X射线机的构成：,主机,机械及其辅助设备,X线管 高压发生器 控制台,第三节 X射线的产生,二、X射线的发生装置,3.玻璃管

7、套：是一个高真空度的空间，主要对阳极和阴极起固定作用。,2.阳极（靶）：它能使高速电子突然受阻而产生X射线。,1.阴极（电子源）：其作用是按需要提供足额数量的电子，经聚焦加速后撞击阳极而产生X射线。,第三节 X射线的产生,二、X射线的发生装置,旋转阳极X线管,第三节 X射线的产生,X线管剖面结构示意图,二、X射线的发生装置,旋转阳极X线管,第三节 X射线的产生,第四节 X射线的产生原理,第四节 X射线的产生原理,一、电子与物质的相互作用,电子在碰撞过程中的能量损失分为碰撞损失和辐射损失。 碰撞损失(collision loss)只涉及原子的外层电子，这部分能量将全部变为热。 辐射损失(radi

8、ation loss)涉及内层电子和原子核。,1.当电子处于较低能量时，能量损失主要是碰撞损失，靶原子外层电子的激发和电离占相当大的比例（原子序数较低时表现尤其明显）。 2.当电子处于高能量时，能量损失由碰撞损失逐渐转为辐射损失（原子序数较高时表现尤其明显，比如钨、钼）。,碰撞损失和辐射损失的区别与联系：,一、电子与物质的相互作用,第四节 X射线的产生原理,二、两种X射线的产生原理,连续X射线：X射线谱特点为连续的,特征X射线：X线射谱特点为线状的,X射线管发出的X线是由连续X射线和特征X射线（标识X射线）两部分组成的混合射线。,第四节 X射线的产生原理,（一）连续X射线的产生原理,轫致辐射(

9、bremsstrahlung radiation)：又称连续放射，是高速电子流撞击阳极靶面时，与靶物质的原子核相互作用而产生的、连续波长的X射线(连续X线)的过程。,1.连续X射线产生的物理过程,第四节 X射线的产生原理,（一）连续X射线的产生原理,由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同（如左图），且每个电子与靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用对应的辐射损失也不同，因而发出的X光子频率也互不相同。,第四节 X射线的产生原理,（一）连续X射线的产生原理,使用钨靶保持管电流不变，将管电压从20kV增加到50kV时，测量各波段的相对强度而绘成的连续X线谱（如右图）,第四节 X射线的

10、产生原理,（一）连续X射线的产生原理,2.连续X线的最短波长min：,式中，U的单位为kV，min的单位为nm。 可见，连续X射线的最短波长只与管电压有关。,第四节 X射线的产生原理,（一）连续X射线的产生原理,3.影响连续X射线的因素：,第四节 X射线的产生原理,（一）连续X射线的产生原理,【例】 求管电压为10OkV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。,最强波长,平均波长,最大光子能量,解：产生连续X线的最短波长,第四节 X射线的产生原理,（二）特征X射线的产生原理,1.特征X射线产生的物理过程,第四节 X射线的产生原理,产生线状光谱X线的过程与管电压无关，完全由

11、靶材料的性质决定，它表征靶物质的原子结构特性，而与其它因素无关。通常把这种辐射称为特征辐射，也称为标识辐射(characteristic radiation)由此产生的X射线称为特征X射线。,（二）特征X射线的产生原理,第四节 X射线的产生原理,h为特征X光子能量(即跃迁过程中释放的能量);E2为跃迁前的能量 ;E1为跃迁后的能量。 不同的靶物质发出的X射线的波长不同，原子序数越高，产生的X射线波长越短。特征X射线与X射线管的管电流无关。,（二）特征X射线的产生原理,第四节 X射线的产生原理,K系激发：K层电子被激出的过程 K系辐射：外层电子跃迁到K层上所辐射出的特征X射线。 K、K谱线：电子

12、由LK，MK所引起的K系辐射。,（二）特征X射线的产生原理,第四节 X射线的产生原理,（二）特征X射线的产生原理,第四节 X线的产生机制,2.特征X射线的激发电压,靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合能（W）只有当入射高速电子的动能大于其结合能时，才有可能被击脱造成电子空位，产生特征X线。入射电子的动能完全由管电压决定。,管电压必须满足下式的关系,给定的靶原子，各线系的最低激发电压大小按其相应的电子空位所产生的壳层内电子结合能大小有以下关系。,（二）特征X射线的产生原理,3.影响特征X射线强度的因素：,第四节 X射线的产生原理,K系特征X线的强度,K系特征X线的强度与管电流成正比，管电压大于

13、激发电压时才发生K系放射，并随管电压的升高K系强度迅速增大。,第五节 X射线的量与质,一、概念及其表示方法,第五节 X射线的量与质,（一）物理角度对X射线的量与质定义,1.X射线的量：在单位时间内X线线束内的光子数 。,单色X线强度,复色X线强度,2.X射线的质：X线穿透物质的本领或者光子的能量。,一、概念及其表示方法,第五节 X射线的量与质,（二）临床角度对X线的量和质定义,1.X线的量：管电流决定X射线的量,X射线管的管电流决定于阴极灯丝电流，管电流愈大表明阴极发射的电子数愈多，则电子撞击阳极靶产生的X射线量也愈多。在实际放射工作中，一般是用管电流和照射时间的乘积来表示X射线的量。,【例】

14、一次拍片需要的X线量为 ，就可以选择 或者,一、概念及其表示方法,第五节 X射线的量与质,（二）临床角度对X线的量和质定义,2.X射线的质（硬度）：管电压决定X射线的质,X射线管通常用表示X射线穿透能力的半价层来表示X射线的质，半价层就是使一束X射线的强度减弱到其初始值一半时所需要的标准物质的厚度。 诊断用X线通常用铝作为表示半价层的物质，半价层愈大表示X射线的质愈硬。,二、影响X射线量的因素,第五节 X射线的量与质,1.管电流对X射线量的影响,管电流越大表明阴极发射的电子越多，因而电子撞击阳极靶产生的X射线的量也越大，发射出的X射线的强度也就越大。,图中看到100mA和250mA的两条曲线，

15、其X射线最短波长和最长波长都完全一样，只是曲线下所包围的面积不同。显然管电流大的X射线量大，反之就小。,二、影响X射线量的因素,第五节 X射线的量与质,2.管电压对X射线量的影响,当管电流不变时，随着管电压从20kV升高到50kV，其辐射的总量增大，图中曲线下所包围的总面积代表X线的总强度。因此，X线的量（强度）与管电压的平方成正比。,二、影响X射线量的因素,第五节 X线的质与量,3.靶物质的原子序数对X射线量的影响,在管电压、管电流、投照时间相同的情况下，阳极靶的原子序数愈高，X射线的量愈大。,从图中可见，曲线的两个端点都重合。其高能端重合，说明了X射线谱的最大光子能量与管电压有关，而与靶物

16、质无关；低能端重合是因为X射线管固有滤过的限制，低能成份被管壁吸收的缘故。,三、影响X射线质的因素,第五节 X线的质与量,一般来讲，X射线的质仅取决于管电压的大小。无论何种靶物质，在一定管电压下所产生的连续X射线谱的最短波长和最长波长是相同的。峰值辐射强度发生在相同能量光子处。光子的最大能量完全由管电压控制。,第六节 X射线的产生效率,第六节 X射线的产生效率,一、产生效率的定义：,X线管中产生的X线能与加速电子所消耗电能的比值。,二、影响因素,X线的产生效率与管电压和靶物质的原子序数成正比。,k为常数，约等于,第六节 X射线的产生效率,钨靶X线管和加速器产生X线的效率,结论：X线管产生X线的效率极低，一般不足1，而绝大部分的高速电子能都在阳极变为了热能，使阳极靶面的温度很高。,第六节 X射线的产生效率,【例】 钨（Z=74）靶X线管，当管电压为120kV时X射线的产生效