X射线物理培训资料

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1、赵英红 徐州医学院 影像技术学教研室 13641549054,医学影像物理学,X射线的发现 1895年11月8日，德国物理学家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，却发现距克鲁克斯管约1米远处的一块氰亚铂酸钡纸屏风上发出了荧光，伦琴认定克鲁克斯管中发出了一种能够穿透某些物质而又看不见的射线，进一步的试验，用书本、木板等都遮不住这种射线，更甚者，当伦琴用手去拿那块纸屏风时，竟在纸屏风上看到了自己手骨的影像。,第一章 X射线物理,当时不甚了解其性质，故用了数学上的未知数“X”表示，称为“X射线”（X-ray），简称X射线或X光，又称“伦琴射线”。X射线的发现为自然

2、科学开辟了一条崭新的道路，伦琴荣获了1901年度首届诺贝尔物理学奖。 1895年12月28日伦琴写出了他的第一篇关于X射线的论文，发表后立即引起了人们极大的兴趣。目前，X射线已经广泛应用于医学诊断和治疗、工业探伤、民用安全检查、物质结构分析等领域。,世界上第一张X射线照片 哪一张是真的？,一、X射线的产生 1. X射线产生条件 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射线。,X射线产生条件,产生X射线需具备以下三个条件： 电子源：根据实际情况提供足够数量的电子。 高速电子流：在高真空管内施加高电压的

3、电场使电子获得足够的动能。 适当的靶物质：特定材料制成的、能经受高速电子流撞击的阳极靶面。,二、X射线产生机制 1. 电子与物质相互作用 高速电子与靶物质作用的过程较复杂。 高速电子带负电荷，在物质中主要与原子核的正电场及轨道电子的负电场作用。当高速电子穿过物质时几乎会与相遇的每个原子发生作用，作用很频繁。如一个动能为1MeV的高速电子在被阻止前会遭受1万次的碰撞，每一次碰撞电子不仅要损失部分能量还会改变运动方向。,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。 辐射损失涉及内层电子和原子核。 电子与靶原子因碰撞而损失能量的过程就是能

4、量转换的过程。,2.连续X射线 X射线管发出的X射线是由连续X射线和标识X射线两部分组成的混合射线。 连续放射：又称韧致辐射 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射线)的过程。,阴极电子撞击阳极靶面的动能取决于管电压的大小，管电压越高，阴极电子获得的动能就越大，由于单位时间内大量能量不等的电子同时撞击靶面，与靶原子相互作用中损失的能量各不相同，因而发出的X射线光子的能量也互不相同，大量的X射线光子组成了具有频率连续的X射线发射谱。,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射线谱。,钨靶在较低管电压下

5、的连续X射线谱图,连续谱的X射线强度是随波长的变化而连续变化的。每条曲线都有一个峰值；曲线在波长增加的方向上都无限延伸，但强度越来越弱；在波长减小的方向上，曲线都存在一个称为短波极限波长的极限值。,连续X射线的最短波长min： 光子能量的最大极限hmax等于入射电子在X射线管加速电场中所获得的能量eU，即,左下式中，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,3 标识放射：又称特征辐射,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。标识X射线与X射线管的管电流无关。,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

6、E1为跃迁后的能量,特征辐射/标识辐射 标识X射线的波长同阳极靶原子的结构有着密切的联系，仅取决于阳极靶物质，与X射线产生过程中的其它因素无关。 不同靶材料的辐射光子的能量和波长也不同。每一种元素的标识X射线的波长是固定不变的。,特征辐射/标识辐射,产生标识X射线的最低激发电压U必须满足 W为脱出能。 时， 为最低激发电压，不同的激发电压产生的标识X射线量占总的X射线量的比率是不同的。,小结 1）连续谱的形状与靶的材料无关。 2）连续谱存在一最大的能量值，它取决于管电压。 3）标识辐射的X射线波长是由跃迁的电子能量差决定的，与高速电子的能量（管电压）无直接关系，主要决定于靶物质的原子序数，原子

7、序数越高，产生的标识辐射的波长越短。,三、X射线的基本特性,X射线的穿透作用 X射线的荧光作用 X射线的电离作用 X射线的热作用 X射线的化学和生物效应,按人体组织对X射线透射性能的不同分为三类：,2、荧光作用 当射线照射某种物质时，能够发出荧光，具有这种光特性的物质称为荧光物质。 如钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉等荧光物质受X射线照射时，物质原子被激发或电离，当被激发的原子恢复到基态时，便可放出荧光。,X射线荧光作用的应用：,X射线透视荧光屏、增感屏、影像增强器、闪烁计数器等。 电离作用 具有足够能量的X射线光子不仅可从原子中击脱电子产生一次电离，脱离了原子的电子还能与其他原子碰撞产生二

8、次电离。 X射线电离作用的应用： X射线剂量仪器探头原理及X射线损伤和治疗的基础。,X射线的化学和生物特性 1）、感光作用 2）、脱水作用/着色作用 3）、生物效应,第二节 X射线辐射场的空间分布 一、X射线强度 1.X射线的强度 单位时间内垂直于X射线束的单位面积上通过的光子数和能量的总和叫做X射线线的强度。 X射线线的强度是X射线的质与量的综合指标，它主要是由X射线摄影条件的三要素（千伏、毫安和时间）决定的。,X射线管短轴方向上的X射线强度分布是基本对称的；X射线管长轴方向上的X射线强度分布是非对称的，近阴极端的X射线强度大，近阳极端的X射线强度小。 X射线的强度I与管电压U和管电流i的关

9、系如下：,式中，系数K取决于高压整流方式，约为1.110-91.410-9；n由管电压及线束的滤过条件决定，对于诊断用X射线的n值约为2。 X射线强度的单位是：Jm-2s-1,2、X射线的量与质 X射线的质 又称线质，表示X射线的硬度，即X射线穿透物体的能力与光子能量的大小有关，光子的能量越大穿透能力越强，越不容易被物体吸收。 在不需要严格能谱分析的情况下，可用半价层来表示X射线的质。,在X射线诊断中，X射线的质常间接的用X射线管管电压（千伏值/kV值）的大小来近似描述。 管电压越高，电子获得的动能越大，撞击阳极靶物质的力量越强，产生X射线的穿透能力就越强，即线质越硬。,X射线的量 垂直于X射

10、线束的单位面积上、单位时间内通过的光子数称为X射线的量。 由于X射线的光子能量大、穿透力强，因此直接测定X射线的量比较困难。 在X射线诊断中，常用管电流的大小与曝光时间的乘积即毫安秒（mAs）来间接表示X射线的量。,X射线在空间某点的强度：单位时间内通过单位横截面积的辐射能量。 在医学应用中，常用X射线的量和质表示X射线的强度。 单色X射线强度：I =N h 复色X射线强度：I总=Ni hi=N1 h1+N2 h2+ N3 h1+,X射线束内的光子数目,X射线光子的能量,1.2.2 X射线的强度（Intensity of X-rays),3、影响X射线产生的因素 .靶物质： 连续X射线的强度与

11、靶物质的原子序数成正比，在管电压和管电流都相同的情况下，靶物质的原子序数越高，X射线的强度也正比增大；特征X射线完全由靶物质的原子结构特征决定，靶物质的原子序数越高，轨道电子的结合能就越大，特征X射线的能量也就越大。 .管电压(kV)： 管电压越高，X射线的强度越大。X射线的强度与kV的平方成正比。,毫安秒(mAs)：X射线的强度与mAs成正比。 高压波形（电压脉动）：X射线管的高压整流方式不同，有半波、单相全波、三相六波、三相十二波等，它们产生高压波形的脉动率不同，由于X光子的能量取决于最短波长，即决定于管电压的峰值，因此，整流后的脉动电压越接近峰值其强度越大。,距离：X射线的强度与距离的平

12、方成反比。 滤过：滤过板可以滤掉低能的X射线，减少患者的辐射剂量、提高照片质量。经常采用铝作为滤过材料。,1.薄靶周围X射线强度的空间分布 高能电子束冲击靶面时产生的X射线集中向前方，X射线束变窄。 电子直线加速器产生的高能X射线使用的是透射式靶面。,二、X射线强度的空间分布,薄靶周围X射线强度的空间分布,低能电子束冲击薄靶产生的X射线强度分布，主要集中在与电子束成垂直的方向上；沿着电子束方向上X射线强度相对较小；与电子束相反方向上X射线强度近似为零。靶越薄，上述结论越 正确。,Return,厚靶周围X射线强度的空间分布 阳极靶较厚，用于诊断用X射线机中 电子每穿过5010-12m的深度则能量

13、损失10KeV 阳极效应(足根效应) 阳极倾角越小，效应越明显 可通过滤过使X射线趋于均匀,阳极倾角为20度： X射线强度纵向空间分布：非对称、110度最大 X射线强度横向空间分布：对称、90度最大,X射线摄影中如何降低阳极效应的影响： 被摄体长轴密度不均者 增大焦-片距,第三节 X射线与物质的相互作用,1.X射线与物质的相互作用系数 2.光电效应 3. 康普顿效应 4.电子对效应 5.光蜕变 在诊断用X射线的能量范围内，X射线与物质的相互作用形式主要有光电效应和康普顿散射。,一、光电效应(photo-electric effect) 1.光电效应： 入射光子与原子的内层电子作用时，将全部能量

14、交给电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚而成为自由电子（光电子），而光子本身整个被原子吸收的过程称为光电效应。,发生光电效应时，入射X光子的能量h、光电子的动能Ee和轨道电子的结合能EB有如下关系:,发生光电效应时，光电子从原子内层脱出产生空穴，处于受激发状态，当外层电子跃迁到内层空穴时便产生标识X射线。在光电效应过程中产生： 负离子（光电子、俄歇电子） 正离子（丢失电子的原子） 标识X射线,2.光电效应发生的几率： 光电效应多发生于低能光子和原子序数较高的物质作用时。 发生几率受3方面因素影响： 入射光子必须具有克服轨道电子结合能的足够能量，如碘的K电子结合能为33.2KeV,若光子能量是3

15、3KeV,就不能击脱该电子，但能击脱M或L层的电子。,发生几率受3方面因素影响：,光子能量等于或稍大于电子结合能，如1个34KeV的光子比1个100KeV的光子更容易与碘的K层电子发生作用，光子的能量越大光电效应发生的几率反而减少，光电效应发生的几率与光子的能量的3次方成反比。 轨道电子与原子核结合得愈紧密，愈易发生光电效应，光电效应发生的几率与原子序数的4次方成正比。,3.X射线诊断中的光电效应： 利在于可以产生高质量X射线照片，一是因为它不产生散射线，减少了照片灰雾，二是增加了射线对比度，光电效应发生的概率与原子序数的4次方成正比，增加了不同组织之间的吸收差异，例如，由于光电效应使得骨与软

16、组织吸收差异加大，可产生高对比度的X射线照片.,3.X射线诊断中的光电效应：,弊在于入射光子的能量通过光电效应全部被人体吸收了，加大了辐射损伤，为了减少辐射对人体的损害，经常采用高千伏（高能量）摄影，减少光电效应发生的概率。,二、康普顿效应(Compton scattering) （又称康普顿散射或康普顿-吴有训效应） 1.康普顿效应： 入射当入射光子与原子的外层轨道电子（自由电子）相互作用时，光子的能量部分交给轨道电子，光子的频率改变后发生偏转以新的方向散射出去即散射光子，获得足够能量的轨道电子形成反冲电子，这个过程称为康普顿效应。,2.反冲电子及散射光子： 当光子能量远远超过电子在原子中的结合能时，才容易发生康普顿效应。 通常忽略轨道电子的结合能，把康普顿效应看成是入射光子与自由电子的碰撞。 可理解为两个球的碰撞 图： h为入射光子能量 h1、 h2为以不同角 度散射的光子能量