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1、医用x线设备学,本课程从横向和纵向两方面，系统剖析了医用x光机的结构原理与电路分析，理论性和使用性较强，可作本科教材,并可使用各级医院各类在职放射技术人员培训、自学和实际工作中使用。,绪 论,第一章 X射线基本原理,X线的发生效率,X射线的产生,X线结构分析,X射线的发现及发展,第一节 X线产生原理及基本特性,一、X射线的发现及其发展,X射线的发现,1895.11.8，伦琴在暗室中做阴极射线管气体放电实验时,为避免紫外线与可见光的影响,特用黑纸将射线管包住,但偶然发现与之相距一段距离的荧光屏上会发微光.伦琴认定这是一种来自射线管但不是阴极射线的神秘射线.,穿透性及直进性，在电磁场中不偏转，能使
2、某些物质发荧光，使底片感光，使空气电离,因对其本质的不确定性,称其为X射线.后来证实X射线是核外电子产生的短波电磁辐射.,在伦琴之前有人在操作阴极射线管时发现此特异现象，但未深究。（“当真理碰到鼻尖的时候还是没有得到真理”）,神秘射线的性质：,第一张人手(伦琴夫人的手)X照片,“X射线” 被德国物理学家伦琴（Roentgen) 发现后，很快以“论一种新射线”为题发表论文公之于世。李鸿章在X光被发现后仅7个月就体验了此种新技术，成为拍X光片检查枪伤的第一个中国人。,W.K.伦琴，德（1845-1923）第一张诺贝尔物理学奖奖状,1879年,在物理学大师亥姆霍兹和基尔霍夫等人的推荐下,伦琴担任吉森
3、大学物理学教授和物理研究所所长.于1894年任该校校长.在其就职演说中指出：,“实验是最有力可靠的手段,能使我们揭开自然界的奥秘;实验也是判断假说应当保留还是应当放弃的最后鉴定.”,获1901年首届诺贝尔物理学奖,0.01 1 10(),硬X射线软X射线,X射线波长范围及其大致分类,硬X射线:波长较短,能量较高,穿透力较强,适用于金属的无损探伤及相关分析.软X射线,伦琴无条件地把X射线的发现奉献给人类,没有申请专利.,X射线下,由于伦琴在X射线的发现和研究上有重大的贡献，于1901年获得诺贝尔物理奖。,在医药学上，开始了人类直接观察人体内部的方法,开始了人类对放射性的研究。,(a)第一张X光相
4、片 伦琴夫人的左手,(b)现代的X光照片,X射线的发展,第一阶段：气体x光管和感应圈时代（18951916年）气体x光管和感应圈组成，以静电起电机提供能量1896年，西门子公司研制出世界第一支x线球管。第二阶段：热电子x线管和变压器式高压发生器的实用化时代（19101925年）COOlidge：热电子x线管 Snook :变压器式高压发生器为实用化奠定基础,第三阶段：防电击、防散射的x线装置的实用化时代（19251945年）防电击、防散射的x线机 三相高压发生器 电容充放电x线装置 旋转阳极x线管 （成熟阶段）但控制主要以继电器和电子管为核心、各项指标较低第四阶段：高条件、大容量、控制技术现代
5、化时代（1945至今）大功率旋转阳极x线管、影象增强器、x线电视（50年代初）计算机断层扫描技术（70年代）MRI技术（80年代）,二、 X射线的产生,一、X射线管,2、产生原理,高速运动的电子流，与靶发生强烈的相互作用，有部分动能以x射线的方式向四周辐射。,二、 X射线的产生,（二）物理机制,1、电离,原子的外层价电子或内层电子在高速电子的作用下完全脱离了原子轨道，使原子变成离子，称为电离。如图1-1所示。,二、 X射线的产生,高速电子的动能转化为以下三部分：（1）消耗在内外层电子的脱出功，这部分能量暂时“存储”在原子内，将伴随着发射光学光谱(由外层电子轨道跃迁产生)和标志X射线(由内层电子
6、轨道跃迁产生)，以光能的形式释放出来；（2）转化为二次电子(被击出的轨道电子)的动能；（3）转化为出射电子的动能，出射电子以较低能量，并改变方向射出，然后与其他原子或原子核发生作用。,二、 X射线的产生,电离过程中向外发射的光谱有两种：1、由于电子脱离原子轨道，离子结合自由电子变为处于激发状态的原子，在回到基态过程中发射出光学光谱。由于最外层电子轨道的能级差较小，这些光谱一般在紫外线、可见光和红外线的波长范围，不属于X线；而且这部分光能转化为原子的热运动，伴随着阳极温度上升。2、由于内层电子脱离轨道，使原子处于激发状态，通过内层电子的能级跃迁而辐射标志X线，这是构成医用X线的成分之一。,二、
7、X射线的产生,2、激发,高速电子(或二次电子)撞击原子外层电子，由于作用比较弱，不足以使其电离，仅将其推入高能级的空壳层，使原子处于激发态，这种作用叫做激发。如1-2所示,二、 X射线的产生,入射电子的动能转化为两种情况：（1）转化为方向改变、速度变小的出射电子的动能；（2）被原子吸收的激发能。处于激发态的原子将发射光学光谱，这部分能量最终导致固体分子热运动加快、温度上升，全部转化为热能。 3、弹性散射 高速电子受原子核电场的作用而改变运动方向，但其能量不变，称为弹性散射。如图1-3所示。,二、 X射线的产生,4、韧致辐射,高速电子在原子的电场作用下，速度突然变小时，它的一部分能量转变成电磁波
8、发射出来，这种情况叫韧致辐射。如图1-4所示,二、 X射线的产生,在韧致辐射中，入射电子的能量一部分转化为辐射电磁波的能量h，其波长在X线范围内，在医用X线占有特别重要的地位；另一部分转化为出射电子的动能，出射电子的方向将发生改变。韧致辐射具有以下两个特点：（l）韧致辐射是在核电场作用下的一种能量转换形式，不能用经典理论作简单地解释。（2）韧致辐射所产生的X线是一束波长不等的连续光谱。这是由以下几个原因造成的：,二、 X射线的产生,加在X线管两端的高压通常是脉动直流电压，使得到达阳极的各个高速电子的动能并不相等； 高速电子在进入核电场作用前，通过电离或激发所失去的动能各不相等； 各个高速电子在
9、原子核电场中被阻止的情形不一样，离核越近，受核电场阻止作用越强，由动能转换为光能的部分能量越多，辐射的X线的波长越短，反之，波长就越长。 此外，核电场强度还随原子序数的不同而异。所以，韧致辐射所形成的X线是一束随靶原子元素不同而不同的连续谱线。,二、 X射线的产生,小结： 从以上四种作用的物理过程看出：高速电子与阳极靶原子“撞击”的结果，产生两种类型的光辐射。一种是波长在可见光、红外线、紫外线附近的光学光谱；另一种是X线。依其产生的机理不同，又有两种成分，一种是高速电子与原子内层电子作用所产生的标明元素特性的标识X线；另一种是高速电子与核电场作用所形成的韧致辐射，这是一束连续X线。X线由于其波
10、长短、能量大、穿透作用强，将穿过X线管壁、油层、窗口、滤过板而射向人体，用作治疗或诊断。光学光谱则波长长，光子能量小，则全部被周围原子、管壁和油层所吸收，使原子的热运动加快，温度上升。,电子与物质相互作用,X射线是高速运动的电子在与物质相互作用中产生的。在X射线管中，从阴极发射的电子，经阴极、阳极间的电场加速后，轰击X射线管靶，将其动能传递给靶原子。电子在失去它的全部能量前要经受很多次与靶原子的碰撞，其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。,辐射损失只涉及原子的内层电子和原子核。,二、X射线谱,右图为利用X射线摄谱仪拍摄的钨靶X射线谱。它分为连续谱和线状谱两部分。,钨
11、靶X射线谱,射线管产生的X射线，包含各种不同的波长成分，将其强度按照波长的顺序排列开来的图谱称为射线谱(X-ray spectrum),（一）连续X射线谱,.产生机制量子力学概念，当能量为eU的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子，即“韧致辐射”。大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。当高速电子流在阳极靶上受到制动时，电子的一部分能量E转化为光子的能量h，在撞击时各个电子损失的能量E大小不同，所以光子的能量不同，即光子波长不同，这样就产生了连续谱。
12、,当管电压较低时，只产生连续X射线。图1-7是管电压分别为20kV、30kV、40kV、50kV时的连续X射线谱。由图可见，当管电压增大时，各波长强度都随之增大。,2、连续谱特性,图1-7钨的连续X射线谱,1）短波极限：由图可见，每一个管电压下都对应着一个最短的波长min，称为短波极限。,2） min与管电压的关系实验发现，X射线谱的能量最高的光子的波长min与管电压密切相关，管电压越高，min越短。,设管电压为U，电子电量e。则电子的动能为eU，当这一能量完全转化为光子的能量时,将h=6.62610-34 Js，c=2.9979108 ms-1，e=1.60210-19C代入上式得,其中，管
13、电压单位为 kV，波长单位为nm。,X射线管的效率，是指电子流能量中用于产生X射线的百分数，即 随着原子序数Z的增加，X射线管的效率提高，但即使用原子序数大的钨靶，在管压高达100kv的情况下，X射线管的效率也仅有1左右，99的能量都转变为热能。,（二）标识X射线谱,当管电压超过某临界值时，特征谱才会出现，该临界电压称激发电压。当管电压增加时，连续谱和特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长保持不变。钨当管电压增加到70kV以上时，出现线状谱，如图（1）所示。,实验表明，线状谱的波长取决于阳极靶的材料。不同元素制成的靶具有不同的线状谱，可以用这些线状谱作为元素的标识，因此，这些线状谱称为标识X射线
14、谱。,图（1）钨在较高管电压下的X射线谱,产生机制,特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关，当轰击阳极靶的高速电子的能量足够高时，可以使靶原子的内层电子脱离原子核的束缚。比如，K层电子被击出，则L、M、N等外层电子就会跃迁到K层，从而放出光子。光子的能量等于两个能级差。这样就形成了K线系。,图1-8标识X射线发生原理示意图,标识X射线对化学元素分析非常有用。医学诊断和治疗中使用的X射线主要是连续X射线，标识X射线在X射线的强度中所占的分量很小。,原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字母代表它们的名称。 但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶
15、物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量增高，原子处于激发状态。如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出L层，称L激发，其余各层依此类推。产生K激发的能量为WKhK，阴极电子的能量必须满足eUWKhK，才能产生K激发。其临界值为eUKWK ，UK称之临界激发电压。,处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。当K电子被打出
16、K层时，如L层电子来填充K空位时，则产生K辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，即,同样当K空位被M层电子填充时，则产生K辐射。M能级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个K光子的能量大于一个K光子的能量； 但因LK层跃迁的几率比MK迁附几率大，故K辐射强度比K辐射强度大五倍左右。 显然， 当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层如M、N层的电子将填充L层空位，产生L系辐射。因此，当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M等系的辐射。除K系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。 K双线的产生与原子能级的精细结构相关。L层的8个电子的能量并不相同，而分别位于三个亚层上。K双线系电子分别由L和L两个亚层跃迁到K层时产生的辐射，而由LI亚层到K层因不符合选择定则（此时l0），因此没有辐射。,
