成像理论第二章01

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1、第二章放射物理学基础 第一节X线的产生和性质,1895年11月8日德国物理学家伦琴做阴极射线管的实验时意外发现X射线；1901年，伦琴为此获得诺贝尔物理学奖。 X线、放射性、电子并称19世纪末20世纪初三大发现，是现代物理学发展的标准,一、X线发现,在发现X线3个月后，维也纳一家医院首先用X线协助外科手术。 X线发现已有100多年历史，X线不仅日益广泛地应用于医学诊断和治疗上，而且还用于物质结构分析、工业探伤、科研等方面。,二、X线的本质和特征,1912年，德国物理学家劳厄等人利用晶格做衍射光栅实验时观察到X线的衍射，证明X线本质是一种电磁波。1914年获得诺贝尔物理学奖,(一)X线本质电磁波

2、,长波、中波、短波、微波、红外线、可见光、紫外线、X线、射线都为电磁波。它们本质完全相同，只是波长、频率有所差别。,电磁波性质： 1、波动性： 干涉、衍射、偏振、反射、折射、散射 波动性的主要表现：以一定的波长和频率在空间传播 电磁波是横波，其传播速度在真空中与光速相同，用波长、频率来描述。,2、粒子性： X线的波动性波能解释它的光电效应、荧光作用、电离作用等，这些只能用爱因斯坦的光量子理论，即X线看做一个个微粒。 微粒性表现：在辐射、吸收时具有能量、质量和动量。 E=hv c=v 波长越短的电磁波，其粒子能力越大,根据光子能量的大小，电磁辐射分为两种。 3、具有波、粒二象性 X线即具有波动性

3、又有粒子性，所以有波、粒二象性。 波动性是几率波 量子力学将波粒二项性统一,（二）X线特性 1、物理特性 （1）穿透性 ：X线的穿透性不但与其能量有关，还与物质的密度和原子序数有关。X线能量越大穿透性越强，反之则弱。 X线对人体不同组织穿透性能的差别，是X线透视、摄像和CT检查的基础，也是选择屏蔽防护材料和滤过板材料的依据。,（2）荧光作用：X线照射某些物质时，物质的原子被激发或电离；当恢复到基态时，便放射出可见的荧光（自发辐射）。具有这种特质的物质称为荧光物质。 荧光物质：钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌 荧光物质应用：透视用的荧光屏、摄影用的增感屏,（3）电离作用：具有足够能量的X光子不仅

4、能击脱物质原子的轨道电子产生一次电离，脱离原子的电子再与其他原子碰撞，还会产生二次电离。 电离作用是X线放射治疗的基础，但对人体也有伤害,（4）热作用：物质吸收X线能量，最终绝大部分都将变为热能，使物体温度升高。 2、化学特性 （1）感光作用：X线具有光化学作用，可使胶片乳胶剂感光，能使很多物质发生光化学反应。,（2）着色作用:某些物质经X线长期照射后，其结晶体脱水渐渐改变颜色 3、生物效应特性：X线在生物体内能产生电离和激发作用，使生物体产生生物效应。 生物细胞特别是增殖性强的细胞，经一定量的X线照射后，可以产生抑制、损伤甚至坏死。,三、X线的产生,（一）X线产生条件 高速带电粒子撞击物质而

5、突然受阻减速时能产生X线 产生X线必须具备三个基本条件： 1、电子源 2、高速电子流（1）高电压产生的强电场 （2）高真空度的空间 3、能经受高速电子撞击产生X线靶面,（二）X线产生装置（诊断机、治疗机） X线机:能将电能转变为X能的装置称为X线机。 能根据不同需要产生量和质能控制的X线束 医用X线机：（1）诊断机（2）治疗机 X线机：主机、机械装置、辅助设备 主机结构：X线管、高压发生器、控制台,1、球管（X线管）： 高真空度的热电子式 X线管。特制的玻璃管 中插入两个电极，产 生发射热电子的阴极， 接受电子撞击的阳极 靶面,（1）阴极：由灯丝和集射罩构成。灯丝电压越高，温度越高，每秒钟蒸发

6、出电子数越多。 （2）阳极：使高速电子突然受阻而产生X线的地方。阳极由靶面和散热体组成，通常将钨靶焊接在实心或空心的铜圆主体上。铜导热性能好，但熔点和原子序数低；钨熔点金和原子序数高，但导热性能差 （3）管壳：维持真空，固定阴极和阳极。,旋转阳极X线管和固定阳极X线管；钼靶、金靶、钨靶 焦点（实际焦点）：从阴极灯丝射向阳极的高速电子流，经聚焦后撞击在阳极靶面上的面积称为实际焦点。 大小取决于聚焦槽的形状、宽度和深度,聚焦槽与灯丝位置及其电位分布影响阴极电子流的分布，形成主焦点和副焦点 灯丝正面发射的电子撞击靶面形成主焦点 灯丝侧方发射的电子撞击靶面形成副焦点 主焦点和副焦点共同形成（实际）焦点

7、，理想的实际焦点在靶面上形成近似矩形 阳极角：阳极面与X线投射方向之间的夹角叫阳极角，一般1020,在聚焦槽中灯丝的深度与焦点大小有关，当灯丝在聚焦槽内的深度越深、聚焦槽的宽度越狭时聚焦作用越大，即灯丝深度大，主焦点变小，副焦点变大。理想的副焦点是处于主焦点内侧，此时热量容易被分散，焦点大小变化不大。,实际焦点在X线投射方向上的投影面积称为有效焦点。有效焦点约为一矩形，其大小可用 来表示。其中：a为焦点的宽、b为焦点的长、为阳极倾角。 阳极角：阳极面与X线投射方向之间的夹角,有效焦点标称值 1982年国际电工委员会（IEC）336号出版物上阐述了用无量纲的数字（如1.0、0.3、0.1等）来表

8、示有效焦点的大小，此数字称为有效焦点标称值，其值是指有效焦点或实际焦点宽度上的尺寸。 另外，由于焦点面上的线量分布是不均匀的，故在描写焦点成像性能时又用“等效焦点”来描述。,2、高压发生器 灯丝电路、高压电路、 限时电路 3、控制台 电源开关、工作方式、mA kV、照射时间 4、机械装置和辅助装置,四、X线产生原理,（一）电子与物质相互作用 高速电子带负电荷，主要与原子核的正电场及轨道电子的负电场发生作用。 所谓撞击实际上是带电粒子间静电库仑力的相互作用。 电子碰撞过程中能量损失：碰撞损失、辐射损失,1、碰撞损失：凡电子与原子外层电子作用而损失的能量统称为碰撞损失，碰撞损失能量最后全变成热能。

9、可使原子激发或电离。 激发所需能量只需几千电子伏，能量损失小 电离外层原子脱离靶原子并且具有一定的动能 电离出的电子动能100eV，称为电子。 电子可使原子激发或电离，也可与原子核和内层电子相互作用,2、辐射损失：与原子的内层电子或原子核相互作用损失的能量统称辐射损失。 运动电子与物质相互作用，发生能量转换： E=E热+ E电离+E辐射,(二) X线产生原理,X线组成：1、与原子核相互作用连续X线 2、与内层轨道电子相互作用特征X线 1、连续X线 连续辐射又称轫致辐射。它是高速电子与靶原子核相互作用时产生的、具有连续波长的X线。 连续辐射构成连续X线谱，是包含多种能量光子的混合射线,（1）连续

10、X线产生的物理过程 经典电磁理论：当一个带电体在外电场中速度 变化时，带电体将向外辐射电磁波。 电子进入原子核附近的强电场区域、然后飞离，从而完成一次电子与原子核的相互作用，电子速度大小和方向必然发生改变。按上述理论向外辐射电磁波。电子这种能量辐射叫轫致辐射，产生能量为h的电磁波称为X线光子,产生连续辐射的原因：每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同，且每个电子与靶原子作用前具有的能量不同，所以各自作用的辐射损失不同，因而发出的线光子频率也互不相同。 图2-3,（2）连续辐射的最短波长：图2-4，连续X线谱每条曲线都有一个峰；在长波长方向上无限延伸，强度越来越弱；在短波长方向上，曲线存在一个

11、波长极限，称为最短波长,图2-4钨在较低管电压下的连续X线谱,电子获得的最大能量E=eV 最大动能 =E=eV,电子所有的动能变为 辐射能eV=h,这个频率就是最大频率，对应最小波长=c/。 描述线能量时，经常用到kV(kVp)和keV, kV是指球管两极管电压的千伏值，kVp是指峰值管电压的千伏值， keV基本粒子能量的千电子伏值,（3）影像X线强度的因素：阳极靶面的原子序数、电流、电压,以上所涉及的X线管电压为恒电压，而实际上X线管电压是交流电经过整流后的脉动电压。对于脉动电压，产生的X线最短波长只与管电压的峰值（kVp）有关。在X线管中，随管电压而能量周期变化的电子群以各种不同的受阻情况

12、与靶原子作用，这也是产生范围很广的连续线谱的一个重要原因。,连续X线波谱中每条曲线下的面积表示连续X线总强度，连续X线的总强度与管电流、管电压、靶原子序数的关系： 最大强度对应的波长值称为最强波长：,在诊断用X线中，以最强波长为中心，邻近两侧的波段起主要作用。 由于滤过不同，连续X线的平均能量一般为最大能量的1/31/2，其平均波长为最短波长的2.5倍： 课本例题,2、特征X线 特征辐射又称标识辐射，与连续辐射的产生机理完全不同 图2-6 钨在不同管电压下的X线谱 在X射线谱中看到，标识谱是叠加在连续谱上的线状谱，这些谱线所对应的波长位置与外加电压无关(当然v要超过临界值)，而只决定于靶的材料

13、。,(1)产生机理：高速电子将内存电子打出（离开原子）使之成为自由电子（光电子），使原子内电子层出现空位，从而处于不稳定的激发态。这样按能量分布的原则，处于高能态的外层电子必然要向内层跃迁填补内层电子空位，便释放出能量（hv）等于电子跃迁前(E2)、后(E1)两能级之差的X光子：,由于每一种元素的特征谱线都不相同，因此可以用这样的谱线来标识各元素，所以称为标识谱,（2）特征X线的激发电压：当入射高速电子的动能大于内层电子结合能时，才有可能被击脱造成电子空位，产生特征x线。只要造成空位，则产生的特征X线都是一样的。产生特征X线必须有一个激发电压,标识谱中K线系是第K壳层以外各壳层电子跃迁到K壳层

14、空位上形成的 L线系是L壳层以外电子跃迁到L层空位上形成 M线系是M壳层以外的电子跃迁到M壳层空位上形成的。 可知X射线的标识谱是原子内层电子跃迁产生的,轫致辐射原理图,特征辐射原理图,影响特征X线的因素：特征X线的强度与管电流成正比，管电压大于激发电压时才发生，并随管电压的继续升高强度迅速增大 连续光谱的性质与阳极的材料无关 线状光谱的结构与阳极的材料有关。 每一元素具有自己特有的X射线线状光谱,五、X线的量和质,习惯上常用X线强度来表示X线的量和质，这并不能将X线特性表达清楚。 X线强度：指单位时间内通过垂直于X线束的方向上单位面积上的X线光子数量与光子能量乘积的总和。可见X线强度由光子数

15、目和光子能量决定。 在实际中，常用X线量与质的乘积表示X线强度 量是指线束中光子数 质是指光子的能量,1、X线的量 就是X线光子的数目 由相同能量光子组成的单能辐射，其辐射强度： N为单位时间通过单位横截面积上的X线光子数 由不同能量，但能量完全确定的光子组成的复合光谱，辐射强度： 光子组成连续谱，辐射强度：,X线强度的SI单位: 量（ mAs ）：可以用X线管的管电流mA与照射时间s的乘积来反应X线的量，通常以mAs为单位 管电压一定时，管电流大，表明单位时间撞击阳极靶面的电子数多，由此激发的X线光子数也正比地增加；照射时间长，X线量也正比地增大，所以管电流与照射时间的乘积能反应X线的量。,

16、2、X线的质，又叫线质（ kV ）,它表示X线的硬度，即穿透物质本领的大小。(是指光子的能量，X线的质只与光子能量有关而与光子数无关。) 在X线的放射应用中，常以X线管的kV值近似描述X线的质。 kV越高，电子从电场中获得的能量越大，产生的X线的穿透本领越大。所以kV能反映X线的质,一般情况下，并不需要严格的能谱分析，通常就用表示射线穿透能力的半价层(half value layer，HVL)来表示X线的质。HVL是使一束X线的强度衰减到其初始值一半时所需要的标准物质的厚度。 诊断用X线通常有铝作为表示HVL的物质，HVL越厚表示X线的质越硬,六、影响X线量与质的因素,靶物质、kV、mA及高压波形直接影响X线量与质。 （一）影像X线量的因素 1、靶物质 在kV和mA一定情况下，连续X线强度与靶物质的原子序数Z成正比。,其他条件相同下，锡靶和钨靶的线谱。曲线两个端点重回，高能端重回，说明X线谱的最大光子能量只与管电压有关与靶物质无关；低能端重回因为X线管固有的过滤的限制，低能成分被管壁吸收,实际上，把锡在任何能量时的强度乘