X射线的产生和性质

《X射线的产生和性质》由会员分享，可在线阅读，更多相关《X射线的产生和性质（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章 X射线的产生和性质 第4、5、6、7节驻马店市卫生学校影像室董战军2021/3/111第四第四 X X射线的产生原理射线的产生原理2021/3/112一、电子与物质的相互作用一、电子与物质的相互作用vX X射线是高速运动的带电粒子与靶物质相互作用产射线是高速运动的带电粒子与靶物质相互作用产生的。生的。v从能量的角度看，高速电子与物质相互作用时，其从能量的角度看，高速电子与物质相互作用时，其损失的能量可转换为辐射能（损失的能量可转换为辐射能（E E辐射辐射）、电离能（）、电离能（E E电电离离）、热能（）、热能（E E热热）。即：）。即：（2-1）2021/3/113一、电子与物质的相互

2、作用一、电子与物质的相互作用v 从入射能量损失的最终结果看，电子在从入射能量损失的最终结果看，电子在碰撞过程中的能量损失可分为碰撞损失和辐碰撞过程中的能量损失可分为碰撞损失和辐射损失两种情况。碰撞损失只涉及原子的外射损失两种情况。碰撞损失只涉及原子的外层电子，这部分能量将全部转换为热能；而层电子，这部分能量将全部转换为热能；而辐射损失则涉及内层电子和原子核。电子与辐射损失则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，也就是能靶原子因碰撞而损失能量的过程，也就是能量转换的过程。量转换的过程。2021/3/114二、二、X X射线的产生原理射线的产生原理v电子与靶物质相互作用的过程，

3、入射电子的能量转电子与靶物质相互作用的过程，入射电子的能量转换为换为X X射线光子的能量。射线光子的能量。vX X射线的产生利用靶原子的三个性质：核电场、轨道射线的产生利用靶原子的三个性质：核电场、轨道电子的结合能、原子处于最低能量状态的需要。电子的结合能、原子处于最低能量状态的需要。v高速电子与靶物质相互作用产生的高速电子与靶物质相互作用产生的X X射线由两部分组射线由两部分组成：成：一部分为连续一部分为连续X X射线（轫致辐射）：射线（轫致辐射）：入射高速电入射高速电子与物质原子的原子核相互作用时，所产生的子与物质原子的原子核相互作用时，所产生的X X射线，射线，称为连续称为连续X X射线

4、；射线；二部分为特征二部分为特征X X射线（标识射线）：射线（标识射线）：入射高速电子与靶物质原子的核外电子相互作用时，入射高速电子与靶物质原子的核外电子相互作用时，所产生的所产生的X X射线，称为特征射线，称为特征X X射线。射线。2021/3/115二、二、X X射线的产生原理射线的产生原理（一）连续（一）连续X X射线射线v1.1.连续连续X X射线的产射线的产 生原理生原理 一个能量一个能量E E电子电子原原子核作用子核作用入射电子会损失能量入射电子会损失能量 ，并改变方向。，并改变方向。损失的能量以损失的能量以X X射线射线光子形式释放出来，光光子形式释放出来，光子的能量子的能量 。

5、2021/3/116二、二、X X射线的产生原理射线的产生原理（一）连续（一）连续X X射线射线vX X射线光子的能量的大小与入射射线光子的能量的大小与入射电子损失的能量大小相等。电子损失的能量大小相等。v在实际在实际X X射线的产生过程中，是射线的产生过程中，是有高速电子撞击阳极靶面的动有高速电子撞击阳极靶面的动能决定的。能决定的。vX X射线机多是交流电源供电，加射线机多是交流电源供电，加到到X X射线管两端的电压仍然是脉射线管两端的电压仍然是脉动的。动的。v入射电子动能由加在入射电子动能由加在X X射线管两射线管两端间电压决定的。最大光子能端间电压决定的。最大光子能量可以用量可以用X X

6、线管两端电压描述。线管两端电压描述。2021/3/117二、二、X X射线的产生原理射线的产生原理（一）连续（一）连续X X射线射线v2.2.连续连续X X射线射线的最短波长的最短波长 由第一章的由第一章的（1-31-3）、（）、（1-41-4）可知。可知。光子能量与频率光子能量与频率成正比，与波长成成正比，与波长成反比。反比。 2021/3/118二、二、X X射线的产生原理射线的产生原理（一）连续X射线v2.连续X射线的最短波长 由式（1-4）得：将普朗克常数h、光速c代入上式得：2021/3/119二、二、X X射线的产生原理射线的产生原理光子能量的kev值等于管电压的千伏值，所以有：（

7、2-2）由（2-2）可知，连续X射线的最短波长只与管电压有关，与其他因素无关。把这一求X射线最短波长公式称为Duane-Hunt公式。2021/3/1110二、二、X X射线的产生原理射线的产生原理v3.连续X射线强度及影响因素 最强波长是最短波长的1.5倍，即： 平均波长是最短波长的2.5倍，即：2021/3/1111二、二、X X射线的产生原理射线的产生原理v实验证明，连续X射线强度（I连）与管电流（i）、管电压（V）、靶物质序数（Z）有关。 即： （2-5） 式（2-5）中，常数K11.110-91.410-9；对于诊断用X射线：n=2。 2021/3/11122021/3/1113 由

8、式（2-5）可知，诊断用X射线的强度与管电流和靶物质原子序数成正比，与管电压的n次方成正比。2021/3/1114 例例1 1：求管电压为：求管电压为100KV100KV时，产生连续时，产生连续X X射线的最短射线的最短波长、最强波长、平均波长和最大光子能量。波长、最强波长、平均波长和最大光子能量。解：由Duane-Hunt公式可求出：最短波长： 最强波长： 平均波长： 2.50.0124nm=0.031nm1.50.0124nm=0.0186nm1.24/1000.0124nm2021/3/1115二、特征X射线v1.特征X射线的产生原理v入射电子靶原子核外轨道电子作用跃迁。 电子跃迁释放出

9、能量（=h）,等于电子跃迁前（Eb）后（Ea）原子两能级之差。即： Eb-Ea2021/3/1116二、特征X射线v由于这个光子能量等于原子两能级之差，而与入射电子能量大小无关，所以释放出的光子能量具有原子的特征，故这时产生的X射线称为特征X射线。v由于每一个原子的能级都不相同，跃迁产生的光谱与每一种原子相对应的，所以光谱可以用来识别原子。如下图2021/3/1117外层电子由于能级太小，只能产生紫外线或可见光等低能级能量范围的光子。2021/3/1118 特征X射线的产生的原理 X - ray 基态基态 受激态受激态 基态基态 跃迁跃迁 激发激发 2021/3/1119二、特征X射线v2.2

10、.特征特征X X射线的激发电压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。靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合能。 入射电子动能完全有管电压决定。入射电子动能完全有管电压决定。 不同的靶材料，产生各系特征不同的靶材料，产生各系特征X X射线，均对应一组最低的管射线，均对应一组最低的管电压值。电压值。 这些被确定的最低管电压值称为这些被确定的最低管电压值称为激发电压激发电压。 以钨原子为例，以钨原子为例，钨的钨的K K电子结合能为电子结合能为69.51keV69.51keV，那么钨的，那么钨的K K系激发电压就是系激发电压就是69.51KV69.51KV。如果低于此激发电压，将不会

11、产。如果低于此激发电压，将不会产生钨的生钨的K K系特征系特征X X射线。但可产生其他系的特征放射（如下表）射线。但可产生其他系的特征放射（如下表）。 其它各系由于能量低被吸收，只有其它各系由于能量低被吸收，只有K K系放射才是重要的。系放射才是重要的。2021/3/1120表表2-12-12021/3/1121二、特征X射线v3.影响特征X射线的因素 K系特征X射线强度（I特）可用下式表示： 式（2-6）中，i为管电流；V为管电压；Vk为K系激发电压；k2和n常数，n约等于1.51.7。 由式（由式（2-62-6）可知，）可知，K K系特征系特征X X射线强度与管电流射线强度与管电流成正比，

12、与管电压成正比，与管电压n n次方成正比（管电压大于激发次方成正比（管电压大于激发电压）。电压）。2021/3/1122二、特征X射线v4.连续X线和特征X线的比例大小.v由上所述可知：高速入射电子与靶物质原子作用，会产生连续X射线和特征X射线。连续射线与特征射线的比例，随着管电压数值的变化而变化。管电压升高，连续射线量所占百分比减少，特征射线所占百分比增加。2021/3/11232021/3/1124二、特征X射线v对于钨靶对于钨靶X X射线管，低于射线管，低于K K系激发电压不会产系激发电压不会产生生K K系放射；系放射；8080150KV150KV时，特征放射只占时，特征放射只占1010

13、28%28%；管电压高于；管电压高于150KV150KV，特征放射相对，特征放射相对减少；管电压向减少；管电压向300KV300KV时，特征放射可以忽略。时，特征放射可以忽略。v医用医用X X射线主要是连续射线主要是连续X X射线，但在物质结构射线，但在物质结构的光谱分析中使用的是特征的光谱分析中使用的是特征X X射线。射线。2021/3/1125第五节第五节 X X射线的量和质射线的量和质2021/3/1126一、概念和表示方法v国家标准中，采用辐射能、粒子注量、能注量、粒子流密度等概念来描述电离辐射的量和质。v习惯上常用X线强度来表示X线的量与质。所谓X线强度是指在垂直于X线传播方向单位面

14、积上，在单位时间内通过光子数量与能量乘积的总和。vX线强度(I)是由光子数目(N)和光子能量(h)两个因素决定的。可用公式表示，即：2021/3/1127一、概念和表示方法v在实际应用中上述概念描述X射线的量和质并不合适。下面介绍在实际应用如何来描述X射线的量和质。1.X射线的量射线的量 在实际X线诊断工作中，常用一种间接的表示X射线量多少的物理量，即一般是用管电流(mA)和照射时间(s)的乘积，管电流量来反映X线的量，以毫安秒(mAs)为单位。2021/3/1128一、概念和表示方法2.X2.X射线的质射线的质 X线的质是指X线的硬度，即穿透物质本领的大小。由X线波长（或频率）、X线光子能量

15、决定的，而与光子个数无关。由于X线波长或能量是有管电压决定的，所以，一般就用管电压（KV）间接表示X线质。 在实际应用中是以管电压和滤过情况来反映X线的质。这是因为管电压高、激发的X线光子能量大，即线质硬；滤过板厚，连续谱中低能成分被吸收的多，透过滤过板的高能成分增加，使X线束的线质变硬。在滤过情况一定时，常用管电压的千伏值来粗略描述X线的质。 在实际工作中描述X线质除管电压外，还用半价层、半值深度等物理量来表示X线质。2021/3/1129二、影响X射线量和质的因素v影响X射线量和质的因素有管电流（mA）、管电压（KV）、靶物质（Z）、高压波形及过滤情况等。1.1.管电流管电流 X射线的管电

16、流增大，X线量随之增大，X线强度也增大。2021/3/11302021/3/1131二、影响X射线量和质的因素2.2.管电压管电压 在诊断X线能量范围内，X射线的质随管电压的增大而增大。随着管电压增大，X线束中的高能成分增加，穿透力增强，X射线质提高。2021/3/1132管电压对X射线量质的影响2021/3/1133二、影响X射线量和质的因素3.3.靶物质靶物质 X线的强度随着靶物质原子序数的增大而增大，靶物质原子序数大，产生X线的效率提高，X线束中的高能成分就明显增加，线质提高。2021/3/11342021/3/1135二、影响X射线量和质的因素4.4.高压波形（整流方式）高压波形（整流

17、方式） X射线两端电压波形对产生的X射线的量和质有明显的影响。基本形式有两种：单相电源的半波和全波；三相电源的六脉冲和十二脉冲。 单相电源的半波或全波整流供电时，由于高压波形是脉动的，故产生的X线也是脉动的。脉动电压产生的X线质比恒定电压下的软。三相电源的六脉冲和十二脉冲供电，其管电压更接近恒压，由此产生的X线脉动变化减小，其量与质均优于单相电源供电的情况。2021/3/1136 一般来说，三相全波整流与单相全波整流相比，在相同管电压和滤过的情况下，X线质约提高1015。例如，拍头颅侧位片，单相全波整流X线机使用72kV，而改用三相全波整流X线机只需要64kV就可获得相同的摄影效果。 高压波形

18、（整流方式）对X线的质和量有很大影响。2021/3/11372021/3/11382021/3/1139二、影响X射线量和质的因素5.5.滤过情况滤过情况 滤过对X线的量与质及能谱构成均有很大影响。增加滤过板厚度，可大量衰减连续谱中的低能成分，使能谱变窄，线质提高，但总的强度降低了。 在放射工作中应熟练掌握影响X线量与质的诸因素，并能根据临床工作需要，恰当地选择X线的量与质，这对提高影像质量和降低受检者的受照剂量都具有重要意义。 2021/3/1140第六节第六节 X X射线的产生效率射线的产生效率2021/3/1141uX射线产生的效率v在X射线管中产生的X线能量与加速电子所消耗电能的比值，

19、叫做X射线的产生效率。 在X线管中加速阴极电子所消耗的电功率(IU)全部变成高速电子的动能。这些高速电子在与物质复杂的相互作用过程中，发生能量转换。一部分产生X线能，同时一部分产生大量热能。产生X射线的效率很低。2021/3/1142vX射线产生效率（ ）是产生的X线能量与高速电子流的能量之比，即： 上式中，Z为原子序数，V为管电压，I为管电流，K为比例常数，通常K10-9，上式可写成ZV10-9。2021/3/1143v由上式可知，X线的产生效率与管电压和靶物质的原子序数成正比，高压波形越接近恒压，X线的产生效率越高。v研究证明，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

20、在阳极变为了热能，使阳极靶面产生很高的温升。这是X线管不能长时间连续工作的原因所在。因此X线管必须有良好的散热冷却装置。vX射线的利用率也很低，不足总量的10%。绝大部分都被阳极靶、管壳、管套、绝缘油等吸收。2021/3/1144表表2-22-22021/3/1145第七节第七节 X X射线强度的空间分布射线强度的空间分布2021/3/1146v实际焦点：X射线阳极靶面被高速电子束撞击的面积称为实际焦点。vX线管焦点上产生的X射线，在空间各个方向上的分布是不均匀的，即在不同方向上X射线辐射强度是不相同的，这种不均匀不分布称为X射线强度空间分布或辐射场的角分布。v实验表明，分布情况与靶物质、靶厚

21、度、阳极倾角、入射电子的能量、灯丝形状等多种因素有关。2021/3/1147一、薄靶周围一、薄靶周围X X射线强度的空间分布射线强度的空间分布v薄靶薄靶是指入射粒子的能量的变化可忽略不计，辐射出的粒子或X射线在其中亦无增强或吸收效应的靶，其厚度一般小于1mg/cm2。薄靶又称穿透式靶，具有这种靶的X射线管称为薄靶X射线管或穿透式靶X射线管。 2021/3/1148v入射电子与薄靶作用时，所产生的X射线强度的分布如图：2021/3/1149v由图可知，随着管电压的升高，X射线强度的逐渐向电子束移动的方向增大，其他方向的强度相对减弱。v医用电子加速器的就是透射式薄靶。2021/3/11502021

22、/3/1151二、厚靶周围二、厚靶周围X X射线强度的空间公布射线强度的空间公布v厚靶：是指把入射电子全部阻止，靶体几乎厚靶：是指把入射电子全部阻止，靶体几乎把电子入射方向上产生的把电子入射方向上产生的X X射线全部吸收的靶，射线全部吸收的靶，称为厚靶。具有这种靶的称为厚靶。具有这种靶的X X射线管称为厚靶射线管称为厚靶X X射线管或称为反射式射线管或称为反射式X X射线管。这种靶的靶面射线管。这种靶的靶面与垂直方向有一定的倾角与垂直方向有一定的倾角阳极角阳极角。2021/3/11522021/3/1153v厚靶X线产生的特点1.X射线的产生不局限于靶面。2.入射的高速电子全部被阻止。2021

23、/3/11542021/3/1155v厚靶X射线强度分布特点 靠近阳极端X射线强度弱，近阴极端X射线强度强。-阳极效应 厚靶X射线强度是沿X线管长轴方向分布的，若从其他不同角度方向上的强度分布情况看，阳极效应十分明显。2021/3/11562021/3/1157v在放射工作中，一定要注意阳极效应对照片质量的影响。 强度分布在摄影中的应用：1.将阳极效应同肢体厚度相对应 在摄影时应把被摄肢体的长轴与X线管长轴平行，将厚度大的、密度高的部位置放于阴极端，将厚度小的，密度小的置于阳极端。2.尽量利用中心线附近强度较均匀的X线束摄影。 利用强度最大X线曝光，提高X线利用率。2021/3/11583.焦-片距较大时阳极效应不明显。 照射野边缘近阴极，强度大；边缘衰减快阳极效应抵消。4.焦-片距相同时，小照射野对阳极效应影响小。 照射野越小，射线到片距离越接近，阳极效应越不明显。2021/3/11592021/3/1160