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1、第四章 X射线 X射线又称伦琴射线，是一种波长较短的电磁波。波长为0.00110nm。本章主要讨论X射线的发生原理、基本性质、吸收规律。第一节 X射线的产生及其基本性质一、X射线的产生 一般X射线都是用高速电子流冲击适当的靶子产生的，如下图是X射线发生装置的示意图，主要包括三个部分：X射线管、高压电源、低压(灯丝)电源。1、X射线管 X射线管是X射线发生装置的核心。发生X射线应具有两个基本条件：高速电子流和适当的阻挡电子流运动的障碍物-靶。当高速电子流轰击靶而受阻时，就有部分电子动能转变为X射线能量。X射线管是热阴极式的，是高真空(10-610-4Pa)的硬质玻璃管，管内封有两个电极：阴极-灯
2、丝，用高熔点的钨丝制成；阳极是铜制圆柱体，柱端斜面上嵌有一小块钨板作为接受高速电子流轰击的靶。阴极由低压电源(=10V)单独供电。两极间加+_千伏计毫安表低压电源射线阳阴有高压电源，一般为几万到几十万伏。当阴极有电流流过时，温度升高，电子因受热从阴极发射出来，阴极电流越大，温度就越高，单位时间从阴极发射的电子也越多这些电子受到两极间高压电场的作用而加速，形成高速电子流飞向阳极并连续不断的轰击阳极靶。当这些高速电子突然被靶阻止时，就有部分能量转变为辐射线向四周辐射，辐射出来的射线就是X射线，同时产生大量的热。 加在两极间的直流高压电称为管电压，用千伏计测量。X射线管内两极间形成的电流称为管电流，
3、用毫安计测量。三、X射线的强度和硬度 在临床医疗上，X射线照射的是人体，因此，既要考虑疗效，也要考虑防护，所以，要适当选用X射线的强度和硬度。1、X射线的强度 X射线的强度是指在单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量，用I表示，单位为Wm-2。式中i表示X射线光子的频率，Ni为频率是i的X射线的光子数。 增加管电流，可以增加电子流的数量，轰击靶子的的高速电子数目就越多，由靶发射的X射线光子的数目就越多。即增加了公式中的N的值。因此，强度I增加，所以增加管电流，可以使X射线强度增加。通常是在管电压保持一定的条件下，调节管电流来控制X射线的辐射强度。在临床上用管电流的毫安数来表示X射线的
4、强度，称为毫安率。如果要估算在一段时间内X射线的总辐射能量，通常用管电流的毫安数与辐射时间的积来计算总辐射能量，称为毫安秒(mAs)。它等于X射线管中的电子流总电量的毫库仑数。人体进行X射线诊断和治疗时，必须严格考虑照射量的毫库仑数。2、X射线的硬度 X射线的硬度是指X射线对物质的贯穿本领。对一定的吸收物质，X射线被吸收得越少，贯穿的量越多，X射线就越硬，或说X射线硬度越大，X射线的硬度只决定于每个光子能量的大小而和光子的数量无关。增加管电压，电子到达阳极靶时具有的速度或说动能就越大，就会有更多的能量转化为X射线光子的能量，产生X射线的波长也越短，贯穿本领就强，X射线的硬度就越大，医学上 习惯
5、用管电压来间接表示X射线的硬度，称为千伏率。第二节 X射线谱X射线谱用X射线摄谱仪可获得X射线谱，X射线谱由两部分构成：一部分是波长连续变化的，称为连续谱；另一部分是具有个别波长的线状谱，称为标识谱。如图是用钨靶射线管得到的X射线谱示意图。上面的曲线部分和下面照片的背景相对应的就是包括各种不同波长的连续X射线谱，相应的X射线称为连续X射线。上K L L L0.02 0.108 0.128 0.147nm面的几条明显的谱线K 、L、L、L就是标识谱，相应的X射线称为标识X射线其波长与靶的物质有关。1、连续X射线连续X射线是电子在靶上被突然减速而产生的。由于靶是原子序数较高的物质制成的，所以高速电
6、子流撞击在靶上时，会受到靶中原子核的强电场作用而骤然减速，电子的动能转变成辐射能，放出射线，这种辐射称为轫致辐射。电子一部分动能转化为一个X光子的能量h辐射出来，即 =h。由于每个电子和靶撞击时，受到靶原子核强电场的作用不同，电子速度的变化就不一样因此每个电子失去的动能也各不相同，所以得到的 X 射线的波长也各不相同，便产生了连续X射线。 在X射线管的管电压较低时，发射的是连续X射线。如图是钨靶在四种较低电压下得到的连续谱强度分布曲线。由图中可以看出，随着波长向短波方向的变化，X射线的强度逐渐上升。当波长降到某一值时，强度达到最大值，之后波再 减小时强度很快下降为零，与强 度为零相对应的波长是
7、连续 X谱 中的最短波长，或称为短波极限， 用min表示，在图中还可以看出， 管电压增大时，各个波长的强度50kV40kV30kV20kV0 0.02 0.06 (nm)相对强度都随之增加(纵向看)，各条曲线均上移，而且强度最大值所对应的波长和短波极限都向短波方向移动。 设管电压为U，电子的电量为e，则电子在加速电场中获得的动能等于电场对它所做的功eU(即电子到达靶时的动能)。如果电子被阻停时其全部动能转换成辐射线，则此时发射的一个X射线光子 的能量就等于电子的全部动能，即光子的最大能量，用hmax表示(max是与min对应的最高频率)，则有： hmax=eU由于=c/ (c为光速)，即max
8、=c/ min上式表明，最短波长与管电压成反比，而与靶的物质种类无关，管电压U增大，则最短波长min变短。而当U不变时，不同物质做成的靶产生的X射线的min均相等。将h=6.6210-34Js，e=1.6010-19C，c=3108ms-1代入，则有式中管电压U的单位为kV(千伏)。2、标识X射线如图，是钨在较高电压下的X射线谱。当管电压增加到100kV以上时，连续谱上出现了4个高峰，代表4条不同的谱线。管电压增高时，X射线的强度增加，最短波长向左移动，但4条谱线的位置(即波长)始终不变，这样谱是呈线状谱，具有特定的波长，由靶的材料决定，每种元素有一套特定波长的线状谱，成为这种元素特有的标识，
9、故称为标识谱，相应的射线称为标识X射线。各元素的标识谱有相似的结构：波长最短的为K线系，可观察到3条谱线K、K、K；波长长一些，谱线也多的是L线系；波长更多的还有M和N线系。第三节 X射线的吸收 当X射线通过物体时，它的能量会逐渐减少，强度不断降低，就是说X射线被物体吸收了。X射线减弱的程度大，则物体的吸收本领强，或者说X射线的贯穿本领弱。物体的吸收或说减弱作用是用吸收系数表示的。一、线性吸收系数及质量吸收系数 实验表明，单色平行X射线通过均匀物质时的吸收规律与光的吸收规律一样，设X射线通过厚度 为dx的物质时，强度减少了-dI(dI0) 则X射线强度的吸收率(单位长度强 度的吸收量)-dI/
10、dx与当时物质中X射 线的强度I成正比，则0 (nm)相对强度200kV100kV 或积分得：(吸收定律)式中I0为入射时的X射线的强度，I是通过厚度为X的物体后X射线的强度，称为物质的线性吸收系数。 的大小与X射线的波长和物质的原子序数有关。 值越大，X射线强度在物质中减弱得越多。对于同一物质来说，线性吸收系数与它的密度成正比，这是因为吸收物质的密度越大，则单位体积中可能与X射线光子发生作用的原子数就越多，X射线在单位距离的路程中损失能量的几率越大，物质的线性吸收系数与其密度 的比称为物质的质量吸收系数，用m表示：如果x的单位为cm，则的单位为cm-1， m单位为cm2g-1。 引入质量吸收
11、系数后，更便于比较各种物质对X射线的吸收本领， 与物质密度有关，但m却与物质的密度无关。物质由液态变成固态或气态时，密度变化很大，但m却不会有明显的改变，有了m后，则有式中xm=x称为质量厚度。它等于单位面积中，厚度为x的吸收层的质量。xm的常用单位为gcm-2。二、半价层 X射线被吸收的快慢，除用吸收系数表示外，通常还用半价层来表示。半价层是使X射线强度减弱一半时所需要的吸收体厚度(或质量厚度)。即I=I0/2时，x=x1/2的大小。当时，有同样，可有式中x1/2称为吸收体厚度的半价层，xm1/2称为吸收体质量厚度半价层。半价层和吸收系数成反比。对于给定的物质和给定波长的单色X射线来说半价层
12、是一常数，它标志着该射线对物质的贯穿本领。三、质量吸收系数与波长的关系 实验证明，对于一定的吸收物质，质量吸收系数m和X射线波长的3次方成正比。因此软X射线远比硬X射线容易吸收得多。对于一定波长的X射线，某物质的质量吸收系数m与该物质分子中各原子的原子序数4次方的总和成正比：式中k是常数，Z是吸收物质的原子序数，是X射线的波长。分子的吸收系数，可由组成分子的各原子吸收系数相加而得下面比较一下骨骼和肌肉对射线的吸收情况人体肌肉组织的主要成分是和，所以它的质量吸收系数和水差不多水(2O)对射线的质量吸收系数与Z4=214+84=4098成正比(2个H，个O), 骨骼的主要成分是Ca3(PO4)2, 它的质量吸收系数与Z4=3204+2154+884=614018(3个Ca, 2个P, 8个O)成正比,则骨骼和肌肉的吸收系数的比为：由于骨骼的吸收比肌肉组织的吸收大得多，因此用X射线透视和照射时可以出现骨骼的明显影像。同样，病人做胃肠透视和照相服用钡餐也是这个道理。因为钡的Z较高，所以吸收系数较大，防护上使用铅和铅制品也是基于同样原因。例：X射线被吸收时，要经过多少半价层后，X射线的强度才减少到原来的12.5%。解：两边取自然对数：(1)则：(经过3个半价层)作业：如果加在X射线管两端的电压减少23kV，最短波长就增加一倍，求连续X射线谱的最短波长。 (0.027nm)
