X線的物理特性（經(jīng)典實(shí)用）

1、X線的物理特性 X線的物理學(xué)基礎(chǔ) X線的物理特性 一、X線的發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)生 二、X線產(chǎn)生的原理 三、X線的本質(zhì)與特性 四、X線強(qiáng)度 五、X線與物質(zhì)的相互作用 六、X線的吸收與衰減 X線的物理特性 X線的發(fā)現(xiàn) o1895年11月8日，德國(guó)物理學(xué)家倫琴用一個(gè)高 真空玻璃管和一臺(tái)產(chǎn)生高壓的小型機(jī)器做實(shí)驗(yàn) 時(shí)，發(fā)現(xiàn)了X線。 o1895年11月22日，倫琴用X線為其夫人拍攝 了一張手的照片。 o1901年，倫琴被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 X線的物理特性 X線的產(chǎn)生 oX線的產(chǎn)生是能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果。 99%99%以上的動(dòng)能產(chǎn)生熱量，不到以上的動(dòng)能產(chǎn)生熱量，不到1%1%的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成X X線。線。 oX線的

2、產(chǎn)生需要具備4個(gè)條件： 電子源電子源 高電壓高電壓 高真空度高真空度 適當(dāng)?shù)恼系K物適當(dāng)?shù)恼系K物 X線的物理特性 X線的產(chǎn)生原理 o X線的產(chǎn)生是高速電子與陽極靶物質(zhì)的原子相互作用 中能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果。是利用了陽極靶物質(zhì)的三個(gè)特性： 核電場(chǎng)、軌道電子結(jié)合能和原子存在于最低能級(jí)的需要。 o 每個(gè)電子能量=電子的電荷*X線管電壓 E=eV （e=1.60*10-19庫(kù)倫） X線的物理特性 連續(xù)放射 （韌致放射） o高速電子與靶物質(zhì)原子核作用的結(jié)果。當(dāng)高速電子接近 原子核時(shí)，受核電場(chǎng)的吸引，偏離原有方向，失去能量 而減速。此時(shí)電子丟失的能量以光子的形式放射出來， 這種放射叫連續(xù)放射。 oX線光子的能量取

3、決于：電子接近核的情況、電子的能 量和核電荷。 o入min=1.24/kVp（nm） o連續(xù)射線的波長(zhǎng)只與管電壓有關(guān)，管電壓越高，波長(zhǎng)越 短，X線的強(qiáng)度越大。 X線的物理特性 o由圖可見：高速投射的 電子，受核電場(chǎng)的吸引， 偏離原有方向。 o管電壓相同時(shí)，偏離角 度越大，產(chǎn)生的連續(xù)放 射X線能量就越大。 o偏離角度相同時(shí)，管電 壓越大，產(chǎn)生的連續(xù)放 射X線能量就越大。 X線的物理特性 特征放射 （標(biāo)識(shí)放射） o高速電子擊脫靶物質(zhì)原子的內(nèi) 層軌道電子，而產(chǎn)生的一種放 射方式。一個(gè)常態(tài)原子經(jīng)常處 于最低能級(jí)狀態(tài)，他永遠(yuǎn)保持 其內(nèi)層軌道電子是滿員的。當(dāng) 靶物質(zhì)原子的K層電子被高速 電子擊脫時(shí)，K層電

4、子的空缺 將由外層電子躍遷補(bǔ)充，外層 電子的能級(jí)要比內(nèi)層電子的能 級(jí)高，因此多余的能量作為X 線光子釋放出來，產(chǎn)生K系特 性放射。 X線的物理特性 o特征放射的X線光子能量與沖擊靶物質(zhì)的高速電子能量 無關(guān)，只服從于靶物質(zhì)的原子特性。 同種靶物質(zhì)的K系特性放射波長(zhǎng)為一定數(shù)值。 （管電壓在70kVp以上，鎢靶才能產(chǎn)生特征X線。） o高速電子必須具有能擊脫K層電子的最低能量，即具有 一個(gè)最低的激發(fā)電壓，也稱限界電壓。 o在以鎢靶X線球管產(chǎn)生的X線診斷能量范圍內(nèi)，特征X線 產(chǎn)生的幾率與球管的關(guān)系大致為： 70kVp以下，不產(chǎn)生K特性X線。 80150kVp，K特性X線占10%28%。 150kVp以上

5、，特性X線減少。 X線的物理特性 X線的本質(zhì) oX線的本質(zhì)是電磁波，它具有一定的波長(zhǎng)和頻率；由于 X線光子的能量大，可是物質(zhì)產(chǎn)生電離，故又屬電磁波 中的電離輻射。X線和其他電磁波一樣，具有波動(dòng)和微 粒的二重性，這是X線的本質(zhì)。 （1）X線的微粒性：把X線看作一個(gè)個(gè)的微粒光子組成，光子 具有一定的能量和一定的動(dòng)質(zhì)量，但無靜止質(zhì)量。X線與物質(zhì)作用 時(shí)表現(xiàn)出微粒性，每個(gè)光子都具有一定的能量，能產(chǎn)生光電效應(yīng)， 能激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)出熒光等現(xiàn)象。 （2）X線的波動(dòng)性：X線以波動(dòng)方式傳播，是一種橫波。X線在傳 播時(shí)表現(xiàn)了他的波動(dòng)性，具有頻率和波長(zhǎng)，并有干涉、衍射反射 和折射現(xiàn)象。 X線的物理特性 X線的特性

6、o一、物理效應(yīng) 穿透作用：X線具有一定的穿透能力。穿透能力主要與自身的波長(zhǎng) 有關(guān)，以及被穿透物質(zhì)的原子序數(shù)、密度和厚度有關(guān)。 熒光作用：熒光物質(zhì)（鎢酸鈣），在X線的照射下被激發(fā)，釋放出 可見的熒光。 電離作用：物質(zhì)在足夠能量的X線光子照射下，能擊脫物質(zhì)原子軌 道的電子，產(chǎn)生電離。也是X線劑量、X線治療、X線損傷的基礎(chǔ)。 干涉、衍射、反射與折射：這些光學(xué)特性在X線顯微鏡、波長(zhǎng)測(cè)定、 物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析中得到應(yīng)用。 X線的物理特性 o二、化學(xué)效應(yīng) 感光作用：X線具有光化學(xué)作用，可是攝影膠片感光。 著色作用：某些物質(zhì)經(jīng)X線長(zhǎng)期照射后，使其結(jié)晶脫水變色。 如 鉛玻璃經(jīng)X線長(zhǎng)期照射后著色 o三、生物效應(yīng) X線

7、是電離輻射，他對(duì)生物細(xì)胞，特別是增殖性強(qiáng)的細(xì)胞有抑制、 損傷，甚至使其壞死的作用，它是放射治療的基礎(chǔ)。 X線的物理特性 X線的產(chǎn)生效率 o產(chǎn)生X線所消耗的總能量與陰極電子能量之比，稱作X 線的發(fā)生效率。 =X線消耗的總能量/陰極電子能量 =k(V2ZI/VI)=kVZ（%） V：管電壓， Z：靶物質(zhì)原子序數(shù)， I：管電流， k=1.110-9 ，為系數(shù)。 X線的物理特性 X線強(qiáng)度 oX線強(qiáng)度是垂直于X線束的單位面積上，在單位時(shí)間內(nèi) 通過的光子數(shù)和能量的總和，及線束中的光子數(shù)乘以每 個(gè)光子能量。在實(shí)際應(yīng)用中，常以量與質(zhì)的乘積表示X 線強(qiáng)度。量是線束中的光子數(shù)，質(zhì)則是光子的能量（也 稱穿透力）。

8、o用管電流（mAs）表示X線的量； o用管電壓（KV）表示X線的質(zhì)。 X線的物理特性 影響X線強(qiáng)度的因素 oX線強(qiáng)度受管電壓、管電流、靶物質(zhì)以及高壓波形的影 響。 o一、管電壓 X線光子的能量，取決于沖擊電子的能量大小，而電子 的能量又由管電壓kVp來決定。管電壓決定X線最大能 量的性質(zhì)。 在管電壓為峰值時(shí)，最短波長(zhǎng)的X線的能量也將接近管電壓的能量。 增加管電壓也將增加產(chǎn)生X線的量。所以X線強(qiáng)度的增加與管電壓 的平方成正比。 X線的物理特性 o二、管電流 管電流越大，燈絲周圍的電子云越多，沖擊靶物質(zhì)后產(chǎn)生的X線光 子數(shù)就越多。所以管電壓一定時(shí)，X線強(qiáng)度決定于管電流 o三、靶物質(zhì) 在一定的管電壓

9、和管電流下，放射量的多少?zèng)Q定于靶 物質(zhì)。靶物 質(zhì)的原子序數(shù)越高，產(chǎn)生X線效率就越高。 由于鎢的原子序數(shù)較高（Z=74）且熔點(diǎn)較高（3370），所以 靶物質(zhì)一般選用鎢靶，或鎢合金（錸鎢合金） 連續(xù)射線：靶物質(zhì)的原子序數(shù)決定X線量的產(chǎn)生； 特征X線：靶物質(zhì)的原子序數(shù)決定產(chǎn)生X線波長(zhǎng)的性質(zhì)。 X線的物理特性 o四、高壓波形 o X線發(fā)生器產(chǎn)生的高壓都是脈動(dòng)式的。 o有兩種形式：?jiǎn)蜗嚯娫吹陌氩ê腿?o 三相電源的6脈沖和12脈沖 o 當(dāng)整流后的脈動(dòng)電壓越接近峰值，其X線強(qiáng)度越大；峰值電壓相 同時(shí)，三相電源比單相電源產(chǎn)生的硬射線要多。 X線的物理特性 X線質(zhì)的表示方式 o半值層（HVL）：X線強(qiáng)度衰減

10、到初始值的一半時(shí)，所 需的標(biāo)準(zhǔn)吸收物質(zhì)的厚度。診斷用X線的半值層一般用 毫米鋁（mmAl）表示，在1.54mmAL之間。 對(duì)同樣質(zhì)的X線來說，不同物質(zhì)的半值層是不一樣的；但就同種 物質(zhì)，半值層大的X線質(zhì)硬，半值層小的質(zhì)軟。 o電子的加速電壓（管電壓） o有效能量：在連續(xù)X線情況下使用這一概念。 o軟射線和硬射線：將低能量X線稱為軟射線，將高能量 X線成為硬射線。 oX線波普分布：它表示了X線的波長(zhǎng)分布或能量分布。 此分布將根據(jù)X線管固有濾過、附加濾過、管電壓、管 電流、整流方式等因素而變化。 X線的物理特性 X線強(qiáng)度的空間分布 o高速電子撞擊陽極靶面，所產(chǎn)生的X線分布與陽極傾角 有關(guān)。 陽極傾

11、角是指垂直于X線管長(zhǎng)軸的平面與靶面的夾角。 在通過X線管長(zhǎng)軸且垂直于有效焦點(diǎn)平面內(nèi)，近陽極端 X線強(qiáng)度弱，近陰極端強(qiáng)，最大值約在100處，其分布 是非對(duì)稱性的，這種現(xiàn)象成為陽極效應(yīng)。陽極傾角越小， 陽極效應(yīng)越明顯。 在通過X線管短軸且垂直于有效焦點(diǎn)平面，在900處最 大，分布基本上是對(duì)稱的。 X線的物理特性 X線的不均等性 o診斷用X線主要是連續(xù)X線和特征X線的混合。連續(xù)X線 的波長(zhǎng)由最短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)領(lǐng)域是一個(gè)很廣的范圍。這 種X線成為不均等X線，由于濾過板的使用，長(zhǎng)波長(zhǎng)領(lǐng) 域的X線被吸收，成為近似均等X線。 o這種均等度以不均等度h或表示。 h=H2/H1（H1：第一半值層；H2：第二半值層

12、） 或=eff/0 （0：最短波長(zhǎng)，eff：有效波長(zhǎng)） 均等X線下，h=1， =1，不均等X線h1，1。 X線的物理特性 o有效波長(zhǎng)：?jiǎn)我荒芰坎ㄩL(zhǎng)的半值層等于連續(xù)X線的半值 層時(shí)，此波長(zhǎng)稱作有效波長(zhǎng)（ eff ） o有效電壓：產(chǎn)生有效波長(zhǎng)的最短波長(zhǎng)的管電壓，稱作有 效電壓。 o有效能量：將有效電壓用能量單位（keV）表示時(shí)，此 能量為有效能量。 X線的物理特性 X線與物質(zhì)的相互作用 oX線與物質(zhì)的相互作用形式有：相干散射、光電效應(yīng)、 康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)、光核反應(yīng)等。 X線的物理特性 相干散射（約占診斷X線的5%） oX線與物質(zhì)相互作用能發(fā)生干涉的散射過程，稱為相干 散射。 o一個(gè)束縛電子吸

13、收入射光子能量躍遷到高能級(jí)，隨即放 出一個(gè)能量等于入射光子能量的散射光子，由于電子未 脫離原子，所以光子能量是損失可忽略不計(jì)，相干散射 不產(chǎn)生電離過程。 o 發(fā)生幾率與物質(zhì)的原子序數(shù)成正比，隨光子能量的增 大而急劇減少 X線的物理特性 光電效應(yīng) oX線與物質(zhì)相互作用時(shí)，X 線光子能量（hv）全部給 予了物質(zhì)原子的殼層電子， 獲得能量的電子擺脫原子 核的束縛成為自由電子 （即光電子），而X線光 子本身則被物質(zhì)的原子吸 收，這一過程稱為光電效 應(yīng)。光電效應(yīng)的產(chǎn)物：特 性放射，光電子（負(fù)離 子），正離子（缺少電子 的原子）以及俄歇電子。 X線的物理特性 光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件及發(fā)生幾率 o1、光子能量與

14、電子結(jié)合能，必須“接近相等”才容易 產(chǎn) 生光電效應(yīng)。光子的能量要稍大于電子的結(jié)合能 或等于電子的結(jié)合能。（碘的K層電子結(jié)合能為 33.2KeV） o 光子能量的增加，會(huì)使光電作用的機(jī)率下降，光電效 應(yīng)與能量的三次方成反比。 o2、軌道電子結(jié)合的越緊越容易產(chǎn)生光電效應(yīng)。 高原子序數(shù)元素比低原子序數(shù)元素的軌道電子結(jié)合的 緊。因此比較容易產(chǎn)生光電效應(yīng)，所以光電效應(yīng)發(fā)生的 幾率隨著原子序數(shù)的增加而很快增加，其發(fā)生幾率與原 子序數(shù)的三次方成正比。 X線的物理特性 光電效應(yīng)在X線攝影中的實(shí)際意義 o一、光電效應(yīng)不產(chǎn)生有效的散射，對(duì)膠片不產(chǎn)生灰霧。 o二、光電效應(yīng)可增加射線對(duì)比度。其發(fā)生幾率與物質(zhì)原 子序數(shù)

15、的三次方成正比，因此可擴(kuò)大不同元素所構(gòu)成的 組織影像對(duì)比 o三、光電效應(yīng)中，因光子的能量全部被吸收，這使患者 接受的照射量比任何其他作用都多。 X線的物理特性 康普頓效應(yīng) o當(dāng)一個(gè)光子在擊脫原子 外層軌道上的電子時(shí)， 入射光子損失部分能量， 并改變?cè)瓉韨鞑シ较颍?變成散射光子，軌道上 的電子從入射光子處獲 得部分能量脫離原子核 束縛，按一定方向射出， 成為成為反沖電子。 X線的物理特性 康普頓效應(yīng)發(fā)生幾率 o與物質(zhì)的原子序數(shù)成正比 o與入射光子的能量呈反比 o與入射光子的波長(zhǎng)成正比 X線的物理特性 電子對(duì)效應(yīng) o一個(gè)具有足夠能量的光子，在與靶原子核發(fā)生相互作用 時(shí)，光子突然消失，同時(shí)轉(zhuǎn)化為一對(duì)

16、正、負(fù)電子，這個(gè) 作用過程稱為電子對(duì)效應(yīng)。 X線的物理特性 光核反應(yīng) o所謂的光核作用，就是光子與原子核作用而發(fā)生的核反 應(yīng)。 o某些核素在進(jìn)行光核反應(yīng)時(shí)，不但產(chǎn)生中子，而且反應(yīng) 的產(chǎn)物是放射性核素。 X線的物理特性 X線的吸收與衰減 oX線強(qiáng)度在其傳播過程中，將以距離平方反比的規(guī)律衰 減，此法則，它在X線管點(diǎn)焦點(diǎn)、真空傳播的條件下成 立。 o物質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致X線的衰減。在診斷X線能量范圍內(nèi)，X線 與物質(zhì)相互作用形式主要是光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。 在光電效應(yīng)下：X線光子被吸收 在康普頓效應(yīng)：X線光子被散射 X線的物理特性 X線的濾過 o一、固有濾過（鋁當(dāng)量） 指X線機(jī)本身的濾過，包括X線管的管壁、絕

17、緣油層、窗口的濾過板。 鋁當(dāng)量：一定厚度的鋁板和其他物質(zhì)對(duì)X線具有同等量的 衰減時(shí)，此濾過板的厚度稱為濾過物質(zhì)的鋁當(dāng)量。 o二、附加濾過 廣義上講，從X線管窗口至檢查床之間，所通過材料的濾過總和為 附加濾過 X線的物理特性 X線在物質(zhì)中的指數(shù)衰減規(guī)律 o I=I0e-X （X=0，I=I0） I0：X線到達(dá)物體表面的強(qiáng)度 I：X線到達(dá)厚度為X時(shí)的強(qiáng)度 X：吸收物質(zhì)厚度（m） 此法則成立條件有兩個(gè)，一是X線為單一能量射線，一是X線為窄束。 X線的物理特性 o單能窄束X線在通過物體時(shí)，只有X線光子能量減少， 而無能量的變化，其指數(shù)衰減規(guī)律是X線強(qiáng)度在物質(zhì)層 中都以在相同的比例衰減。 o寬束的衰減與

18、吸收物質(zhì)種類和厚度、X線能量、X線源 與探測(cè)器的幾何學(xué)的配置等因素有關(guān)。 X線的物理特性 衰減系數(shù) o一、線衰減系數(shù) 將X線透過物質(zhì)的量以長(zhǎng)度（m）為單位時(shí)，X線的衰減系數(shù)，稱 作線衰減系數(shù)，單位m-1 o二、質(zhì)量衰減系數(shù) 將X線透過物質(zhì)的量以質(zhì)量厚度（kg.m-2）為單位時(shí)，X線的衰減 系數(shù)稱作質(zhì)量衰減系數(shù)，單位m2/kg o三、總衰減系數(shù) 總衰減系數(shù)即是光電衰減系數(shù)、相干散射衰減系數(shù)、康 普頓衰減系數(shù)和電子對(duì)效應(yīng)的衰減愈大。 X線的物理特性 影像X線衰減的因素 o一、射線能量和原子序數(shù)對(duì)衰減的影響 o 對(duì)高原子序數(shù)的物質(zhì)（如碘化鈉）在整 個(gè)X線診斷能量范圍內(nèi)主要是光電作用。作 為水和骨骼，則隨X線能量增加，康普頓散 射占了主要地位。對(duì)低原子序數(shù)的物質(zhì)，當(dāng) X線能量增加時(shí)，透過量增加，而衰減減少； 對(duì)高原子序數(shù)物質(zhì)，當(dāng)X線能量增加時(shí)，透 過量有可能下降。 X線的物理特性 o二、密度對(duì)衰減