《放射物理與防護》第三章

1、曲靖醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校教 案 2017 至 2018 學(xué)年 第一 學(xué)期系 部 醫(yī)學(xué)技術(shù)系 教研室（實驗室） 醫(yī)學(xué)影像教研室 課程名稱 放射物理與防護 授課班級 影像技術(shù)班 授課教師 楊粉 職 稱 講師 使用教材 放射物理與防護 教案編寫日期 2017.6 曲靖醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校教務(wù)處制教 案首頁授課時間 年 月 日 星期 節(jié)學(xué)時數(shù)授課章節(jié)第三章 X線的產(chǎn)生授課方式理論課 討論課 實踐課 習(xí)題課 其它教學(xué)目的（目標(biāo)）掌握：X射線的發(fā)現(xiàn)、本質(zhì)與特性；X射線的發(fā)生條件與裝置；X射線的量與質(zhì)；X射線的產(chǎn)生效率。熟悉：電子與物質(zhì)的相互作用以及兩種X射線的產(chǎn)生原理；X射線強度的空間分布。了解：X射線的發(fā)現(xiàn)及用

2、途。教學(xué)重點難點1、教學(xué)重點：X射線的本質(zhì)與特性；X射線的發(fā)生條件與裝置；X射線的量與質(zhì) 2、教學(xué)難點：X射線的產(chǎn)生效率、X射線強度的空間分布。教學(xué)方法多媒體示教+理論講解教材參考文獻高等醫(yī)藥院校教材（供醫(yī)學(xué)影像專業(yè)用） 第三版的放射物理與防護（主編：王鵬程，李迅茹），人民衛(wèi)生出版社；教 學(xué) 內(nèi) 容時間分配板書或旁注第一節(jié) X射線的發(fā)現(xiàn)及用途一、X射線的發(fā)現(xiàn)過程1895年11月8日，德國理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴在德國沃茲堡大學(xué)實驗室用克魯克斯管研究高真空下放電現(xiàn)象時，意外發(fā)現(xiàn)X射線。1895年12月28日倫琴寫出了他的第一篇關(guān)于X線的論文，關(guān)于一種新射線的初步報告發(fā)表后立即

3、引起了人們極大的興趣。1901年,倫琴榮獲了當(dāng)年度首屆諾貝爾物理學(xué)獎 二、X射線的用途1、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域:核醫(yī)學(xué)成像、XCT、磁共振成像、熱圖像、介入性放射學(xué)、內(nèi)鏡技術(shù)。 2.工業(yè)領(lǐng)域：晶體結(jié)構(gòu)分析、工業(yè)探傷、貨運集裝箱透視檢查、科學(xué)研究、半導(dǎo)體、機械加工第2節(jié) X射線的本質(zhì)與特性一、X線的本質(zhì)X線屬于電離輻射，是高能電磁波，具有波粒二象性。在傳播時突出表現(xiàn)波動性；與物質(zhì)相互作用時突出表現(xiàn)粒子性。 X射線的本質(zhì)是電離輻射頻率為 波長為 （一）X射線具有波動性 X射線與可見光一樣，具有衍射、偏振、反射、折射等現(xiàn)象，說明X射線具有波動性。X線波動性主要表現(xiàn)在以一定的波長和頻率在空間傳播。它是一種橫波，其

4、傳播速度在真空中與光速相同。（二）X射線具有粒子性 X射線的粒子性能解釋X射線的光電效應(yīng)、熒光作用、電離作用等過程。依據(jù)量子論學(xué)說以及相對論的原理則： 光子能量： 光子質(zhì)量： 光子動量： 二、X射線的基本特性 （一）物理特性 1、X射線不可見，在均勻、各向同性的介質(zhì)中直線傳播2、X射線不帶電 經(jīng)過電、磁場時不發(fā)生偏轉(zhuǎn)3、X射線穿透性 透視、攝影、CT等檢查手段4、X射線熒光性 使物質(zhì)發(fā)出熒光5、X射線電離作用 放射治療（損傷性）6、X射線熱作用 使物體升溫（量熱法）7、 X射線波動性 波長測定、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析（2） 化學(xué)特性 1、感光作用 X射線攝影和工業(yè)無損探傷檢查2、著色作用 脫水作用（結(jié)晶

5、體脫水改變顏色）（三）生物特性 X射線對生物組織、細(xì)胞具有損傷的作用，稱為X射線的生物效應(yīng)。X射線對人體不同組織的損傷程度是不同的。第3節(jié) X射線的產(chǎn)生條件及裝置一、X射線的產(chǎn)生條件 在高真空管內(nèi)高速行進成束的電子流撞擊陽極靶(鎢、鉬等)時與原子核或內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生X射線，即高速電子流和靶物質(zhì)相互作用的結(jié)果產(chǎn)生X線。歸納來講，產(chǎn)生X線必須具備三個條件。1）電子源(加熱后得到并通過電場的作用力奔向陽極)2）適當(dāng)?shù)陌形镔|(zhì)(高原子序數(shù)、高熔點的鎢制成陽極) 3）高速電子流(高電壓產(chǎn)生強電場、真空度高的空間)2、 X射線的產(chǎn)生條件1、X射線機（裝置）定義：電能 X射線能2、 X射線機分類診斷機：

6、用于透視、攝影和各種特殊檢查的統(tǒng)稱為診斷X射線機（CT、MRI、DSA）。 治療機：用于疾病治療的統(tǒng)稱為治療X射線機(加速器、Co60治療機)。3、 X射線機的構(gòu)成： X線管主機 高壓發(fā)生器控制臺 機械及其輔助設(shè)備 1.陰極（電子源）：其作用是按需要提 供足額數(shù)量的電子，經(jīng)聚焦加速后X 撞線擊陽極而產(chǎn)生X射線。射 2.陽極（靶）：它能使高速電子突然受管 阻而產(chǎn)生X射線。的 3.玻璃管套：是一個高真空度的空間,組 主要對陽極和陰極起固定作用。成 第4節(jié) X射線的產(chǎn)生原理一、電子與物質(zhì)的相互作用 電子在碰撞過程中的能量損失分為碰撞損失和輻射損失。碰撞損失(collision loss)只涉及原子的

7、外層電子，這部分能量將全部變?yōu)闊帷］椛鋼p失(radiation loss)涉及內(nèi)層電子和原子核。碰撞損失和輻射損失的區(qū)別與聯(lián)系：1、當(dāng)電子處于較低能量時，能量損失主要是碰撞損失，靶原子外層電子的激發(fā)和電離占相當(dāng)大的比例（原子序數(shù)較低時表現(xiàn)尤其明顯）。 2、當(dāng)電子處于高能量時，能量損失由碰撞損失逐漸轉(zhuǎn)為輻射損失（原子序數(shù)較高時表現(xiàn)尤其明顯，比如鎢、鉬）。2、 兩種X射線的產(chǎn)生原理 X射線管發(fā)出的X線是由連續(xù)X射線和特征X射線（標(biāo)識X射線）兩部分組成的混合射線。連續(xù)X射線：X射線譜特點為連續(xù)的特征X射線：X線射譜特點為線狀的（一）連續(xù)X射線的產(chǎn)生原理1、連續(xù)X射線產(chǎn)生的物理過程 軔致輻射(brem

8、sstrahlung radiation)：又稱連續(xù)放射，是高速電子流撞擊陽極靶面時，與靶物質(zhì)的原子核相互作用而產(chǎn)生的、連續(xù)波長的X射線(連續(xù)X線)的過程。 由于每個高速電子與靶原子作用時的相對位置不同（如左圖），且每個電子與靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用對應(yīng)的輻射損失也不同，因而發(fā)出的X光子頻率也互不相同。2、連續(xù)X線的最短波長min： 式中，U的單位為kV，min的單位為nm?？梢姡B續(xù)X射線的最短波長只與管電壓有關(guān)。3、影響連續(xù)X射線的因素：【例】 求管電壓為10OkV時，產(chǎn)生連續(xù)X線的最短波長、最強波長、平均波長和最大光子能量。 解：產(chǎn)生連續(xù)X線的最短波長 最強波長 平

9、均波長 最大光子能量 （二）特征X射線的產(chǎn)生原理1、特征X射線產(chǎn)生的物理過程產(chǎn)生線狀光譜X線的過程與管電壓無關(guān)，完全由靶材料的性質(zhì)決定，它表征靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)特性，而與其它因素?zé)o關(guān)。通常把這種輻射稱為特征輻射，也稱為標(biāo)識輻射(characteristic radiation)由此產(chǎn)生的X射線稱為特征X射線。 h為特征X光子能量(即躍遷過程中釋放的能量);E2為躍遷前的能量 ;E1為躍遷后的能量。不同的靶物質(zhì)發(fā)出的X射線的波長不同，原子序數(shù)越高，產(chǎn)生的X射線波長越短。特征X射線與X射線管的管電流無關(guān)。K系激發(fā)：K層電子被激出的過程K系輻射：外層電子躍遷到K層上所輻射出的特征X射線。2、特征X射線

10、的激發(fā)電壓靶原子的軌道電子在原子中具有確定的結(jié)合能（W）只有當(dāng)入射高速電子的動能大于其結(jié)合能時，才有可能被擊脫造成電子空位，產(chǎn)生特征X線。入射電子的動能完全由管電壓決定。管電壓必須滿足下式的關(guān)系 給定的靶原子，各線系的最低激發(fā)電壓大小按其相應(yīng)的電子空位所產(chǎn)生的殼層內(nèi)電子結(jié)合能大小有以下關(guān)系。 3、影響特征X射線強度的因素：K系特征X線的強度 K系特征X線的強度與管電流成正比，管電壓大于激發(fā)電壓時才發(fā)生K系放射，并隨管電壓的升高K系強度迅速增大。第5節(jié) X射線的量與質(zhì)1、 概念及其表示方法 （1） 物理角度對X射線的量與質(zhì)定義1、 X射線的量：在單位時間內(nèi)X線線束內(nèi)的光數(shù) 。單色X線強度 復(fù)色X

11、線強度 2、 X射線的質(zhì)：X線穿透物質(zhì)的本領(lǐng)或者光子的量。（二）臨床角度對X線的量和質(zhì)定義1、X線的量：管電流決定X射線的量 X射線管的管電流決定于陰極燈絲電流，管電流愈大表明陰極發(fā)射的電子數(shù)愈多，則電子撞擊陽極靶產(chǎn)生的X射線量也愈多。在實際放射工作中，一般是用管電流和照射時間的乘積來表示X射線的量。【例】一次拍片需要的X線量為 ，就可以選擇 或者 2、X射線的質(zhì)（硬度）：管電壓決定X射線的質(zhì) X射線管通常用表示X射線穿透能力的半價層來表示X射線的質(zhì)，半價層就是使一束X射線的強度減弱到其初始值一半時所需要的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的厚度。診斷用X線通常用鋁作為表示半價層的物質(zhì)，半價層愈大表示X射線的質(zhì)愈硬。二

12、、影響X射線量的因素1、管電流對X射線量的影響 管電流越大表明陰極發(fā)射的電子越多，因而電子撞擊陽極靶產(chǎn)生的X射線的量也越大，發(fā)射出的X射線的強度也就越大。圖中看到100mA和250mA的兩條曲線，其X射線最短波長和最長波長都完全一樣，只是曲線下所包圍的面積不同。顯然管電流大的X射線量大，反之就小。2、管電壓對X射線量的影響 當(dāng)管電流不變時，隨著管電壓從20kV升高到50kV，其輻射的總量增大，圖中曲線下所包圍的總面積代表X線的總強度。因此，X線的量（強度）與管電壓的平方成正比。3、靶物質(zhì)的原子序數(shù)對X射線量的影響 從圖中可見，曲線的兩個端點都重合。其高能端重合，說明了X射線譜的最大光子能量與管

13、電壓有關(guān)，而與靶物質(zhì)無關(guān)；低能端重合是因為X射線管固有濾過的限制，低能成份被管壁吸收的緣故。 在管電壓、管電流、投照時間相同的情況下，陽極靶的原子序數(shù)愈高，X射線的量愈大。三、影響X射線質(zhì)的因素 一般來講，X射線的質(zhì)僅取決于管電壓的大小。無論何種靶物質(zhì)，在一定管電壓下所產(chǎn)生的連續(xù)X射線譜的最短波長和最長波長是相同的。峰值輻射強度發(fā)生在相同能量光子處。光子的最大能量完全由管電壓控制。第6節(jié) X射線的產(chǎn)生效率一、產(chǎn)生效率的定義X線管中產(chǎn)生的X線能與加速電子所消耗電能的比值。 k為常數(shù)，約等于 二、影響因素X線的產(chǎn)生效率與管電壓和靶物質(zhì)的原子序數(shù)成正比。鎢靶X線管和加速器產(chǎn)生X線的效率加速電壓占總能

14、量的百分?jǐn)?shù)X線能（）熱能（）40kV0.499.670kV0.699.4100kV0.899.2150kV1.399.74MeV366420MeV7030結(jié)論：X線管產(chǎn)生X線的效率極低，一般不足1，而絕大部分的高速電子能都在陽極變?yōu)榱藷崮?，使陽極靶面的溫度很高?！纠?鎢（Z=74）靶X線管，當(dāng)管電壓為120kV時X射線的產(chǎn)生效率是多少？解： X線的輸入功率為1000WX線的輻射功率為11W轉(zhuǎn)變成的熱能功率為989W第7節(jié) X射線強度的空間分布空間分布的定義： 從X射線管焦點上產(chǎn)生的X射線，在空間各個方向上的分布是不均勻的，即在不同的方位角上的輻射強度是不同的。這種不均勻的分布稱為X射線強度空

15、間分布或稱輻射場的角分布?？臻g分布的影響因素：X射線輻射場的空間分布主要受入射電子的能量、靶物質(zhì)（原子序數(shù)）及靶厚度（薄靶、厚靶）的影響。1、薄靶周圍X射線強度的空間分布 X射線強度的角度分析 薄靶周圍X射線強度的角分布圖示一薄靶在不同管電壓下產(chǎn)生的X射線強度在靶周圍分布的變化情況。工作電壓在100kV左右時，X線在各方向上強度基本相等。當(dāng)管電壓升高時，X線最大強度方向逐漸趨向電子束的入射方向，其它方向的強度相對減弱，X線的強度分布趨于集中。2、厚靶周圍X射線強度的空間分布 厚靶周圍X射線強度的空間分布圖見，從O點輻射出去的X射線，愈靠近OC方向，穿過靶的厚度愈厚，靶本身對它的吸收也愈多；愈靠

16、近OA方向，穿過靶的厚度愈薄，靶對它吸收也愈少。因此，愈靠近陽極一側(cè)，X線的強度下降得愈多，而且靶角愈小，下降的程度越大。這種愈靠近陽極， X線強度下降得愈多的現(xiàn)象，就是所謂的“足跟”效應(yīng)，也稱陽極效應(yīng)。 陽極靶較厚，用于診斷用X線機中。 電子每穿過50×10-12m的深度則能量損失10KeV。 陽極效應(yīng)anode effect(足根效應(yīng))heel effect 陽極傾角越小，效應(yīng)越明顯。 可通過濾過使X射線趨于均勻。陽極傾角為20度： X射線強度縱向空間分布：非對稱、110度最大 X射線強度橫向空間分布：對稱、90度最大小結(jié)1、X射線是由德國物理學(xué)家倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)的，它是高速電子在真空環(huán)境中撞擊陽極靶而產(chǎn)生的。2、就本質(zhì)而言，X射線具有波粒二象性。通常用X線的強度來表示X的量與質(zhì)：X線的量要受到管電壓、管電流以及陽極靶材質(zhì)的影響，而X射線的質(zhì)主要受管電壓的影響。3、X射線是由兩種成分