X線的物理特性

1、X線的物理學(xué)基礎(chǔ)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

2、X線的產(chǎn)生原理o X線的產(chǎn)生是高速電子與陽(yáng)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(yáng)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） 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

3、大。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。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。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(wú)關(guān)，只服從于靶物質(zhì)的原子特性。 同種靶物質(zhì)的K系

4、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，特性X線減少。 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

5、子具有一定的能量和一定的動(dòng)質(zhì)量，但無(wú)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線的特性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)

6、。 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。 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線強(qiáng)

7、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）。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)。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

8、比。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)。 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╫ 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

9、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線質(zhì)的表示方式o半值層（HVL）：X線強(qiáng)度衰減到初始值的一半時(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線強(qiáng)度的空間分布o(jì)

10、高速電子撞擊陽(yáng)極靶面，所產(chǎn)生的X線分布與陽(yáng)極傾角有關(guān)。 陽(yáng)極傾角是指垂直于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(yáng)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(yáng)極效應(yīng)。陽(yáng)極傾角越小，陽(yáng)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

11、一半值層；H2：第二半值層） 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。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。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

12、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。光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件及發(fā)生幾率o1、光子能量與電子結(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

13、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。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)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。康普頓效應(yīng)o當(dāng)一個(gè)光子在擊

14、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?，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。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)正、負(fù)電子，這個(gè)作用過程稱為電子對(duì)效應(yīng)。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，

15、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

16、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。 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(wú)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)。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-1o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/kgo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。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