X射線的產(chǎn)生通用課件

1、放射物理與防護 李偉 山東醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校第三章 X射線的產(chǎn)生第一節(jié) X射線的發(fā)現(xiàn)及用途第二節(jié) X射線的本質(zhì)與特性第三節(jié) X射線的產(chǎn)生條件及裝置第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理第五節(jié) X射線的量與質(zhì)第六節(jié) X射線的產(chǎn)生效率第七節(jié) X射線輻射場的空間分布本章目錄學(xué)習(xí)目標1.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。2.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。3.了解：X射線的發(fā)現(xiàn)及用途。第一節(jié) X射線的發(fā)現(xiàn)及用途一、X射線的發(fā)現(xiàn)過程第一節(jié) X射線的發(fā)現(xiàn)及用途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

2、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。威廉康拉德倫琴 第一節(jié) X射線的發(fā)現(xiàn)及用途1895年12月28日倫琴寫出了他的第一篇關(guān)于X線的論文，發(fā)表后立即引起了人們極大的興趣。一、X線的歷史 倫琴提交給威爾茨堡市物理醫(yī)學(xué)會的論文 關(guān)于一種新射線的初步報告第一節(jié) X射線的發(fā)現(xiàn)及用途一、X射線的發(fā)現(xiàn)過程 1901年,倫琴榮獲了當年度首屆諾貝爾物理學(xué)獎。德國沃茲堡大學(xué)物理研究所（上圖）倫琴發(fā)現(xiàn)X線的實驗室（左圖）二、X射線的用途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)1.醫(yī)學(xué)（影像學(xué)）領(lǐng)域第一節(jié) X射線的

3、發(fā)現(xiàn)及用途第二節(jié) X射線的本質(zhì)與特性第二節(jié) X射線的本質(zhì)與特性一、X射線的本質(zhì) X射線的本質(zhì)屬于電離輻射。頻率為 波長為第二節(jié) X射線的本質(zhì)與特性一、X射線的本質(zhì) X射線具有電磁波的共性：波動性和粒子性（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，其傳播速度在真空中與光速相同。 max2200PC型X射線衍射儀第二節(jié) X射線的本質(zhì)與特性一、X射線的本質(zhì) X線具有電磁波的共性：波動性和粒子性（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

4、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： 第二節(jié) X射線的本質(zhì)與特性二、X射線的基本特性 （一）物理特性 （三）生物特性 （二）化學(xué)特性 第二節(jié) X射線的本質(zhì)與特性二、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 按人體組織對X射線透射性能的不同分為三類：易透性組織 中等透射物質(zhì) 不易透射性組織易透性組織 中等透射物質(zhì) 不易透射性組織氣體 結(jié)締組織 骨骼 肌肉組織 脂肪組織 軟骨 血液第二節(jié) X射線的本質(zhì)與特性二、X射線的基本特性 （一）物理特

5、性 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X射線透視熒光屏增感屏影像增強器閃爍計數(shù)器 第二節(jié) X射線的本質(zhì)與特性二、X射線的基本特性 （三）生物效應(yīng)特性 （二）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)晶體脫水改變顏色）X射線對生物組織、細胞具有損傷的作用，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。第三節(jié) X射線的產(chǎn)生條件及裝置第三節(jié) X射線的產(chǎn)生一、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

6、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。一、X射線的產(chǎn)生條件 電子源(加熱后得到并通過電場的作用力奔向陽極) 適當?shù)陌形镔|(zhì)(用高原子序數(shù)、高熔點的鎢制成陽極) 高速電子流(A高電壓產(chǎn)生的強電場B真空度高的空間)第三節(jié) X射線的產(chǎn)生二、X射線的發(fā)生裝置 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：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)。 第三節(jié) X射線的產(chǎn)生二、X射線的發(fā)生裝置 3.X射線機的構(gòu)成：主

7、機機械及其輔助設(shè)備X線管高壓發(fā)生器控制臺第三節(jié) X射線的產(chǎn)生二、X射線的發(fā)生裝置 3.玻璃管套：是一個高真空度的空間，主要對陽極和陰極起固定作用。2.陽極（靶）：它能使高速電子突然受阻而產(chǎn)生X射線。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)聚焦加速后撞擊陽極而產(chǎn)生X射線。射線管的組成X第三節(jié) X射線的產(chǎn)生二、X射線的發(fā)生裝置 旋轉(zhuǎn)陽極X線管 第三節(jié) X射線的產(chǎn)生X線管剖面結(jié)構(gòu)示意圖二、X射線的發(fā)生裝置 旋轉(zhuǎn)陽極X線管 第三節(jié) X射線的產(chǎn)生第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理第四節(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(coll

8、ision loss)只涉及原子的外層電子，這部分能量將全部變?yōu)闊帷?輻射損失(radiation loss)涉及內(nèi)層電子和原子核。1.當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)和電離占相當大的比例（原子序數(shù)較低時表現(xiàn)尤其明顯）。 2.當電子處于高能量時，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）。碰撞損失和輻射損失的區(qū)別與聯(lián)系：一、電子與物質(zhì)的相互作用 第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理二、兩種X射線的產(chǎn)生原理 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（標識X射線）兩部分組成的

9、混合射線。第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理（一）連續(xù)X射線的產(chǎn)生原理 軔致輻射(bremsstrahlung 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。 1.連續(xù)X射線產(chǎn)生的物理過程第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理（一）連續(xù)X射線的產(chǎn)生原理 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。第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理（一）連續(xù)X射線的產(chǎn)生原理 使用鎢靶保持管電流不變，將管電壓從20kV增加到50kV時，測

10、量各波段的相對強度而繪成的連續(xù)X線譜（如右圖）第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理（一）連續(xù)X射線的產(chǎn)生原理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。可見，連續(xù)X射線的最短波長只與管電壓有關(guān)。第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理（一）連續(xù)X射線的產(chǎn)生原理3.影響連續(xù)X射線的因素：第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理（一）連續(xù)X射線的產(chǎn)生原理【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。 最強波長 平均波長 最大光子能量 解：產(chǎn)生連續(xù)X線的最短波長第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理（二）特征X射線的產(chǎn)生原理1.特征X射線產(chǎn)生的物理過程第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理產(chǎn)生線狀光

11、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，而與其它因素無關(guān)。通常把這種輻射稱為特征輻射，也稱為標識輻射(characteristic radiation)由此產(chǎn)生的X射線稱為特征X射線。（二）特征X射線的產(chǎn)生原理第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理 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)。 （二）特征X射線的產(chǎn)生原理第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理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

12、線。K、K譜線：電子由LK，MK所引起的K系輻射。（二）特征X射線的產(chǎn)生原理第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理（二）特征X射線的產(chǎn)生原理第四節(jié) X線的產(chǎn)生機制2.特征X射線的激發(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。（二）特征X射線的產(chǎn)生原理3.影響特征X射線強度的因素：第四節(jié) X射線的產(chǎn)生原理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

13、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。第五節(jié) X射線的量與質(zhì)一、概念及其表示方法第五節(jié) X射線的量與質(zhì)（一）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)的光子數(shù) 。單色X線強度復(fù)色X線強度 2.X射線的質(zhì)：X線穿透物質(zhì)的本領(lǐng)或者光子的能量。一、概念及其表示方法第五節(jié) X射線的量與質(zhì)（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?！纠恳淮闻钠枰腦線量為 ，

14、就可以選擇 或者一、概念及其表示方法第五節(jié) X射線的量與質(zhì)（二）臨床角度對X線的量和質(zhì)定義 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準物質(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、影響X射線量的因素第五節(jié) X射線的量與質(zhì) 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，

15、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。二、影響X射線量的因素第五節(jié) X射線的量與質(zhì) 2.管電壓對X射線量的影響 當管電流不變時，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。二、影響X射線量的因素第五節(jié) X線的質(zhì)與量 3.靶物質(zhì)的原子序數(shù)對X射線量的影響 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。 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

16、，低能成份被管壁吸收的緣故。三、影響X射線質(zhì)的因素第五節(jié) X線的質(zhì)與量 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。第六節(jié) X射線的產(chǎn)生效率第六節(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。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。k為常數(shù)，約等于第六節(jié) X射線的產(chǎn)生效率加速電壓占總能量的百分數(shù)X線能（）熱能（）40kV0.499.670kV0.699.4100kV0.899.2150kV1.

17、399.74MeV366420MeV7030鎢靶X線管和加速器產(chǎn)生X線的效率結(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。第六節(jié) X射線的產(chǎn)生效率【例】 鎢（Z=74）靶X線管，當管電壓為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第七節(jié) X射線強度的空間分布第七節(jié) X射線強度的空間分布 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?？臻g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

18、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射線強度空間分布或稱輻射場的角分布。空間分布的影響因素：第七節(jié) X射線強度的空間分布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第七節(jié) X射線強度的空間分布1.薄靶周圍X射線強度的空間分布薄靶周圍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。第七節(jié) X射線強度的空間分布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)。第七節(jié) X射線強度的空間分布2.厚靶周圍X射線強度的空間分布 陽極靶較厚，用于診斷用X線機中。 電子每穿過50