X射線組成和基本性質(zhì)

1、X 射線組成和基本性質(zhì)學(xué)習(xí)要求：2、掌握X射線強度和硬度的概念。3、理解X射線的基本性質(zhì)。1、了解X射線機的基本組成。X射線的發(fā)現(xiàn)德國物理學(xué)家倫琴于1895年11月8日發(fā)現(xiàn)X射線 1901年諾貝爾物理學(xué)獎 第一張人體X光片 勞厄用晶體衍射實驗證明X射線是一種波長較短的電磁波。獲得1914年諾貝爾物理學(xué)獎 第一節(jié) X射線的產(chǎn)生一、X射線的產(chǎn)生裝置1、產(chǎn)生X射線的方法和條件常用的方法： 讓高速運動的帶電粒子撞擊物質(zhì)(障礙物)受到阻擋，而突然減速時，由于它們相互作用產(chǎn)生X射線。該方法產(chǎn)生X射線的基本條件是：、有高速運動的電子流；、有適當(dāng)?shù)恼系K物靶（金屬）。其作用是：用來阻止電子的運動，把電子的動能轉(zhuǎn)

2、變?yōu)閄射線的能量。產(chǎn)生X射線的另一種方法是：由加速的高能帶電粒子直接輻射X射線，同步輻射就屬于這種方法。 此外，用受激輻射產(chǎn)生激光的方法也可以產(chǎn)生X射線。 目前，醫(yī)學(xué)診斷和治療設(shè)備主要采用高速電子(幾十兆電子伏特)受阻的方法輻射X射線。2、 X射線的產(chǎn)生裝置 產(chǎn)生X射線的基本裝置主要包括四個組成部分：X射線管；低壓電源；高壓電源；整流電路。主要組成：陰極陽極現(xiàn)代的X射線管結(jié)構(gòu)示意圖X射線管( 俗稱球管)照片早期的放射治療用X線管 X射線管是一個高度真空的硬質(zhì)玻璃管，管內(nèi)封有陰極和陽極。陰極鎢絲卷繞成螺旋形，單獨由低壓電源（一般為510V）供給電流，使其熾熱而發(fā)射電子。電流愈大，燈絲溫度愈高，單

3、位時間內(nèi)發(fā)射的電子愈多。陽極通常是銅制的圓柱體，在柱端斜面上嵌上一小塊鎢板，作為接受高速電子沖擊的靶。陰陽兩極間所加的電壓為幾十千伏到幾百千伏的直流高壓管電壓。陰極發(fā)射的熱電子在電場的作用下高速奔向陽極，形成管電流。這些高速電子突然被鎢靶阻止時，就有X射線向四周輻射。醫(yī)用X射線裝置都采用交流供電，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。見圖161。 高速電子轟擊陽極時，電子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)榈腦射線的能量不到1，99以上的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，使陽極的溫度升高。 陽極上直接受到電子轟擊的區(qū)域-靶，應(yīng)當(dāng)選用熔點高的物質(zhì)。理論和實驗表明：在同樣速度和數(shù)目的電子轟擊下，原子序數(shù)Z不同的各種物質(zhì)做成的靶所輻射的X射線的光子總數(shù)或光子總能量

4、是不同的，光子總能量近似與Z2成正比。Z越大發(fā)生X射線的效率越高。 在兼顧熔點高、原子序數(shù)大和其他一些技術(shù)要求時，鎢（Z74）和它的合金是最適當(dāng)?shù)陌胁牧稀?在需要波長較長的X射線的情況下，因采用的管電壓較低，用鉬（Z42）作為靶更好一些。陽極整體用導(dǎo)熱系數(shù)較大的銅做成?？刹捎貌煌纳岱椒ń档完枠O的溫度。3、實際焦點與有效焦點實際焦點- 燈絲發(fā)射的電子，經(jīng)聚焦加速后在陽極靶面上的撞擊面積 。實際焦點的大小和燈絲的形狀有關(guān)。 長燈絲所形成的焦點叫大焦點， 短燈絲所形成的焦點叫小焦點。有效焦點-實際焦點在垂自于X射線管軸線方向上的投影面積 。焦點就是一個實際的X射線源。一般X射線管的陽極靶面均做成

5、斜面，鎢靶為一矩形。靶傾角定義為：靶的表面與垂直于電子流方向的夾角。 設(shè)實際焦點的長度為ab，寬度為bc。經(jīng)過投影后，有效焦點的寬度bc仍等于實際焦點的寬度，而有效焦點的長度ab則變成了absin，比實際焦點的長度短。所以有效焦點比實際焦點小。實際焦點和有效焦點的關(guān)系：實際焦點的面積為：有效焦點的面積近似為：有效焦點與靶的傾斜度有關(guān)，大約只有實際焦點的 到 ，近似正方形。電子在靶上撞擊的面積較大，但X射線卻像是從較小的面積上發(fā)射出來的。焦點愈小，X射線透視或照相時在熒光屏或照相底片上所成的像就愈清晰。一般診斷用的X射線管采用小焦點。治療用的X射線管采用大焦點。 為了降低陽極靶面的溫度，大功率的

6、X射線管多采用旋轉(zhuǎn)陽極，使受撞擊面不斷改變，將熱量分散到較大的面積上。 二、X射線的強度和硬度1、X射線的強度定義為： 單位時間內(nèi)通過與X射線方向垂直的單位面積的輻射能量，單位為 。若用表示X射線的強度，則式中 分別表示單位時間通過垂直于X射線方向單位面積的能量為 的光子數(shù)。使X射線強度增加的兩種方法：增加管電流，使單位時間內(nèi)轟擊陽極靶的高速電子數(shù)目增多，從而增加所產(chǎn)生的光子數(shù)目N；增加管電壓，可使每個光子的能量 增加。 由于光子數(shù)目不容易測出，故在管電壓一定的情況下，通常采用管電流的毫安數(shù)(mA)來間接表示X射線的強度大小，稱為毫安率。 在管電壓一定的情況下， X射線管燈絲電流越大，燈絲溫度

7、越高，發(fā)射的熱電子數(shù)目越多，管電流就越大。 常用調(diào)節(jié)燈絲電流的方法來改變管電流，以達(dá)到控制X射線強度的目的。X射線的總輻射能量定義為： X射線通過任一截面的總輻射能量不僅與管電流成正比，且還與照射時間成正比。 管電流的毫安數(shù)(mA)與輻射時間(s)的乘積。其單位為：mAs。2、X射線的硬度 X射線的硬度是指X射線的貫穿本領(lǐng)。 它只由X射線的波長（即單個光子的能量）決定，與光子的數(shù)目無關(guān)。對于一定的吸收物質(zhì)，X射線被吸收愈少則貫穿的量愈多，X射線就愈硬，或者說其硬度愈硬。其貫穿本領(lǐng)越大。管電壓電子動能X射線光子的能量X射線的硬度同樣，由于單個X光子的能量不易測出，所以，在醫(yī)學(xué)上常用管電壓的千伏數(shù)

8、(kV)來表示X射線的硬度，稱為千伏率，并通過調(diào)節(jié)管電壓來控制X射線的硬度。提高X射線硬度的方法：增加管電壓。 在醫(yī)學(xué)上，根據(jù)用途把X射線按硬度分為極軟、軟、硬和極硬四類。 第二節(jié) X 射 線 譜X射線譜 X射線管發(fā)出的X射線，包含各種不同的波長成分，將其強度按波長的順序排列開來的圖譜。X射線譜包括兩個部分：連續(xù)X射線譜或稱連續(xù)譜；標(biāo)識X射線譜或稱標(biāo)識譜。 連續(xù)譜與靶物質(zhì)無關(guān)，但不同的物質(zhì)有不同的標(biāo)識譜。一、連續(xù)X射線譜1、連續(xù)X射線譜產(chǎn)生的機制 連續(xù)X射線的發(fā)生是軔致輻射過程。軔致輻射： 當(dāng)高速電子流撞擊陽極靶受到制動時，電子在原子核的強電場作用下，速度的量值和方向都發(fā)生急劇變化，一部分動能

9、轉(zhuǎn)化為光子的能量 而輻射出去的過程。2、連續(xù)譜特性連續(xù)X射線產(chǎn)生的條件： 當(dāng)X射線管在管電壓較低時才產(chǎn)生連續(xù)X射線譜。在波長減少的方向上，曲線都存在一個最短波長X射線強度隨波長的變化而連續(xù)變化每條曲線都有一個峰值曲線在波長增加方向上無限延展，強度越來越弱連續(xù)X射線發(fā)射譜的基本特征：30kV20kV40kV50kV0.10123456780.020.040.060.08波長(nm)相對強度I鎢靶在較低管電壓下的連續(xù)X射線發(fā)射譜相對強度短波極限強度為零的相應(yīng)波長是連續(xù)譜中的最短波長，稱為短波極限(min) 。管電壓不同連續(xù)譜的位置不同。當(dāng)管電壓增大時，各波長的強度都增大，且強度最大的波長和短波極限

10、都向短波方向移動。管電壓增大，短波極限變小。 設(shè)管電壓為U，電子電量為e，則電子具有的動能為eU，這就是光子可能具有的最大能量 ， 是與短波極限 對應(yīng)的最高頻率，由此可得上式表明，連續(xù)X射線譜的最短波長與管電壓成反比。 連續(xù)X射線譜的強度同時受到靶原子序數(shù)、管電流及管電壓的影響。 在管電流、管電壓一定的情況下，靶原子序數(shù)愈高連續(xù)譜強度愈大。以上討論的是鎢靶X射線管在50kV以下工作的情況，此時波長在以上，只出現(xiàn)連續(xù)X射線。當(dāng)管電壓繼續(xù)升高到70kV以上時，連續(xù)譜在附近就疊加了4條譜線（標(biāo)識譜線），當(dāng)電壓繼續(xù)升高時，連續(xù)譜發(fā)生很大改變，但這4條譜線在圖中的位置卻始終不變，即其波長不變。二、標(biāo)識X

11、射線 標(biāo)識譜線 任何靶的標(biāo)識X射線譜都是唯一的，可以作為此靶的標(biāo)識(特征)，故稱為標(biāo)識X射線譜圖中的4條譜線就是圖16-3中未分開的K線。1、標(biāo)識X射線產(chǎn)生的微觀機制產(chǎn)生的機制：高速電子流與靶物質(zhì)中電子發(fā)生作用，使其低能級(內(nèi)殼層)出現(xiàn)空位，其高能級(外殼層)電子向低能級躍遷產(chǎn)生標(biāo)識X射線。 多電子原子的核外電子分殼層圍繞原子核運動，不同殼層的電子與原子核之間，存在大小不同的結(jié)合能。 越靠近原子核的電子，其結(jié)合能越大，電子所處的能級就越低；相反，由于內(nèi)層電子的屏蔽作用，離原子核較遠(yuǎn)的外層電子的結(jié)合能就比較小，相應(yīng)地所處的能級就比內(nèi)層電子高得多。軌道電子從外層向內(nèi)層躍遷的過程中必定釋放出多余的能

12、量，這個能量就以X射線輻射的形式表現(xiàn)出來。 X射線的能量就等于這兩個軌道電子結(jié)合能之差。 除K層外，當(dāng)靶原子中的其他層電子被擊出時，相似的標(biāo)識X射線也會產(chǎn)生。 由于離核愈遠(yuǎn)，能級差愈小，所以L線系各譜線的波長比K線系的大些。同理，M線系的波長又更大些。 電子由L、M、N等能級較高的殼層向K層躍遷，便產(chǎn)生能量不同的K系標(biāo)識X射線。以此類推，會產(chǎn)生L系標(biāo)識X射線。但這些躍遷并不是同時在同一個原子中發(fā)生的。 下圖給出了鎢原子的K、L 、M和N層的能級以及產(chǎn)生的標(biāo)識射線。結(jié)論：軌道電子從外層向內(nèi)層的躍遷產(chǎn)生標(biāo)識X射線。 由于不同原子的電子結(jié)合能不同，其產(chǎn)生的標(biāo)識X射線的能量也千差萬別。之所以稱這種類型

13、的X射線輻射為標(biāo)識輻射是因為它代表了靶原子的特點。 隨著靶原子原子序數(shù)的增加，標(biāo)識X射線能量也會增加。 從前面的討論可知，只有當(dāng)入射電子的動能大于靶原子的某一殼層電子的結(jié)合能時，才能產(chǎn)生標(biāo)識X射線。幾種靶材料產(chǎn)生K、L系特征X射線的激發(fā)電壓(kV) 靶材料原子序數(shù)K系激發(fā)電壓L系激發(fā)電壓鋁(Al)銅(Cu)鉬(MO)鎢(W)鉛(Pb)13294274 821.568.8920.0069.5188.000.090.952.8712.0915.86產(chǎn)生標(biāo)識X射線的條件：鎢靶Z=74管電壓大于70kV時；鉬靶Z=42管電壓小于70kV時；管電壓變化，同一種靶的標(biāo)識譜的位置不變。2、標(biāo)識譜特性在標(biāo)識X

14、射線譜中，電子由不同能級躍遷到內(nèi)層同一殼層的空位時產(chǎn)生的譜線組成一個線系。 標(biāo)識X射線譜是原子外層電子向內(nèi)層空位躍遷所發(fā)出的，因此各原子的標(biāo)識譜有相似的結(jié)構(gòu)。每一個線系都有一個最短波長邊界，這就是一個自由電子(或近似地認(rèn)為是最外層價電子)進(jìn)入該空位時發(fā)出的光子的波長。由于原子中各個內(nèi)層軌道的能量相對于真空能量的差別是隨著原子序數(shù)增加的，因此，原子序數(shù)愈高的元素，它的各個標(biāo)識X射線系的波長也愈短。標(biāo)識譜線的波長由陽極靶材料決定，不同元素制成的靶具有不同的線狀X射線譜，并可作為這些元素的“標(biāo)識”。X射線管需要加幾十千伏的電壓才能激發(fā)出某些標(biāo)識X射線系。 醫(yī)用X射線管發(fā)出的主要是連續(xù)X射線，標(biāo)識X射線在全部X射線中所占的分量很少。 標(biāo)識X射線的研究，對于認(rèn)識原子的殼層結(jié)構(gòu)和化學(xué)元素分析都是非常有用的。 在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)方面，應(yīng)用X射線微區(qū)分析法來做超微觀察和超微分析。 例如從1940年以來發(fā)展起來的微區(qū)分析技術(shù)就是用很細(xì)的電子束打在樣品上，根據(jù)樣品發(fā)出的標(biāo)識X射線來鑒定各個微區(qū)中的元素成分。第三節(jié)X射線的基本性質(zhì)一、X射線的基本性質(zhì)X射線是波長很短的電磁波，也是能量很大的光子流，X射線除具有電磁波的一系列性質(zhì)外，不有下列特性：1、電離作用：X射線能使原子和分子電離，因此對有機體可誘發(fā)各種生物效應(yīng)。2、熒光作用：X射線照射某些物質(zhì)，如磷、鉑、氰化鋇、硫化鋅等，能使它們的原子或