X線的物理特性（經(jīng)典實用）

1、X線的物理特性 X線的物理學基礎 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線的本質與特性 四、X線強度 五、X線與物質的相互作用 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，德國物理學家倫琴用一個高 真空玻璃管和一臺產(chǎn)生高壓的小型機器做實驗 時，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獎。 X線的物理特性 X線的產(chǎn)生 oX線的產(chǎn)生是能量轉換的結果。 99%99%以上的動能產(chǎn)生熱量，不到以上的動能產(chǎn)生熱量，不到1%1%的動能轉換成的動能轉換成X X線。線。 oX線的

2、產(chǎn)生需要具備4個條件： 電子源電子源 高電壓高電壓 高真空度高真空度 適當?shù)恼系K物適當?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的原子相互作用 中能量轉換的結果。是利用了陽極靶物質的三個特性： 核電場、軌道電子結合能和原子存在于最低能級的需要。 o 每個電子能量=電子的電荷*X線管電壓 E=eV （e=1.60*10-19庫倫） X線的物理特性 連續(xù)放射 （韌致放射） o高速電子與靶物質原子核作用的結果。當高速電子接近 原子核時，受核電場的吸引，偏離原有方向，失去能量 而減速。此時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)射線的波長只與管電壓有關，管電壓越高，波長越 短，X線的強度越大。 X線的物理特性 o由圖可見：高速投射的 電子，受核電場的吸引， 偏離原有方向。 o管電壓相同時，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，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 （標識放射） o高速電子擊脫靶物質原子的內(nèi) 層軌道電子，而產(chǎn)生的一種放 射方式。一個常態(tài)原子經(jīng)常處 于最低能級狀態(tài)，他永遠保持 其內(nèi)層軌道電子是滿員的。當 靶物質原子的K層電子被高速 電子擊脫時，K層電

4、子的空缺 將由外層電子躍遷補充，外層 電子的能級要比內(nèi)層電子的能 級高，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的高速電子能量 無關，只服從于靶物質的原子特性。 同種靶物質的K系特性放射波長為一定數(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 oX線的本質是電磁波，它具有一定的波長和頻率；由于 X線光子的能量大，可是物質產(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，具有波動和微 粒的二重性，這是X線的本質。 （1）X線的微粒性：把X線看作一個個的微粒光子組成，光子 具有一定的能量和一定的動質量，但無靜止質量。X線與物質作用 時表現(xiàn)出微粒性，每個光子都具有一定的能量，能產(chǎn)生光電效應， 能激發(fā)熒光物質發(fā)出熒光等現(xiàn)象。 （2）X線的波動性：X線以波動方式傳播，是一種橫波。X線在傳 播時表現(xiàn)了他的波動性，具有頻率和波長，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 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 有關，以及被穿透物質的原子序數(shù)、密度和厚度有關。 熒光作用：熒光物質（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：物質在足夠能量的X線光子照射下，能擊脫物質原子軌 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。 干涉、衍射、反射與折射：這些光學特性在X線顯微鏡、波長測定、 物質結構分析中得到應用。 X線的物理特性 o二、化學效應 感光作用：X線具有光化學作用，可是攝影膠片感光。 著色作用：某些物質經(jīng)X線長期照射后，使其結晶脫水變色。 如 鉛玻璃經(jīng)X線長期照射后著色 o三、生物效應 X線

7、是電離輻射，他對生物細胞，特別是增殖性強的細胞有抑制、 損傷，甚至使其壞死的作用，它是放射治療的基礎。 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線強度 oX線強度是垂直于X線束的單位面積上，在單位時間內(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 個光子能量。在實際應用中，常以量與質的乘積表示X 線強度。量是線束中的光子數(shù)，質則是光子的能量（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。 X線的物理特性 影響X線強度的因素 oX線強度受管電壓、管電流、靶物質以及高壓波形的影 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。 在管電壓為峰值時，最短波長的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，沖擊靶物質后產(chǎn)生的X線光 子數(shù)就越多。所以管電壓一定時，X線強度決定于管電流 o三、靶物質 在一定的管電壓

9、和管電流下，放射量的多少決定于靶 物質。靶物 質的原子序數(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）且熔點較高（3370），所以 靶物質一般選用鎢靶，或鎢合金（錸鎢合金） 連續(xù)射線：靶物質的原子序數(shù)決定X線量的產(chǎn)生； 特征X線：靶物質的原子序數(shù)決定產(chǎn)生X線波長的性質。 X線的物理特性 o四、高壓波形 o X線發(fā)生器產(chǎn)生的高壓都是脈動式的。 o有兩種形式：單相電源的半波和全波 o 三相電源的6脈沖和12脈沖 o 當整流后的脈動電壓越接近峰值，其X線強度越大；峰值電壓相 同時，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線質的表示方式 o半值層（HVL）：X線強度衰減

10、到初始值的一半時，所 需的標準吸收物質的厚度。診斷用X線的半值層一般用 毫米鋁（mmAl）表示，在1.54mmAL之間。 對同樣質的X線來說，不同物質的半值層是不一樣的；但就同種 物質，半值層大的X線質硬，半值層小的質軟。 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。 陽極傾

11、角是指垂直于X線管長軸的平面與靶面的夾角。 在通過X線管長軸且垂直于有效焦點平面內(nèi)，近陽極端 X線強度弱，近陰極端強，最大值約在100處，其分布 是非對稱性的，這種現(xiàn)象成為陽極效應。陽極傾角越小， 陽極效應越明顯。 在通過X線管短軸且垂直于有效焦點平面，在900處最 大，分布基本上是對稱的。 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 的波長由最短波長到長波長領域是一個很廣的范圍。這 種X線成為不均等X線，由于濾過板的使用，長波長領 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，eff：有效波長） 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：單一能量波長的半值層等于連續(xù)X線的半值 層時，此波長稱作有效波長（ eff ） o有效電壓：產(chǎn)生有效波長的最短波長的管電壓，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，此 能量為有效能量。 X線的物理特性 X線與物質的相互作用 oX線與物質的相互作用形式有：相干散射、光電效應、 康普頓效應、電子對效應、光核反應等。 X線的物理特性 相干散射（約占診斷X線的5%） oX線與物質相互作用能發(fā)生干涉的散射過程，稱為相干 散射。 o一個束縛電子吸

13、收入射光子能量躍遷到高能級，隨即放 出一個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，相干散射 不產(chǎn)生電離過程。 o 發(fā)生幾率與物質的原子序數(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 oX線與物質相互作用時，X 線光子能量（hv）全部給 予了物質原子的殼層電子， 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 子本身則被物質的原子吸 收，這一過程稱為光電效 應。光電效應的產(chǎn)物：特 性放射，光電子（負離 子），正離子（缺少電子 的原子）以及俄歇電子。 X線的物理特性 光電效應產(chǎn)生的條件及發(fā)生幾率 o1、光子能量與

14、電子結合能，必須“接近相等”才容易 產(chǎn) 生光電效應。光子的能量要稍大于電子的結合能 或等于電子的結合能。（碘的K層電子結合能為 33.2KeV） o 光子能量的增加，會使光電作用的機率下降，光電效 應與能量的三次方成反比。 o2、軌道電子結合的越緊越容易產(chǎn)生光電效應。 高原子序數(shù)元素比低原子序數(shù)元素的軌道電子結合的 緊。因此比較容易產(chǎn)生光電效應，所以光電效應發(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 光電效應在X線攝影中的實際意義 o一、光電效應不產(chǎn)生有效的散射，對膠片不產(chǎn)生灰霧。 o二、光電效應可增加射線對比度。其發(fā)生幾率與物質原 子序數(shù)

15、的三次方成正比，因此可擴大不同元素所構成的 組織影像對比 o三、光電效應中，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 o當一個光子在擊脫原子 外層軌道上的電子時， 入射光子損失部分能量， 并改變原來傳播方向， 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 康普頓效應發(fā)生幾率 o與物質的原子序數(shù)成正比 o與入射光子的能量呈反比 o與入射光子的波長成正比 X線的物理特性 電子對效應 o一個具有足夠能量的光子，在與靶原子核發(fā)生相互作用 時，光子突然消失，同時轉化為一對

16、正、負電子，這個 作用過程稱為電子對效應。 X線的物理特性 光核反應 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。 o某些核素在進行光核反應時，不但產(chǎn)生中子，而且反應 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線管點焦點、真空傳播的條件下成 立。 o物質也會導致X線的衰減。在診斷X線能量范圍內(nèi)，X線 與物質相互作用形式主要是光電效應和康普頓效應。 在光電效應下：X線光子被吸收 在康普頓效應：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（鋁當量） 指X線機本身的濾過，包括X線管的管壁、絕

17、緣油層、窗口的濾過板。 鋁當量：一定厚度的鋁板和其他物質對X線具有同等量的 衰減時，此濾過板的厚度稱為濾過物質的鋁當量。 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線在物質中的指數(shù)衰減規(guī)律 o I=I0e-X （X=0，I=I0） I0：X線到達物體表面的強度 I：X線到達厚度為X時的強度 X：吸收物質厚度（m） 此法則成立條件有兩個，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，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線強度在物質層 中都以在相同的比例衰減。 o寬束的衰減與

18、吸收物質種類和厚度、X線能量、X線源 與探測器的幾何學的配置等因素有關。 X線的物理特性 衰減系數(shù) o一、線衰減系數(shù) 將X線透過物質的量以長度（m）為單位時，X線的衰減系數(shù)，稱 作線衰減系數(shù)，單位m-1 o二、質量衰減系數(shù) 將X線透過物質的量以質量厚度（kg.m-2）為單位時，X線的衰減 系數(shù)稱作質量衰減系數(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)和電子對效應的衰減愈大。 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)對衰減的影響 o 對高原子序數(shù)的物質（如碘化鈉）在整 個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。對低原子序數(shù)的物質，當 X線能量增加時，透過量增加，而衰減減少； 對高原子序數(shù)物質，當X線能量增加時，透 過量有可能下降。 X線的物理特性 o二、密度對衰減