醫(yī)學(xué)物理學(xué)新書第16章

第16章X射線"inrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedbythediscoveryoftheremarkablerayssubsequentlynamedafterhim"TheNobelPrizeinPhysics1901WilhelmR?ntgen一、X射線發(fā)生裝置第一節(jié)X射線的產(chǎn)生X射線發(fā)生的基本條件①高速運(yùn)動(dòng)的電子流②阻止電子流運(yùn)動(dòng)的障礙物——靶

2.X射線發(fā)生裝置X射線管、低壓電源、高壓電源、整流裝置。（1）X射線管

(X-raystube)由鎢絲制成，單獨(dú)用低壓電源供電，以加熱鎢絲發(fā)射熱電子

用銅制成圓柱體和鎢板制成，圓柱體的端面做成斜面，正對(duì)陰極，接收陰極電子。在陽極斜面正對(duì)電子流的位置處嵌有一小塊鎢片，作為電子轟擊的目標(biāo)。通常稱為鎢靶是接受高速電子流撞擊的靶。阻止高速運(yùn)動(dòng)的電子的運(yùn)動(dòng)。陽極:靶：陰極:管電壓(tube-voltage):在陰極和陽極之間加上幾十kV到幾百kV的高電壓，形成強(qiáng)電場(chǎng)。X射線管兩極之間的電壓稱為管電壓，以kV為單位。測(cè)量管電壓的電壓表是千伏計(jì)管電流(tube-current):陰極發(fā)出的熱電子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下加速，變成高速電子飛向陽極，形成管電流。通過X射線管的電流稱為管電流，以mA為單位（2）降壓變壓器(step-downtransformer)供給燈絲加熱，發(fā)射熱電子。燈絲電壓很低，降壓變壓器將220v的電壓降到10多伏，供給燈絲加熱，發(fā)射出熱電子。調(diào)節(jié)燈絲電路中的可變電阻R可以控制燈絲電流的大小，以改變鎢絲發(fā)射的熱電子的數(shù)目，從而控制管電流的大小。（3）升壓變壓器(step-uptransformer)供給X射線管的管電壓。旋轉(zhuǎn)開關(guān)S，改變?cè)€圈的圈數(shù)，改變管電壓的大小。S（4）全波橋式整流器

(full-wavebridge-typerectifier)S有四個(gè)二極管組成全波整流器，將交變的高壓變?yōu)橹绷鞲邏骸４送?，X射線發(fā)生裝置還應(yīng)包括燈絲穩(wěn)壓線路、延時(shí)電路和限時(shí)器、控制X射線管運(yùn)動(dòng)的裝置及自動(dòng)保護(hù)設(shè)備等部分。3.X射線產(chǎn)生的效率高速電子轟擊陽極靶時(shí)，電子動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎蚗射線能。電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿哪芰考s為99.8％電子動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閄光子的能量約為0.2%3.X射線產(chǎn)生的效率陽極溫度升高，陽極材料應(yīng)選用熔點(diǎn)高、散熱好，Z高的物質(zhì)。因此，用銅做陽極，散熱效果好，在端面嵌鎢片，耐高溫，Z高。X射線的轉(zhuǎn)化效率，同樣速度和數(shù)目的電子轟擊原子序數(shù)Z不同的各種物質(zhì)做成的靶，產(chǎn)生X射線光子的總數(shù)和光子總能量與Z2成正比。Z，產(chǎn)生X射線效率。按照X射管的功率的大小，陽極還將采用散熱片通風(fēng)冷卻，或把陽極做成中空的，用流動(dòng)的冷卻油進(jìn)行降溫，或把整個(gè)X射線管完全浸在絕緣油中。4、有效焦點(diǎn)和實(shí)際焦點(diǎn)1.高速電子流在靶面上轟擊的實(shí)際面積稱為實(shí)際焦點(diǎn).

圖中ab為實(shí)際焦點(diǎn)2.實(shí)際焦點(diǎn)的投影面積稱為有效焦點(diǎn)

圖中absin為有效焦點(diǎn)

是靶面與垂直于電子流方向間的夾角

有效焦點(diǎn)

，圖像愈清晰。但不易散熱。在實(shí)際應(yīng)用中，還可將固定陽極改為旋轉(zhuǎn)陽極。旋轉(zhuǎn)陽極是一個(gè)鎢盤，高速電子束轟擊的區(qū)域a×b不是固定在一處，而是均勻地分布在整個(gè)環(huán)面上，這樣熱量就分散在整個(gè)鎢盤上，從而避免了局部溫度過高的情形。

實(shí)際焦點(diǎn)的大小和燈絲的形狀有關(guān)，長燈絲所形成的焦點(diǎn)叫大焦點(diǎn)，短燈絲形成的焦點(diǎn)叫小焦點(diǎn)。一般診斷用的X射線管采用小焦點(diǎn)，而治療用X射線管則采用大焦點(diǎn)，因?yàn)橹委煏r(shí)需要X射線功率較高。二、X射線的強(qiáng)度與硬度1.單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于X射線方向單位面積的X光子的能量稱為X射線的強(qiáng)度，用I表示。I表示X射線量的多少。單位：W·m-2設(shè)單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于X射線方向的單位面積上的光子數(shù)目為N，

在臨床上，通常是在管電壓保持一定的條件下，通過調(diào)節(jié)管電流來控制X射線的強(qiáng)度。在醫(yī)學(xué)中常用管電流的mA數(shù)來表示X射線的強(qiáng)度。

通常的管電流在幾個(gè)mA或幾十mA。短時(shí)間暴光的管電流可達(dá)百mA以上。要改變X射線的強(qiáng)度，既可以改變管電流，也可以改變管電壓。S可以通過調(diào)節(jié)燈絲電流的方法改變管電流，從而達(dá)到調(diào)節(jié)X射線強(qiáng)度的目的。

X射線的照射具有累積效應(yīng)，必須考慮照射時(shí)間。在t時(shí)間內(nèi)，X射線的總輻射能量等于It。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，用管電流的毫安數(shù)(mA)與輻射時(shí)間(s)的乘積表示，即t時(shí)間內(nèi)X射線的能量=管電流mA數(shù)×?xí)r間t(mA·s)2.X射線的硬度X射線對(duì)物質(zhì)穿透能力的大小稱為

X射線的硬度，它是表示X射線的“質(zhì)”，X射線的硬度決定于X射線的波長(即X射線的能量)，而與光子數(shù)目無關(guān)。X射線管兩端的管電壓愈高，則轟擊靶面的電子動(dòng)能愈大，發(fā)射光子的能量也愈大。而能量愈大的光子愈不易被物質(zhì)吸收，即管電壓愈高產(chǎn)生的X射線愈硬。因此，在醫(yī)學(xué)上通常用管電壓的kV數(shù)來表示X射線的硬度。

調(diào)節(jié)管電壓即可控制X射線的硬度，

U，h，，硬度根據(jù)X射線的用途，醫(yī)學(xué)上把X射線按硬度分為極軟、軟、硬和極硬四類，它們的管電壓、波長及用途見表13-1。名稱管電壓(kV)最短波長(nm)主要用途極軟X射線5～200.25～0.062軟組織攝影、表皮治療軟X射線20～1000.062～0.012透視和攝影硬X射線100～2500.012～0.005較深組織治療極硬X射線

250以上0.005以下深部組織治療表13-1X射線按硬度的分類

第二節(jié)

X射線譜通常X射線發(fā)生裝置產(chǎn)生的X射線包含各種不同波長的成分，通過X射線攝譜儀得到的強(qiáng)度按照波長排列的圖譜，稱為X射線譜.X射線譜是由兩部分組成：連續(xù)X射線譜或連續(xù)譜，標(biāo)識(shí)X射線譜。一、連續(xù)X射線譜1．產(chǎn)生機(jī)制由于各個(gè)電子運(yùn)動(dòng)的軌跡到原子核的距離不同，速度變化情況也各不一樣，所以每個(gè)電子損失的動(dòng)能會(huì)不同，這樣輻射出來的光子能量也會(huì)擁有不同的數(shù)值，從而形成具有各種頻率的連續(xù)X射線譜。

韌致輻射產(chǎn)生連續(xù)X射線譜。韌致輻射當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的電子接近原子核場(chǎng)是，電子在原子核場(chǎng)的強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，電子的運(yùn)動(dòng)速度和方向都發(fā)生急劇的變化而損失動(dòng)能，損失的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，以光子h的形式輻射出來，這種輻射稱為韌致輻射。2．連續(xù)譜特性X射線的波長連續(xù)變化，有一強(qiáng)度極大值對(duì)應(yīng)的波長Imax，有一最短波長min——短波極限在一定管電壓下連續(xù)X射線與靶原子序數(shù)Z以及管電壓U有關(guān)。Z原子核場(chǎng)減速電子的作用Ek放出的hI存在短波極限，說明在一定管電壓下，電子與核電場(chǎng)作用時(shí)，電子的動(dòng)能全部變成X光子的能量，這個(gè)光子的能量最大，頻率最高，對(duì)應(yīng)的波長最短，即U的單位：kV。U，minUminhI二、標(biāo)識(shí)X射線譜

1．產(chǎn)生機(jī)制高速運(yùn)動(dòng)的電子與靶原子的內(nèi)層電子相互作用(碰撞)，把能量傳遞給內(nèi)層電子，內(nèi)層電子跑出原子，使原子處于激發(fā)狀態(tài)，高能狀態(tài)的電子要填補(bǔ)電子的空位，并將多余的能量以光子的形式放射出來，形成標(biāo)識(shí)X射線。如被打出去的是K層電子，則空出來的位置就會(huì)被外面的L層、M層或更外層的電子填補(bǔ)，并在躍遷過程中發(fā)出標(biāo)識(shí)X射線，其射線能量等于兩個(gè)能級(jí)的能量差。Kα線：Kβ線：Kγ線：這樣發(fā)出的譜線，通常以Kα、Kβ、Kγ…表示，稱為K線系不同能級(jí)的電子到達(dá)同一殼層的空位時(shí)發(fā)出的譜線組成一個(gè)線系，在一個(gè)線系中有一個(gè)最短的波長，是由自由電子（或近似認(rèn)為是最外一層的電子）進(jìn)入該空位時(shí)產(chǎn)生。如果空位出現(xiàn)在L層，電子遷過程中發(fā)出標(biāo)識(shí)X射線，這樣發(fā)出的譜線，通常以Lα、Lβ、Lγ…表示，稱為L線系…靶原子內(nèi)層電子的躍遷產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線譜2．標(biāo)識(shí)譜特性對(duì)于一定的靶物質(zhì)的原子，標(biāo)識(shí)譜線的波長是一個(gè)定值，與管電壓無關(guān)；由于每一種元素都有其特定波長的線狀X射線譜，可成為這種元素的標(biāo)識(shí)，所以叫做標(biāo)識(shí)X射線譜。3．X射線微區(qū)分析每一種元素都有其特定波長的標(biāo)識(shí)X射線譜，可以利用這一特征對(duì)未知元素成份的物體進(jìn)行成分分析。用很細(xì)的電子射線束去轟擊由未知元素組成的樣品，采集樣品中所含有的元素發(fā)出的標(biāo)識(shí)X射線譜，根據(jù)譜特征，便可以確定樣品的成分。由于電子射線束非常細(xì)，所以通常叫做電子探針，被轟擊的區(qū)域也很微小，通常稱為微區(qū)。所以這種分析樣品的方法，稱為X射線微區(qū)分析，或者電子探針微區(qū)分析。

第三節(jié)X射線的性質(zhì)一、X射線的性質(zhì)

1．電離作用X射線能使物質(zhì)中的原子和分子電離。在X射線的照射下，氣體能夠電離導(dǎo)電，電離電流與X射線的強(qiáng)度成正比。因而，用電離可以測(cè)量X射線的強(qiáng)度。2．熒光作用X射線照射到許多物質(zhì)上，如磷、鉑氫化鋇、硫化鋅等物質(zhì)上，能使物質(zhì)發(fā)出熒光。3．光化學(xué)效應(yīng)X射線能使很多物質(zhì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。它能使照相底片感光，這就是X射線的光化學(xué)作用，在醫(yī)學(xué)中，用X射線的光化學(xué)作用照片。4．貫穿作用X射線穿透物質(zhì)的能力就是X射線的貫穿作用或貫穿本領(lǐng)。不同的物質(zhì)貫穿本領(lǐng)不同，醫(yī)學(xué)上，根據(jù)這一性質(zhì)，用于人體透視和照片，進(jìn)行診斷和治療。5．生物效應(yīng)X射線照射生物體能使生物體的細(xì)胞損傷、生長受到抑制甚至死亡，這就是X射線的生物效應(yīng)。它是放射治療的基礎(chǔ)。放射工作者必須對(duì)X射線加以防護(hù)。二、X射線的衍射1．X射線衍射的原理晶體成為X射線的衍射光柵

1912年勞厄用晶體衍射方法證明了X射線具有波動(dòng)性，從而揭示了X射線的本質(zhì)。通過X射線的晶體衍射，也對(duì)X射線譜進(jìn)行研究，測(cè)量了X射線的波長。勞厄的X射線衍射1913年，英國布拉格父子用另一種方法研究了X射線衍射。當(dāng)一束平行的單色X射線（波長為）以掠射角射到晶體上時(shí)，射線與各層（晶體可分為很多層原子層）原子接觸，形成散射中心，向各個(gè)方向發(fā)出散射線，在各層原子層中所散射的子波射線中，只有按反射定律反射的射線才會(huì)產(chǎn)生干涉加強(qiáng)或削弱，這里重要的是干涉加強(qiáng)。根據(jù)干涉加強(qiáng)的條件，相鄰兩層的反射線的波程差為2dsin=k，k=1，2，3，…產(chǎn)生相長干涉，即產(chǎn)生加強(qiáng)反射。上式稱為布拉格定律(Bragglaw)。

根據(jù)布拉格定律可得到X射線的波長為根據(jù)上述基本原理，布拉格父子設(shè)計(jì)出了X射線攝譜儀。X射線攝譜儀既能用于觀察X射線衍射，又可用于拍攝X射線譜。其裝置原理如圖所示。有狹縫的鉛屏稱為準(zhǔn)直器。2．X射線結(jié)構(gòu)分析

X射線衍射可以用于研究晶體結(jié)構(gòu)。同樣方法也可在生物醫(yī)學(xué)上研究有機(jī)體如細(xì)胞和蛋白質(zhì)等的精細(xì)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在這種研究已經(jīng)發(fā)展成一門獨(dú)立學(xué)科，稱為X射線結(jié)構(gòu)分析。第四節(jié)

物質(zhì)對(duì)X射線的衰減規(guī)律當(dāng)X射線進(jìn)入物質(zhì)以后，射線與物質(zhì)相互作用，X射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線通過一定厚度的物質(zhì)以后，在原入射方向上，X射線強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象叫做物質(zhì)對(duì)X射線的吸收或X射線在物質(zhì)中的衰減。一、單色X射線的吸收規(guī)律1．吸收規(guī)律一束單色X射線束的強(qiáng)度為I0，進(jìn)入吸收物質(zhì)的厚度為L處的強(qiáng)度為Iμ稱為吸收物質(zhì)的線性吸收系數(shù)。負(fù)號(hào)表示X射線在吸收物質(zhì)中的強(qiáng)度隨厚度的增加而減弱。

I0IL2．線性吸收系數(shù)μμ相當(dāng)于X射線通過單位厚度的物質(zhì)后強(qiáng)度減弱的分?jǐn)?shù)值

L的單位：cm，μ的單位：cm-1μ表示物質(zhì)對(duì)X射線吸收本領(lǐng)的大小。μ越大，則物質(zhì)的吸收本領(lǐng)越大，射線在物質(zhì)中的強(qiáng)度減弱得越快。3.質(zhì)量吸收系數(shù)μm

物質(zhì)的線性吸收系數(shù)μ與密度ρ的比值稱為質(zhì)量吸收系數(shù)。用μm表示

，即它表示X射線通過單位質(zhì)量厚度后強(qiáng)度吸收的分?jǐn)?shù)值，常用單位為cm2·g-1。μm僅與物質(zhì)的特征有關(guān)，而與物質(zhì)的密度和狀態(tài)無關(guān)。

用μm表示物質(zhì)對(duì)X射線吸收的宏觀規(guī)律為：式中，Lm稱為質(zhì)量厚度，它等于單位面積中厚度為L的吸收層質(zhì)量，單位為g·cm-2。

μm與X射線的波長和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z的關(guān)系為：

式中k為比例系數(shù)，Z是吸收物質(zhì)的原子序數(shù)，是X射線的波長，

在3與4之間，與吸收物質(zhì)和射線波長有關(guān)。吸收物質(zhì)為水、空氣和人體組織時(shí)，醫(yī)學(xué)上常取3.5。

一定時(shí)，m

ZZ一定時(shí)，m34．半價(jià)層物質(zhì)對(duì)X射線強(qiáng)度吸收一半的厚度，叫做該物質(zhì)的半價(jià)層。用或表示。用半價(jià)層表示物質(zhì)對(duì)X射線的吸收規(guī)律為當(dāng)時(shí)，X射線通過的厚度為例：X射線被物質(zhì)吸收時(shí)，要經(jīng)過多少個(gè)半價(jià)層，強(qiáng)度才減少到原來的解：因?yàn)榻?jīng)過4個(gè)半價(jià)層后，強(qiáng)度變?yōu)樵瓉淼亩?、連續(xù)X射線的吸收規(guī)律對(duì)于醫(yī)學(xué)上常用的低能X射線，光子能量在數(shù)十到數(shù)百keV之間，包含有各種不同的波長。由于各種物質(zhì)的吸收都與射線波長有關(guān)，所以，這種含多種波長的