X線的物理特性

X線的物理學(xué)基礎(chǔ)2021/5/91一、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2021/5/92X線的發(fā)現(xiàn)1895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。1895年11月22日，倫琴用X線為其夫人拍攝了一張手的照片。1901年，倫琴被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2021/5/93X線的產(chǎn)生X線的產(chǎn)生是能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

99%以上的動(dòng)能產(chǎn)生熱量，不到1%的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成X線。X線的產(chǎn)生需要具備4個(gè)條件：

電子源高電壓高真空度適當(dāng)?shù)恼系K物

2021/5/94X線的產(chǎn)生原理X線的產(chǎn)生是高速電子與陽極靶物質(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。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）

2021/5/95連續(xù)放射（韌致放射）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。X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。入min=1.24/kVp（nm）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)度越大。2021/5/96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。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。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。2021/5/97特征放射（標(biāo)識(shí)放射）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。2021/5/98特征放射的X線光子能量與沖擊靶物質(zhì)的高速電子能量無關(guān)，只服從于靶物質(zhì)的原子特性。同種靶物質(zhì)的K系特性放射波長(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。）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。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。

80~150kVp，K特性X線占10%~28%。

150kVp以上，特性X線減少。

2021/5/99X線的本質(zhì)X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?！庾咏M成，光子具有一定的能量和一定的動(dòng)質(zhì)量，但無靜止質(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。2021/5/910X線的特性一、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)。

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。

2021/5/911二、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)。2021/5/912X線的產(chǎn)生效率產(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。

η=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=1.1×10-9，為系數(shù)。2021/5/913X線強(qiáng)度X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）。用管電流（mAs）表示X線的量；用管電壓（KV）表示X線的質(zhì)。2021/5/914影響X線強(qiáng)度的因素X線強(qiáng)度受管電壓、管電流、靶物質(zhì)以及高壓波形的影響。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比。2021/5/915二、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)。

2021/5/916四、高壓波形

X線發(fā)生器產(chǎn)生的高壓都是脈動(dòng)式的。有兩種形式：?jiǎn)蜗嚯娫吹陌氩ê腿ㄈ嚯娫吹?脈沖和12脈沖當(dāng)整流后的脈動(dòng)電壓越接近峰值，其X線強(qiáng)度越大；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。2021/5/917X線質(zhì)的表示方式半值層（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1.5~4mmAL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。電子的加速電壓（管電壓）有效能量：在連續(xù)X線情況下使用這一概念。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。X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。2021/5/918X線強(qiáng)度的空間分布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(guān)。陽極傾角是指垂直于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)象成為陽極效應(yīng)。陽極傾角越小，陽極效應(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。2021/5/919X線的不均等性診斷用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。這種均等度以不均等度h或ω表示。

h=H2/H1（H1：第一半值層；H2：第二半值層）或ω=λeff/λ0

（λ0：最短波長(zhǎng)，λeff：有效波長(zhǎng)）均等X線下，h=1，

ω=1，不均等X線h＞1，ω＞1。2021/5/920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)（λeff

）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。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。2021/5/921X線與物質(zhì)的相互作用X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。2021/5/922相干散射（約占診斷X線的5%）X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。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。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2021/5/923光電效應(yīng)X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。2021/5/924光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件及發(fā)生幾率1、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)合能為33.2KeV）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。2、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。2021/5/925光電效應(yīng)在X線攝影中的實(shí)際意義一、光電效應(yīng)不產(chǎn)生有效的散射，對(duì)膠片不產(chǎn)生灰霧。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。2021/5/926康普頓效應(yīng)當(dāng)一個(gè)光子在擊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。2021/5/927康普頓效應(yīng)發(fā)生幾率與物質(zhì)的原子序數(shù)成正比與入射光子的能量呈反比與入射光子的波長(zhǎng)成正比2021/5/928電子對(duì)效應(yīng)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)。2021/5/929光核反應(yīng)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)。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。2021/5/930X線的吸收與衰減X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，它在X線管點(diǎn)焦點(diǎn)、真空傳播的條件下成立。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2021/5/931X線的濾過一、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。

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

2021/5/932X線在物質(zhì)中的指數(shù)衰減規(guī)律I=I0e-μX

（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。

2021/5/933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。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)。2021/