第3章 X射线的产生

放射物理与防护,主讲：魏冀,第一节 X射线的发现及用途第二节 X射线的本质与特性第三节 X射线的产生条件及装置第四节 X射线的产生原理第五节 X射线的量与质第六节 X射线的产生效率第七节 X射线辐射场的空间分布,第三章 X射线的产生,第一节 X射线的发现及用途,一、X射线的发现过程,1895年11月8日，德国理学家威廉康拉德伦琴在德国沃兹堡大学实验室用克鲁克斯管研究高真空下放电现象时，意外发现X射线。,威廉康拉德伦琴,第一节 X射线的发现及用途,一、X射线的发现过程,1901年,伦琴荣获了当年度首届诺贝尔物理学奖。,德国沃兹堡大学物理研究所（上图）,伦琴发现X线的实验室（左图）,第一节 X射线的发现及用途,1,X射线发展简史,X射线是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1895年、放射线1896年、电子1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生,劳厄发现了X射线晶体衍射现象，证明其波动性，布拉格公式解释了劳厄的实验,英国物理学家巴克拉发现X射线的偏振现象,老布拉格于1913年1月设计出第一台X射线光谱仪,并利用这台仪器，发现了特征X射线。,英国物理学家莫塞莱发现X射线谱,瑞典物理学家凯.西格班开创了X射线光电子能谱学XPS ，为探测物质结构提供了非常精确的方法,贾科尼领导研制世界上第一个宇宙X射线探测器发射，“发现宇宙X射线源”方面取得的成就导致了X射线天文学的诞生，在光学波段之外又开辟了一个认识宇宙的窗口，使人们看到了一个布满X射线源的天空,1896年2月，苏格兰医生约翰麦金泰在格拉斯哥皇家医院设立了世界上第一个放射科。,第一节 X射线的发现及用途,二、X射线的用途,2.工业领域,晶体结构分析工业探伤货运集装箱透视检查科学研究半导体、机械加工,第二节 X射线的本质与特性,一、X射线的本质,X射线的本质属于电离辐射。频率为 波长为,第二节 X射线的本质与特性,从无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、射线，构成了范围非常广阔的电磁波谱，最长的波长是最短的波长的1021倍以上,从无线电波到射线，都是本质上相同的电磁波，它们的行为服从共同的规律。不同的电磁波，产生的机理不同；不同的电磁波，因频率不同，表现出不同的特性,在电磁波谱中，X射线的波长范围约为 0.005 nm 到 10 nm，相当于可见光波长的 10万分之一 到 50 分之一 。,第二节 X射线的本质与特性,一、X射线的本质,X射线具有电磁波的共性：波动性和粒子性,（一）X射线具有波动性,X射线与可见光一样，具有衍射、偏振、反射、折射等现象，说明X射线具有波动性。X线波动性主要表现在以一定的波长和频率在空间传播。它是一种横波，其传播速度在真空中与光速相同。,max2200PC型X射线衍射仪,第二节 X射线的本质与特性,一、X射线的本质,X线具有电磁波的共性：波动性和粒子性,（二）X射线具有粒子性,X射线的粒子性能解释X射线的光电效应、荧光作用、电离作用等过程。依据量子论学说以及相对论的原理则：,第二节 X射线的本质与特性,二、X射线的基本特性,（一）物理特性,（三）生物特性,（二）化学特性,第二节 X射线的本质与特性,二、X射线的基本特性,（一）物理特性,1.X射线不可见，在均匀、各向同性的介质中直线传播2.X射线不带电 经过电、磁场时不发生偏转3.X射线穿透性 透视、摄影、CT等检查手段 按人体组织对X射线透射性能的不同分为三类：,第二节 X射线的本质与特性,二、X射线的基本特性,（一）物理特性,4.X射线荧光性 使物质发出荧光5.X射线电离作用 放射治疗（损伤性）6.X射线热作用 使物体升温（量热法）7.X射线波动性 波长测定、物质结构分析,X射线透视荧光屏增感屏影像增强器闪烁计数器,第二节 X射线的本质与特性,二、X射线的基本特性,（三）生物效应特性,（二）化学特性,1.感光作用 X射线摄影和工业无损探伤检查2.着色作用 脱水作用（结晶体脱水改变颜色）,X射线对生物组织、细胞具有损伤的作用，称为X射线的生物效应。X射线对人体不同组织的损伤程度是不同的。,第三节 X射线的产生条件及装置,第三节 X射线的产生条件及装置,一、X射线的产生条件,在高真空管内高速行进成束的电子流撞击阳极靶(钨、钼等)时与原子核或内层电子相互作用而产生X射线，即高速电子流和靶物质相互作用的结果产生X线。归纳来讲，产生X线必须具备三个条件。,第三节 X射线的产生条件及装置,一、X射线的产生条件,电子源(加热后得到并通过电场的作用力奔向阳极) 适当的靶物质(用高原子序数、高熔点的钨制成阳极) 高速电子流(A高电压产生的强电场B真空度高的空间),第三节 X射线的产生条件及装置,二、X射线的发生装置,1.X射线机（装置）定义：电能 X射线能2.X射线机分类,诊断机：用于透视、摄影和各种特殊检查的统称为诊断X射线机（CT、MRI、DSA）。,治疗机：用于疾病治疗的统称为治疗X射线机(加速器、Co60治疗机)。,第三节 X射线的产生条件及装置,二、X射线的发生装置,3.X射线机的构成：,主机,机械及其辅助设备,X线管高压发生器控制台,第三节 X射线的产生条件及装置,二、X射线的发生装置,3.玻璃管套：是一个高真空度的空间，主要对阳极和阴极起固定作用。,2.阳极（靶）：它能使高速电子突然受阻而产生X射线。,1.阴极（电子源）：其作用是按需要提供足额数量的电子，经聚焦加速后撞击阳极而产生X射线。,第三节 X射线的产生条件及装置,二、X射线的发生装置,X射线的发生装置基本原理电路,第三节 X射线的产生条件及装置,X射线管的工作原理,高压电源提供管电压KV,管电流mA,低压电源提供管电流,说明: 高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99左右）能量转变成热能使物体温度升高。,二、X射线的发生装置,第三节 X射线的产生条件及装置,依据 1,依据 2,光子总能量近似与原子序数 Z 2成正比，所以Z愈大则发生X射线的效率愈高。,熔点高且原子序数大的金属，如钨、钼,阳极靶材料的选择：,二、X射线的发生装置,第三节 X射线的产生条件及装置,阳极靶的降温措施：,旋转阳极转靶,用导热系数较大材料铜,二、X射线的发生装置,第四节 X射线的产生原理,一、电子与物质的相互作用,电子在碰撞过程中的能量损失分为碰撞损失和辐射损失。 碰撞损失(collision loss)只涉及原子的外层电子，这部分能量将全部变为热。 辐射损失(radiation loss)涉及内层电子和原子核。,第四节 X射线的产生原理,1.当电子处于较低能量时，能量损失主要是碰撞损失，靶原子外层电子的激发和电离占相当大的比例（原子序数较低时表现尤其明显）。 2.当电子处于高能量时，能量损失由碰撞损失逐渐转为辐射损失（原子序数较高时表现尤其明显，比如钨、钼）。,碰撞损失和辐射损失的区别与联系：,一、电子与物质的相互作用,第四节 X射线的产生原理,二、两种X射线的产生原理,连续X射线：X射线谱特点为连续的,特征X射线：X线射谱特点为线状的,X射线管发出的X线是由连续X射线和特征X射线（标识X射线）两部分组成的混合射线。,第四节 X射线的产生原理,连续X射线 连续谱,标识X射线 标识谱,二、两种X射线的产生原理,第四节 X射线的产生原理,（一）连续X射线的产生原理,轫致辐射(bremsstrahlung radiation)：又称连续放射，是高速电子流撞击阳极靶面时，与靶物质的原子核相互作用而产生的、连续波长的X射线(连续X线)的过程。,1.连续X射线产生的物理过程,第四节 X射线的产生原理,（一）连续X射线的产生原理,由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同（如左图），且每个电子与靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用对应的辐射损失也不同，因而发出的X光子频率也互不相同。,第四节 X射线的产生原理,（一）连续X射线的产生原理,使用钨靶保持管电流不变，将管电压从20kV增加到50kV时，测量各波段的相对强度而绘成的连续X线谱（如右图）,第四节 X射线的产生原理,（一）连续X射线的产生原理,2.连续X线的最短波长min：,式中，U的单位为kV，min的单位为nm。可见，连续X射线的最短波长只与管电压有关。,第四节 X射线的产生原理,（一）连续X射线的产生原理,3.影响连续X射线的因素：,第四节 X射线的产生原理,（二）特征X射线的产生原理,当电子的能量(加速电压) 超过某一临界值时,除有连续谱外,还在连续谱的背景上迭加 一些线状谱。对于钨靶,管电压在70kV以上产生的X射线谱,X射线特征谱是巴拉克于1906年发现的。他观察到连续谱上出现一系列分立谱线，并用K、L、M字母标识，因特征谱的发现使他获1917年的诺贝尔物理奖。,第四节 X射线的产生原理,（二）特征X射线的产生原理,1.特征X射线产生的物理过程,产生线状光谱X线的过程与管电压无关，完全由靶材料的性质决定，它表征靶物质的原子结构特性，而与其它因素无关。通常把这种辐射称为特征辐射，也称为标识辐射(characteristic radiation)由此产生的X射线称为特征X射线。,第四节 X射线的产生原理,（二）特征X射线的产生原理,h为特征X光子能量(即跃迁过程中释放的能量);E2为跃迁前的能量 ;E1为跃迁后的能量。 不同的靶物质发出的X射线的波长不同，原子序数越高，产生的X射线波长越短。特征X射线与X射线管的管电流无关。,第四节 X射线的产生原理,（二）特征X射线的产生原理,K系激发：K层电子被激出的过程K系辐射：外层电子跃迁到K层上所辐射出的特征X射线。K、K谱线：电子由LK，MK所引起的K系辐射。,第四节 X射线的产生原理,（二）特征X射线的产生原理,第四节 X射线的产生原理,（二）特征X射线的产生原理,2.特征X射线的激发电压,靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合能（W）只有当入射高速电子的动能大于其结合能时，才有可能被击脱造成电子空位，产生特征X线。入射电子的动能完全由管电压决定。,管电压必须满足下式的关系,给定的靶原子，各线系的最低激发电压大小按其相应的电子空位所产生的壳层内电子结合能大小有以下关系。,第四节 X射线的产生原理,（二）特征X射线的产生原理,3.影响特征X射线强度的因素：,K系特征X线的强度,K系特征X线的强度与管电流成正比，管电压大于激发电压时才发生K系放射，并随管电压的升高K系强度迅速增大。,第五节 X射线的量与质,一、概念及其表示方法,（一）物理角度对X射线的量与质定义,1.X射线的量：在单位时间内X线线束内的光子数 。,单色X线强度,复色X线强度,2.X射线的质：X线穿透物质的本领或者光子的能量。,第五节 X射线的量与质,一、概念及其表示方法,（二）临床角度对X线的量和质定义,1.X线的量：管电流决定X射线的量,X射线管的管电流决定于阴极灯丝电流，管电流愈大表明阴极发射的电子数愈多，则电子撞击阳极靶产生的X射线量也愈多。在实际放射工作中，一般是用管电流和照射时间的乘积来表示X射线的量。,【例】一次拍片需要的X线量为 ，就可以选择 或者,第五节 X射线的量与质,一、概念及其表示方法,（二）临床角度对X线的量和质定义,2.X射线的质（硬度）：管电压决定X射线的质,X射线管通常用表示X射线穿透能力的半价层来表示X射线的质，半价层就是使一束X射线的强度减弱到其初始值一半时所需要的标准物质的厚度。 诊断用X线通常用铝作为表示半价层的物质，半价层愈大表示X射线的质愈硬。,第五节 X射线的量与质,一、概念及其表示方法,软X射线,极软X射线,极硬X射线,硬X射线,软X射线,硬X射线,X射线的不同硬度在医学上的应用,第五节 X射线的量与质,二、影响X射线量的因素,1.管电流对X射线量的影响,管电流越大表明阴极发射的电子越多，因而电子撞击阳极靶产生的X射线的量也越大，发射出的X射线的强度也就越大。,图中看到100mA和250mA的两条曲线，其X射线最短波长和最长波长都完全一样，只是曲线下所包围的面积不同。显然管电流大的X射线量大，反之就小。,第五节 X射线的量与质,二、影响X射线量的因素,2.管电压对X射线量的影响,当管电流不变时，随着管电压从20kV升高到50kV，其辐射的总量增大，图中曲线下所包围的总面积代表X线的总强度。因此，X线的量（强度）与管电压的平方成正比。,第五节 X射线的量与质,二、影响X射线量的因素,3.靶物质的原子序数对X射线量的影响,在管电压、管电流、投照时间相同的情况下，阳极靶的原子序数愈高，X射线的量愈大。,从图中可见，曲线的两个端点都重合。其高能端重合，说明了X射线谱的最大光子能量与管电压有关，而与靶物质无关；低能端重合是因为X射线管固有滤过的限制，低能成份被管壁吸收的缘故。,第五节 X射线的量与质,三、影响X射线质的因素,一般来讲，X射线的质仅取决于管电压的大小。无论何种靶物质，在一定管电压下所产生的连续X射线谱的最短波长和最长波长是相同的。峰值辐射强度发生在相同能量光子处。光子的最大能量完全由管电压控制。,第六节 X射线的产生效率,一、产生效率的定义：,X线管中产生的X线能与加速电子所消耗电能的比值。,二、影响因素,X线的产生效率与管电压和靶物质的原子序数成正比。,k为常数，约等于,第六节 X射线的产生效率,钨靶X线管和加速器产生X线的效率,结论：X线管产生X线的效率极低，一般不足1，而绝大部分的高速电子能都在阳极变为了热能，使阳极靶面的温度很高。,第六节 X射线的产生效率,【例】 钨（Z=74）靶X线管，当管电压为120kV时X射线的产生效率是多少？,解：,X线的输入功率为1000W,X线的辐射功率为11W,转变成的热能功率为989W,第七节 X射线强度的空间分布,X射线辐射场的空间分布主要受入射电子的能量、靶物质（原子序数）及靶厚度（薄靶、厚靶）的影响。,空间分布的定义：,从X射线管焦点上产生的X射线，在空间各个方向上的分布是不均匀的，即在不同的方位角上的辐射强度是不同的。这种不均匀的分布称为X射线强度空间分布或称辐射场的角分布。,空间分布的影响因素：,第七节 X射线强度的空间分布,1.薄靶周围X射线强度的空间分布,X射线强度的角度分析,第七节 X射线强度的空间分布,1.薄靶周围X射线强度的空间分布,薄靶周围X射线强度的角分布,图示一薄靶在不同管电压下产生的X射线强度在靶周围分布的变化情况。工作电压在100kV左右时，X线在各方向上强度基本相等。当管电压升高时，X线最大强度方向逐渐趋向电子束的入射方向，其它方向的强度相对减弱，X线的强度分布趋于集中。,第七节 X射线强度的空间分布,2.厚靶周围X射线强度的空间分布,厚靶周围X射线强度的空间分布,图