放射卫生与防护第四章

第四章X射线的产生及特性,第一节射线的产生,（一）高速粒子与阳极靶面的相互作用射线：高速粒子与阳极靶面相互作用的结果。阳极靶面：核电场、轨道电子的结合能、原子处于最低能态动能热能和电磁能（X线）,高速电子能量损失分为碰撞损失和辐射损失两种。高速电子动能左右都在碰撞损失中转换为热能，以辐射射线光子的形式而损失能量这部分能量约占高速电总动能的百分之零点几X射线管中，X射线的转换效率是很低的。,作用过程：1、电离2、激发3、弹性散射4、韧致辐射,（二）产生射线的必备条件,一、电子源二、高速电子流：高电压产生的强电场，使电子从中获得高速运动能。：高真空度的空间，使电子在高速运动中免遭气体分子的阻挡而降低能量，同时也能保护灯丝不致因氧化而被烧毁三、阳极靶面,(三）X射线产生的过程1、接通电源，经降压变压器供X射线管灯丝加热，产生自由电子并云集在阴极附近。2、外压变压器向X射线管两极提供高压电时，,阴极,阳极,电势差,自由电子,钨靶,1%X射线,99%热能,3、电子运行的速度及其撞击钨靶后动能所损耗的程度X线的质高压变压器的电压电子运行速度动能损耗X线波长短，穿透能力强（X线管电压高，以KV计）4、通过X线管电流大小X线的量电流灯丝越热电子撞击在钨靶上的电子数量（X线管电流很小，以mA计）,决定,决定,第二节射线发生系统及其特性,医用线机分诊断机和治疗机两大类。基本结构由主机、机械、及辅助设备等几部分组成。主机为线机的基本组成部件，由线管、高压发生器、控制台三部分组成。,1、构造和作用特点：高真空度电子由热阴极发射X线量和质可任意调节组成：阳极、阴极、玻璃壳,（一）、固定阳极X线管,优点：结构简单、价格低缺点：焦点尺寸大、瞬时负载功率小,一、X线管,1.阳极作用：吸引电子、加速电子二次电子和散射线、阻止高速电子运动而产生X线，同时产生的热量传导或辐射出去。结构：阳极头：包括靶面和铜体靶面材料应选用高熔点、蒸发率低，且X线发射率较高的钨制成(钨的熔点为337)。但钨的导热率小，可通过真空熔焊的方法把钨焊接在无氧铜体上，以便具有良好的散热能力。,阳极罩：无氧铜制成，其作用是吸收二次电子和散射线。高速电子轰击靶面时，会有少量电子从靶面反射出来，称为二次电子。二次电子若轰击在玻璃壳上，会使玻璃壳温度升高而放出气体，降低管内真空度，甚至击穿玻璃漏气；二次电子若经过聚焦，当它撞击到玻璃壳或阴极时也可能再次轰击靶面，辐射出大量的散射线，严重地影响成像质量。阳极柱：由紫铜制成，是阳极引出管外的部分，并与阳极头的铜体相连，浸在变压器油中把热量传导出去，提高阳极的散热效率。,2.阴极作用：作用是发射热电子和聚焦，使打在靶面上的电子束具有一定的形状和大小，形成X线的焦点。结构：灯丝：由钨制成，绕成螺管状，作用是发射电子。为了适应同一个X线管不同使用功率的要求，一般装配有长短两根灯丝，形成双焦点X线管。阴极具有三根引线，其中一根为公用丝，其余为大小灯丝的另一根引线。,集射罩作用是对灯丝发射电子进行聚焦。当灯丝发射大量电子后，接通高压时，电子将以高速飞向阳极。由于电子之间相互排斥作用，致使电子呈散射状，特别是在阳极电压较低的情况下，散射更为显著。为了能使电子集中成束飞向阳极，将灯丝装入一个用镍或铁镍合金等制成的长方形罩中，即集聚罩。集聚罩与灯丝的一端相接，从而获得与灯丝相同的负电位，并借其几何形状，迫使电子成束状飞向阳极，达到聚焦的目的。,3.玻璃壳作用是用来支撑阴阳两极和保持管内真空度。多采用耐高温、绝缘强度高膨胀系数小的钼玻璃制成。因钼玻璃与铜的膨胀系数不同，不宜直接焊接，其间镶接一个与钼玻璃膨胀系数相近的铁、镍合金圈，以避免因温度变化使玻璃破裂和漏气。有的X线管还将X线射出口处的玻璃加以研磨，使其略薄，以减少玻璃对X线的吸收。为防止X线管管内气体放电，保证阴极发射的电子能畅通无阻挡地高速飞向阳极，管内的真空度应保持在l33.3l0-7Pa(10-7mmHg)以下；另外，装入管内的所有零件都必须经过严格清洗去油和彻底除气（通常采用高频真空加热抽气）。,2、X线管的焦点X线成像质量影响最大的因素之一。实际焦点：电子在靶面上瞬间轰击的面积。目前，医学诊断用X线管的灯丝均绕成螺管状，灯丝发射的电子经聚焦后，以细长方形轰击在靶面上，形成细长方形的焦点，故称为线焦点。实际焦点的大小(一般指宽度)，主要取决于聚焦罩的形状、宽度和深度。实际焦点越大(受轰击的靶面积越大，可承受的功率值相应增加)，X线管的容量就越大,曝光时间就可以缩短。,常用的X射线管的焦点,圆形,线形，大焦点，利于散热,双焦点阴极,灯丝,阴极罩,X线辐射强度分布对成像质量的影响由于集射罩的形状，灯丝表面在罩内深度不同，在电场作用下，从灯丝表面发射出的电子的聚集情况不同，实际焦点面上的电子密度分布也不同，以至到达靶面的电子束强度形成单峰、双峰甚至多峰分布，同时靶面结构和老化，也会造成X线辐射强度的不均匀性。,图2-3为三种不同焦点X线辐射强度分布，焦点中央辐射强度越强(高斯分布)，其影像分辨率最高，其次为矩形分布，最差为双峰分布。医学诊断用X线管的焦点一般是双峰分布。,有效焦点：又叫作用焦点，是指实际焦点在X线投照方向上的投影。有效焦点与实际焦点之间的关系？设实际焦点宽度为a，长度为b，则投影后的长度为bsinQ，宽度不变，即：有效焦点=实际焦点sinQ式中：Q表示阳极靶面与X线投照方向的夹角。当投射方向与X线管轴相垂直时，这时的Q角称为靶角或阳极倾角。阳极倾角一般720，它是与管容量和照射野密切相关的重要参数。在要求有效焦点一定条件下，倾角越小，实际焦点越大，管容量也越大。但倾角不能太小，它受到有用照射野的限制。,实际焦点,有效焦点,实际焦点面积ba有效焦点面积bsina,靶角1519,a、b与灯丝形状有关,X射线管的焦点(focus),有效焦点的标称值为一无量纲的数值，但目前，有效焦点的标注方法仍用习惯标注法，有效焦点常以正方形标注，如0.3mm0.3mm、1.8mm1.8mm等等。但实际测得的有效焦点并不是正方形，这种标注方法并不科学。国际电工委员会（IEC）规定了有效焦点的标注方法和容许值。表2-1列出了四个有效焦点及其容许值的变化范围。,表2-1标称焦点容许值变化范围,焦点上的X线量分布,光子数每个光子的平均能量,X射线强度在实际焦点上分布不均匀的,X射线的量,X线成像时，为减小几何模糊而获得清晰的影像，要求有效焦点越小越好。减小有效焦点面积可通过减小靶角来实现，但靶角太小，由于X线辐射强度分布的变化，投照方向的X线量将大量减少。所以靶角要合适，一般固定阳极X线管的靶角为l520，也可以通过减小实际焦点面积以减小有效焦点面积，但实际焦点面积减小后，受200Wmm2的限制，X线管的容量也将随之减小。,有效焦点与成像质量的关系有效焦点尺寸越小，影像清晰度越高。由图2-4看出，当有效焦点为点光源时，图像界限分明，几何模糊小，清晰度最高；当有效焦点具有一定尺寸时，图像边界产生了半影，边缘模糊，清晰度降低。焦点尺寸越大，清晰度越差。,形成主焦点的电子轨迹，先发散，后会聚,形成副焦点的电子轨迹，先发散，后会聚再发散,阶梯直槽的电位分布,聚焦槽的形状及深浅对电子集射影响很大,主焦点,副焦点,有效焦点的大小,有效焦点的大小与X射线管的管电压和管电流有关1、管电流一定，管电压有效焦点2、管电压一定，管电流有效焦点,减小有效焦点，势必减小实际焦点，X线管的功率随之减小，曝光时间需增加，这将会引起运动模糊。由此可见，减小焦点面积以减小几何模糊、改善影像清晰度和增大X线管的功率以缩短曝光时间、减小运动模糊是一对矛盾。固定阳极X线管常采用双焦点的办法来折中几何模糊和运动模糊之间的矛盾；另一更有效的方法是采用旋转阳极X线管。,焦点的方位性由于X线呈锥形辐射，所以在照射野不同方向上投影的有效焦点不同，投影方位愈靠近阳极，有效焦点尺寸愈小；愈靠近阴极，则有效焦点尺寸愈大(宽度不变)。而且，若投影方向偏离管轴线和电子入射方向组成的平面，有效焦点的形状还会出现失真。因此，使用时应注意保持实际焦点中心、X线输出窗中心与投影中心三点一线，即X线中心线应对准影像中心。,焦点激涨有效焦点的大小与X线管的管电流和管电压有关。在管电流一定条件下，管电压越高电子间的外力相对电场力的作用越小，所以，有效焦点尺寸略有减小。但在管电压一定条件下，尤其在低压情形下，管电流增大，电子数量增多，电子间的斥力增大，有效焦点尺寸将明显增加，这种现象称为焦点增涨。所以，测量有效焦点时，即规定了与管轴垂直的投射方向，还应规定相应的管电流和管电压值。管电压的变化对焦点增涨大小的影响远较管电流的变化影响小。一般情况下，对小焦点增涨影响较大。,为提高功率和影像清晰度。l927年以后出现了旋转阳极X线管，其结构如图2-5。,（二）、旋转阳极X线管,旋转阳极X射线管管套示意图,充油，冷却,防护套防电击和散射,旋转阳极X线管的最大优点是功率大、焦点小旋转阳极X线管X线的产生，是从偏管子中心轴线的阴极发射电子流，轰击转动的阳极靶面上产生的。由于高速运动的电子流轰击靶面所产生的热量，被均匀地分布在转动的圆环面上。承受电子流轰击的面积因阳极旋转而大大增加（实际焦点的尺寸不变、空间位置不变），使热量分布面积大大增加，单位面积上的热量大为减小，所以有效地提高了X线管的功率，使减小实际焦点从而减小有效焦点、同时适当减小靶角。目前旋转阳极X线管的功率多为2050kW，高者可达l50kW，甚至更高，而有效焦点多为l2mm2，微焦点可达00503mm2，影像清晰度极高。,1、旋转阳极X线管的特性,阳极：靶面、转子、转轴、轴承和定子等组成。（1）、靶盘与靶面靶面具有6l8之间的倾斜角度，镶在一个直径为70150mm之间的圆盘上，其中心铆接在钼制细杆上，外杆的另一端与转子相连，要求有良好的运动平衡性。20世纪60年代以后的旋转阳极X线管，其靶面多为铼钨合金镶在钼或石墨基体上。,3、旋转阳极X线管的组成,这种结构与纯钨靶相比有以下优点：靶面在高温下不易龟裂。铼钨合金靶面的晶粒较细，抗热胀性提高，再结晶温度上升。X线辐射率下降较慢。使用两万次以后，纯钨靶的X线输出下降到原来的55。而铼钨合金靶的X线输出只下降到原来的87。大大提高了热容量。由于钼或石墨的比重都比钨小，而比热都比钨大，这种复合靶的重量增加不多，但热容量却大大增加了。例如，外径为l00mm纯钨靶，重为540g，热容量为l5104J，同样尺寸的钼基铼钨合金复合靶，重为640g，热容量为20104J。,（2）、转子它由无氧铜制成，通过钼杆与靶盘和靶面连为一体，转子转动时，靶盘和靶面随之转动。其表面黑化，热辐射能力较强。旋转阳极X线管的启动电机与小型单相异步电机的结构和原理相似，只是转子装在X线管的玻璃壳内，而定子线圈装在X线管玻璃壳的外面。转轴装入由无氧铜或纯铁制成的轴承套中，两端各装一只轴承。阳极转速越高，单位时间内承受高速运动的电子流轰击的圆环面积越大，X线管的功率就越大，当然，转速的提高须考虑转子的运动平衡、轴承等因素。,转子的转速由下式决定：式中n为转速，为定子中电源频率，为定子的极数，一般。由于存在转差率，转子转速约落后于磁场转速的10左右。所以，对中速管(50Hz)，转速2700转/min；对高速管(150Hz)，实际转速8500转/min左右。若电源频率提高到300Hz，实际转速可达。旋转阳极转速达到额定值时(需要0.81.6s)才接通负载，产生X线。,转速越高，X线管的功率越大。它们之间的关系如下：式中P为功率，K为常数，n为转速，d为焦点轨道直径。可见功率与转速和靶面直径的平方根成正比。当速度增加到2倍时，允许功率增加到14倍左右。靶盘直径越大，热容量越大，散热速度也越快，X线管的功率也增大。,旋转阳极X线管的功率是基于阳极转速达到额定值时的功率，如果在阳极转速尚未达到额定值时曝光，将会造成X线管的靶面熔化损坏。因此，使用旋转阳极X线管的X线机均设有旋转阳极启动、延时、保护电路。曝光结束、启动电机断电后，转子因惯性将有较长的静转时间(从切断启动电机定子电源开始到转子停止转动所用的时间)，静转时间一般为数分钟至几十分钟，静转是无用的空转，制造噪声且磨损轴承，因此有必要在曝光结束后即对旋转阳极进行制动，这样可减少噪声，延长轴承的寿命，进而延长X线管的寿命。对高速旋转阳极X线管来讲，制动可使旋转阳极迅速越过临界转速(引起共振的临界转速为50007000rmin)，避免X线管损坏。对于低速旋转阳极X线管，如果转子的静转时间低于30s，就说明轴承已明显磨损。,（3）、轴承与轴承的润滑轴承由耐热合金钢制成，可以承受较高的工作温度(约400左右)。为避免过多的热量传导到轴承，把阳极端的转轴外径做得较细或用管状钼杆，减少热传导，少量由阳极靶面传导过来的热量则大部分通过转子表面辐射出去。可见，旋转阳极X线管与固定阳极X线管的散热方式不同，靶面受高速运动的电子流轰击所产生的巨大热量主要依靠热辐射进行散热，散热效率低，连续负荷后阳极热量急剧增加，靶盘温度不断上升，为防止由此造成的X线管损坏，先进X线机的X线管装置内设有温度限制保护装置，对X线管给予相应的保护。轴承的润滑剂都采用固体润滑材料，如二硫化钼、银、铅等。选用不同的润滑材料，转子的静转时间亦有不同。,散热方式固定阳极管的散热方式主要是热传导，旋转阳极管的散热方式主要是热辐射。轴承的工作温度不能越过460。为了避免过多的热量传导到轴承，靶面与转子之间的连接采用外径较细的管状钼杆。为了增大转子的热辐射，一般把转子表面黑化。尽管如此，轴承的工作温度仍达到400左右，所以轴承材料要采用耐热合金钢，如高速工具钢。由于热辐射的散热速度较慢，在使用旋转阳极X线管时，在两次曝光之间必须要有充分的间歇时间，以防热容量过载而损坏管子。,水或油循环冷却技术,真空油,在CT中使用油循环X线管在心血管造影X线机中使用水循环X线球管,复习：一、X线的产生条件二、X线的产生过程三、焦点、焦点与成像关系,（三）、X射线管的阳极特性,电压饱和灯丝发射的热电子全部到达阳极,临界电压值,（四）、X射线管灯丝加热和发射特性,1.灯丝加热电压与加热电流是正比关系。,但灯丝电压,灯丝温度,X线量,灯丝寿命,5%,50%,50%,X射线管灯丝加热要求：稳定、可调,稳压电源：谐振式磁饱和稳压器1%管电流的稳定,串联可调电阻：管电流的选择透视连续可调摄影分段可调,空间电荷补偿器：空间电荷效应，使管电流受管电压的影响,空间电荷效应：,空间电荷补偿：,Ia,Ua,Uf,Ia,Ia不变,灯丝电流过低，没有热电子发射,2、X射线管灯丝发射特性：不同管电压下，管电流与灯丝加热电流的关系,100KV,60KV,40KV,Ia一定，Va高时，所需If低。If一定，Va高时，获得Ia大。,（五）、三极线管,栅控线管是在普通线管的阳极和阴极之间加了一个控制栅极。,栅控X线管的阴极结构,栅控X线管控制原理,二、X射线发生器及控制,电源,控制台,高压发生器,X射线管,机械及附属装置,高压发生装置,高压发生装置高压发生器：包括高压变压器、灯丝变压器、高压整流、硅堆、高压交换闸参量控制台：KV控制、mA控制、曝光时间(s)控制等摄影的条件范围：60-150KV,30-500,800,1000mA,0.016.4S透视的条件范围：40-125KV,0.1-5mA,长时间连续,高压发生装置,最高逆变频率：50,000Hz,世界卫生组织早就建议至少使用逆变频率大于50Hz的中频机，最好采用大于30KHz以上的高频机。岛津采用世界一流的50KW逆变式高压发生器，最高逆变频率已达50KHz，因而输出更稳定，软射线更少，X线效率及图像质量大大提高，并使得医生及病人所受放射剂量减小到最低水准。,高压发生装置,频率的一般划分,工频-50Hz中频-3万Hz,人耳听力约2万多Hz3万Hz以上无噪音,高频-3万Hz,5万Hz脉动2%（1%-2%）曝光时间可控制到1ms,高频逆变,岛津目前采用5万Hz高频逆变发生器性能稳定！,先进的高压发生器,高频的波形,2%,先进的高压发生器,先进的高压发生器,中、高频射线量的差别,工频,高频,KV1=KV2,mA1=mA2,射线量1射线量2,清晰度1清晰度2,高压发生装置,曝光的时间控制，即曝光时间(t)的控制,曝光的时间控制是通过限时器来实现的，有机械式限时器和电子式限时器。,曝光过程控制,X线机有一个曝光手闸，它的按钮有两档，第一档是准备档按钮(Ready)，第二档是曝光档按钮(Radiography)。,单钮自动曝光过程控制,无钮自动曝光过程控制,低压电源510V高压电源104105V全波整流X射线管,阴极电流管电流管电压,第三节X射线辐射强度,X射线由两部分构成，一是波长连续变化的连续谱，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分是具有分立波长的线状谱，波长取决于靶材料，称为标识谱、特征谱。,标识谱：钨靶和钼靶，相同的电压。,连续X射线(轫致辐射作用),连续X射线由轫致辐射产生，包括不同波长X射线。,较低管电压下钨的连续X射线谱,最短波长：电子将全部动能转换为光子能量,若U=100kV，则min=0.124U=50kV，则min=0.248,重要,所需管电压较小，连续谱包含各种波长的X光，具有一个最小波长值，有一个峰值。,任何X线管都能产生连续谱。,电压，辐射强度，最短波长,min靶材料无关,考虑：出射的射线最短波长与什么因素相关？,强度I与管电流i有关,强度I与管电压U有关,诊断用X线n=2,X线管电流、电压和靶物质对连续X射线的影响,影响连续X射线的因素,因素很多，且复杂，由实验决定。,强度I与阳极靶的原子序数Z有关,重要,标识X射线,当管电压达到一定时，在连续上出现多个峰；,熟悉,钼的X线谱，连续谱与标识谱,管电压越大，标识谱的峰就越高，但峰的位置不变；,标识谱的波长与组成阳靶材料的原子序数的平方成反比；,标识X射线产生(与原子核的内层电子作用),1.高速入射电子(电子动能大于内层电子的结合能),+,熟悉,2.K层电子被入射电子撞出(变成自由电子)，形成空穴，入射电子将偏离原来入射方向行进(能量变小),3.外层电子填充被撞击出的空穴，从外层向内层跃迁，释放出能量,以X线形式辐射出来,4.X线的能量等于填充此空穴的电子的两个轨道电子结合能之差,考虑：出射的射线线量是否可取任意值？,标识(特征)X线谱,特征谱线特点：,电压到一定值(同一材料)，出现线状谱，位置相同,熟悉,不同材料线状谱形状和位置均不同,结论：在为高速电子将靶的内层电子射出，所以特征谱与材料有关,特征X线的激发电压,钨的结合能69.51keV(K层),A为脱出能或电子在某内层的结合能,几种靶材料产生K、L系特征放射的激发电压(kV),标识(特征)X线谱,X光子由外层向内层跃迁时，产生能量释放,K层电子电离,M层电子向K层跃迁，标识X线产生,了解,Ex=Ebe=Ebeold-Ebenew=(-2.8keV)-(-69.5keV)=66.7keV,不同层的能级产生的标识X射线,了解,注：层电子是最内层电子，与原子核结合最紧密，能量最大，所以层电子被击出所需要的能量也大,层电子的结合能比层电子小，层电子被击出所需要的能量也小，所以产生的射线的能量也小，波长就长,由于长波射线容易被表皮吸收，所以通常被滤掉,影响X射线发射谱的因素,产生X射线需要经过：,掌握,管电流,管电压,靶，靶自吸收,固有滤过,附加滤过,管电压波形,结论：出射的射线性质与众多因素相关,管电流/管电压pkX线,管电流：X射线量变化=幅度变化,了解,管电压：X射线质变化=曲线左右变化,管电压变化kVp,photonenergy(keV),kV=X射线质峰右移，光子能量增大(右移),#ofphotons,25,50,75,100,了解,特殊谱位置若有特征谱,则无影响,kV=量幅度,77,X射线强度：垂直于X射线传播方向单位面积上，单位时间内通过的光子数量与能量乘积的总和。,单色X射线强度,一、量与质的描述,1、X射线的量,第五节X射线的量与质,复色X射线强度,Ni为各单色X线光子数目,对于连续X射线谱波长(min)，对应能量(hmax0),N(E)每秒通过单位垂直面积的、能量为E的X射线光子数,78,在实际工作中，作为简便：X线的量=管电流(mA)照射时间(s)以毫安秒(mAs)为单位,一般称拍