第2章-X射线的产生与剂量...ppt

第2章X射线的产生与剂量,概述,X射线的发现1876年，物理学家希托夫观察到真空管中的阴极发出的射线。当这些射线遇到玻璃管壁会产生荧光。这种射线被命名为阴极射线随后，英国物理学家克鲁克斯研究稀有气体里的能量释放，并且制造了克鲁克斯管。这是一种玻璃真空管，内有可以产生高电压的电极。他还发现，当将未曝光的相片底片靠近这种管时，一些部分被感光了，但是他没有继续研究这一现象。,1887年4月，尼古拉特斯拉开始使用自己设计的高电压真空管与克鲁克斯管研究X光。他发明了单电极X光管，在其中电子穿过物质，发生了现在叫做韧致辐射的效应，生成高能X光射线。1892年特斯拉完成了这些实验，但是他并没有使用X光这个名字，而只是笼统称为放射能。他继续进行实验，并提醒科学界注意阴极射线对生物体的危害性，但他没有公开自己的实验成果。,1892年赫兹进行实验，提出阴极射线可以穿透非常薄的金属箔。赫兹的学生伦纳德进一步研究这一效应，对很多金属进行了实验。亥姆霍兹则对光的电磁本性进行了数学推导。,1895年11月8日德国科学家伦琴开始进行阴极射线的研究。发现过程：伦琴也选用了克鲁克斯管重新进行阴极射线实验，目的是为了准确观察阴极射线的荧光作用。,1895年12月28日他完成了初步的实验报告“一种新的射线”。他把这项成果发布在维尔茨堡sPhysical-MedicalSociety杂志上。为了表明这是一种新的射线，伦琴采用表示未知数的X来命名。很多科学家主张命名为伦琴射线，伦琴自己坚决反对，但是这一名称仍然有人使用。1901年伦琴获得第一个诺贝尔物理学奖。,WilhemConradRoentgenAnnaBerthaRoentgen(1845-1923)(1839-1919),RoentgensRays,RadiographofthehandACrookestubeofMrs.Roentgen,RoentgensRays,1895年爱迪生研究了材料在X光照射下发出荧光的能力，发现钨酸钙最为明显。1896年3月爱迪生发明了荧光观察管，后来被用于医用X光的检验。1906年物理学家贝克勒耳发现X射线能够被气体散射，并且每一种元素有其特征X谱线。他因此获得了1917年诺贝尔物理学奖。,伦琴发现X射线后仅仅几个月时间内，它就被应用于医学影像。1896年2月，苏格兰医生约翰麦金泰尔在格拉斯哥皇家医院设立了世界上第一个放射科。,早期的X线影像诊断,电离辐射的基本知识,电离与电离辐射电离定义将电子从基态激发到脱离原子，叫做电离。由带电粒子与原子中的电子碰撞引起(直接电离）。不带电的粒子（中子，光子）在引起核转变过程中产生出新的高能粒子,再由高能粒子与原子中的电子碰撞引起（间接电离）。,电离辐射,电离辐射是一切能引起物质电离的辐射总称，其种类很多，高速带电粒子有粒子、粒子、质子，不带电粒子有中子以及X射线、射线。X射线和射线的性质大致相同，把它们统称为光子。,X线的实质,一种高能光子束，具有波动性与粒子性。X线就是由于靶物质受到高能运动的粒子轰击而发出的电磁波。,一种看不见的，高穿透性的电磁波，波长比可见光短。-8-11X光的波长范围约为10m至10m;16相应的频率范围约为310Hz至19310Hz。-8-9医用诊断X线的波长范围约为10m至10m。,X线特性,电磁波谱,能量单位,电子伏特eV.表示辐射能量单位普通用eV，即相当于个电子在真空中通过电位差为伏特的电场被加速所获得的动能。-12ev=1.602*10尔格（evg）,“医用X线”由X射线管产生，且光子能量一般处于15150keV（波长相应为0.0080.08nm）范围的X射线。,2.1X射线管,图2-1X线球管结构示意图,X射线管,四要素1、能发射电子的电子源2、能加速电子的电场3、能辐射X射线的靶物质4、一个真空的环境,X线在称为X线管的高真空玻璃球管中产生。球管中有两个电极：一个由铂、钨或其它高熔点的重金属制成的阳极和一个阴极。阴极端钨制灯丝通低电压，灯丝加热发射自由电子。当在两个电极之间加上高压，从阴极到阳极的电子流（阴极射线）被加速，自由电子群在电场作用下高速向阳极端钨靶面运动，并撞击靶面，在撞击阳极时产生X光（X线）。,AnX-raytubewitharotatinganode,ThestructureofaX-raytube,1）阴极（阴极体，灯丝，用于发射电子）2）阳极：受电子轰击，产生辐射X线3）电位差：加速电子，增加功能4）真空（近似）球管：减少电子能量损耗，保护灯丝不氧化,图2-5灯丝,ThestructureofaX-raytube,1.X射线管的阴极阴极：灯丝发射电子阴极体：聚焦电子路线，凹面体，二次电子防护。二次电子：从过热阳极发射的从阳极反射回来的可使：灯丝断裂玻壳破裂（可有阳极罩）,ThestructureofaX-raytube,聚焦：1）电子流电子互斥，可能发散2）钼制凹面体，接负电，排斥电子3）灯丝的位置与凹面体的相对位置对电子聚焦的影响很大,X射线管的结构,2.X射线管的阳极固定式：由Z（原子序数）大，耐高温的钨，钼形成，嵌在铜制阳极体上。散热旋转式：圆盘状，小电机驱动转动（2800-8500转/分）易散热，可做大功率的管子。,3、X线管的电特性,1）V超过临界值时，I一定，所以发射电子均已被吸到阳极。（电压饱和）2）V小于临界值后更小时，一定时候I不随灯丝电流i变化，灯丝发射的电子不能全到阳极，形成空间电荷，反而阻止电子前行。（温度饱和）,X线管的电特性,2.2管电压的产生与控制,1、高电压的产生,()高压变压器铁芯多采用闭合式的导磁体。它的初级绕组通过的电流强度很大。可达百余安培，但其电压不高。次级绕组高压变压器次级通过的电流强度较小，电压很高，其总匝数在数万到数十万之间。次级绕组的中心接地。这样可使高压变压器的绝缘要求降低一半。,2、高压整流器,高压整流器是一种将高压变压器次级输出的交流电整流成脉动直流电的电子元件。一般有两种：高压真空整流管。高压硅整流器。常称高压硅堆。它具有体积小、机械强度高、绝缘性高、寿命长、性能稳定、压降小、无需灯丝加热等优点。,高压真空整流管,3、高压绝缘电缆,在中、大型线机中，高压发生器和线管是分离部件，两者之间通过2根特制的导线连接在一起，这种输送高压的导线称为高压绝缘电缆。按芯线分布位置可分成同轴和非同轴2种。,4、高压初级电路,高压初级电路是向高压变压器供电的，这部分主要解决3个问题：高压调节、高压控制和高压指示。,5、灯丝变压器,线管的灯丝电流的电流强度一般为，灯丝电压为，故灯丝变压器为100300的降压变压器。线管灯丝变压器的初级输入电压在小型机中多直接由自耦变压器供给，而中型以上还需经过磁饱和稳压器稳压，初级电压多为。主要特点是其次级绕组与高压变压器次级的一端相连，在工作时带有高电位，因此初、次级线圈间应具有良好的绝缘。,X光机控制电路,2.3X射线产生的物理机制,辐射韧致辐射：产生连续频率谱的X线。标识辐射：产生X线谱的标识峰。,2.3.1X射线的能量谱,一、轫致辐射,当能量为eV的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为h的光子，即“轫致辐射”。定义：高能入射电子通过阳极原子核附近，受到原子核引力场的作用会降低速度并改变方向，入射电子损失的能量以电磁辐射的形式释放。这种形式产生的辐射称为“轫致辐射”或“制动辐射”。,轫致辐射,轫致辐射的发生,高速电子与靶原子作用：运动速度大小方向变化突然：释放电磁波，损失能量E=h电磁波的频率,频率高，能量大。=E/hh普朗克常数=6.62610-34Js（焦尔*秒）,轫致辐射能量,当用X射线管产生X射线时，X射线光子的能量取决于管电压V的大小，有如下关系：hmax=eVmax电磁波最大频率，V-管电压e-电子电荷，1e=1.6021773310-19CX线的波长为：min=c/max=hc/eVc-光速，c=299792458m/s,最小波长只与管电压有关。,轫致辐射产生连续频率的原因,由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。主要是高速电子与靶原子作用时1）电子速度在作用过程中由大到小连续改变。2）电子与靶作用的深度不同。3）电子与靶作用的位置不同，方向不同。,轫致辐射X线的能谱,上图的特点,1）连续变化2）有一个峰值（各个线条）3）各个波形在横轴右向无限伸展，另一边有一个波长的最小值。4）V变大，X线强度变大，峰值向左移动。,为什么用钨靶,Z大（Z74），高能的X线熔点高导热性好易于加工,二、标识辐射,标识辐射（Characteristicradiation）是高能电子与阳极物质壳层电子作用的结果。,原子结构示意图,标识辐射的起因,如果轰击阳极的电子能量大于阳极原子外壳层电子的结合能，则可能使壳层电子脱离原子的束缚成为自由电子。阳极原子电离后留出的空位由较高能级上的电子来填充。较高能级上的壳层电子跃迁至较低的能级时，会以电磁辐射的形式释放能量。产生标识X射线。,因发现元素的次级X射线标识谱，巴克拉（CharlesGloverBarkla18771944）获得了1917年度诺贝尔物理学奖。,RelatedNobelPrize,标识辐射,标识辐射发生的条件,标识辐射也称为特征辐射，能够表征化学元素的性质。标识辐射发生的前提是入射电子的动能大于阳极原子中壳层电子的结合能，而辐射光子的能量则仅仅取决于阳极原子的电子能级之差。由于原子核外电子壳层的能级取决于元素的原子序数，所以标识辐射能够表征作为阳极材料的化学元素的性质。,标识辐射,当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产生K辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，即,同样当K空位被M层电子填充时，则产生K辐射。M能级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个K光子的能量大于一个K光子的能量；但因LK层跃迁的几率比MK迁附几率大，故K辐射强度比K辐射强度大五倍左右。显然，当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层如M、N层的电子将填充L层空位，产生L系辐射。因此，当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M等系的辐射。,标识辐射,图3-7钼元素的标识辐射谱。其中L2谱线与L1谱线重叠,图3-8钨元素的标识辐射谱,1）波长与靶材料密切相关。仅决定于材料，与X线其他因素无关。2）每种元素材料的标识X线波长固定不变。（靶原子内部能级固定）3）强度极大，波长范围小，尖峰，可得“单色”X线，用于物质结构分析。,标识X线的特点,标识X线的特点,4）K、L、M系均可产生，但K系最强，其它可忽略（管壁吸收）。K系X标识射线强度由下式定：K是常数（实验决定，经验），i为管电流，n也是经验常数（1.51.7）U管电压（KV），Uk表示K系辐射的最低激发电压（KV）。,不同管电压下辐射X线的比例,需要强调的是，不仅高能电子的轰击可以引发标识辐射，原子在受到能量足够高的其它类型射线(如X射线、射线等电离辐射)轰击时，同样能够产生标识辐射。,标识辐射,小结,2.3.2X射线管的效率,X射线管的效率,管电压越高，X射线管的效率越高。靶材料的原子序数Z越高，X射线管的效率越高。但即使使用原子序数大的钨靶，在管压高达100kv的情况下，X射线管的效率也仅有1左右，99的能量都转变为热能。,轫致辐射发生的效率,X线球管的效率定义为X线能量与入射高能电子能量之比，可以用下式近似估计：Pe=VI;Pr=0.9V2IZ10-9效率=Pr/Pe=0.9VZ10-9钨（Z=74）阳极当管电压为100kV时效率只有0.67%；钼（Z=42）阳极当管电压为40kV时效率不到0.15%。,X线发生的效率,管电压与X线球管的效率之间的关系（钨阳极）,2.3.3X射线的滤过,X射线的衰减穿过某些物质产生衰减称为某些物质对X射线的滤过。通过过滤可使X线变硬。铝当量：某种物质对X射线的衰减换算为达到同样衰减所需铝材的厚度。,典型X射线管存在的固有滤过,Fig.3-9XRayemissionspectra,V=100KV钨靶1.0,2.0,3.0mm通过增加附加过滤铝板的厚度，使波形向高能量端移动。,X射线的量与质,X射线的硬度决定于每个光子具有能量的大小，与光子的数目无关。,注意一个常识,临床上一般采用管电流的毫安数来代表X线的强度。（管电压固定时，量）一般采用管电压，代表X线的能量（质）,2.4、X射线管的焦点与额定参数,1、X射线管的焦点,实际焦点：电子撞击阳极靶时的焦点。有效焦点：实际焦点在X射线主射出方向的投影。a=Asin（=619度）,X射线管的焦点,线光源与半影,1）P-半影，会使边缘模糊不清2）为减小P，除了减小S外，还要减小d3）为减小P，也可在人体与胶片之间放置准直器。,线光源与半影,焦点大小对成像的影响,有效焦点越小，成像越清晰实际焦点：大，利于散热，清晰度下降。小，图像清晰，但温度上升，功率太小。可用双灯丝用于不同需要。小灯丝用于精细成像。,足跟效应,从靶体一定深度射出的X射线，越是贴近阳极侧，衰减越甚。,阳极,A,B,线光源的X光强度分布对成像质量的影响,双峰分布是最差的矩形分布是一般的高斯分布是最好的,2、X射线管的额定参数,一、最大管电压二、灯丝电流三、X射线管的热容量影响热容量的因素：1、实际焦点大小2、管电压3、管电流4、使用时间5、阳极构造材料，散热措施增大热容量的方法：旋转阳极,图2-3AnX-raytubewitharotatinganode,DamagedtargetsA)bylackofrotationB)byslowrotationandexcessiveloadingC)byslowrotation,热单位数,热单位数HuHu=V*I*TV-KV最大管电压；I-mA（有效值）；T-最大曝光工作时间（S）1Hu=1JHu=1.35VIT（三相电压时对热单位数的估值）也可用电功率表示：P=IV（估值）,X线焦点与最大功率的关系,2.5X射线的剂量,1、流量、通量与强度光子流量：穿过单位面积A的光子总数N=N/A光子通量：流量在时间上的变化速率=/t=N/(A*t)能量流量：=E=NE/A射线强度I：I=E（单位：keV/(m2*S)）m粒子能量不同时：I=E=fiEii=1,2、照射量与吸收剂量,照射量定义：在标准温度和气压下（STP：Standardtemperatureandpressure0OC,760mmHg），1Kg空气中产生2.5810-4C静电荷所需要的X射线或射线的能量。单位：伦琴,吸收剂量,它描述每单位被照介质吸收的平均辐射能量D=dE/dm（E能量J，m质量Kg）单位为Gy（戈瑞）或rad（拉德)1Gy=1J/kg（焦耳/千克）描述1千克物质吸收1焦耳能量时的辐射。1Gy=100radrad定义:1克被辐射物质吸收100尔格（erg）射线能量为1rad。1rad=100erg/g=0.01Gy,3、不同辐射源生物效应的比较,传能线密度：射线在组织之中穿过时，在单位长度径迹上消耗的平均能量。LET（单位：J/m或KeV/m）1KeV/m=1.60210-10J/m光子能量大，穿过软组织快，LET小。（见表2.5）,具有不同能量的电子在软组织中的LET,相对生物效能,定义：X射线（250KeV）引起某种生物效应所吸收剂量与所观察辐射产生同样效应吸收剂量的比值。相对生物效能定义为：RBE=Dref/DtestDref是引起某种特定生物效应需要的X射线（250KeV）的吸收剂量。Dtest是引起同样生物效应需要的其他辐射吸收剂量。,相对生物效能,RBE剂量=吸收剂量RBE单位：希沃特（Sv）,雷姆（rem）1Sv=100rem=1Gy一般LET与RBE呈正相关关系。,计量当量,为更精确表述吸收剂量与生物效应的关系，给吸收剂量乘一个与LET相关的因子，即这个因子反映吸收能量在组织中的分布。引入计量当量（DE）。DE=DQF单位：希沃