X线的物理特性

1、X线的物理学基础,一、X线的发现与产生 二、X线产生的原理 三、X线的本质与特性 四、X线强度 五、X线与物质的相互作用 六、X线的吸收与衰减,X线的发现,1895年11月8日，德国物理学家伦琴用一个高真空玻璃管和一台产生高压的小型机器做实验时，发现了X线。 1895年11月22日，伦琴用X线为其夫人拍摄了一张手的照片。 1901年，伦琴被授予诺贝尔物理学奖。,X线的产生,X线的产生是能量转换的结果。 99%以上的动能产生热量，不到1%的动能转换成X线。 X线的产生需要具备4个条件： 电子源 高电压 高真空度 适当的障碍物,X线的产生原理,X线的产生是高速电子与阳极靶物质的原子相互作用中能量转

2、换的结果。是利用了阳极靶物质的三个特性：核电场、轨道电子结合能和原子存在于最低能级的需要。 每个电子能量=电子的电荷*X线管电压 E=eV （e=1.60*10-19库伦）,连续放射 （韧致放射）,高速电子与靶物质原子核作用的结果。当高速电子接近原子核时，受核电场的吸引，偏离原有方向，失去能量而减速。此时电子丢失的能量以光子的形式放射出来，这种放射叫连续放射。 X线光子的能量取决于：电子接近核的情况、电子的能量和核电荷。 入min=1.24/kVp（nm） 连续射线的波长只与管电压有关，管电压越高，波长越短，X线的强度越大。,由图可见：高速投射的电子，受核电场的吸引，偏离原有方向。 管电压相同

3、时，偏离角度越大，产生的连续放射X线能量就越大。 偏离角度相同时，管电压越大，产生的连续放射X线能量就越大。,特征放射 （标识放射）,高速电子击脱靶物质原子的内层轨道电子，而产生的一种放射方式。一个常态原子经常处于最低能级状态，他永远保持其内层轨道电子是满员的。当靶物质原子的K层电子被高速电子击脱时，K层电子的空缺将由外层电子跃迁补充，外层电子的能级要比内层电子的能级高，因此多余的能量作为X线光子释放出来，产生K系特性放射。,特征放射的X线光子能量与冲击靶物质的高速电子能量无关，只服从于靶物质的原子特性。 同种靶物质的K系特性放射波长为一定数值。 （管电压在70kVp以上，钨靶才能产生特征X线

4、。） 高速电子必须具有能击脱K层电子的最低能量，即具有一个最低的激发电压，也称限界电压。 在以钨靶X线球管产生的X线诊断能量范围内，特征X线产生的几率与球管的关系大致为： 70kVp以下，不产生K特性X线。 80150kVp，K特性X线占10%28%。 150kVp以上，特性X线减少。,X线的本质,X线的本质是电磁波，它具有一定的波长和频率；由于X线光子的能量大，可是物质产生电离，故又属电磁波中的电离辐射。X线和其他电磁波一样，具有波动和微粒的二重性，这是X线的本质。 （1）X线的微粒性：把X线看作一个个的微粒光子组成，光子具有一定的能量和一定的动质量，但无静止质量。X线与物质作用时表现出微粒

5、性，每个光子都具有一定的能量，能产生光电效应，能激发荧光物质发出荧光等现象。 （2）X线的波动性：X线以波动方式传播，是一种横波。X线在传播时表现了他的波动性，具有频率和波长，并有干涉、衍射反射和折射现象。,X线的特性,一、物理效应 穿透作用：X线具有一定的穿透能力。穿透能力主要与自身的波长有关，以及被穿透物质的原子序数、密度和厚度有关。 荧光作用：荧光物质（钨酸钙），在X线的照射下被激发，释放出可见的荧光。 电离作用：物质在足够能量的X线光子照射下，能击脱物质原子轨道的电子，产生电离。也是X线剂量、X线治疗、X线损伤的基础。 干涉、衍射、反射与折射：这些光学特性在X线显微镜、波长测定、物质结

6、构分析中得到应用。,二、化学效应 感光作用：X线具有光化学作用，可是摄影胶片感光。 着色作用：某些物质经X线长期照射后，使其结晶脱水变色。 如 铅玻璃经X线长期照射后着色 三、生物效应 X线是电离辐射，他对生物细胞，特别是增殖性强的细胞有抑制、损伤，甚至使其坏死的作用，它是放射治疗的基础。,X线的产生效率,产生X线所消耗的总能量与阴极电子能量之比，称作X线的发生效率。 =X线消耗的总能量/阴极电子能量 =k(V2ZI/VI)=kVZ（%） V：管电压， Z：靶物质原子序数， I：管电流， k=1.110-9 ，为系数。,X线强度,X线强度是垂直于X线束的单位面积上，在单位时间内通过的光子数和能

7、量的总和，及线束中的光子数乘以每个光子能量。在实际应用中，常以量与质的乘积表示X线强度。量是线束中的光子数，质则是光子的能量（也称穿透力）。 用管电流（mAs）表示X线的量； 用管电压（KV）表示X线的质。,影响X线强度的因素,X线强度受管电压、管电流、靶物质以及高压波形的影响。 一、管电压 X线光子的能量，取决于冲击电子的能量大小，而电子的能量又由管电压kVp来决定。管电压决定X线最大能量的性质。 在管电压为峰值时，最短波长的X线的能量也将接近管电压的能量。 增加管电压也将增加产生X线的量。所以X线强度的增加与管电压的平方成正比。,二、管电流 管电流越大，灯丝周围的电子云越多，冲击靶物质后产

8、生的X线光子数就越多。所以管电压一定时，X线强度决定于管电流 三、靶物质 在一定的管电压和管电流下，放射量的多少决定于靶 物质。靶物质的原子序数越高，产生X线效率就越高。 由于钨的原子序数较高（Z=74）且熔点较高（3370），所以靶物质一般选用钨靶，或钨合金（铼钨合金） 连续射线：靶物质的原子序数决定X线量的产生； 特征X线：靶物质的原子序数决定产生X线波长的性质。,四、高压波形 X线发生器产生的高压都是脉动式的。 有两种形式：单相电源的半波和全波 三相电源的6脉冲和12脉冲 当整流后的脉动电压越接近峰值，其X线强度越大；峰值电压相同时，三相电源比单相电源产生的硬射线要多。,X线质的表示方式

9、,半值层（HVL）：X线强度衰减到初始值的一半时，所需的标准吸收物质的厚度。诊断用X线的半值层一般用毫米铝（mmAl）表示，在1.54mmAL之间。 对同样质的X线来说，不同物质的半值层是不一样的；但就同种物质，半值层大的X线质硬，半值层小的质软。 电子的加速电压（管电压） 有效能量：在连续X线情况下使用这一概念。 软射线和硬射线：将低能量X线称为软射线，将高能量X线成为硬射线。 X线波普分布：它表示了X线的波长分布或能量分布。此分布将根据X线管固有滤过、附加滤过、管电压、管电流、整流方式等因素而变化。,X线强度的空间分布,高速电子撞击阳极靶面，所产生的X线分布与阳极倾角有关。 阳极倾角是指垂

10、直于X线管长轴的平面与靶面的夹角。 在通过X线管长轴且垂直于有效焦点平面内，近阳极端X线强度弱，近阴极端强，最大值约在100处，其分布是非对称性的，这种现象成为阳极效应。阳极倾角越小，阳极效应越明显。 在通过X线管短轴且垂直于有效焦点平面，在900处最大，分布基本上是对称的。,X线的不均等性,诊断用X线主要是连续X线和特征X线的混合。连续X线的波长由最短波长到长波长领域是一个很广的范围。这种X线成为不均等X线，由于滤过板的使用，长波长领域的X线被吸收，成为近似均等X线。 这种均等度以不均等度h或表示。 h=H2/H1（H1：第一半值层；H2：第二半值层） 或=eff/0 （0：最短波长，eff

11、：有效波长） 均等X线下，h=1， =1，不均等X线h1，1。,有效波长：单一能量波长的半值层等于连续X线的半值层时，此波长称作有效波长（ eff ） 有效电压：产生有效波长的最短波长的管电压，称作有效电压。 有效能量：将有效电压用能量单位（keV）表示时，此能量为有效能量。,X线与物质的相互作用,X线与物质的相互作用形式有：相干散射、光电效应、康普顿效应、电子对效应、光核反应等。,相干散射（约占诊断X线的5%）,X线与物质相互作用能发生干涉的散射过程，称为相干散射。 一个束缚电子吸收入射光子能量跃迁到高能级，随即放出一个能量等于入射光子能量的散射光子，由于电子未脱离原子，所以光子能量是损失可

12、忽略不计，相干散射不产生电离过程。 发生几率与物质的原子序数成正比，随光子能量的增大而急剧减少,光电效应,X线与物质相互作用时，X线光子能量（hv）全部给予了物质原子的壳层电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子（即光电子），而X线光子本身则被物质的原子吸收，这一过程称为光电效应。光电效应的产物：特性放射，光电子（负离子），正离子（缺少电子的原子）以及俄歇电子。,光电效应产生的条件及发生几率,1、光子能量与电子结合能，必须“接近相等”才容易产 生光电效应。光子的能量要稍大于电子的结合能或等于电子的结合能。（碘的K层电子结合能为33.2KeV） 光子能量的增加，会使光电作用的机率下降，光

13、电效应与能量的三次方成反比。 2、轨道电子结合的越紧越容易产生光电效应。 高原子序数元素比低原子序数元素的轨道电子结合的紧。因此比较容易产生光电效应，所以光电效应发生的几率随着原子序数的增加而很快增加，其发生几率与原子序数的三次方成正比。,光电效应在X线摄影中的实际意义,一、光电效应不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾。 二、光电效应可增加射线对比度。其发生几率与物质原子序数的三次方成正比，因此可扩大不同元素所构成的组织影像对比 三、光电效应中，因光子的能量全部被吸收，这使患者接受的照射量比任何其他作用都多。,康普顿效应,当一个光子在击脱原子外层轨道上的电子时，入射光子损失部分能量，并改变原来传

14、播方向，变成散射光子，轨道上的电子从入射光子处获得部分能量脱离原子核束缚，按一定方向射出，成为成为反冲电子。,康普顿效应发生几率,与物质的原子序数成正比 与入射光子的能量呈反比 与入射光子的波长成正比,电子对效应,一个具有足够能量的光子，在与靶原子核发生相互作用时，光子突然消失，同时转化为一对正、负电子，这个作用过程称为电子对效应。,光核反应,所谓的光核作用，就是光子与原子核作用而发生的核反应。 某些核素在进行光核反应时，不但产生中子，而且反应的产物是放射性核素。,X线的吸收与衰减,X线强度在其传播过程中，将以距离平方反比的规律衰减，此法则，它在X线管点焦点、真空传播的条件下成立。 物质也会导

15、致X线的衰减。在诊断X线能量范围内，X线与物质相互作用形式主要是光电效应和康普顿效应。 在光电效应下：X线光子被吸收 在康普顿效应：X线光子被散射,X线的滤过,一、固有滤过（铝当量） 指X线机本身的滤过，包括X线管的管壁、绝缘油层、窗口的滤过板。 铝当量：一定厚度的铝板和其他物质对X线具有同等量的 衰减时，此滤过板的厚度称为滤过物质的铝当量。 二、附加滤过 广义上讲，从X线管窗口至检查床之间，所通过材料的滤过总和为附加滤过,X线在物质中的指数衰减规律,I=I0e-X （X=0，I=I0） I0：X线到达物体表面的强度 I：X线到达厚度为X时的强度 X：吸收物质厚度（m） 此法则成立条件有两个，

16、一是X线为单一能量射线，一是X线为窄束。,单能窄束X线在通过物体时，只有X线光子能量减少，而无能量的变化，其指数衰减规律是X线强度在物质层中都以在相同的比例衰减。 宽束的衰减与吸收物质种类和厚度、X线能量、X线源与探测器的几何学的配置等因素有关。,衰减系数,一、线衰减系数 将X线透过物质的量以长度（m）为单位时，X线的衰减系数，称作线衰减系数，单位m-1 二、质量衰减系数 将X线透过物质的量以质量厚度（kg.m-2）为单位时，X线的衰减系数称作质量衰减系数，单位m2/kg 三、总衰减系数 总衰减系数即是光电衰减系数、相干散射衰减系数、康普顿衰减系数和电子对效应的衰减愈大。,影像X线衰减的因素,一、射线能量和原子序数对衰减的影响 对高原子序数的物质（如碘化钠）在整个X线诊断能量范围内主要是光电作用。作为水和骨骼，则随X线能量增加，康普顿散射占了主要地位。对低原子序数