第一章 X射线物理

1、第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理1德国物理学家伦琴1901年诺贝尔物理学奖 第一张人体X光片 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理2第五节 X射线在人体内的衰减 第一节 X射线的产生第二节 X射线辐射场的空间分布第三节 X射线与物质的相互作用第四节 X射线在物质中的衰减 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理3第一节 X射线的产生 一、X射线管(X-ray tube) 二、X射线产生机制第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理4产生条件主要组成一、X射线

2、管(X-ray tube) 阴极阳极电子源高速电子流阳极靶强电场高真空度空间第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理5一、X射线管(X-ray tube) 主要组成阴极阳极电子源高速电子流阳极靶产生条件第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理6一、X射线管(X-ray tube) X射线管( 俗称球管)照片第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理7早期的放射治疗用X线管一、X射线管(X-ray tube) 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理81. 阴极(cath

3、ode)技术指标一、X射线管(X-ray tube) 阴极是X射线管的负极组 成聚焦杯灯丝空间电荷及其效应灯丝电流 管电压 管电流4.6A4.2A4.4A02001601204024080管电压管电压(kV)管电流管电流(mA)4080120160管电压和灯丝电流对管电流的影响 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理9靶是电子轰击的区域2. 阳极(anode)类型固定旋转 传导电子 机械支撑 热辐射体功能一、X射线管(X-ray tube) 阳极是X射线管的正极 钨作为靶材料的原因：钨原子序数较高，产生X射线的效率高和产生高能X射线；钨能够有效散热的金属；钨具

4、有很高的熔点3410第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理10元素元素符号原子序数K特征X射线熔点钨钼铑WMORh74424559.0keV17.4keV19.7keV3410OC2600OC3200OCX射线靶的特征 2. 阳极(anode) 靶一、X射线管(X-ray tube) 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理113. X射线管的焦点(focal spot)实际焦点有效焦点实际焦点大小意义测量方法一、X射线管(X-ray tube) 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理12一、X

5、射线管(X-ray tube) 实际焦点有效焦点实际焦点大小意义测量方法3. X射线管的焦点(focal spot)第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理13实际焦点有效焦点实际焦点大小意义测量方法一、X射线管(X-ray tube) 3. X射线管的焦点(focal spot) 靶表面与X射线输出方向的夹角称为靶倾角。经过投影后，有效焦点的长度a则变成了 。sinA双角度靶面能够产生两种尺寸的焦点 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理14焦点的一般形状 理想有效焦点是圆形实际形状双香蕉状一、X射线管(X-ray tube)

6、 3. X射线管的焦点(focal spot)第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理15管电流和管电压对有效焦点长度的影响 一、X射线管(X-ray tube) 3.13.23.33.53.43.73.63.83.90200400600管电流(mA)焦点大小(mm)50kVp80kVp110kVp3. X射线管的焦点(focal spot)第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理16二、X射线产生机制1. 电子与物质的相互作用ZE816MeVk辐射损失碰撞损失2)高速电子与靶原子核发生相互作用，将能量转化 为轫致辐射(brems

7、strahlung radiation) 。1)高速电子电离原子的内层电子，将能量转化 为标识辐 射(characteristic radiation) ；碰撞损失(collision loss)辐射损失(radiation loss)第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理17轫致辐射产生二、X射线产生机制2. 连续X射线第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理182. 连续X射线轫致辐射产生二、X射线产生机制第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理192. 连续X射线存在最短波长( min) X

8、射线强度连续变化每条曲线有一个峰值波长增加方向上无限 延展，强度越来越弱二、X射线产生机制30kV20kV40kV50kV0.10123456780.020.040.060.08波长波长(nm)相对强度相对强度I钨靶较低管电压连续X射线发射谱第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理202. 连续X射线 光子能量的最大极限(hmax)等于入射电子在X射线管加速电场中所获得的能量eU，即eUhmax光子最短波长为： eUhcmin)()(24. 1minnmkvU二、X射线产生机制第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理213. 特征

9、X射线二、X射线产生机制 产生条件iWeU 管电压U满足：入射电子动能靶原子某一壳层电子结合能第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理223. 特征X射线二、X射线产生机制 产生条件iWeU 管电压U满足：入射电子动能靶原子某一壳层电子结合能第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理233. 特征X射线二、X射线产生机制第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理243. 特征X射线二、X射线产生机制几种靶材料产生K、L系特征X射线的激发电压(kV) 靶材料原子序数K系激发电压L系激发电压铝(Al)铜(C

10、u)钼(MO)钨(W)铅(Pb)13294274 821.568.8917.459.088.00.090.952.8712.0915.86第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理254. 影响X射线发射谱的因素主要因素经后的发射谱靶自吸收固有滤过附加滤过电子动能多次作用二、X射线产生机制低能X射线吸收外部滤过1.00.50.01010 20 30 40 50 60 70 80 90 100110光子能量光子能量(keV)相对光子数相对光子数100kV管电压下钨靶X射线发射谱第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理264. 影响X射

11、线发射谱的因素二、X射线产生机制因素影响管电流管电压附加过滤靶材料管电压波形能谱幅度能谱幅度和位置能谱幅度,在低能时更加有效能谱幅度和特征X射线谱位置能谱幅度,在高能时更加有效影响X射线能谱的大小和相对位置的因素第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理27第二节 X射线辐射场的空间分布 一、X射线强度 二、X射线强度的空间分布 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理282. X射线强度(x-ray intensity)一、X射线强度 单能X射线的强度I为hNI 多种光子组成的线状谱强度为iiihNI连续X射线能谱的强度为EENE

12、IEd )(max0诊断中连续X射线总强度niZUKI1cK系特征X射线强度nUUiI)(k2k K第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理292. X射线的量与质由管电流与照射时间间接表示通常以毫安秒(mAs)为单位。X射线的质(x-ray quality)X射线的量(x-ray quantity)又称线质，由管电压和滤过间接表示通常以千伏数（kV）为单位。 一、X射线强度 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理303. 影响X射线强度的因素构成靶物质的原子序数管电流管电压 附加滤过 电压脉动一、X射线强度 第一章第一章 X

13、X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理313. 影响X射线强度的因素各种因素对X射线强度的影响 影响的结果增加增加增加降低降低降低不变增加增加增加不变降低毫安秒管电压靶原子序数滤过距离电压脉动X射线的量X射线的质影响因素(增加)一、X射线强度 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理32二、X射线强度的空间分布 管电压较高时 采用穿透式靶管电压较低时 利用反射式靶主要取决于入射电子能量靶物质靶厚度1薄靶周围X射线强度的空间分布X射线辐射强度在空间的分布情况很复杂第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理33二、X射线

14、强度的空间分布 管电压较高时 采用穿透式靶管电压较低时 利用反射式靶主要取决于入射电子能量靶物质靶厚度1薄靶周围X射线强度的空间分布X射线辐射强度在空间的分布情况很复杂第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理342厚靶周围X射线强度的空间分布“足跟”效应(阳极效应) 焦点的大小和形状 改变二、X射线强度的空间分布 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理35二、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第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理36二、X射线强度的空间分布 2厚靶周围X射线强

15、度的空间分布第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理37二、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阳极效应对有效焦点大小和形状的影响 阳极效应的另一个重要的后果就是改变了有效焦点的大小和形状 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理38第三节 X射线与物质的相互作用 一、X射线与物质相互作用系数 二、光电效应(photoelectric effect) 三、康普顿效应(Compton effect) 五、X射线与物质的其它相互作用过程 四、电子对效应(electric pair effect) 六、各种相互作用的相对

16、重要性 七、X射线基本特性 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理39主要过程次要过程光电效应康普顿效应电子对效应相干散射光核反应第三节 X射线与物质的相互作用 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理40X线光子进入线光子进入生物组织生物组织电子沿径迹电子沿径迹 损失能量损失能量康普顿效应康普顿效应电子对效应电子对效应光电效应光电效应高速电子高速电子光子光子轫致辐射轫致辐射电离电离激发激发热热物化阶段物化阶段生化阶段生化阶段生物阶段生物阶段 射线与生物组织相互作用的结射线与生物组织相互作用的结果果X第三节 X射线与物质的相互作

17、用 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理41多种相互独立的作用1. 线性衰减系数与截面 一、X射线与物质相互作用系数 截面jj单能平行X射线光子束水平入射-dN= Nndx= n为线性衰减系数 单位：m2xnxeNeNN00第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理42一、X射线与物质相互作用系数 1. 线性衰减系数与截面 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理43线性衰减系数xNNd/d各种相互作用的总线性衰减系数jjn单位为m-1或cm-1质量衰减系数 单位是m2kg-1或cm2g-1一、X

18、射线与物质相互作用系数 1. 线性衰减系数与截面 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理442. 质能转移系数和质能吸收系数 线性能量转移系数hEtrtrh光子的能量Etr转移给带电粒子的动能jj ,trtr总转移系数 一、X射线与物质相互作用系数 单位为m-1或cm-1等于各转移系数之和 光子在物质中穿行单位距离时，其总能量由于各种相互作用而转移给带电粒子动能的份额 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理45质能转移系数(mass energy transfer coefficient)lNEEd1dtrtr质能吸收系数(m

19、ass energy absorption coefficient)1 (trengg为次级电子的动能因辐射而损失的份额。 一、X射线与物质相互作用系数 2. 质能转移系数和质能吸收系数 ，式中为物质密度, 是该能量的入射X射线光子穿过“质量厚度”为dl的物质层时，其总能量中因相互作用而转移给带电粒子动能的份额，E是入射X射线光子的能量，N是入射X射线光子数 NEEtrd第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理46二、光电效应(photoelectric effect) 1. 作用过程 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理47

20、h : 光子能量Ee: 光电子的动能EB: 原子第i层电子的结合能 h=Ee+EB 2. 作用系数33)(hZ光电线性衰减系数，符号光电质量衰减系数，符号二、光电效应(photoelectric effect) 1. 作用过程 光电效应发生的概率随光子能量的变化第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理48水铅LK2. 作用系数水和铅的光电质量衰减系数与X射线光子能量的关系二、光电效应(photoelectric effect) 5104103102101100101101keV 10keV 100keV 1MeV 10MeV光子能量光电质量衰减系数第一章第一章

21、X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理493. 光电子角分布二、光电效应(photoelectric effect) 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理504. 诊断放射学中的光电效应 影像质量好 1)无散射线，减少了照片灰雾射线通过光电效应可全部被人体吸收，增加 了受检者的辐射剂量。2)增加吸收差别，对比度高利:弊:二、光电效应(photoelectric effect) 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理51三、康普顿效应(Compton effect) 1.作用过程)cos1 (1hhhhhE

22、)cos1 (1)cos1 ()2()1 (tgctg第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理52三、康普顿效应(Compton effect) 1.作用过程第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理532.作用系数h1康普顿线性衰减系数，用符号“”表示康普顿质量衰减系数与入射光子能量之间的关系康普顿质量衰减系数，用符号“ ”表示三、康普顿效应(Compton effect) 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理543.散射光子和反冲电子的角分布散射光子 0180 三、康普顿效应(Compton

23、effect) 0.1 MeV1.0 MeV10 MeV康普顿散射光子的角分布第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理553.散射光子和反冲电子的角分布1.0 MeV0.1 MeV10 MeV90O60O0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1090O60O0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10反冲电子090三、康普顿效应(Compton effect) 康普顿反冲电子的角分布第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理564. 诊断放射学中的康普顿效应 从受检者身上产生的散射线能量与原射线相差很少，并且散射线比较对称地分布在

24、整个空间，医生和技术人员必须重视，并采取相应的防护措施。(2) 散射线增加了照片的灰雾，降低了影像的对比度， 但与光电效应相比受检者的剂量较低。 三、康普顿效应(Compton effect) 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理571. 作用过程 22cmEEhe四、电子对效应(electric pair effect) 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理581. 作用过程 22cmEEhe四、电子对效应(electric pair effect) 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物

25、理592. 作用系数Zhp 当h 2mec2时 当h2mec2时)ln(phZ电子对线性衰减系数，用符号“ ”表示；电子对质量衰减系数，用符号“ ”表示。pp四、电子对效应(electric pair effect) 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理60五、X射线与物质的其它相互作用过程 1.相干散射(coherent scattering)2coh)(hZ光子与原子核作用而发生的核反应。光核反应在诊断X射线能量范围内不可能发生。 相干散射质量衰减系数与原子序数和入射X射线光子能量的关系可表示为： 2.光核反应不产生电离过程第一章第一章 X X射线物理射

26、线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理61六、各种相互作用的相对重要性 1. 总的衰减系数高能端部分电子对效应占优势 cohpc2. 各种相互作用的相对重要性10keV100MeV能量范围的低能端部分 光电效应占优势中间部分康普顿效应占优势第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理622. 各种相互作用的相对重要性六、各种相互作用的相对重要性 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理63七、X射线的基本特性1.X射线穿透作用 2.X射线荧光作用 3. X射线电离作用 4. X射线热作用 5. X射线的化学和生物效应 X射线除具有

27、电磁波的共性外，还具有以下的基本特性。易透性组织中等透射性组织不易透射性组织气体脂肪组织结蒂组织肌肉组织软骨血液骨骼 人体组织对X射线的穿透性 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理64第四节 X射线在物质中的衰减 扩散衰减距离所致 X射线强度衰减的平方反比定律 X射线摄影、透视及X-CT检查的基本依据屏蔽防护设计的理论根据吸收衰减 物质所致 强度减弱 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理65一、单能X射线在物质中的衰减规律 二、连续X射线在物质中的衰减规律 三、X射线的滤过 第四节 X射线在物质中的衰减 第一章第一章 X

28、X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理66一、单能X射线在物质中的衰减规律 1. 单能窄束X射线在物质中的衰减规律 xIIe0 半价层(half-value layer,HVL)693. 0HVLxBIIe0宽束X射线:积累因子B nsnsnnNNNNNNNB1宽束 B1；理想窄束 B=1近似计算xB1第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理67二、连续X射线在物质中的衰减规律 连续能谱窄束X射线衰减nIIII21xnxxnIIIeee0020121特点：X射线强度变小，硬度变大（质提高）1. 单能窄束X射线在物质中的衰减规律 第一章第一章 X

29、X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理68二、连续X射线在物质中的衰减规律 1. 单能窄束X射线在物质中的衰减规律 连续能谱窄束X射线衰减第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理69连续能谱X射线与单能X射线通过物质时衰减的比较二、连续X射线在物质中的衰减规律 20012344006008001000光子数水模厚度/cm100kV单能X射线100kV连续能谱X射线1. 单能窄束X射线在物质中的衰减规律 连续能谱窄束X射线衰减第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理70二、连续X射线在物质中的衰减规律 1. 单能窄束

30、X射线在物质中的衰减规律 连续能谱X射线随吸收物质厚度的变化连续能谱窄束X射线衰减第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理71决定衰减程度的四个因素X射线本身的性质物质密度原子序数每千克物质含有的电子数二、连续X射线在物质中的衰减规律 1. 单能窄束X射线在物质中的衰减规律 单能窄束X射线透过10cm水模的百分数能量（keV） 透过百分数（%）能量（keV） 透过百分数（%）203040500.042.57.010.0608010015013.016.018.022.0连续能谱窄束X射线衰减第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理

31、72三、X射线的滤过 固有滤过附加滤过总滤过 X射线管出口放置一定均匀厚度的金属，预先把X射线束中的低能成分吸收掉，将X射线的平均能量提高，这种过程就是所谓滤过。 铝当量（mm Al）是指一定厚度的铝板与其它滤过材料相比，对X射线具有相同的衰减效果，此铝板厚度就是该滤过材料的铝当量。 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理73三、X射线的滤过 实际滤过板可选择某种物质使它通过光电效应大量吸收低能成分，而高能成分通过时仅有极少量的康普顿散射吸收和光电效应吸收，绝大部分高能射线可通过。 理想滤过板低能成分全部吸收高能成分全部透过铜是很好的滤过物质 低能射线高能射线

32、铝是很好的滤过物质第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理74 单能X射线由于具有同样的穿透本领，无需滤过，其线质可用X射线光子的能量或半价层表示。但对连续X射线来说，光子能量不同，当通过滤过物质后，能量分布有不同的变化，要描述它的线质比较困难。在不需严格的能谱分析情况下，通常可用半价层、有效能量等表示。 三、X射线的滤过 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理75三、X射线的滤过 单能X射线光子能量与半价层的关系 0.00846 0.0105 0.023 0.071 0.159 0.297 0.485 1.01 1.68 3.

33、48 4.94 224.2 74.1 33.7 10.9 4.88 2.61 1.60 0.768 0.462 0.223 0.157 0.0083 0.326 0.760 2.30 4.56 7.02 9.30 12.8 15.2 18.7 21.1 26.2 7.90 3.39 1.12 0.565 0.367 0.277 0.201 0.170 0.138 0.1221015203040506080100150200 HVL(mm) HVL(mm) 铜 铝 光子能量（keV）)gcm(12)gcm(12第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理76第五节 X射线在人体内的衰减 一、人体的物质组成 二、混合物和化合物的质量衰减系数 三、化合物的有效原子序数 四、X射线在人体中的衰减 第一章第一章 X X射线物理射线物理第一章第一章 X X射线物理射线物理77一、人体的物质组成 骨骼、软组织、肺和消化道以及腔体内的气体组成人体组织中所含元素质量的百分数（%）元素脂肪组织 肌 肉 骨 水HCNONaMgPSKCa 11.2