X线放射物理与防护

1、第二章X线产生和性质第1页 第一节、X线发觉 X线是德国著名物理学家伦琴于1895年11月8日发觉。X线发觉在科学史上是个极其重大事件，它给人类历史和科技发展带来巨大影响，并由此开创了物理学和影像医学崭新时代。 X线成像技术与以后发展起来核医学成像、超声成像、X线CT、磁共振成像、热图像、介入性放射学和内镜等技术共同组成当代医学影像学崭新领域。第2页第3页第二节 X线基本特征X线是电磁辐射谱中一部分，属于电离辐射，其波长介于紫外线和射线之间，是含有电磁波和光量子双重特征一个特殊物质。就其本质而言，X线与可见光、红外线、紫外线、射线完全相同，都是电磁波，只不过X线频率很高， 波长很短。 X线含有

2、波动性，与可见光一样，含有衍射、偏振、反射、折射等现象。第4页X线含有微粒性，X线波动性能够成功地解释X线干涉与衍射现象，但却不能解释X线光电效应、荧光作用、电离作用等，这些只能用X线粒子性做出圆满解释。即X线是由一个个微粒即X光子组成。第5页第6页 X线是一个电磁波，它含有电磁波共同属性。另外，因为X线能量大、波长短，它还含有以下几方面特有性质。(一)物理特征 1X线在均匀、各向同性介质中，是直线传输不可见电磁波。 2中性高能光子流，X线不带电，它不受外界磁场或电场影响。 3穿透作用 因为X线波长短，含有较高能量，物质对其吸收较弱，所以它有很强贯通本事。其穿透本事强弱取决于X线能量、物质密度

3、和原子序数等原因。第7页4荧光作用 一些物质被X线照射后，能激发出可见荧光。如磷、钨酸钙、铂氰化钡、银激活硫化锌镉等荧光物质受X线照射时，物质原子被激发或电离，当被激发原子恢复到基态时，便可放出荧光。透视用荧光屏，摄影用暗盒中增感屏，影像增强器中输入屏和输出屏，测定辐射量闪烁晶体、荧光玻璃等都是利用荧光特征制造。X线发觉也是基于它荧光作用。荧光强弱与X线量成正比第8页5电离作用 X线即使不带电，但它含有足够能量X线光子能够撞击原子中轨道电子，使之脱离原子产生一次电离。被击脱电子仍有足够能量，去电离更多原子。X线电离作用主要是它次级电子电离作用。X线在气体中产生正、负离子，在电场力作用下很轻易搜

4、集起来。通常就是利用空气中电离电荷(或电流)多少来测定X线照射量。各种测定X线剂量仪器探头，如电离室、盖革弥勒计数管等都是依据这个原理制造。 X线电离作用是放射治疗基础，但它也可对人体造成损伤。第9页6热作用 X线被物质吸收，最终绝大部分都将变为热能，使物体产生温升。测定X线吸收剂量量热法就是依据这个原理研究出来 。第10页 (二)化学特征1感光作用 X线和可见光一样，一样含有光化学作用。它可使胶片乳剂感光，能使很多物质发生光化学反应。X线被广泛应用于人体X线摄影和工业无损探伤检验，以及照射量(胶片法)测定等技术中。 2着色作用 一些物质，如铅玻璃、水晶等经X线长久大剂量照射后，其结晶体脱水渐

5、渐改变颜色，称为着色作用或脱水作用。第11页(三)生物效应特征X线在生物体内也能产生电离及激发作用，也就是使生物体产生生物效应。生物细胞尤其是增殖性强细胞，经一定量X线照射后，可产生抑制、损伤甚至坏死。 人体组织吸收一定量X线后，视其敏感程度不一样，而出现种种反应，这个特征可在肿瘤放疗中得到充分应用，它是放射治疗基础。 当然X线对正常人体组织也可能产生损伤作用，故应注意对非受检部位和非治疗部位屏蔽防护，同时射线工作者也应注意本身防护。第12页第三节X线产生条件和装置研究证实，凡高速带电离子桩基物质而突然受阻，都能产生X线。一、X线产生条件:1.电子源2.高速运动电子流3.阳极靶第13页三、X线

6、产生装置第14页1.电子源：电子源能提供所需数量电子。2.高速运动电子流：要使电子成为高速运动电子流需要两个条件; (1)有一个给电子加速高压场，在高压场作用下，电子取得足够大动能。 （2）有一个高真空空间，是电子在高压场作用下而加速运动过程中，免遭气体分子阻挡而降低能量。3.阳极靶：一个能经受住高速电子撞击而产生X射线靶。第15页X线管不一样分类1.按焦点分：单焦点，双焦点X线管2.按阳极分：固定阳极，旋转阳极X线管3.按靶物质分：钨靶、钼靶、铼钨合金靶X线管。第16页第17页第18页第19页第20页第21页以旋转阳极X线管来介绍产生X线装置几个主要部分1.阴极：为电子源，起作用是按照需要提

7、供足额数量电子，经聚焦加速后撞击阳极而产生x线。阴极由灯丝和集射罩组成，灯丝多有高熔点钨丝烧制而成。接通电源，灯丝加热，当温度升到一定值时钨原子轨道电子便脱离原子核束缚而溢出灯丝表面，形成包饶灯丝电子云。灯丝电压越高，灯丝温度便越高，每秒蒸发出电子数目就越多。当在阴极和阳极之间接通高电压（阴极为负、阳极为正）时，在强电场作用下，蒸发电子奔向阳极便形成了管电流。管电流单位mA。第22页2.阳极 又称阳极靶，它是使高速电子突然受阻而产生X线地方。阳极靶面和散热体两部分组成。通常，是将钨材料靶面焊接在实心或空心铜材料圆柱体上。采取这种结构是因为从阴极飞来高速电子能，99%以上都在阳极上变为了热能，使

8、阳极产生，很高温升，这就要求阳极材料既要耐高温，又要散热性能好。方便能及时将热量传递出去，确保阳极靶面不被融化而损坏。钨原子序数高（Z=74），有利于提升X线产生效率;其熔点高（3370C），能耐受住高速电子碰撞时产生热量，但导热性差。铜原子序数和熔点较低，但导热性能好，故结合二者优点将阳极靶面做成将钨靶面镶嵌在镶嵌在铜散热体上结构。第23页固定阳极X线管因为焦点面受温限制，功率不能太大，若功率太大，温度过高，靶面会融化，使靶面凹凸不平，在工作中产生大量额散射线，影像图像质量，增加了射线环境污染和防护难度。降低了X线管使用寿命。、若增大焦点面也会影像影像质量，所认为了处理这个既要焦点小又要功率

9、大矛盾，就创造了旋转阳极X线管。旋转阳极X线管，做成了一个有梯度圆盘，可随点击旋转高速旋转，这么，被掌机靶面就是整个环形圆盘，防止了局部过热，是X线管热容量大大提升。第24页3.管壳， 其作用是维持一个高真空度空间。兵器这固定阳极和阴极作用。管壳必须有不漏气、耐高温、绝缘性能好及吸收较少等特征。普通再用汗各种化学成份硬质玻璃制成。4.其它装置：高压发生器、控制台等。第25页第26页第27页此次讲课完，谢谢！第28页第四节 X线产生原理（一）电子与物质相互作用X线是高速电子与靶物质相互作用产生。电子与物质相互作用过程，就是电子与物质原子原子核或核外电子作用过程。 当入射高速电子从原子核旁经过时，

10、因为受原子核库伦电场作用，入射电子将连续损失能量，损失能量以X光子形式释放出来即变为辐射能（E辐射） E = E辐射 + E电子 + E热能第29页二X线产生原理X线产生于高速电子轰击靶原子，因为高速电子与靶原子核作用时速度连续改变而产生连续X线。而又于轨道电子内壳层跃迁变产生特征X线。 高速电子被靶物质组织过程很复杂，它不但与靶面原子作用，而且还能穿过原子间隙，与内部原子作用。普通情况下电子在失去其全部能量之前要收到很屡次撞击。X线产生：X线是高速入射电子与靶物质相互作用而产生，或者说入射高速电子在与物质相互作用时，入射电子能量转换成了X线光子能量。第30页（二）连续X线 对X线管发出X线进

11、行光谱分析，发觉它由两种成份组成，一个是当高速电子与靶物质原子原子核相互作用，因为受库伦电场作用急剧减速u，其速度发生连续改变，这种X线谱是连续，称为连续X线（又称韧致辐射）；另一个则是线状，称为特征X线。可见X线是由这两种成份组成混合射线。1、连续X线产生原理 第31页连续X线产生物理过程是轫致辐射 高速电子进入到原子核附近强电场区域，然后飞离强电场区域从而完成一次电子与原子核相互作用时，电子速度大小和方向必定发生改变。电子损失能量将以电磁波（包含X线）形式向外辐射。 电子这种能量辐射叫轫致辐射。 因为每个高速电子与靶原子作用时相对位置不一样，且每个电子与靶原子作用前含有能量也不一样，所以各

12、次相互作用对应辐射损失也不一样，因而发出X线光子频率也互不相同。大量X线光子组成了含有频率连续X线光谱。第32页图2-4当一个能量为E高速电子与原子核相互作用时，日射电子会损失E，并改变运动方向。损失能量就以X线光子形式释放出来，光子能量hv=E。入射高速电子在于靶原子相互作用过程中，可将部分或者全部能量转变成X线。X线光子能量大小与入射电子损失能量大小相等。入射能量越大，X线光子能量越大。入射能量越小，X线光子能量越小。第33页入射电子与原子核相互作用后，有是经过辐碰撞耗尽全部能量。而绝大多数电子则是要经过屡次碰撞，才能耗尽全部能量。每个电子经历一次碰撞，便产生一个光子，屡次碰撞产生多个光子

13、，这么便产生屡次辐射。这种屡次辐射每次产生能量不一样，因而产生了光子能量，从零到最大值，这么就形成了连续x线。第34页其它原因影响半波整流，全波整流。第35页下列图是使用钨靶X线管，管电流保持不变，将管电压从20KV逐步增加到50KV，同时测量各波段相对强度而绘制成X线谱。第36页2、连续X线最短波长、最强波长、平均波长及最大光子能量。第37页最短波长第38页第39页最强波长： 最强 = 1.5 min 平均波长 平均 = 2.5min 最大光子能量 = hvmaX （最大光子能量与管电压峰值电压相等）第40页第41页特征X线 当高速电子与物质原子核外电子相互作用时，所产生X线。特征X 线产生

14、原理： （标识X线产生原理） X - ray 基态 受激态 基态 跃迁 激发第42页第43页2特征X线激发电压靶原子轨道电子在原子中含有确定结合能，只有当入射高速电子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。第44页第45页第46页 第五节 X线量、质及强度习惯上惯用X线强度来表示X线量与质。所谓X线强度是指在垂直于X线传输方向单位面积上，在单位时间内经过光子数量与能量乘积总和。第47页1、X线量 在实际放射工作中，作为一个简便方法，普通是用管电流(mA)和照射时间(s)乘积来反应X线量，以毫安秒(mAs)为单位。管电压一定时，X线管管电流大小反应了阴极灯丝发射电子情况。管

15、电流大，表明单位时间撞击阳极靶电子数多，由此激发出X线光子数也正比地增加；照射时间长，X线量也正比地增大。所以管电流和照射时间乘积能反应X线量。第48页2、X线质 X线质又称线质，它表示X线硬度，即穿透物质本事大小。X线质完全由光子能量决定（即X光子频率决定），而与光子个数无关。X光子频率越高，波长越短，能量越高，穿透力越强，X质越硬。在实际应用中是以管电压和滤过情况（滤过物质和厚度）来反应X线质。这是因为管电压高、激发X线光子能量大，即线质硬；滤过板厚，连续谱中低能成份被吸收多，透过滤过板高能成份增加，使X线束线质变硬。在滤过情况一定时，惯用管电压千伏值来粗略描述X线质。在工作中描述X线质除

16、千伏值外，还用半价层、半值深度等物理量来表示X线质第49页影响X线量和质原因1.靶原子序数（靶物质）影响：在管电压、管电流、投照时间相同情况下，阳极靶原子序数愈高，X线量愈大。2.管电流影响：在一定管电压下同种靶物质和相同照射时间，X线量与管电流成正比， 管电压一定时，X线管管电流大小反应了阴极灯丝发射电子情况，管电流越大表明阴极发射电子越多，因而电子撞击阳极靶产生X线量也越大：发射出X线强度也就越大(质不变，量增加)。3.管电压影响： 在相同mAs同种靶物质条件下， X线量与管电压n次方成正比。第50页第51页第52页4.高压波形，X线两端电压波形对产生X线质和量有显著影响。单相电源半波整流

17、和全波整流，因为高压波是脉动，所以产生X线也呈脉动改变。5.过滤，滤过对X线量与质及能谱组成都有很大影响。增加滤过板厚度，可大量衰减连续谱中低能成份，使能谱变窄，线质提升，但总强度降低了。 在放射工作中应熟练掌握影响X线量与质诸原因，并能依据临床工作需要，恰当地选择X线量与质，这对提升影像质量和降低受检者受照剂量都含有主要意义。 第53页第54页X线强度单能射线强度，X线强度(I)是由光子数目(N)和光子能量(hv)两个原因决定。即： I = N hv 连续X线总强度(I连)与管电流(i)、管电压(U)、靶原子序数(Z)关系可用下面公式近似表示出来: I连 = K1 I Z Un 第55页第六

18、节、X线产生效率在X线管中产生X线能与加速电子所消耗电能比值，叫做X线产生效率。在X线管中加速阴极电子所消耗电功率(IU)全部变成高速电子动能。这些高速电子在与物质复杂相互作用过程中产生X线，同时也产生大量热。研究证实，X线管产生X线效率极低，普通不足1，而绝大部分高速电子能都在阳极变为了热能，使阳极靶面产生很高温升。这是X线管不能长时间连续工作原因所在。所以X线管必须有良好散热冷却装置。大量存在软X线也是造成效率低原因。第56页第57页七、 X线强度空间分布 从X线管焦点上产生X线，在空间各个方向上分布是不均匀，即在不一样方位角上辐射强度是不一样。这种不均匀分布称为辐射强度空间分布。试验表明，X线辐射强度在空间分布情况很复杂，主要取决于入射电子能量、靶物质及靶厚度等原因