第一章 X射线物理

医学影像物理学第一章X射线物理主编：南京医科大学吴小玲编者：牡丹江医学院仇惠泰山医学院谢晋东第一节X射线的产生第二节X射线的空间分布第三节X射线与物质相互作用的类型第四节X射线在物质中的衰减第五节X射线在人体内的衰减目录1895年，伦琴用黑纸把阴极射线管包起来，发现1m远处的荧光屏上发出微弱的荧光，甚至将屏移出2m之外还有荧光出现，这种射线走直线、不反射、不折射、也不受磁场偏折，所以他称未知的射线为X射线。它的穿透性很强，可穿透他夫人的手显示出手骨骼图象。1.X射线的发现一、X射线的发现及其基本特性第一节X射线的产生德国物理学家伦琴（1845~1923年）第一张人体X光片（1895年）

该人体手骨骼X光片在医学上具有划时代意义。诺贝尔物理学奖（1901年）一、X射线的发现及其基本特性1.X射线的发现1906年，英国物理学家巴拉克才显示了X射线的偏振，首次用实验证明了X射线的波动性。1912年，德国物理学家劳厄等人发现了X射线在晶体中的衍射现象，证明X射线是一种波长很短的电磁波。X射线是电磁波谱中：具有电磁波的一切基本特性。具有波动和粒子二重特性:一、X射线的发现及其基本特性2.X射线的基本特性德布罗意波长:一、X射线的发现及其基本特性2.X射线的基本特性X射线作为一种电磁波，除具有电磁波的共性外，又因X射线具有能量大，波长短等特点，还有一些自己独特的性质。（1）X射线在各向同种的均匀介质中：依直线传播的不可见电磁波，具有波粒二象性。（2）X射线不带电：因此不受外界电场、磁场的影响。X射线的能量物质本身性质易透性组织（Z小）中等透射性组织（Z中）不易透射性组织（Z大）气体脂肪组织结蒂组织肌肉组织软骨血液骨骼有关。（3）X射线的穿透作用X射线的波长短，能量大，物质对X射线吸收较弱，则贯穿本领强。与

是医学影像的基础------一、X射线的发现及其基本特性X射线照射某些物质能发射荧光。荧光物质：具有这种光特性的物质。例如：钨酸钙、银激活的硫化锌镉等物质。医学应用：透视；影像增强器的输入屏、输出屏、增感屏。X射线能击脱物质原子某轨道上的电子，产生电离，又可产生二次电离。利用X射线的电离作用的强弱来间接测量X射线的数量，即X射线的强度。（4）荧光作用（5）电离作用间接测量X射线的的强度。

电离作用是X射线损伤和治疗的基础。透视一、X射线的发现及其基本特性------------X射线被物质吸收，绝大多数转换为热。利用热作用：可促进血液循环；测定X射线吸收剂量。（6）热作用（7）化学作用感光作用：X射线能使照相胶片感光，起光化学反应，即照相。伦琴就是借助这个特性发现的X射线。摄影（照相）----------物质吸收着色作用（脱水作用）：X射线长期照射某些物质，其结晶体脱水，渐渐改变颜色。如铅玻璃、水晶等物质。一、X射线的发现及其基本特性X射线在生物体内产生激发和电离对生物分子有破坏作用。损伤：引起生物细胞畸变破坏：对生物细胞可抑制、损伤、坏死；杀癌细胞，可在放射治疗中应用。

医生应时刻注意防护

!!!（8）生物效应----是放射治疗的基础一、X射线的发现及其基本特性(2)阳极靶：(1)电子源：(3)电势差：(4)真空玻璃罩：使电子在运动过程中尽可能减少能量损耗，保护灯丝不被氧化。发射电子。一个受电子轰击而辐射X射线的物体。要有加速电子使其增加动能的电位差（管电压）。产生X射线的条件：二、X射线管旋转阳极X射线管结构早期的放射治疗用X线管二、X射线管X射线管：是一个高度真空的硬质玻璃管。X射线管(俗称球管)X射线管主要组成：阴极阳极玻璃罩二、X射线管1.阴极(cathode)灯丝（钨丝）

：发射电子聚焦杯：聚焦电子的凹面阴极体是X射线管的负极。

阴极技术指标圆焦点线焦点二、X射线管

灯丝电流管电压管电流二、X射线管是X射线管的正极。2.阳极(anode)

阳极阳极靶：接收电子轰击，产生X射线。阳极体（铜）：散热。接收电子机械支撑热辐射体功能X射线管的电特性：4.6A4.4A4.2A02001601204024080管电压(kV)管电流(mA)4080120160管电压和灯丝电流对管电流的影响灯丝电流一定，随着管电压的升高，管电流在一定范围内增加，但当达到某一值即饱和值时将不再增加。当管电压低于某一较低的临界电压时，管电流并不随灯丝电流的增加而升高，即产生空间电荷效应。二、X射线管类型固定旋转X射线靶的特征元素元素符号原子序数K特征X射线熔点钨钼铑WMORh74424569keV42keV45keV3410OC2600OC3200OC阳极罩：罩住阳极，防止电子的破坏。还有:管套、出射窗。二、X射线管3.X射线管的焦点(focalspot)是衡量X射线机的重要指标之一。直接影响透射、照相的清晰度，对影像质量影响很大。实际焦点有效焦点分类：指面积二、X射线管灯丝发射的电子束，经聚焦加速后，撞击在阳极靶上的实际面积。意义：直接影响X射线散热问题。(1)实际焦点：二、X射线管实际焦点在垂直于X射线管轴线方向上的投影面积。即：X射线照射在胶片上的有效面积。意义：直接影响X射线的影像质量。(2)有效焦点（目视焦点）：理想有效焦点:圆形实际形状:双香蕉状焦点的一般形状二、X射线管（X-raytube

）灯丝大小影响有效焦点的因素：管电压管电流靶倾角二、X射线管（X-raytube

）(3)两者之间的关系：面积量纲靶角θ：6°~17°二者之间关系：二、X射线管（X-raytube

）X射线管的实际焦点和有效焦点阐述电子与靶相互作用中的能量转换，即X射线产生的物理过程。1.电子与物质的相互作用碰撞损失(collisionloss)能量损失：高速电子与靶外层电子相互作用，而损失的能量。热99％三、X射线的产生机制（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(bremsstrahlungradiation)。（1）高速电子电离原子的内层电子，将能量转化为特征辐射(characteristicradiation)；辐射损失(radiationloss)1％三、X射线的产生机制2.连续X射线轫致辐射连续X射线为什么叫连续X射线？三、X射线的产生机制轫致辐射的产生X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*存在最短波长(λmin)钨靶较低管电压连续X射线发射谱各条曲线：

Ｕ三、X射线的产生机制Iλmin

光子能量的最大极限(h

max)等于入射电子在X射线管加速电场中所获得的能量eU，即光子最短波长为：连续X射线的最短波长电子的能量全部转换成X光子的能量三、X射线的产生机制3.特征X射线特征辐射特征X射线三、X射线的产生机制特征X射线的产生钨原子能级和K系、L系特征X射线三、X射线的产生机制钨原子能级和K系L系特征X射线4.影响X射线发射谱的因素（1）固有滤过：X射线经历X射线管的玻璃壁、绝缘油层和管套上的出射窗口的衰减。对软组织X线摄影，把X射线管的玻璃壁换上铍，具有最小的固有滤过。（2）附加滤过：X射线管出口下面所加的衰减材料。

三、X射线的产生机制1.00.5

0.010102030405060708090100110光子能量(keV)相对光子数100kV管电压下钨靶X射线发射谱三、X射线的产生机制影响X射线能谱的大小和相对位置的因素因素影响管电流管电压附加滤过靶材料管电压波形能谱的幅度能谱的幅度和位置能谱幅度，在低能时更加有效能谱的幅度和特征X射线谱的位置能谱幅度，在高能时更加有效三、X射线的产生机制1.X射线强度(x-rayintensity)

(I)每个光子的能量(hv)大小光子数(N)的多少决定辐射能量由：单位时间内，通过单位横截面积的辐射能量。一、X射线管的输出第二节X射线的空间分布多种光子组成的X射线(线状谱)的强度为连续X射线能谱的强度为单能X射线的强度I为诊断中：应用经验公式连续X射线总强度K系特征X射线强度一、X射线管的输出二、X射线的空间分布主要取决于入射电子能量靶物质靶厚度X射线辐射强度在空间的分布情况很复杂1.薄靶周围X射线强度的空间分布薄钨靶周围X射线强度的角分布随管电压的变化“足跟”效应(阳极效应)焦点的大小和形状改变靶角越小，“足跟”效应越明显，X射线强度下降越多。2.厚靶周围X射线强度的空间分布二、X射线的空间分布厚靶阳极效应示意图阳极效应：造成有用X射线束的强度在阳极侧降低二、X射线的空间分布阳极效应造成的有用X射线束的强度在阳极侧降低阳极效应对有效焦点大小和形状的影响阳极效应：改变了有效焦点的大小和形状。（靠近阳极侧的有效焦点小）二、X射线的空间分布X射线影像的物理依据：一部分光子相互作用发生作用电子原子核物质X射线X射线通过物质时：直接穿透物质大部分光子与物质中的第三节X射线与物质相互作用的类型X射线与物质相互作用的主要形式有：光电效应康普顿效应电子对效应X射线与生物组织相互作用的结果第三节X射线与物质相互作用的类型产生条件:h

=Ee+

Eb作用过程：h

:光子能量Eb:内层轨道电子的结合能Ee:光电子的动能光电子：光电效应产生的电子。1.作用过程：光电效应：能量为h

的X射线光子通过物质时，与物质原子的轨道电子发生相互作用，把全部能量传递给这个电子，光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚成为自由电子的过程。

一、光电效应(photoelectriceffect)光电效应示意图一、光电效应(photoelectriceffect)

2.作用截面：入射粒子与物质中的一个原子或电子发生一次特定相互作用的概率，称为“原子截面”或“电子截面”。符号原子序数越大，光电效应发生的概率迅速增加；单位：m2

专用单位：巴恩（barn.b）1b=10-28m2原子截面：

一、光电效应(photoelectriceffect)光子能量越大，光电效应发生的概率迅速减小。边缘吸收限(edgeabsorptioneffect)光电效应发生的概率突变的地方

W、Mo、Cu的光电效应原子截面与光子能量的关系一、光电效应(photoelectriceffect)光电子出射的角分布3.光电子的角分布：20KeV100KeV0.5MeV1.5MeV一、光电效应(photoelectriceffect)4.诊断放射学中的光电效应1)不产生散射线，减少了照片灰雾2)增加人体不同组织的对比度利:影像质量好弊:入射X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。在实际工作中，采用高千伏摄影技术，减少光电效应的发生，从而达到降低剂量的目的。一、光电效应(photoelectriceffect)1.作用过程：康普顿效应：能量为hν的X光子与物质原子核外的电子（多为外层电子）发生非弹性碰撞，将一部分能量转移给电子，即成为反冲电子，而入射光子被散射的过程。产生条件:作用过程：二、康普顿效应(Comptoneffect)散射光子能量和反冲电子动能E的计算公式：反冲角和散射角之间的关系为:二、康普顿效应(Comptoneffect)康普顿效应示意图二、康普顿效应(Comptoneffect)2.作用截面：康普顿效应截面：与原子序数Z无关康普顿效应概率：

电子截面：

二、康普顿效应(Comptoneffect)原子截面：康普顿散射光子的角分布3.散射光子和反冲电子的角分布0.1MeV1.0MeV10MeV二、康普顿效应(Comptoneffect)

康普顿反冲电子的角分布0.1MeV1.0MeV10MeV3.散射光子和反冲电子的角分布二、康普顿效应(Comptoneffect)4.诊断放射学中的康普顿效应（1）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。二、康普顿效应(Comptoneffect)电子对效应：

一个X线光子在物质的原子核库仑场的作用下，光子的全部能量转化为具有静止质量的一对正负电子的过程。

作用过程：产生条件:

一个电子静止质量相当于:0.511MeV三、电子对效应(electricpaireffect)

1.作用过程：三、电子对效应(electricpaireffect)电子对效应示意图复合消失电子对的湮没：正电子+自由电子（物质中的）

两个飞行方向相反的光子（一个光子能量：0.511MeV）产生电子对湮没三、电子对效应(electricpaireffect)2.作用界面：

当hv>2mec2时

当hv

>>2mec2时三、电子对效应(electricpaireffect)