第三章X射线的产生与特性

第三章X射线的产生目录第一节X射线的发现第二节X射线的本质与特性第三节X射线的产生条件与装置CONTENTS第四节X射线的产生原理第五节X射线的量与质全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材第六节X射线的产生效率第七节X射线强度的空间分布学习目标掌握熟悉了解掌握X射线的发现、本质与特性；X射线的产生装置、产生原理、量与质、产生效率X射线强度的空间分布、电子与物质的相互作用X射线的不当使用全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材01X射线的发现第一节全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材

X射线，即伦琴射线，是德国物理学家伦琴于1895年发现的。它与1896年提出的放射线和1897年发现的电子并称为“19世纪末20世纪初物理学的三大发现”，是现代物理学兴起的标志。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、X射线的发现历程1876年物理学家希托夫观察到真空管中阴极发出的射线，当这些射线遇到玻璃管壁会产生荧光，并将其命名为“阴极射线”；1887年4月，尼古拉特斯拉发明了单电极X射线管，发现了轫致辐射的效应，生成高能X射线管；1892年特斯拉完成了尼古拉特斯拉的实验，但是他并没有使用X射线这个名字，而只是笼统称为放射能；1892年赫兹提出阴极射线可以穿透非常薄的金属箔伦纳德对很多金属进行了实验；全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材1895年发现了一种射线，能穿透木板、衣服和厚厚的书本，但可被铅板遮挡；它在电场和磁场中不偏转。伦琴给它起名叫X射线；1901年伦琴因发现X射线及对其性质的深入研究，荣获了第一届诺贝尔物理学奖；1905年在第一届国际放射学会上正式把X射线命名为伦琴射线。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材二、X射线的应用（1）X射线首先被应用到医学诊断上;（2）利用X射线的衍射现象研究晶体结构,根据晶体衍射的数据，精确求出阿伏加德罗常数；（3）利用X射线具有标识谱线的特性，可以确定原子序数，并了解原子内层电子的分布情况；（4）X射线的性质也为波粒二象性提供了重要证据。01X射线的本质与特性第二节全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、X射线的本质（1）X射线的波动性波长极短（约在10-3nm～10nm）的横电磁波;

硬X射线：波长小于0.01nm的称超硬X射线，在0.01nm～0.1nm范围内的称硬X射线；硬X射线能量高、穿透性强，主要用来金属部件的无损探伤（0.005nm～0.1nm）和物相分析（0.05nm～0.25nm）。

软X射线：波长介于0.1nm～1nm范围内的称软X射线，软X射线能量较低、穿透性弱，可用于非金属的分析，如透视等。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材（2）X射线的粒子性X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续的粒子流；能量：

质量：动量：X射线的波动性突出表现在其传播时，如反射、干涉、衍射、偏振等现象；而X射线的微粒性主要表现在其与物质相互作用时，如光电效应、电离作用、荧光作用。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材二、X射线的基本特性（1）物理特性X射线属于不可见的电磁波，在均匀的且各向同性的介质中沿直线传播;X射线不带电荷，所以它不受外界磁场或电场的影响，即它在经过电场和磁场

时不会发生偏转;

具有穿透作用；

具有荧光作用；

具有电离作用；

具有热作用。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材（2）化学特性

感光作用；

着色作用。（3）生物特性

由于X射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，分为确定性效应和随机效应。X射线照射到生物机体时，可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。01X射线的产生条件与装置第三节全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、X射线的产生条件

（1）要有一个电子源，一般称为阴极。（2）要有一个能经受起高速电子撞击而产生X射线的靶，即阳极。（3)要有高速电子流。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材二、X射线的发生装置1、诊断用X射线机

诊断X射线主机主要由X射线管、控制台和高压发生器等三部分组成。X射线管是诊断X射线机的核心部件，它是一个高度真空的热阴极二极管。（1）阴极

X射线管的负极，其作用是发射电子并使电子流聚集；（2）阳极

也称阳极靶面，分固定和旋转两种;（3）管电压

加在两极之间的加速电压；（4）管电流

阴极蒸发电子奔向阳极形成，大小受到管电压和灯丝电流的双重影响；（5）管壳

维持一个高真空度的空间，并起着固定阳极和阴极的作用。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材2、治疗用X射线机

医用电子直线加速器是利用微波电场将电子沿直线加速，高能电子打靶产生X射线的装置,其X射线能量范围是4-18MV。（1）电子枪与X射线球管类似，有阴极和阳极，称为两极枪。还有一种三极枪，在阴极和阳极之间插入栅极，可以更好地控制电子发射。由阴极发射的电子在阴极和阳极间脉冲副高压的作用下，进入加速管。（2）加速管电子在加速管内通过微波电场加速。（3）微波功率源是提供加速管建立加速场所需的射频功率，有磁控管和速调管。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材（4）微波传输系统；（5）脉冲调制系统脉冲调制系统的作用是为微波功率源提供具有一定波形和频率要求的高压脉冲；（6）真空系统真空系统为加速管、电子枪等真空器件提供高真空度的空间；（7）恒温水冷系统其作用是给加速器各个产热部件降温，并保持相对恒定的温度；（8）靶电子束引出后，打靶产生X射线。由于打靶的电子束能量很高，所以电子束打靶后产生的X射线是从靶的另一端传射出来。靶材料一般为高原子序数物质如钨、铂金等。01X射线的产生原理第四节全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、电子与物质的相互作用(1)电离：原子的外层价电子或内层电子在高速电子作用下完全脱离原子轨道，使原子变成离子。电离过程中向外发射的光谱有两种：一部分光能几乎全部被周围原子所吸收，转化为热。另一种是内层电子完全脱离轨道，使原子处于激发态，当原子从激发态回到基态过程中，会产生标识X射线，即特征X射线。（2）激发:高速电子或二次电子撞击原子外层电子，由于作用较弱，不足使其电离，仅将电子推入更高能级的空壳层，使原子处于激发态，这种作用叫激发。（3）弹性散射：高速电子受原子核电场的作用而改变运动方向，但是能量不变，称为弹性散射。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材（4）轫致辐射：高速电子在原子核的电场作用下，速度突然变小时，它的一部分能量转变成电磁波发射出来，这种情况叫轫致辐射。电子与物质的相互作用位置全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材二、两种X射线的产生原理（1）连续X射线的产生原理

物理过程：连续X射线是由波长连续变化的谱线组成的，是高速电子与靶原子核发生相互作用发生轫致辐射的结果，是电子的动能直接转化来的。

钨在较低管电压下的连续X射线谱全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材

连续谱的特点：连续谱线的强度随波长变化而变化，在某波长上有一个强度极大值；曲线在波长增加的方向是无限延伸；在波长减小的方向存在一个波长极限，称为最短波长，最短波长对应着频率最高。

根据能量转换和守恒定理，假设高速电子撞击靶时，电子能量中有p部分消耗于阳极各种不同过程的激发，则全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材

光子能量的最大极限

也只能等于入射电子在X射线管加速电场中所获得的能量

，即

连续X射线的最短波长只与管电压有关，与其它因素没有关系。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材（3）影响连续X射线的因素

阳极靶的物质原子序数的影响：对于连续X射线的强度，在管电压、管电流固定时，与阳极靶的原子序数Z成正比，阳极靶的原子序数越高，X射线的强度越大。

管电流的影响：在管电压，靶材料（原子序数）固定时，X射线的强度取决于管电流。管电流越大，在X射线管中被加速的电子数量就越多，产生的X射线强度也就越大。

管电压的影响：X射线束中光子的最大能量等于被加速电子的动能，而电子的最大动能由管决定。当管电压升高时，曲线向短波方向移动。当管电流、靶材料（原子序数）固定时，随着管电压的升高，连续X射线谱的最短波长和最大强度所对应的波长均向短波方向移动。使得X射线的高能成分所占比例增加，同时X射线强度提高。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材X射线靶物质、管电流和管电压对连续X射线谱的影响全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材

在上述讨论中，所涉及的管电压为恒定电压，对于脉动电压，产生的X射线最短波长只与管电压的峰值有关。当峰值电压与恒定电压相同时，脉动电压产生的X射线的平均能量显然要低，三相的X射线谱线明显比单相谱线的X射线能量强，并且谱线向高能量方向偏移。在相同管电流时，脉动电压产生的X射线强度也低。

连续X射线的总强度：经验公式：最强波长：平均波长：全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材二、特征X射线产生原理（1）物理过程

特征X射线是由谱线分立的线状谱线构成，是高速运动的电子与内层电子发生作用的结果，是由电子的动能间接得来的，它与靶物质的原子结构有关。

事实上,不同靶材料都有自己特定的线状光谱，它表征靶物质的原子结构特性，而与其它因素无关。通常把这种辐射称为特征辐射，也称为标识辐射，由此产生的X射线称为特征X射线。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材（2）特征X射线的激发电压

靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合能，只有当入射高速电子的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射线。入射电子的动能完全由管电压决定，因此，管电压

必须满足下式的关系

表3-1几种靶材料产生K、L系特征放射的激发电压靶材料原子序数激发电压（kV）K系L系铝（Al）131.560.09铜（Cu）298.980.95钼（Mo）4220.002.87锡（Sn）5029.184.14钨（W）7469.5112.09铅（Pb）8288.0015.86全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材（3）影响特征X射线强度的因素

经过实验证明：K系的特征X射线的强度可用下式表示K系的特征X射线的强度与管电流成正比，管电压大于激发电压时才发生K系放射，并随着管电压的升高K系强度迅速增大。钨靶在较高管电压下产生的特征X射线01X射线的量与质第五节全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、X射线的量与质（1）X射线的量

量就是X光子的数目。设在单位时间内通过单位横截面积上的X光子数目为N，若每个光子的能量为hν

，则单色X射线强度对于波长不同的，但能量完全确定的

，

，……有限种X光子组成的复色X射线，其强度为：对于波长由

到

的连续X射线谱，对应的X射线光子能量由

到零，其强度：全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材（2）X射线的质

X射线的质又称线质，它表示X射线的硬度，即穿透物质本领的大小。X射线的质完全由光子能量决定，而与光子个数无关。

半值层是指，射线数衰减到初始强度的一半时，所需吸收体的厚度。X射线对不同物质的穿透能力不一样，因此对于同一束X射线来讲，描述半值层可用不同标准物质的不同厚度来表示。诊断用X射线通常用铝作为表示半值层的物质，半值层的值愈大表示X射线的质愈硬。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材二、影响X射线量和质的因素（1）影响X射线量的因素

在管电压、管电流、投照时间相同的情况下，阳极靶的原子序数愈高，X射线的量愈大;

在一定管电压下同种靶物质的X射线的量与管电流成正比;

在一定管电流下同种靶物质的X射线的量与管电压的平方成正比；钨靶和锡靶的X射线谱管电流对X射线量的影响管电压对X射线量的影响全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材（2）影响X射线质的因素

一般来讲，X射线的质取决于管电压的大小。无论何种靶物质，在一定管电压下所产生的连续X射线谱的最短波长和最长波长是相同的。峰值辐射强度发生在相同能量光子处。光子的最大能量完全由管电压控制。连续X射线的质随管电压升高而变硬，但特征X射线的质只与靶物质有关。脉动电压产生的X射线质比恒定电压下的软。所以管电压波形对X射线的质也有影响。

滤过对X射线的量与质及能谱构成均有很大影响。增加滤过板厚度，可大量衰减连续谱中的低能成分，使能谱变窄，线质提高，但总的强度降低了。01X射线的产生效率第六节全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材X射线的产生效率：在X射线管中产生的X射线能与加速电子所消耗电能的比值。数值上等于X射线的辐射功率（即X射线的总强度）与高速电子流功率之比X射线的利用率：它是指从X射线管发出的、能够用来摄影的X射线能量与从阳极靶面产生的X射线能量的比值。而能够充分利用的X射线不足阳极靶面产生X射线总量的10%，90%以上的X射线能都转化为了热量被阳极靶、管壳、管壁、绝缘油等吸收了，说明X射线的利用率也很低。01X射线强度的空间分布第六节全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、薄靶周围X射线强度的分布

根据薄靶产生X射线的空间分布特点，在管电压较低时，利用反射式靶在技术上很有好处；但对使用超高压X射线管时，管电压过高，考虑能量分布因素，则须采用穿透式靶，电子从靶的一面射入，X射线从另一面射出。医用电子直线加速器产生的高能X射线，使用的就是穿透式的薄靶。

薄靶周围