第二章--第一节--X线产生和性质课件

第二章第二章 放射物理基础放射物理基础第一节第一节 X X线产生和性质线产生和性质一、一、X X线发现线发现1895年11月8日，德国物理学家WCRontgen做阴极射线管(cathode ray tube，CRT)实验时，出乎意料地发现了一种肉眼看不见的“光线”，它能穿透许多物质，并能使铂氰化钡发出荧光。叫X射线，简称X线或X光，又称伦琴射线。1901年，伦琴为此获得诺贝尔奖。一、一、X X线发现线发现发现X线三个月后，维也纳一家医院首先用它协助外科手术。使用的是充气X线管，产生的X线量甚微，拍摄一张头颅片需要曝光20 min。是X线在医学中应用的初始阶段。从伦琴发现X线到现在的100多年里，X线日益广泛地应用在医学诊断和治疗上，而且在物质结构分析、工业探伤、科研物质结构分析、工业探伤、科研等方面都发挥了巨大作用。二、二、X X线的本质和特性线的本质和特性*(一一)X)X线的本质线的本质是一种电磁波。波长很短，大约与晶体内呈周期排列的原子间距同一数量级，在110-10m左右。与可见光、红外线、紫外线、射线一样，属于电磁辐射(electro magnetic radiation)，是电磁波；这些电磁波的本质完全相同，波长或频率有差别。*(一一)X)X线的本质线的本质X线波长很短，介于紫外线和射线之间，约为10-810-12 m；频率很高，约在3101631020 Hz。由于光子能量不同，电磁辐射分为电离辐射和非电离辐射。非电离辐射：非电离辐射：微波、红外线、可见光等，由于光子能量小，不能引起物质电离的辐射；电离辐射：电离辐射：紫外线、X线、射线等，于光子能量大，能使物质产生电离的辐射。*(一一)X)X线的本质线的本质*1.X1.X线具有波动性线具有波动性 X线与其它电磁波一样具有波动和微粒性；与可见光一样具有衍射、偏振、反射、折射等现象。波动性波动性 表现在以一定的波长和频率在空间传播；是一种横波，传播速度在真空中与光速相同，可以用波长、频率(frequency)描述。*(一一)X)X线的本质线的本质*2.X2.X线具有微粒性线具有微粒性 波动性不能解释它的光电效应、荧光作用、电离作用等；只能用爱因斯坦的光量子理论，即把X线束看做是由一个个微粒-X光子组成的来解释。与物质相互作用发生能量交换时，突出表现了它的粒子性。微粒性微粒性 主要表现为X线光子在辐射和吸收时具有能量、质量和动量。X线的波长、频率、波速c和能量E、质量m关系：E=h =c/E=h =c/(2-1)h为普朗克常数，h=6.62610-34 Js。*(二二)X)X线的基本特性线的基本特性X线是电磁波，有电磁波的通性。直线传播 不带电 干涉、衍射、反射、折射作用 波长很短、能量很大1 1物理特性：物理特性：穿透性、荧光作用、电离穿透性、荧光作用、电离作用、热作用作用、热作用2 2化学效应：化学效应：感光作用、着色作用感光作用、着色作用3.3.生物效应：生物效应：X线在生物体内能产生电离和激发作用，使生物体产生生物效应。1 1物理特性物理特性(1)(1)穿透性：波长短，光子能量大，穿透物质的穿透性：波长短，光子能量大，穿透物质的能力强。能力强。穿透性与其波长、物质的性质、结构有关。Z高、大的物质，吸收X线多，穿透性差。不透过性组织：骨骼系统，含有大量的钙质，钙的Z(20)较高，骨吸收X线最多；中等透过性组织：软组织(结缔组织、肌肉、软骨等)及体液都是由氢、碳、氮、氧等低Z原子组成，与水相近；可透性组织：脂肪组织成分与软组织相似，但排列稀疏，比软组织小，X线的透过性较好；肺部、胃肠道、付鼻窦及乳突内等均含有气体，也是由氢、氮、氧等组成，但分布非常稀疏，密度很小，透过性能很好。1 1物理特性物理特性(2)(2)荧光作用：荧光作用：荧光物质：荧光物质：X线照射某些物质时，物质的原子被激发或电离；当恢复到基态时，放射出可见荧光的物质，如CaWO4、铂氰化钡、银激活的硫化锌等。透视用的荧光屏，摄影用的增感屏，影像增强器中的输入屏和输出屏，测定辐射量的闪烁晶体、荧光玻璃等是利用X线的荧光作用制造的。1 1物理特性物理特性(3)(3)电离作用：电离作用：具有足够能量的X光子能击脱物质原子的轨道电子产生一次电离，脱离原子的电子再与其它原子碰撞，还会产生二次电离。在固体和液体中，电离后的正、负离子能很快地复合不易收集；气体中的电离电荷却很容易收集起来。根据电离电荷的多少来测定X线的照射(exposure)量。多种测定照射量仪器的探头，如电离室、正比计数管、盖革-弥勒计数管等都是利用这个原理制成。是X线对于肌体损伤和治疗的基础。1 1物理特性物理特性(4)(4)热作用：热作用：物质吸收X线能量，最终绝大部分都将变为热能，使物体产生温升。测定吸收剂量的量热法是利用X线的热作用。2 2化学效应化学效应(1)(1)感光作用：感光作用：X线具有光化作用，可使胶片乳剂感光，能使很多物质发生光化学反应。人体X线摄影及工业制品的无损探伤检查、X线照射量及其分布的测定等，是利用这一特性。(2)(2)着色作用：着色作用：某些物质经X线长期照射后，其结晶体脱水渐渐改变颜色。如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，经X线长期照射后会着色。3 3生物效应生物效应 X线在生物体内能产生电离和激发作用，使生物体产生生物效应。生物细胞特别是增殖性强的细胞，经一定量的X线照射后，可以产生抑制、损伤、甚至坏死。人体组织吸收一定量X线后，因其对X线敏感程度的不同而出现种种反应，这一作用可在放射治疗中得到充分应用。X线对人体的正常组织有一定的损伤作用，必须注意非受检部位和非治疗部位的屏蔽防护，放射工作者应注意自身防护。三、三、X X线的产生线的产生*(一一)X)X线产生条件线产生条件基本条件：要有一个电子源，提供足够数量的电子；要有一个能经受高速电子撞击产生X线的靶面；要有高速电子流。需具备：a.高电压产生的强电场强电场，使电子从中获得高速运动的动能；b.是有一个真空度较高的空间真空度较高的空间，使电子在高速运动中不受气体分子的阻挡而降低能量，同时保护X线管灯丝不致因氧化而被烧毁。(二二)X)X线产生装置线产生装置医用X线机分为诊断机和治疗机两大类。用于透视、摄影和特殊检查的X线机统称为诊断用X线机；诊断用X线机的管电压一般在40150kV。用于疾病治疗的统称为治疗用X线机。由主机、机械装置及辅助设备等几部分组成。主机：是产生X线的最基本组成部件，由X线管、高压发生器、控制台组成。(二二)X)X线产生装置线产生装置(二二)X)X线产生装置线产生装置*1 1X X线管线管 X线机的心脏。是高真空度的热电子式X线管。是在特制的玻璃管内插入两个电极，一个是产生和发射热电子的阴极(负极)（cathode）；一个是阳极(anode)，也叫阳极靶面(anode target)，是高速电子撞击的目标。管内真空度高达10-6 mm汞柱。(二二)X)X线产生装置线产生装置阴极由灯丝和集射罩组成。灯丝电压愈高，温度愈高，每秒钟蒸发出的电子数愈多。在阴极和阳极间加上高电压时，从灯丝中蒸发出来的热电子在强电场的作用下奔向阳极形成管电流。阳极主体是铜圆柱体，对着阴极的端面上镶嵌着一块钨板(钨靶)；是高速电子撞击的目标，产生X线的地方。从阴极飞来的高速电子的动能，99%以上都在阳极上变为热能，不到1的能量变为X线能。阳极材料既要熔点高、导热性能好；又要Z高，可提高X线的产生效率。(二二)X)X线产生装置线产生装置(二二)X)X线产生装置线产生装置*实际焦点实际焦点(actual focal spot)(actual focal spot)：阴极灯丝射向阳极的高速电子流，经聚焦后撞击在阳极靶面上的面积(焦点)。X线管的灯丝是螺管状，理想的实际焦点在靶面上形成的是一近似矩形。实际焦点的大小取决于聚焦槽的形状、宽度和深度。聚焦槽与灯丝位置及其电位分布影响阴极电子流的分布，形成主焦点与副焦点。(二二)X)X线产生装置线产生装置*有效焦点有效焦点(effective focal spot)(effective focal spot)：实际焦点在X线投射方向上的投影面积。一般为长方形。阳极角阳极角：阳极面与X线投射方向之间的夹角。一般在1020。管壳的作用是维持一个高真空度的空间，并起着固定阳极和阴极的作用。(二二)X)X线产生装置线产生装置(二二)X)X线产生装置线产生装置2 2高压发生器高压发生器 X线管需要的电能应满足：一个是使X线管灯丝加热放射出电子；另一个是使这些电子加速奔向阳极。X线发生器中设有灯丝电路和高压电路，还有限时电路控制X线的照射时间。(二二)X)X线产生装置线产生装置3 3控制台控制台 是X线机的控制中心。有多个开关和选择键(旋扭)，如电源开关、工作方式选择键、mA选择键、kV选择键、照射时间选择键等。4 4机械装置和辅助设备机械装置和辅助设备 检查床、立柱、支架、轨道等四、四、X X线产生原理线产生原理(一一)电子与物质相互作用电子与物质相互作用高速电子被靶物质阻止的过程复杂。高速电子带负电荷，在物质中主要与原子核的正电场及轨道电子的负电场发生作用。电子在碰撞过程中的能量损失分为碰撞损失和辐射损失两种。碰撞损失只涉及原子的外层电子，这部分能量将全部变为热；辐射损失涉及内层电子和原子核。电子与靶原子因碰撞而损失能量过程，就是发生能量转换的过程。*(二二)X)X线产生原理线产生原理X线是在能量转换中产生的。X线组成：连续X线、特征X线。是这两种成分组成的混合射线。1 1连续连续X X线线 连续辐射又称轫致辐射(bremsstrahlung)。它是高速电子与靶原子核相互作用时产生的、具有连续波长的X线。连续辐射构成连续X线谱(continuous X-ray spectrum)，与可见光的白光相似，是包括多种能量光子的混合射线。1 1连续连续X X线线(1)(1)连续连续X X线产生的物理过程：线产生的物理过程：轫致辐射是辐射损失的一种，是产生连续X线的机制。当一个带电体在外电场中速度变化时，带电体将向外辐射电磁波。高速电子进入到原子核附近的强电场区域、然后飞离强电场区域完成一次电子与原子核的相互作用时，电子的速度大小和方向必然发生变化。电子向外辐射电磁波损失能量E，电磁波的频率由 E=h确定。电子的这种能量辐射叫轫致辐射，这种辐射所产生能量为h的电磁波称为X线光子。1 1连续连续X X线线由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同，且每个电子与靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用对应的辐射损失也不同，因而发出的X线光子频率也互不相同(图2-7)。大量的X线光子组成了具有频率连续的X线光谱。1 1连续连续X X线线1 1连续连续X X线线*(2)(2)连续连续X X线的最短波长：线的最短波长：X线强度是随波长的变化而连续变化的。每条曲线都有一个峰值；曲线在波长增加的方向上都无限延展，强度越来越弱；在短波方向上，曲线都存在一个波长极限，称为最短波长(min)。随着kV升高，辐射强度均相应地增强；同时，各曲线所对应的强度峰值和min的位置均向短波方向移动。光子能量(E)与频率(v)成正比，与波长()成反比，如果波长最短(min)，则频率最高(max)，光子能量最大。1 1连续连续X X线线*(2)(2)连续连续X X线的最短波长：线的最短波长：hmax=eU 1 1连续连续X X线线*(3)(3)影响连续影响连续X X线的因素：线的因素：kV(U)、mA(i)一定时，与阳极靶面的Z成正比，即I连Z。阳极靶面Z越高，X线的强度越大。其次是管电流(mA)，在管电压U、靶材料(Z)一定时，X线的强度取决于管电流。mA越大，在X线管中被加速的电子数量越多，产生的X线强度也就越大，即I连mA。第三是管电压(U or kV)，X线束中光子的最大能量等于被加速电子的动能，电子的动能EeU，改变U，光子的最大能量也改变了，整个X线谱曲线的形状将发生变化。1 1连续连续X X线线 1 1连续连续X X线线*最大强度对应的波长值称为最强波长。最强最强1.51.5minmin X线诊断中，以最强最强为中心，邻近两侧的波段起主要作用。1 1连续连续X X线线连续X线谱中每条曲线下的面积表示连续X线的总强度，即：由于滤过不同，连续X线的平均能量，一般为最大能量的1/31/2，如最高能量为100keV的连续X线，其平均能量在40keV左右。*平均波长约为最短波长的2.5倍。即：平均平均2.5 2.5 minmin 2特征特征X X线线 特征辐射又称标识辐射(characteristic radiation)，与连续辐射的产生机理完全不同。(1)(1)特征特征X X线产生的物理过程：线产生的物理过程：钨的X线谱，管电压65kV时为连续X线；管电压升至100kV、150kV和200kV时，在三条连续谱线上叠加了一组波长位置不变、强度很大的线状光谱。线状光谱的波长与kV无关，完全由靶材料性质决定。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。这种辐射称为特征辐射，由此产生的X线称为特征X线。2特征特征X X线线2特征特征X X线线2特征特征X X线线(2)(2)特征特征X X线的激发电压：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线。特征X线是在原子内层电子的跃迁中产生的。产生特征X线必须有一个激发电压(即kV)，例如，要激发K系射线，高速电子的能量(eUk)至少要击脱一个K电子所作的功(Wk)，K系的激发电压应满足：eUkeUkWkWk 2特征特征X X线线 表表2-2 2-2 几种靶材料产生几种靶材料产生K K、L L系特征辐射的激发电压系特征辐射的激发电压(kV)(kV)靶材料 Z K系激发电压 L系激发电压铝(A1)13 1.56 0.09铜(Cu)29 8.98 0.95钼(Mo)42 20.00 2.87银(Ag)47 25.5 3.97 锡(Sn)50 29.18 4.14钨(W)74 69.51 12.09铅(Pb)82 88.00 15.862特征特征X X线线(3)(3)影响特征影响特征X X线的因素：线的因素：K系特征X线强度(Ik)：I Ik k=K=K2 2i(Ui(UU Uk k)n n i为管电流；U为管电压；Uk为K系激发电压；K2和n均为常数，n约等于1.51.7。K系特征X线的强度与i成正比，kV大于激发电压时才发生K系放射，并随kV的继续升高K系强度迅速增大。2特征特征X X线线X线两种成分中特征X线只占很少一部分。钨靶X线管，低于K系激发电压(69.51kV)不会产生K系辐射；管电压在80150kV时，特征X线只占1028；管电压高于150kV，特征X线相对减少；高于300kV时，两种成分相比，特征X线可以忽略。医用X线主要使用的是连续辐射，但在物质结构的光谱分析中使用的是特征辐射。五、五、X X线的量与质线的量与质*X X线强度：线强度：指在垂直于X线传播方向单位面积上、单位时间内通过光子数量与能量乘积的总和。常用X线强度来表示X线的量。*1 1X X线的量线的量 X线光子的数目。对于由相同能量的光子组成的单能辐射，其辐射强度为：I=N hI=N hN为单位时间内通过单位横截面积上的X线光子数；hv为每个光子的能量。*1 1X X线的量线的量对于辐射是由能量完全确定的(h1、h2)光子组成的线状谱，辐射强度：对于辐射是由一切可能能量(由零至某一最大值Emax)的光子组成的连续谱，其辐射强度为：每秒通过S面积的辐射能E：E EI IS S X线强度的SI单位是Jm-2s-1。*1 1X X线的量线的量由于X线光子的能量大，穿透本领强，直接准确地测定X线的量是困难的，但可用间接的方法来测量。在X线的诊断应用中，可以用X线管的管电流mA与照射时间s的乘积来反应X线的量，通常以mAs为单位。*2 2X X线的线的质质表示X线的硬度，即穿透物质本领的大小。X线的质只与光子能量有关，与光子数无关。一般X线束的成分是连续能谱，当它穿透物质后能量分布又有不同变化，完整地描述它的线质比较复杂。常用表示射线穿透能力的半价层(half value layer，HVL)来表示X线的质。*2 2X X线的质线的质*半价层半价层HVLHVL：是使一束X线的强度衰减到其初始值一半时所需要的标准物质的厚度。诊断用X线常用铝作为表示HVL的物质，HVL愈大表示X线的质愈硬。X线诊断中，以X线管管电压(kV)值来近似描述X线的质。kV愈高，电子从电场中得到的能量愈多，撞击阳极靶的力量愈强，产生的X线的穿透本领愈大。kV愈高，也提高了X线的强度：I IK Ki ikVkVn n六、影响六、影响X X线产生的因素线产生的因素(一一)靶物质靶物质连续X线的强度与靶物质的原子序数(atom number)Z成正比(I I连连Z Z)。kV和mA都相同，阳极靶的Z高，X线的强度也正比地增大。(一一)靶物质靶物质锡的Z为50，K系特征X线为2529keV；钨的Z为74，K系特征X线约在5870keV；铅的Z82，K系特征X线在7288keV。特征X线完全由靶物质的原子结构特性决定。靶物质的Z愈高，轨道电子的结合能就愈大，特征X线的能量也就愈大，就需要更高的激发电压。(二二)管电压管电压X线束中的最大光子能量等于高速电子的最大动能，电子的最大动能又决定于kV的峰值。改变kV也就改变了最大光子的动能，整个X线谱的形式也将随之发生变化。mA不变时，随着kV的增高，连续X线谱的minmin和最强最强都向短波方向(高能端)移动，X线束中的高能成分增多，X线的质提高。X线强度与kV的平方成正比：IkV2(三三)管电流管电流电流的大小并不影响X线的质，但在一定的kV下，X线的强度决定于mA。mA愈大，撞击阳极靶面的电子数愈多，产生的X线强度也就愈大。实际X线强度与mA成正比：ImA(四四)高压波形高压波形X线发生器使用的都是脉动高压，有单相半波和全波；三相六脉冲和十二脉冲。不论高压波形怎样，minmin只决定于kV的峰值(kVp)。但脉动电压时的X线辐射强度都比峰值相应的恒定电压的低。在kVp相同的情况下，六脉冲和十二脉冲所产生的X线比全波整流的硬线成分多，且在mA相同的情况下，X线的辐射强度也比较高。是因为全波整流的X线管工作的大部分时间都比峰值时的恒定电压低，六脉冲和十二脉冲的电压更接近蜂值时的恒定电压。八、八、X X线强度空间分布线强度空间分布1 1厚靶周围厚靶周围X X线强度的空间分布线强度的空间分布*阳极效应：阳极效应：靠近阳极端的射线最弱，靠近阴极端的最强的现象。而且靶角愈小，下降的程度愈大。这种愈靠近阳极，X线强度下降得愈多的现象，就是“足跟”效应，也称阳极效应。当靶面阳极角为20时，在通过X线管长轴且垂直于焦点平面的平面内测定，则近阳极端X线强度小，近阴极端X线强度大。最大值在110处，分布是非对称性的。在通过X线管短轴且垂直于焦点平面的平面内测定，90处最大，其分布基本上是对称的。1 1厚靶周围厚靶周围X X线强度的空间分布线强度的空间分布2 2薄靶周围薄靶周围X X线强度的空间分布线强度的空间分布表示不同kV下不同薄靶中产生的X线在周围空间的分布情况。不同角度上的矢径长度代表在该方向上X线强度，即从电子束入射的靶点到各曲线的长度表示X线在该方向上的强度。高能电子束冲击靶时产生的X线集中向前方，X线束变窄。2 2薄靶周围薄靶周围X X线强度的空间分布线强度的空间分布图表示一薄靶在不同kV下，产生的X线强度在靶周围分布的变化情况。工作电压在100kV左右时，X线在各方向上强度基本相等。kV升高时，X线最大强度方向逐渐趋向电子束的入射方向，其他方向的强度相对减弱，X线的强度分布趋于集中。3 3X X线机周围剂量场的分布线机周围剂量场的分布在X线机周围工作环境中，剂量场的分布情况是辐射防护的重要参考资料，可借以发现潜在的异常高剂量区，采取必要的防护措施，减轻工作人员接收照射的危害。还可根据剂量场的资料，计算连续的允许工作时间，及估算X线工作者在特定时间内将受到的照射量。复复 习习*1.X线的本质线的本质*2.X线的基本特性线的基本特性(1)物理特性：穿透性、荧光、电离、热作用(2)化学效应：感光作用、着色作用(3)生物效应*3.X线产生条件基本条件线产生条件基本条件*X线管：线管：实际焦点、有效焦点 4.X线产生原理*连续连续X线的最短波长、最强波长、线的最短波长、最强波长、平均波长平均波长*影响连续影响连续X线的因素线的因素特征X线：产生物理过程、激发电压、影响因素复复 习习5.X线的量与质(*X*X线强度线强度)*(1)X*(1)X线的量线的量 *(2)X(2)X线的质线的质(半价层半价层)6.影响X线产生的因素(1)靶物质 (2)管电压(3)管电流 (4)高压波形7.X线产生效率8.X线强度空间分布(1)厚靶周围X线强度的空间分布(*阳极效应)(2)薄靶周围X线强度的空间分布(3)X线机周围剂量场的分布一、一、X X线发现线发现X X线发现经过：线发现经过：伦琴在研究阴极射线管(CRT)气体放电现象时，在阴极射线管附近放了一包用黑纸包着的末曾曝光的照像底片，结果在显影时发现底片感光了。多次研究发现，严密包在黑纸里的底片只要靠近工作着的阴极射线管，就一定变坏。一次实验中发现黑暗中阴极射线管附近涂有铂氰化钡的纸屏上能发出一种肉眼可见的荧光。实验发现这种不可见的“光线”能穿透纸板、衣服，甚至很厚的书本；当把手掌置于阴极射线管附近时，手骨的形象清楚地映在涂有铂氰化钡的荧光屏上。