X射线的产生和性质

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章,X,射线的产生和性质,第,4,、,5,、,6,、,7,节,驻马店市卫生学校影像室,董战军,第四,X,射线的产生原理,一、电子与物质的相互作用,X,射线是高速运动的带电粒子与靶物质相互作用产生的。,从能量的角度看，高速电子与物质相互作用时，其损失的能量可转换为辐射能（,E,辐射,）、电离能（,E,电离,）、热能（,E,热,）。即：,（,2-1,）,一、电子与物质的相互作用,从入射能量损失的最终结果看，电子在碰撞过程中的能量损失可分为碰撞损失和辐射损失两种情况。碰撞损失只涉及原子的外层电子，这部分能量将全部转换为热能；而辐射损失则涉及内层电子和原子核。电子与靶原子因碰撞而损失能量的过程，也就是能量转换的过程。,二、,X,射线的产生原理,电子与靶物质相互作用的过程，入射电子的能量转换为,X,射线光子的能量。,X,射线的产生利用靶原子的三个性质：核电场、轨道电子的结合能、原子处于最低能量状态的需要。,高速电子与靶物质相互作用产生的,X,射线由两部分组成：,一部分为连续,X,射线（轫致辐射）：,入射高速电子与物质原子的原子核相互作用时，所产生的,X,射线，称为连续,X,射线；,二部分为特征,X,射线（标识射线）：,入射高速电子与靶物质原子的核外电子相互作用时，所产生的,X,射线，称为特征,X,射线。,二、,X,射线的产生原理,（一）连续,X,射线,1.,连续,X,射线的产,生原理,一个能量,E,电子,原,子核作用,入射电子会损失能量 ，并改变方向。,损失的能量以,X,射线,光子形式释放出来，光,子的能量 。,二、,X,射线的产生原理,（一）连续,X,射线,X,射线光子的能量的大小与入射电子损失的能量大小相等。,在实际,X,射线的产生过程中，是有高速电子撞击阳极靶面的动能决定的。,X,射线机多是交流电源供电，加到,X,射线管两端的电压仍然是脉动的。,入射电子动能由加在,X,射线管两端间电压决定的。最大光子能量可以用,X,线管两端电压描述。,二、,X,射线的产生原理,（一）连续,X,射线,2.,连续,X,射线,的最短波长,由第一章的,（,1-3,）、（,1-4,）,可知。,光子能量与频率,成正比，与波长成,反比。,二、,X,射线的产生原理,（一）连续,X,射线,2.,连续,X,射线的最短波长,由式（,1-4,）得：,将普朗克常数,h,、光速,c,代入上式得：,二、,X,射线的产生原理,光子能量的,kev,值等于管电压的千伏值，所以有：,（,2-2,）,由（,2-2,）可知，连续,X,射线的最短波长只与管电压有关，与其他因素无关。,把这一求,X,射线最短波长公式称为,Duane-Hunt,公式。,二、,X,射线的产生原理,3.,连续,X,射线强度及影响因素,最强波长是最短,波长的,1.5,倍，即：,平均波长是最短,波长的,2.5,倍，即：,二、,X,射线的产生原理,实验证明，连续,X,射线强度（,I,连,）与管电流（,i,）、管电压（,V,）、靶物质序数（,Z,）有关。,即：,（,2-5,）,式（,2-5,）中，常数,K,1,1.1,10,-9,1.4,10,-9,；对于诊断用,X,射线：,n=2,。,由式（,2-5,）可知，,诊断用,X,射线的强度与管电流和靶物质原子序数成正比，与管电压的,n,次方成正比。,例,1,：求管电压为,100KV,时，产生连续,X,射线的最短波长、最强波长、平均波长和最大光子能量。,解：由,Duane-Hunt,公式可求出：,最短波长：,最强波长：,平均波长：,2.5,0.0124nm=0.031nm,1.5,0.0124nm=0.0186nm,1.24/100,0.0124nm,二、特征,X,射线,1.,特征,X,射线的产生原理,入射电子,靶原子核外轨道电子作用跃迁。,电子跃迁释放出能量（,=h,）,等于电子跃迁前（,E,b,）后（,E,a,）原子两能级之差。即：,E,b,-E,a,二、特征,X,射线,由于这个光子能量等于原子两能级之差，而与入射电子能量大小无关，所以释放出的光子能量具有原子的特征，故这时产生的,X,射线称为特征,X,射线。,由于每一个原子的能级都不相同，跃迁产生的光谱与每一种原子相对应的，所以光谱可以用来识别原子。如下图,外层电子由于能级太小，只能产生紫外线或可见光等低能级能量范围的光子。,特征,X,射线的产生的原理,X - ray,基态,受激态,基态,跃迁,激发,二、特征,X,射线,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。,入射电子动能完全有管电压决定。,不同的靶材料，产生各系特征,X,射线，均对应一组最低的管电压值。,这些被确定的最低管电压值称为,激发电压,。,以钨原子为例，,钨的,K,电子结合能为,69.51keV,，那么钨的,K,系激发电压就是,69.51KV,。如果低于此激发电压，将不会产生钨的,K,系特征,X,射线。但可产生其他系的特征放射（如下表）。,其它各系由于能量低被吸收，只有,K,系放射才是重要的。,表,2-1,二、特征,X,射线,3.,影响特征,X,射线的因素,K,系特征,X,射线强度（,I,特,）可用下式表示：,式（,2-6,）中，,i,为管电流；,V,为管电压；,V,k,为,K,系激发电压；,k,2,和,n,常数，,n,约等于,1.5,1.7,。,由式（,2-6,）可知，,K,系特征,X,射线强度与管电流成正比，与管电压,n,次方成正比（管电压大于激发电压）。,二、特征,X,射线,4.,连续,X,线和特征,X,线的比例大小,.,由上所述可知：,高速入射电子与靶物质原子作用，会产生连续,X,射线和特征,X,射线。连续射线与特征射线的比例，随着管电压数值的变化而变化。管电压升高，连续射线量所占百分比减少，特征射线所占百分比增加。,二、特征,X,射线,对于钨靶,X,射线管，低于,K,系激发电压不会产生,K,系放射；,80,150KV,时，特征放射只占,10,28%,；管电压高于,150KV,，特征放射相对减少；管电压向,300KV,时，特征放射可以忽略。,医用,X,射线主要是连续,X,射线，但在物质结构的光谱分析中使用的是特征,X,射线。,第五节,X,射线的量和质,一、概念和表示方法,国家标准中，采用辐射能、粒子注量、能注量、粒子流密度等概念来描述电离辐射的量和质。,习惯上常用,X,线强度来表示,X,线的量与质,。所谓,X,线强度是指在垂直于,X,线传播方向单位面积上，在单位时间内通过光子数量与能量乘积的总和。,X,线强度,(I),是由光子数目,(N),和光子能量,(h,),两个因素决定的。可用公式表示，即：,一、概念和表示方法,在实际应用中上述概念描述,X,射线的量和质并不合适。下面介绍在实际应用如何来描述,X,射线的量和质。,1.X,射线的量,在实际,X,线诊断工作中，常用一种间接的表示,X,射线量多少的物理量，即一般是用管电流,(,mA,),和照射时间,(s),的乘积，管电流量来反映,X,线的量，以毫安秒,(,mAs,),为单位。,一、概念和表示方法,2.X,射线的质,X,线的质是指,X,线的硬度，即穿透物质本领的大小。由,X,线波长（或频率）、,X,线光子能量决定的，而与光子个数无关。由于,X,线波长或能量是有管电压决定的，所以，一般就用管电压（,KV,）间接表示,X,线质。,在实际应用中是以管电压和滤过情况来反映,X,线的质。这是因为管电压高、激发的,X,线光子能量大，即线质硬；滤过板厚，连续谱中低能成分被吸收的多，透过滤过板的高能成分增加，使,X,线束的线质变硬。在滤过情况一定时，常用管电压的千伏值来粗略描述,X,线的质。,在实际工作中描述,X,线质除管电压外，还用半价层、半值深度等物理量来表示,X,线质。,二、影响,X,射线量和质的因素,影响,X,射线量和质的因素有管电流（,mA,）、管电压（,KV,）、靶物质（,Z,）、高压波形及过滤情况等。,1.,管电流,X,射线的管电流增大，,X,线量随之增大，,X,线强度也增大。,二、影响,X,射线量和质的因素,2.,管电压,在诊断,X,线能量范围内，,X,射线的质随管电压的增大而增大。随着管电压增大，,X,线束中的高能成分增加，穿透力增强，,X,射线质提高。,管电压对,X,射线量质的影响,二、影响,X,射线量和质的因素,3.,靶物质,X,线的强度随着靶物质原子序数的增大而增大，靶物质原子序数大，产生,X,线的效率提高，,X,线束中的高能成分就明显增加，线质提高。,二、影响,X,射线量和质的因素,4.,高压波形（整流方式）,X,射线两端电压波形对产生的,X,射线的量和质有明显的影响。基本形式有两种：单相电源的半波和全波；三相电源的六脉冲和十二脉冲。,单相电源的半波或全波整流供电时，由于高压波形是脉动的，故产生的,X,线也是脉动的。,脉动电压产生的,X,线质比恒定电压下的软。三相电源的六脉冲和十二脉冲供电，其管电压更接近恒压，由此产生的,X,线脉动变化减小，其量与质均优于单相电源供电的情况。,一般来说，三相全波整流与单相全波整流相比，在相同管电压和滤过的情况下，,X,线质约提高,10,15,。例如，拍头颅侧位片，单相全波整流,X,线机使用,72kV,，而改用三相全波整流,X,线机只需要,64kV,就可获得相同的摄影效果。,高压波形（整流方式）对,X,线的质和量有很大影响。,二、影响,X,射线量和质的因素,5.,滤过情况,滤过对,X,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。,在放射工作中应熟练掌握影响,X,线量与质的诸因素，并能根据临床工作需要，恰当地选择,X,线的量与质，这对提高影像质量和降低受检者的受照剂量都具有重要意义。,第六节,X,射线的产生效率,X,射线产生的效率,在,X,射线管中产生的,X,线能量与加速电子所消耗电能的比值，叫做,X,射线的产生效率。,在,X,线管中加速阴极电子所消耗的电功率,(IU),全部变成高速电子的动能。这些高速电子在与物质复杂的相互作用过程中，发生能量转换。一部分产生,X,线能，同时一部分产生大量热能。产生,X,射线的效率很低。,X,射线产生效率（,）是产生的,X,线能量与高速电子流的能量之比，即：,上式中，,Z,为原子序数，,V,为管电压，,I,为管电流，,K,为比例常数，通常,K,10,-9,，上式可写成,ZV,10,-9,。,由上式可知，,X,线的产生效率与管电压和靶物质的原子序数成正比，高压波形越接近恒压，,X,线的产生效率越高。,研究证明，,X,线管产生,X,线的效率极低，一般不足,1,，而绝大部分的高速电子能都在阳极变为了热能，使阳极靶面产生很高的温升。这是,X,线管不能长时间连续工作的原因所在。因此,X,线管必须有良好的散热冷却装置。,X,射线的利用率也很低，不足总量的,10%,。绝大部分都被阳极靶、管壳、管套、绝缘油等吸收。,表,2-2,第七节,X,射线强度的空间分布,实际焦点,：,X,射线阳极靶面被高速电子束撞击的面积称为实际焦点。,X,线管焦点上产生的,X,射线，在空间各个方向上的分布是不均匀的，即在不同方向上,X,射线辐射强度是不相同的，这种不均匀不分布称为,X,射线强度空间分布或辐射场的角分布。,实验表明，分布情况与靶物质、靶厚度、阳极倾角、入射电子的能量、灯丝形状等多种因素有关。,一、薄靶周围,X,射线强度的空间分布,薄靶,是指入射粒子的能量的变化可忽略不计，辐射出的粒子或,X,射线,在其中亦无,增强,或,吸收,效应的,靶,，其厚度一般小于,1mg/cm,2,。薄靶又称穿透式靶，具有这种靶的,X,射线管称为薄靶,X,射线管或穿透式靶,X,射线管。,入射电子与薄靶作用时，所产生的,X,射线强度的分布如图：,由图可知，随着管电压的升高，,X,射线强度的逐渐向电子束移动的方向增大，其他方向的强度相对减弱。,医用电子加速器的就是透射式薄靶。,二、厚靶周围,X,射线强度的空间公布,厚靶：是指把入射电子全部阻止，靶体几乎把电子入射方向上产生的,X,射线全部吸收的靶，称为厚靶。具有这种靶的,X,射线管称为厚靶,X,射线管或称为反射式,X,射线管。这种靶的靶面与垂直方向有一定的倾角,阳极角,。,厚靶,X,线产生的特点,1.X,射线的产生不局限于靶面。,2.,入射的高速电子全部被阻止。,厚靶,X,射线强度分布特点,靠近阳极端,X,射线强度弱，近阴极端,X,射线强度强。,-,阳极效应,厚靶,X,射线强度是沿,X,线管长轴方向分布的，若从其他不同角度方向上的强度分布情况看，阳极效应十分明显。,在放射工作中，一定要注意阳极效应对照片质量的影响。,强度分布在摄影中的应用：,1.,将阳极效应同肢体厚度相对应,在摄影时应把被摄肢体的长轴与,X,线管长轴平行，将厚度大的、密度高的部位置放于阴极端，将厚度小的，密度小的置于阳极端。,2.,尽量利用中心线附近强度较均匀的,X,线束摄影。,利用强度最大,X,线曝光，提高,X,线利用率。,3.,焦,-,片距较大时阳极效应不明显。,照射野边缘近阴极，强度大；边缘衰减快阳极效应抵消。,4.,焦,-,片距相同时，小照射野对阳极效应影响小。,照射野越小，射线到片距离越接近，阳极效应越不明显。,谢谢！,