X射线的产生和性质

E E辐射 E电离 E热
（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。
特征X射线的产生的原理 X - ray
基态
→
↑ 激发
受激态
↗ →
↑ 跃迁
基态
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。
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。
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。
I N h
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、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：

max 1.5min
平均波长是最短 波长的2.5倍，即：
mean 2.5min
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： n I连＝K1iZV （2-5） 式（2-5）中，常数K1＝1.1×10-9～1.4×10-9； 对于诊断用X射线：n=2。
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： min hc
max
将普朗克常数h、光速c代入上式得：
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Hale Waihona Puke Baidu大量热能。产生X射线的效率很低。
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。

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(hν)两个因 素决定的。可用公式表示，即：

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θ。
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。
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。

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： 1.24 ＝1.24/100＝0.0124nm min＝ 最强波长： max 1.5min＝1.5×0.0124nm=0.0186nm
min
1.24 10 6 1.24 m nm Kev Kev
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：
1.24 nm KV
min
（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。
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：
I特 K2i(V Vk )n
式（2-6）中，i为管电流；V为管电压；Vk为K系 激发电压；k2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）。
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：
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。
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。
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。
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。 E 损失的能量以X射线 光子形式释放出来，光 子的能量 h ＝E 。
，
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。
KV
平均波长：
mean 2.5min＝2.5×0.0124nm=0.031nm
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 （ε=hν）,等于电子跃 迁前（Eb）后（Ea）原 子两能级之差。即： ε＝ Eb-Ea
二、特征X射线

X射线产生效率（ η ）是产生的X线能量与高速电 子流的能量之比，即：
X 线能量 IV 2 Z ＝K ＝KVZ 高速电子流能量 IV
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 η＝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。
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/cm2。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。