X线机结构和原理

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• 荡灯丝温度低于2400K时，随着温度的 升高，发射电流增加较慢，而温度高于 2400K时，灯丝温度稍提高一点，发射 电流却增加很多。所以在调试管电流时 ，应特别注意这一点。一般来说，灯丝 点燃时间越长，工作温度越高，它的蒸 发越快，灯丝寿命越短。如果灯丝电流 比额定值升高5％，灯丝的寿命可以缩短 一倍。所以灯丝加热电流应严格限制在 额定值以下使用，同时应尽量缩短高温 点燃时间。
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• 荧光强弱取决于X线的强弱。在X线诊 断工作中利用这种荧光作用制成的物品 有荧光屏，增感屏，影像增强器中的输 入屏和输出屏等。荧光屏用作透视时观 察X线通过人体组织的影像，增感屏用 作摄影时增强胶片的感光量。
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• （4）热作用：物质吸收X线能最终绝大 部分转变为热能，使物体温度升高，这 就是热作用。吸收剂量的量热就是依据 这种作用。
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• 阳极柱由紫铜制成，将铜体引出管外， 通过与油之间的热传导把热量传导出去 。
• 阴极由灯丝和集射罩组成，其作用是 发射热电子和聚焦，使打在靶面上的电 子束具有一定的形状和大小，形成X线管 的焦点。
• 灯丝由钨丝制成，绕成螺管状，作用 是发射电子。灯丝通电后，温度逐渐上 升，至一定值后开始发射电子。
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• （三）弹性散射
• 高速电子受原子核电场的作用而改变 运动方，但是能量不变，称为弹性散射 。
• 这种作用没有光谱辐射，也没有能量 损失。由于阳极靶内，物质的密度很高 ，散射的距离很短，高速电子将很快在 已改变的方向上与其它原子核或核外电 子相遇，发生新的作用。
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• （四）韧致辐射
• 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，这种情况叫韧致辐射 。
• 靶面受电子轰击，而电子动能的99％ 转换为热，只有l％左右转换为X线能， 故靶面材料选用高熔点且X线发射率较高 的钨制成（钨的熔点为3370oC，原子系 数Z= 74）。由于钨的导热率小，故通过 真空熔焊的方法把钨靶焊接在无氧铜体 上，以便具有良好的散热能力。
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• 阳极罩在靶外面，也由无氧铜制成，其 作用是吸收二次电子和散射线。高速电 子轰击靶面时，会有少量电子从靶面反 射出来，称为二次电子。其能量为原来 能量的90％左右。二次电子若轰击在玻 璃壳上，会使玻璃壳温度升高而放出气 体，降低管内真空度，甚至使玻璃壳击 穿漏气；二次电子也可能再次轰击靶面 ，辐射出大量的散射线，严重地影响成 像质量。有了阳极罩后就大大减轻了上 述危害。
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• 穿透物质的能力越强；但在波长一定条 件下，X线的穿透性就完全取决于被通过 物质本身的结构和性质。一般高原子系 数物质，且结构紧密，密度大时，该物 质吸收X线多，X线的穿透性差。所以从 X线穿透物质后的强度变化，就反映了物 质内部密度差异，这正是X线透视和摄影 的物理基础。
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• （2）电离作用：物质受X线照射时，使 核外电子脱离原子轨道，这种作用叫电 离作用。在光电效应和散射研究中，出 现光电子和反冲电子脱离其原子的过程 叫一次电离，这些光电子或反冲电子在 行进中又和其它原子碰撞，使被击原子 逸出电子叫二次电离。在固体和液体中 ，电离后的正、负离子将很快复合，不 易收集。但在气体中的电离电荷却很容 易收集起来，
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• 对这种效应可能存在着剂量的阀值。如 过量或累积性的X线照射，可以引起某些 损伤，比如血液和造血器官的变化。眼 晶体的改变、放射性皮肤损伤、性细胞 的损伤引起生育能力的损害、胎内照射 效应（胎内致死、畸形或发育障碍）等 。所以X线工作者一定要重视防护，要学 习和掌握必要的防护知识，充分利用各 种防护器材，如铅板、铅玻璃、铅橡皮 、衣裙和手套等，既要保护自己，也要 保护病人。
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• （二）X线的特性
• X线除了上述的共性以外，由于其波长 短，光子能量大，具有其它电磁波不具 有的一系列特殊性质。医学上正是利用X 线的这些个性来为人类的健康服务，或 作诊断或作治疗。
• 1·物理效应
• （1）穿透作用：穿透作用是指X线通 过物质时不被吸收的本领。X线穿透性固 然与X线波长有关，即波长越短，光子能 量越大，
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• 利用电离电荷的多少来测定X线的照射量 ，多种X线测量仪器正是根据这个原理制 成的。由于电离作用，使气体能够导电 ；某些物质可以发生化学反应；在有机 体内可以诱发各种生物效应。电离作用 是X线损伤和治疗的基础。
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• （3）荧光作用：有些物质如磷、铂氰化 钡、硫化锌镉、钨酸钙等，受X线照射后 ，由于电离或激发使原子处于激发状态 ，回到基态过程中，由价电子的能级跃 迁而辐射出可见光或紫外线光谱，这种 光谱就是荧光，而X线使物质发生荧光的 作用叫荧光作用。
• X线的生物效应归根结底是X线的电离作 用造成的。
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X线机的基本结构
• 固定阳极X线管 • 一、构造和作用 • 固定阳极 X线管的结构由阳极，阴极和玻璃
壳三个部分组成，如图1一1 所示。
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图1-1
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• 阳极由靶面、铜体、阳极罩、阳极柱共 四部分组成。阳极的作用是产生X线、散 热、吸收二次电子和散射线。
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• 从作用的物理过程来说，高速电子与靶 原子相互作用存在以下四个物理过程， 电离、激发、弹性散射和韧致辐射。具 体分析如下。
• （－）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了原子轨道，使原 子变成离子，称为电离。
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• 高速电子的动能转化为以下三部分：一 部分能量消耗在内、外层电子的脱出功 ，这部分能量暂时“储存”在原子内，将伴 随着发射光学光谱（由外层电子轨道跃 迁产生）和标识X射线（由内层电子轨道 跃迁产生），以光能的形式释放出来； 另一部分转化为二次电子（被击出的轨 道电子）的动能；第三部分转化为出射 电子的动能，出射电子以较低能量，并 改变方向射出。然后与其它原子或原子 核发生作用……。
• 在韧致辐射中，人射电子的能量一部分 转化为辐射电磁波的能量hυ，其波长在X 线范围内，在医用X线中占有特别重要的 地位；另一部分转化为出射电子的动能 ，出射电子的方向将发生改变。
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• 韧致辐射具有以下两个特点：
• l．韧致辐射是在核电场作用下的一种能 量转换形式，不能用经典理论作简单地 解释。
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• 从能量转换角度来看，高速电子的能量 损失分为碰撞损失和辐射损失两种情况 。碰撞损失是高速电子与原子外层电子 相“碰撞”，使原子吸收能量处于激发态， 这种能量损失将全部变为热量，使阳极 温度迅速上升。高速电子动能的99％左 右都在碰撞损失中转换为热能，
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• 这是最普遍的情形：辐射损失是高速电 子与靶原子内层电子或原子核相互作用 的结果，以辐射X线光子的形式而损失能 量，这部分能量大约占高速电子总动能 的百分之零点几。可见在X线管中，X线 能的转换效率是很低的。
• 2．韧致辐射所产生的X线是一束波长不 等的连续光谱。这是由下面几个原因造 成的：一是加在X线管两端的高压通常是 脉动直流电压，使得到达阳极的各个高 速电子的动能并不相等；
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• 二是高速电子在进入核电场作用前， 通过电离或激发所失去的动能各不相等 ；
• 三是各个高速电子在原子核电场中被阻 止的情形不一样，离核越近，受核电场 阻止作用越强，由动能转换为光能的部 分能量越多，辐射X线的波长越短，反之 ，波长就长。此外，核电场强度还随原 子序数不同而异。所以韧致辐射所形成 的X线是一束随靶元素不同而异的连续谱 线。
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• （2）着色作用：某些物质如铂氰化钡、 铅玻璃、水晶等，经X线长期照射后，其 结晶体脱水而改变颜色，这就叫着色作 用。
• 3．生物效应：X线对生物组织细胞具 有破坏、瓦解的作用，称为X线的生物效 应。
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• 根据国际放射防护委员会（ICRP）的最 新建议，将辐射的生物效应分为随机效 应和非随机效应。随机效应是指发生的 几率（并不达到严重程度）与剂量的大 小有关的效应。对这种效应不存在剂量 的阀值，任何微小的剂量也可能引起效 应，只是发生的几率极其微小而已。随 机效应主要表现形式是致癌效应和遗传 效应。非随机效应的严重程度则随着剂 量的变化而变化，
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• 电离过程中向外发射的光谱有两种：一种 是由于价电子脱离原子轨道，离子结合自 由电子变为处于激发态的原子，在回到基 态过程中发射出光学光谱。由于最外层电 子轨道的能级差较小，这些光谱一般在紫 外线、可见光和红外线的波长范围，不属 于X线。而且这部分光能几乎全部被周围 原子所吸收，
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• 转化为热运动加快（固体中分子热运动 的主要方式是在平衡位置附近作无规则 的振动），伴随着阳极温度上升。另一 种发射光谱是由于内层电子脱离轨道， 使原子处于激发态，通过内层电子的能 级跃迁而辐射标识X线，这是构成医用 X 线的成分之一。
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• （二）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，不足以使其电 离、仅将其推入高能级的空壳层，使原 子处于激发态，这种作用叫做激发。 入 射电子的动能，一部分转化为方向改变 、速度变小的出射电子的动能；另一部 分是被原子吸收的激发能。处在激发态 的原子将发射光学光谱。这部分光能最 终导致固体分子热运动加快、温度上升 、全部转化为热能。
• （5）干涉、衍射、反射、折射作用： 这些作用与可见光一样。在X线显微镜、 波长测．化学效应
• （1）感光作用：当X线照射到胶片的溴 化银上的时侯，由于电离作用，使溴化 银药膜起化学变化，出现银粒沉淀，这 就是X线的感光作用。银粒沉淀的多少， 由胶片受X线的照射量而定，再经化学显 影，变成黑色的金属银，组成X线影像， 未感光的溴化银则被定影液溶去。X线摄 影就是利用这种X线化学感光作用，使组 织影像出现在胶片上。
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• 为了适应同一个X线管不同使用功率的要 求，一般装配有长短两根灯丝，形成双 焦点X线管。阴极具有三根引线，其中一 根为公用线，其余为大小焦点灯丝的另 一根引线。
• 集射罩的作用是对灯丝发射电子进行聚 焦。当灯丝发射大量电子后，接通高压 时被阳极正电场的作用下，电子将以高 速飞向阳极。但由于电子之间相互排斥 作用，致使电子呈散射状，
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• 从以上四种作用的物理过程看出：高速 电子与阳极靶原子“撞击”的结果，产生两 种类型的光辐射。一种是波长在可见光 、红外线、紫外线附近的光学光谱。另 一种是X线。X线依其产生的机理不同， 又有两种成份，一种是高速电子与原子 内层电子作用所产生的标明元素特性的 标识X线；另一种是高速电子与核电场作 用所形成的韧致辐射，这是一束连续X线 。
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• 还应指出：对人体不同组织，破坏瓦解 的程度是不同的。凡生长力强和分裂活 动快的组织细胞，对X线特别敏感，容易 破坏；X线停照后，恢复也慢。如神经系 统、淋巴系统、生殖系统和肿瘤细胞等 对X线都很敏感。而软组织如皮肤、肌肉 、肺和胃等对X线敏感性较差，破坏性也 相对小一些。在治疗上正是恰当地利用 这种特性。
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• X线由于波长短、能量大，穿透作用强， 将穿过X线管壁、油层、窗口、滤过板而 射向人体，用作治疗或诊断。光学光谱 则波长长，光子能量小，则全部被周围 原子和管壁、油层所吸收，使原子的热 运动加快，温度上升。从能量转换角度 上看，高速电子总能量的99％将转换为 热能，而仅有大约百分之零点儿的能量 转换为有用的X线。
X线机结构和原理
• X线发生原理及其基本认识
• 一、高速电子与阳极靶面的相互作用
• X线是在高度真空的X线管中产生的。更 确切地说，是高速电子与阳极靶面相互作 用的结果。所以分析这种作用对认识X线产 生的原理是十分重要的。
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• 高速电子与靶面物质相互作用是很复杂的 。一般来说，高速电子在失去其全部动能 而变成自由电子之前要穿过很多原子间隙 ，经过很多次碰撞，发生多种作用的物理 过程。例如，一个1兆电子伏特的高速电 子在被阻止之前，会遭受一万次碰撞，每 一次碰撞后，电子损失部分能量，而且往 往还要改变运动方向，所以电子在物质中 的径迹是十分曲折的。