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Principles of Radiation Imaging
辐射成像原理
13:03:03
1
第二章 X射线成像物理学基础
自然界是一个形形色色、丰富多彩的物质世界，人 类自古以来就在不断地进行探索，以便了解这个物质 世界是由什么构成的，是怎样构成的。
宏观世界是以微观世界为基础的，研究微观世界及 其规律不仅可以使人们对自然界的结构及运动知其然， 而且可以知其所以然。
13:03:03
2
2.1 X射线的产生及特性
X射线是一种波长很短的电磁辐射，其波 长约为（ 0.06 ～ 20）×10-8厘米之间。 伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许 多对可见光不透明的物质，如墨纸、木材 等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固 体材料发生可见的荧光，使照相底片感光 以及空气电离等效应，波长越短的X射线能 量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能 量较低，称为软X射线。
三相的X射线谱线 明显地增强，曲线下 的面积也就较大。同 时，谱线向高能量方 向偏移。
特征X射线的仍在能量轴上的固定位置。
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17
六、X射线的空间分布
1、薄靶（透过靶）周围X射线的空间分布
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
18
2、厚靶（反射式靶）周围X射线的空间分布
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19
七、X射线的性质
电子源 高速电子流 靶
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X 射线
阳极
7
三、产生X射线的机理
1、电离与激发
轰击电子与靶原子的外层轨道电子相互作用，使 其上升到能级差仅有几个电子伏特的轨道上而受到激 发。相互作用过后，受激发电子迅速回到它们的正常 状态，产生跃迁，辐射出红外线（热能）。
99％以上的能量转化为热能。
不到1％的能量产生X射线。
双焦点X射线管：装有长短两个灯丝，长的灯丝发 射电子较多，形成大焦点，短的形成小焦点。
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X射线管的焦点
随着副焦点在主焦点内的分布不同，使得X射线 辐射强度的分布形成单峰、双峰甚至多峰型。
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23
有效焦点 实际焦点
有效焦点是指 实际焦点在X射 线投照方向上的 投影。
有效焦点越小， 影像清晰度就越 高。
但特征X射线谱线的位置不改变。
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3、靶物质的影响
高、低原子序数对 应的两条X射线谱线的 高能端重合，说明X射 线谱线的最大光子能量 只与管电压有关而与靶 物质无关。
靶物质的原子序数越高，则轨道电子的结合能就越 大，特征X射线的能量也就越大。
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4、电压波形的影响
实现快速断续X射线摄影。 还可制成微焦点的X射线管。
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4、软X射线管
对软组织进行摄影时，必须使用软X射线管。 软X射线管具有以下特点：
X射线输出窗口的固有滤过小，一般用铍制成。 极间距较短，在低管电压时能产生较大管电流。
焦点小。
阳极靶一般是由钼制成。
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5、X射线管的规格参数
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4
一、X射线的发现
1894年，实验物理学家勒纳德在放 电管的玻璃壁上开了一个薄铝窗，成 功地使阴极射线射出管外 。
1895年11月8日，伦琴发现 X射线，阴极射线管、铂氰化 钡(一种荧光物质)的硬纸板。
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6
二、产生X射线的条件
玻璃壳
电子束
靶
阴极 灯丝
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2、特征辐射
高速电子流轰击阳 极靶，将某些电子击出， 转移到外部壳层或击出 原子之外。
轨道电子从外层跃迁 到内层。放出特征X射 线光子。
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9
3、连续辐射
连续辐射又称为轫致辐射或阻止辐射。
它是由轰击电子与靶原子的原子核相互作用的结 果。
一个轰击电子在与靶原子核相互作用时，可以损 失任意量的动能，所以这种射线有一个相应的能量 范围。
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10
四、X射线的辐射谱线
X射线强度是指在垂直于X射线传播方向上， 在单位时间内、单位面积上通过的光子能量。
X射线强度随波长变化的关系曲线称为X射 线谱。
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11
1、连续X射线谱
最短波长λmin
m in
C
max
hC
h max
hC eU
12.4 U
最大强度所对应的波长 λmax＝1.5λmin
构造参数
指由X射线管的构造所决定的各种规格或数 据，如阳极靶面倾角、有效焦点，外形尺寸、 重量、管壁的滤过当量、工作温度、阳极转速、 冷却和绝缘形式等。
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电参数
指X射线管电性能的规格或数据。
最高管电压 最大管电流 最长曝光时间
1、物理效应
穿透作用 电离作用 荧光作用 热作用 干涉、衍射、反射、折射作用
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2、化学效应
感光作用： 胶片 着色作用： 铂氰化钡、铅玻璃、水晶
3、生物效应
生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死。
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21
八、X射线管
1、固定阳极X射线管
主要是由阴极、阳极和玻璃壳三部分组成的。
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2、特征X射线谱
特征光谱的波长和X射线管的工作条件无关，只
取决于阳极组成元素的种类，是阳极元素的特征谱
线。
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五、影响X射线辐射谱线的因素
1、管电流的影 响
在管电压一定 的条件下，X射 线强度与管电流 成正比。
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14
2、管电压的影响
当管电流不变 时，随着管电压 的增高，最短波 长和最强波长的 位置均向短波方 向移动。
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2、旋转阳极 X射线管
由靶面、转 子、转轴、定 子、轴承等组 成。
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3、三极X射线管
三极X射线管是在普通X射线管的阴极与阳极之间 加一个控制栅极，故又称为栅控X射线管。当栅极上 加上一个对阴极而言的负电位（2～5kV）或负脉冲 电压时，管电流被截止，不会产生X射线。
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3
产生X射线的最简单方法是用加速后的 电子撞击金属靶。撞击过程中，电子突然 减速，其损失的动能会以光子形式放出， 形成X光光谱的连续部分，称之为轫致辐射。
通过加大加速电压，电子携带的能量增大， 则有可能将金属原子的内层电子撞出。于 是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填 补空穴，同时放出波长在0.1纳米左右的光 子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子 化的，所以放出的光子的波长也集中在某 些部分，形成了X光谱中的特征线，此称为 特征辐射。
辐射成像原理
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第二章 X射线成像物理学基础
自然界是一个形形色色、丰富多彩的物质世界，人 类自古以来就在不断地进行探索，以便了解这个物质 世界是由什么构成的，是怎样构成的。
宏观世界是以微观世界为基础的，研究微观世界及 其规律不仅可以使人们对自然界的结构及运动知其然， 而且可以知其所以然。
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2.1 X射线的产生及特性
X射线是一种波长很短的电磁辐射，其波 长约为（ 0.06 ～ 20）×10-8厘米之间。 伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许 多对可见光不透明的物质，如墨纸、木材 等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固 体材料发生可见的荧光，使照相底片感光 以及空气电离等效应，波长越短的X射线能 量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能 量较低，称为软X射线。
三相的X射线谱线 明显地增强，曲线下 的面积也就较大。同 时，谱线向高能量方 向偏移。
特征X射线的仍在能量轴上的固定位置。
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六、X射线的空间分布
1、薄靶（透过靶）周围X射线的空间分布
13:03:03
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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2、厚靶（反射式靶）周围X射线的空间分布
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七、X射线的性质
电子源 高速电子流 靶
13:03:03
X 射线
阳极
7
三、产生X射线的机理
1、电离与激发
轰击电子与靶原子的外层轨道电子相互作用，使 其上升到能级差仅有几个电子伏特的轨道上而受到激 发。相互作用过后，受激发电子迅速回到它们的正常 状态，产生跃迁，辐射出红外线（热能）。
99％以上的能量转化为热能。
不到1％的能量产生X射线。
双焦点X射线管：装有长短两个灯丝，长的灯丝发 射电子较多，形成大焦点，短的形成小焦点。
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X射线管的焦点
随着副焦点在主焦点内的分布不同，使得X射线 辐射强度的分布形成单峰、双峰甚至多峰型。
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有效焦点 实际焦点
有效焦点是指 实际焦点在X射 线投照方向上的 投影。
有效焦点越小， 影像清晰度就越 高。
但特征X射线谱线的位置不改变。
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3、靶物质的影响
高、低原子序数对 应的两条X射线谱线的 高能端重合，说明X射 线谱线的最大光子能量 只与管电压有关而与靶 物质无关。
靶物质的原子序数越高，则轨道电子的结合能就越 大，特征X射线的能量也就越大。
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4、电压波形的影响
实现快速断续X射线摄影。 还可制成微焦点的X射线管。
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4、软X射线管
对软组织进行摄影时，必须使用软X射线管。 软X射线管具有以下特点：
X射线输出窗口的固有滤过小，一般用铍制成。 极间距较短，在低管电压时能产生较大管电流。
焦点小。
阳极靶一般是由钼制成。
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5、X射线管的规格参数
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一、X射线的发现
1894年，实验物理学家勒纳德在放 电管的玻璃壁上开了一个薄铝窗，成 功地使阴极射线射出管外 。
1895年11月8日，伦琴发现 X射线，阴极射线管、铂氰化 钡(一种荧光物质)的硬纸板。
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二、产生X射线的条件
玻璃壳
电子束
靶
阴极 灯丝
13:03:03
8
2、特征辐射
高速电子流轰击阳 极靶，将某些电子击出， 转移到外部壳层或击出 原子之外。
轨道电子从外层跃迁 到内层。放出特征X射 线光子。
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3、连续辐射
连续辐射又称为轫致辐射或阻止辐射。
它是由轰击电子与靶原子的原子核相互作用的结 果。
一个轰击电子在与靶原子核相互作用时，可以损 失任意量的动能，所以这种射线有一个相应的能量 范围。
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四、X射线的辐射谱线
X射线强度是指在垂直于X射线传播方向上， 在单位时间内、单位面积上通过的光子能量。
X射线强度随波长变化的关系曲线称为X射 线谱。
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1、连续X射线谱
最短波长λmin
m in
C
max
hC
h max
hC eU
12.4 U
最大强度所对应的波长 λmax＝1.5λmin
构造参数
指由X射线管的构造所决定的各种规格或数 据，如阳极靶面倾角、有效焦点，外形尺寸、 重量、管壁的滤过当量、工作温度、阳极转速、 冷却和绝缘形式等。
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电参数
指X射线管电性能的规格或数据。
最高管电压 最大管电流 最长曝光时间
1、物理效应
穿透作用 电离作用 荧光作用 热作用 干涉、衍射、反射、折射作用
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2、化学效应
感光作用： 胶片 着色作用： 铂氰化钡、铅玻璃、水晶
3、生物效应
生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死。
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八、X射线管
1、固定阳极X射线管
主要是由阴极、阳极和玻璃壳三部分组成的。
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2、特征X射线谱
特征光谱的波长和X射线管的工作条件无关，只
取决于阳极组成元素的种类，是阳极元素的特征谱
线。
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五、影响X射线辐射谱线的因素
1、管电流的影 响
在管电压一定 的条件下，X射 线强度与管电流 成正比。
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2、管电压的影响
当管电流不变 时，随着管电压 的增高，最短波 长和最强波长的 位置均向短波方 向移动。
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24
2、旋转阳极 X射线管
由靶面、转 子、转轴、定 子、轴承等组 成。
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25
3、三极X射线管
三极X射线管是在普通X射线管的阴极与阳极之间 加一个控制栅极，故又称为栅控X射线管。当栅极上 加上一个对阴极而言的负电位（2～5kV）或负脉冲 电压时，管电流被截止，不会产生X射线。
13:03:03
3
产生X射线的最简单方法是用加速后的 电子撞击金属靶。撞击过程中，电子突然 减速，其损失的动能会以光子形式放出， 形成X光光谱的连续部分，称之为轫致辐射。
通过加大加速电压，电子携带的能量增大， 则有可能将金属原子的内层电子撞出。于 是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填 补空穴，同时放出波长在0.1纳米左右的光 子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子 化的，所以放出的光子的波长也集中在某 些部分，形成了X光谱中的特征线，此称为 特征辐射。