X射线的产生-基础知识

气体 脂肪组织
结蒂组织 肌肉组织 软骨 血液
骨骼
生物医学工程 袁文迪
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五，Xray的荧光作用
当X射线照射某种物质时，能够发出荧光，具 有这种光特性的物质称为荧光物质。如钨 酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉等。 这些荧光物质受X射线照射时，物质原子被激 活或电离，当被激发的原子恢复到基态时， 便可释放出荧光。 应用：增感屏、影像增强器的输入屏和输出 屏
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• 流过灯丝的电流称为灯丝电流，由灯丝电 路控制，形成的电流变化范围从几个到几 十个安培不等，是X射线管的一个主要技术 指标。 • 灯丝电流大小→灯丝的温度→阴极发射电 子的发射率
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灯丝通电后温度逐渐升高，当升 到一定温度后开始辐射热电子。
辐射特性如图：
1.灯丝的加热电压正比于灯丝辐 射的热电子数量 2.灯丝温度与辐射热电子的数量 呈指数关系
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四，X线的滤过
医用X射线属于连续能谱，其中绝大部分低能光子 不能透过人体，对形成X射线影像不能起任何作 用，但却大大增加了被检者的皮肤剂量。为了 获得最佳影像质量，同时尽量减少无用的低能 光子对人体皮肤和表浅组织的伤害，就需要根 据连续X射线在物质中的衰减规律，采用恰当的 滤过措施，兼顾应用与防护的双重目的。在X线 管出口放置一定均匀厚度的金属，预先把X线束 中的低能成分吸收掉，将Xray的平均能量提高， 这种过程就是滤过。
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一， 光电效应
1. 作用过程：能量为hv的X射线光子通过物 质时，与物质原子的轨道电子发生相互作 用，把全部能量传递给这个电子，光子消 失，获得能量的电子挣脱原子束缚成为自 由电子（光电子）；原子轨道出现一个空 位而处于激发态，它将通过发射标识X射 线或俄歇电子的形势很快会到基态，这个 过程称为光电效应（photoelectric effect）
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二， 康普顿效应
1. 作用过程：当入射X射线光子和原子内一 个轨道电子发生相互作用时，光子损失一 部分内能量，并改变运动方向，电子获得 能量而脱离原子，这个过程称为康普顿效 应（Compton effect）（图） 损失能量后的X射线光子成为散射光子，获得 能量的电子称为反冲电子。
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决定X线衰减程度的因素：
1. X射线本身的性质 2. 物质密度 3. 原子序数 4. 每克电子数
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四，Xray的透射作用
• 由于X线波长短，具有较高的能量，物质对 其吸收较弱，因此它具有很强的贯穿本领。
易透性组织 中等透射性组织 不易透射性组织
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碰撞损失 辐射Байду номын сангаас失
约等于
816MeV Ek*Z
• Ek高速电子的动能（以MeV单位） • Z是靶物质的原子序数 • 100KV的管电压下，电子撞击在钨靶，只有99% 的能量以碰撞损失，只有1%的能量产生X射线。 • 阳极产生的热量与X射线管电流的增加成正比， 但是X射线产生的效率与管电流的大小无关，也 就是说不管选择什么挡位毫安曝光，X射线产生 的效率是一样的。
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X射线的产生：高速带电粒子撞击物质受 阻而突然减速时都能产生X射线。 产生X射线的三个基本条件： 使电子获得 1. 高压产生的强电场 1.使电子在高速 很大动能 •
运动中不受气体 分子的阻挡而降 2. 高真空的空间 低能量 2. 保护灯丝不致 3. 有一个能经受高速电子撞击而产生 X射线 因氧化被烧毁
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固有滤过：X线机设备本身滤过，即从X射线管阳极 靶道不可拆卸的滤过板之间滤过的总合。包括： X线管壁、绝缘油、管套上的窗口和不可拆卸的 滤过板。 一般用铝当量表示，（mm Al）：一定厚度的铝 板与其它滤过材料相比较，对X线具有相同的衰 减效果，则此铝板厚度就是该滤过材料的铝当量。 0.5~2mm Al 附加滤过：X射线离开出现口后，从不可拆卸的滤 过板（除了）到诊视床面之间，包括用工具可拆 卸的滤过板、附加滤过板、遮光器等滤过的总合。 铝对低能射线是很好的滤过物质 铜对高能射线是很好的滤过物质 一般诊断可单独用铝。铜不能单独做滤过板，通常 和铝结合为复合滤过板
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2.散射光子和反冲电子的分布布（图） 散射光子可在0~180度的整个空间内散射，反冲 电子能可能出现在0~90度 3.诊断放射学中的康普顿效应 • 康普顿效应中产生的散射线是辐射防护中必须 引起注意的问题 • 散射线增加了照片的灰雾，降低了影像的对比 度，但与光电效应相比受检者的剂量较低
的靶。
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X线管主要是由阴极、阳极和壳体组成。 二，阴极（cathode） ：是X射线管的负极。 作用是发射电子并 使电子流聚集。 主要由灯丝、聚焦 杯、阴极套和玻璃 芯柱等组成。
大小 焦点 引线 和公 用线
Filament 钨丝
聚焦罩
电子聚焦
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八，Xray的化学和生物效应
能使胶片乳剂感光，着色作用和脱水作用 应用：不同X线机应用不同胶片 氰化钡、铅玻璃、水晶等脱水着色
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1.2 X线与物质的相互作用
• • • • 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 光电效应 康普顿效应 电子对效应 X线的滤过
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除了上述三种主要相互作用过程外，与辐射防护 相关的其它过程还有相干散射和光核反应 • 相干散射（coherent scattering）：经典散射 和瑞利散射。入射光子和束缚较牢固的内壳层 轨道电子发生弹性散射（也叫电子的共振）。 束缚电子吸收入射光子而跃迁到高能级，随即 又放出一个能量约等于入射光子能量的散射光 子。由于束缚电子未脱离原子，故反冲体是整 个原子 • 光核反应：光子与原子核作用而发生的核反应。 这是一个光子从原子核内激出数量不等种子、 质子、和γ 光子的作用过程。
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二，标识X射线 高速电子与内层电子发生作用
• 如果高速电子没有与靶原子的外层电子作用， 而是与内层电子发生作用，就会产生标识X射线。 （图）
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三，连续X射线 韧致辐射是辐射损失的一种，它是产生 连续X射线的机制 • 经典的电磁学认为：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。当高速电子穿过靶 原子时，若它能完全避开电子轨道就有可能非常的接 近原子核，并且受其影响。由于电子与原子核之间的 静电吸引，高速电子越接近原子核越受其影响，原子 核有很多质子，又与电子之间的距离很近，所以它们 之间的电场非常强，当电子经过原子核时就会慢下来 并改变其原有的轨迹。此时电子将向外辐射能量，这 种电磁波称为X射线光子（X线）。这就是韧致辐射 （图）
• 灯丝：采用高熔点的钨丝绕制而成。钨丝 中含有微量的钍是为了增加电子的发射率， 延长灯丝使用寿命。
• 直热式钍钨阴极其温度在1800℃左右，目测为黄白色， 类似白炽灯
• 空间电荷与空间电荷效应：当电子从灯丝 逸出后，会暂时停留在灯丝周围。因为这 些电子带负电，电子之间会发生排斥，从 而在灯丝周围形成一团“云”，该电子云 被称之为空间电荷。由于静电排斥，使得 灯丝中其它电子逸出的难度随之增大，这 种现象称为空间电荷效应。
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• 每个高速电子与靶 原子作用时的相对 位置不同对应的辐 射损失也不同，因 而发出的X射线光子 的能量也互不相同。 （图）
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各种能量 X线束的 入射强度
各种能量 X射线的 先行衰减 系数
X为吸收 物质层 的厚度
连续能谱的X射线束是能量从最小值到最大值之间的各种光子 组合成的混合射线束，当连续X射线通过物质层时，其量和质 都有变化。特点是：X射线强度变小，硬度变大（质提高）。 这是由于低能光子容易被吸收，致使X射线束通过物质后高能 光子在射线束中所占比率相对变大的缘故。
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三，电子对效应
1. 作用过程：当入射X射线光子从原子核旁 经过时，在原子核库伦场的作用下形成一 对正负电子，这个过程称为电子对效应 （electric pair effect）（图） 电子对效应除涉及入射光子和轨道电子外， 还需要有原子核的参加才能满足动量守恒
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(二)钨丝X射线管阶段 随着电磁学、高真空技术及其他学科的发展，1910年 美国物理学家W．D．Coolidge发表了钨灯丝X射线管 制造成功的报告。1913年开始实际使用，它的最大特 点是钨灯丝加热到白炽状态以提供管电流所需的电子， 所以调节灯丝的加热温度就可以控制管电流，从而使 管电压和管电流可以分别独立调节，而这正是提高影 像质量所需要的。
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•
辐射损失只涉及原子的内层电子及内层原 子核。高速电子处于原子外层电子发生碰 撞损失能量外，也可能电离原子的内层电 子，将能量转化为标识辐射（characteris tic radiation）；另外高速电子还可能与 靶原子核发生相互作用。将能量转化为韧 致辐射（bremsstrahlung radiation）
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不同功率的X线管；为了协调不同功率与焦点的关 系，阴极装有两个长短灯丝，分别对应大焦点和 小焦点，称这种X线管为双焦点X线管。
（图）
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2.光电子的角分布（图） 3.诊断放射学中的光电效应 有利方面： • 不产生散射线，大大减少照片灰雾 • 可增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差 别，产生高对比度的X射线 不利方面：入射X射线通过光电效应可全部被人 体吸收，增加了受检者的剂量。 钼靶乳腺X摄影就是利用低能X射线在软组织中因 光电吸收的明显差别产生高对比度照片。
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1.3 X射线管
一，X线管的发展简史 自1895年以来，X射线诊断与治疗技术有了飞速的发展， X线管的发展可分为以下几个阶段： (一)离子X射线管阶段——克鲁克斯管(1895～1912)
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阴极射线
电子束
1895年，W.C.伦琴发现 X射线时使用的就是克鲁克斯管。这种管接通高压后,管内气体 电离，在正离子轰击下，电子从阴极逸出，经加速后撞击靶面产生X射线。
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六，Xray的电离作用
电离作用是X射线损伤和治疗的基础 应用：收集气体中电离电荷，通过测定电离 电荷的多少可知X射线的照射量
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七，Xray的的热作用
X射线被物质吸收，绝大部分最终都将变为热 能，使物体温升。 应用：测定X射线吸收剂量的量热法就是依据 这个原理研究出来的。
• 1.1 X射线的产生机制 • 1.2 X射线与物质的相互作用 • 1.3 X射线管
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1.1 X射线的产生机制
一，电子与物质的相互作用 X射线是高速带电粒子在与物质相互作用中产 生。 碰撞损失（collision loss）和辐射损失（radi ation） • 碰撞损失只涉及原子的外层电子。高速电 子与原子的外层电子发生作用时，可以使 原子激发或电离.
当时X射线机的结构非常简单，使用效率很低的克鲁克斯 管（含气式冷阴极离子X射线管），运用笨重的感应线圈 发生高压，裸露式的高压机件，更没有精确的控制装置。 总结来说容量小、效率低、穿透力弱、影像清晰度不高、 缺乏防护、控制困难。
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•
据资料记载，当时拍摄一张X射线骨盆像， 需长达40～60min的曝光时间，结果照片 拍成之后，受检者的皮肤却被X射线烧伤。
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1913年滤线栅的发明，部分地消除了散射线，提高了影 像的质量。 1914年制成了钨酸镉荧光屏，开始了X射线透视的应用。
(三)多焦点X射线管和金属陶瓷壳阶段 1923年发明了双焦点X射线管，解决了X射线摄影的需要。 X射线管的功率可达几千瓦，矩形焦点的边长仅为几毫米， X射线影像质量大大提高。 金属陶瓷壳的研制延长了X线管的使用寿命