射线的产生和性质

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。
➢ 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：
m
i
n＝
1.24 KV
＝1.24/100＝0.0124nm
❖ 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：
I Nh
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。
max 1.5min
平均波长是最短 波长的2.5倍，即：
mean2.5min
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：
I连＝K1iZVn （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。
❖ 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。
EE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。
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：
m in
hc
m ax
将普朗克常数h、光速c代入上式得：
m in1.24 K e1 v06m1 K .2 e4 vnm
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：
min
1.24 nm KV
（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：
特征X射线的产生的原理
基态 →
↑
受激态
激发
Hale Waihona Puke Baidu
X - ray
↗ → 基态
↑ 跃迁
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。
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。
➢ 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。
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
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。
最强波长：
max 1.5min＝1.5×0.0124nm=0.0186nm
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
❖ 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：
高 速 X 电 线 子 能 流 量 能 量 ＝ KIV IV 2Z＝ K V Z
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。
➢ 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。
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
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。
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：
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：
❖ 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。
❖ 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。
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E 方向。
➢ 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。
I特K2i(VVk)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）。
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
❖ 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θ。
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：
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。
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。
❖ 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