X線的物理特性

X線物理學(xué)基礎(chǔ)X線的物理特性第1頁一、X線發(fā)覺與產(chǎn)生二、X線產(chǎn)生原理三、X線本質(zhì)與特征四、X線強度五、X線與物質(zhì)相互作用六、X線吸收與衰減X線的物理特性第2頁X線發(fā)覺1895年11月8日，德國物理學(xué)家倫琴用一個高真空玻璃管和一臺產(chǎn)生高壓小型機器做試驗時，發(fā)覺了X線。1895年11月22日，倫琴用X線為其夫人拍攝了一張手照片。1901年，倫琴被授予諾貝爾物理學(xué)獎。X線的物理特性第3頁X線產(chǎn)生X線產(chǎn)生是能量轉(zhuǎn)換結(jié)果。

99%以上動能產(chǎn)生熱量，不到1%動能轉(zhuǎn)換成X線。X線產(chǎn)生需要具備4個條件：

電子源高電壓高真空度適當(dāng)障礙物

X線的物理特性第4頁X線產(chǎn)生原理X線產(chǎn)生是高速電子與陽極靶物質(zhì)原子相互作用中能量轉(zhuǎn)換結(jié)果。是利用了陽極靶物質(zhì)三個特征：核電場、軌道電子結(jié)合能和原子存在于最低能級需要。每個電子能量=電子電荷*X線管電壓E=eV（e=1.60*10-19庫倫）

X線的物理特性第5頁連續(xù)放射（韌致放射）高速電子與靶物質(zhì)原子核作用結(jié)果。當(dāng)高速電子靠近原子核時，受核電場吸引，偏離原有方向，失去能量而減速。此時電子丟失能量以光子形式放射出來，這種放射叫連續(xù)放射。X線光子能量取決于：電子靠近核情況、電子能量和核電荷。入min=1.24/kVp（nm）連續(xù)射線波長只與管電壓相關(guān)，管電壓越高，波長越短，X線強度越大。X線的物理特性第6頁由圖可見：高速投射電子，受核電場吸引，偏離原有方向。管電壓相同時，偏離角度越大，產(chǎn)生連續(xù)放射X線能量就越大。偏離角度相同時，管電壓越大，產(chǎn)生連續(xù)放射X線能量就越大。X線的物理特性第7頁特征放射（標(biāo)識放射）高速電子擊脫靶物質(zhì)原子內(nèi)層軌道電子，而產(chǎn)生一個放射方式。一個常態(tài)原子經(jīng)常處于最低能級狀態(tài)，他永遠(yuǎn)保持其內(nèi)層軌道電子是滿員。當(dāng)靶物質(zhì)原子K層電子被高速電子擊脫時，K層電子空缺將由外層電子躍遷補充，外層電子能級要比內(nèi)層電子能級高，所以多出能量作為X線光子釋放出來，產(chǎn)生K系特征放射。X線的物理特性第8頁特征放射X線光子能量與沖擊靶物質(zhì)高速電子能量無關(guān)，只服從于靶物質(zhì)原子特征。同種靶物質(zhì)K系特征放射波長為一定數(shù)值。

（管電壓在70kVp以上，鎢靶才能產(chǎn)生特征X線。）高速電子必須含有能擊脫K層電子最低能量，即含有一個最低激發(fā)電壓，也稱限界電壓。在以鎢靶X線球管產(chǎn)生X線診療能量范圍內(nèi)，特征X線產(chǎn)生幾率與球管關(guān)系大致為：

70kVp以下，不產(chǎn)生K特征X線。80~150kVp，K特征X線占10%~28%。150kVp以上，特征X線降低。

X線的物理特性第9頁X線本質(zhì)X線本質(zhì)是電磁波，它含有一定波長和頻率；因為X線光子能量大，可是物質(zhì)產(chǎn)生電離，故又屬電磁波中電離輻射。X線和其它電磁波一樣，含有波動和微粒二重性，這是X線本質(zhì)。

（1）X線微粒性：把X線看作一個個微?！庾咏M成，光子含有一定能量和一定動質(zhì)量，但無靜止質(zhì)量。X線與物質(zhì)作用時表現(xiàn)出微粒性，每個光子都含有一定能量，能產(chǎn)生光電效應(yīng)，能激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)出熒光等現(xiàn)象。（2）X線波動性：X線以波動方式傳輸，是一個橫波。X線在傳輸時表現(xiàn)了他波動性，含有頻率和波長，并有干涉、衍射反射和折射現(xiàn)象。X線的物理特性第10頁X線特征一、物理效應(yīng)

穿透作用：X線含有一定穿透能力。穿透能力主要與本身波長相關(guān)，以及被穿透物質(zhì)原子序數(shù)、密度和厚度相關(guān)。

熒光作用：熒光物質(zhì)（鎢酸鈣），在X線照射下被激發(fā)，釋放出可見熒光。

電離作用：物質(zhì)在足夠能量X線光子照射下，能擊脫物質(zhì)原子軌道電子，產(chǎn)生電離。也是X線劑量、X線治療、X線損傷基礎(chǔ)。

干涉、衍射、反射與折射：這些光學(xué)特征在X線顯微鏡、波長測定、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析中得到應(yīng)用。

X線的物理特性第11頁二、化學(xué)效應(yīng)感光作用：X線含有光化學(xué)作用，可是攝影膠片感光。

著色作用：一些物質(zhì)經(jīng)X線長久照射后，使其結(jié)晶脫水變色。如鉛玻璃經(jīng)X線長久照射后著色三、生物效應(yīng)

X線是電離輻射，他對生物細(xì)胞，尤其是增殖性強細(xì)胞有抑制、損傷，甚至使其壞死作用，它是放射治療基礎(chǔ)。X線的物理特性第12頁X線產(chǎn)生效率產(chǎn)生X線所消耗總能量與陰極電子能量之比，稱作X線發(fā)生效率。

η=X線消耗總能量/陰極電子能量=k(V2ZI/VI)=kVZ（%）V：管電壓，Z：靶物質(zhì)原子序數(shù)，I：管電流，k=1.1×10-9，為系數(shù)。X線的物理特性第13頁X線強度X線強度是垂直于X線束單位面積上，在單位時間內(nèi)經(jīng)過光子數(shù)和能量總和，及線束中光子數(shù)乘以每個光子能量。在實際應(yīng)用中，常以量與質(zhì)乘積表示X線強度。量是線束中光子數(shù)，質(zhì)則是光子能量（也稱穿透力）。用管電流（mAs）表示X線量；用管電壓（KV）表示X線質(zhì)。X線的物理特性第14頁影響X線強度原因X線強度受管電壓、管電流、靶物質(zhì)以及高壓波形影響。一、管電壓X線光子能量，取決于沖擊電子能量大小，而電子能量又由管電壓kVp來決定。管電壓決定X線最大能量性質(zhì)。

在管電壓為峰值時，最短波長X線能量也將靠近管電壓能量。增加管電壓也將增加產(chǎn)生X線量。所以X線強度增加與管電壓平方成正比。X線的物理特性第15頁二、管電流管電流越大，燈絲周圍電子云越多，沖擊靶物質(zhì)后產(chǎn)生X線光子數(shù)就越多。所以管電壓一定時，X線強度決定于管電流三、靶物質(zhì)在一定管電壓和管電流下，放射量多少決定于靶物質(zhì)。靶物質(zhì)原子序數(shù)越高，產(chǎn)生X線效率就越高。因為鎢原子序數(shù)較高（Z=74）且熔點較高（3370℃），所以靶物質(zhì)普通選取鎢靶，或鎢合金（錸鎢合金）連續(xù)射線：靶物質(zhì)原子序數(shù)決定X線量產(chǎn)生；特征X線：靶物質(zhì)原子序數(shù)決定產(chǎn)生X線波長性質(zhì)。

X線的物理特性第16頁四、高壓波形

X線發(fā)生器產(chǎn)生高壓都是脈動式。有兩種形式：單相電源半波和全波三相電源6脈沖和12脈沖當(dāng)整流后脈動電壓越靠近峰值，其X線強度越大；峰值電壓相同時，三相電源比單相電源產(chǎn)生硬射線要多。X線的物理特性第17頁X線質(zhì)表示方式半值層（HVL）：X線強度衰減到初始值二分之一時，所需標(biāo)準(zhǔn)吸收物質(zhì)厚度。診療用X線半值層普通用毫米鋁（mmAl）表示，在1.5~4mmAL之間。

對一樣質(zhì)X線來說，不一樣物質(zhì)半值層是不一樣；但就同種物質(zhì)，半值層大X線質(zhì)硬，半值層小質(zhì)軟。電子加速電壓（管電壓）有效能量：在連續(xù)X線情況下使用這一概念。軟射線和硬射線：將低能量X線稱為軟射線，將高能量X線成為硬射線。X線波普分布：它表示了X線波長分布或能量分布。此分布將依據(jù)X線管固有濾過、附加濾過、管電壓、管電流、整流方式等原因而改變。X線的物理特性第18頁X線強度空間分布高速電子撞擊陽極靶面，所產(chǎn)生X線分布與陽極傾角相關(guān)。陽極傾角是指垂直于X線管長軸平面與靶面夾角。在經(jīng)過X線管長軸且垂直于有效焦點平面內(nèi)，近陽極端X線強度弱，近陰極端強，最大值約在100處，其分布是非對稱性，這種現(xiàn)象成為陽極效應(yīng)。陽極傾角越小，陽極效應(yīng)越顯著。在經(jīng)過X線管短軸且垂直于有效焦點平面，在900處最大，分布基本上是對稱。X線的物理特性第19頁X線不均等性診療用X線主要是連續(xù)X線和特征X線混合。連續(xù)X線波長由最短波長到長波長領(lǐng)域是一個很廣范圍。這種X線成為不均等X線，因為濾過板使用，長波長領(lǐng)域X線被吸收，成為近似均等X線。這種均等度以不均等度h或ω表示。

h=H2/H1（H1：第二分之一值層；H2：第二半值層）或ω=λeff/λ0（λ0：最短波長，λeff：有效波長）均等X線下，h=1，

ω=1，不均等X線h＞1，ω＞1。X線的物理特性第20頁有效波長：單一能量波長半值層等于連續(xù)X線半值層時，此波長稱作有效波長（λeff）有效電壓：產(chǎn)生有效波長最短波長管電壓，稱作有效電壓。有效能量：將有效電壓用能量單位（keV）表示時，此能量為有效能量。X線的物理特性第21頁X線與物質(zhì)相互作用X線與物質(zhì)相互作用形式有：相干散射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)、光核反應(yīng)等。X線的物理特性第22頁相干散射（約占診療X線5%）X線與物質(zhì)相互作用能發(fā)生干涉散射過程，稱為相干散射。一個束縛電子吸收入射光子能量躍遷到高能級，隨即放出一個能量等于入射光子能量散射光子，因為電子未脫離原子，所以光子能量是損失可忽略不計，相干散射不產(chǎn)生電離過程。發(fā)生幾率與物質(zhì)原子序數(shù)成正比，隨光子能量增大而急劇降低X線的物理特性第23頁光電效應(yīng)X線與物質(zhì)相互作用時，X線光子能量（hv）全部給予了物質(zhì)原子殼層電子，取得能量電子擺脫原子核束縛成為自由電子（即光電子），而X線光子本身則被物質(zhì)原子吸收，這一過程稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)產(chǎn)物：特征放射，光電子（負(fù)離子），正離子（缺乏電子原子）以及俄歇電子。X線的物理特性第24頁光電效應(yīng)產(chǎn)生條件及發(fā)生幾率1、光子能量與電子結(jié)合能，必須“靠近相等”才輕易產(chǎn)生光電效應(yīng)。光子能量要稍大于電子結(jié)合能或等于電子結(jié)合能。（碘K層電子結(jié)合能為33.2KeV）光子能量增加，會使光電作用機率下降，光電效應(yīng)與能量三次方成反比。2、軌道電子結(jié)合越緊越輕易產(chǎn)生光電效應(yīng)。高原子序數(shù)元素比低原子序數(shù)元素軌道電子結(jié)合緊。所以比較輕易產(chǎn)生光電效應(yīng)，所以光電效應(yīng)發(fā)生幾率伴隨原子序數(shù)增加而很快增加，其發(fā)生幾率與原子序數(shù)三次方成正比。X線的物理特性第25頁光電效應(yīng)在X線攝影中實際意義一、光電效應(yīng)不產(chǎn)生有效散射，對膠片不產(chǎn)生灰霧。二、光電效應(yīng)可增加射線對比度。其發(fā)生幾率與物質(zhì)原子序數(shù)三次方成正比，所以可擴大不一樣元素所組成組織影像對比三、光電效應(yīng)中，因光子能量全部被吸收，這使患者接收照射量比任何其它作用都多。X線的物理特性第26頁康普頓效應(yīng)當(dāng)一個光子在擊脫原子外層軌道上電子時，入射光子損失部分能量，并改變原來傳輸方向，變成散射光子，軌道上電子從入射光子處取得部分能量脫離原子核束縛，按一定方向射出，成為成為反沖電子。X線的物理特性第27頁康普頓效應(yīng)發(fā)生幾率與物質(zhì)原子序數(shù)成正比與入射光子能量呈反比與入射光子波長成正比X線的物理特性第28頁電子對效應(yīng)一個含有足夠能量光子，在與靶原子核發(fā)生相互作用時，光子突然消失，同時轉(zhuǎn)化為一對正、負(fù)電子，這個作用過程稱為電子對效應(yīng)。X線的物理特性第29頁光核反應(yīng)所謂光核作用，就是光子與原子核作用而發(fā)生核反應(yīng)。一些核素在進行光核反應(yīng)時，不但產(chǎn)生中子，而且反應(yīng)產(chǎn)物是放射性核素。X線的物理特性第30頁X線吸收與衰減X線強度在其傳輸過程中，將以距離平方反比規(guī)律衰減，此法則，它在X線管點焦點、真空傳輸條件下成立。物質(zhì)也會造成X線衰減。在診療X線能量范圍內(nèi)，X線與物質(zhì)相互作用形式主要是光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。在光電效應(yīng)下：X線光子被吸收在康普頓效應(yīng)：X線光子被散射X線的物理特性第31頁X線濾過一、固有濾過（鋁當(dāng)量）指X線機本身濾過，包含X線管管壁、絕緣油層、窗口濾過板。

鋁當(dāng)量：一定厚度鋁板和其它物質(zhì)對X線含有同等量衰減時，此濾過板厚度稱為濾過物質(zhì)鋁當(dāng)量。

二、附加濾過廣義上講，從X線管窗口至檢驗床之間，所經(jīng)過材料濾過總和為附加濾過

X線的物理特性第32頁X線在物質(zhì)中指數(shù)衰減規(guī)律I=I0e-μX（X=0，I=I0）I0：X線抵達物體表面強度I：X線抵達厚度為X時強度X：吸收物質(zhì)厚度（m）此法則成立條件有兩個，一是X線為單一能量射線，一是X線為窄束。

X線的物理特性第33頁單能窄束X線在經(jīng)過物體時，只有X線光子能量降低，而無能量改變，其指數(shù)衰減規(guī)律是X線強度在物質(zhì)層中都以在相同百分比衰減。寬束衰減與吸收物質(zhì)種類和厚度、X線能量、X線源與探測器幾何學(xué)配置等原因相關(guān)。X線的物理特性第34頁衰減系數(shù)一、線衰減系數(shù)

將X線透過物質(zhì)量以長度（m）為單位時，X線衰減系數(shù)，稱作線衰減系數(shù)，單位m-1二、質(zhì)量衰減系數(shù)將X線透過物質(zhì)量以質(zhì)量厚度（kg.m-2）為單位時，X線衰減系數(shù)稱作質(zhì)量衰減系數(shù)，單位m2/kg三、總衰減系數(shù)總衰減系數(shù)即是光電衰減系數(shù)、相干散射衰減系數(shù)、康普頓衰減系數(shù)和電子對效應(yīng)衰減愈大。X線的物理特性第35頁影像X線衰減原因一、射線能量和原子序數(shù)對衰減影響對高原子序數(shù)物質(zhì)（如碘化鈉）在整個X線診療能量范圍內(nèi)主要是光電作用。作為水和骨骼，則隨X線能量增加，康普頓散射占了主要地位。對低原子序數(shù)物質(zhì)，