2.X射线产生及性质.

§2.1X射线的发现§2.2X射线的基本特性§2.3X射线的产生条件与装置§2.4X射线的产生原理§2.5X射线的质与量§2.6X射线的产生效率§2.7X射线强度的空间分布第2章：X射线的产生和性质1教学目标掌握：X射线的发现、本质与特性；X射线的产生条件与装置；X射线的质与量、X射线的产生效率熟悉：电子与物质的相互作用；两种X线的产生原理；X射线强度的空间分布了解：X射线的发现与用途。§2.1X射线的发现一、X射线的发现1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线：肉眼看不到，但可使照相底片感光、荧光板发光和使气体电离；能透过可见光不能透过的物体；在电场和磁场中不偏转，通过物体时不发生反射、折射现象，通过普通光栅亦不引起衍射；对生物有很厉害的作用。二、X射线的用途医学上的应用：诊断和放射治疗其他应用：晶体结构分析、工业探伤、货运集装箱透视检查、科学研究等。4§2.2X射线的基本特性波动性和粒子性是X射线作为一种电磁波的最基本属性，除此之外X射线在物理、化学、生物等方面仍具有一些独特的性质。（一）物理特性穿透作用、荧光作用、电离作用、热作用、干涉、衍射、反射和折射（二）化学效应感光作用、着色作用（三）生物效应生物细胞特别是增殖细胞，经一定量Ｘ线照射后，细胞会受到抑制、损伤甚到坏死。§2.3X射线的产生条件与装置现在人们已经发现了许多的X射线产生机制，其中最为实用的能获得有足够强度的X射线的方法仍是当年伦琴所采用的方法——用阴极射线（高速电子束）轰击阳极（靶）的表面。7一、Ｘ射线的产生条件1、电子源：2、高速电子流１）高电压产生的强电场，使电子从中获得高速运动能。２）高真空度的空间，使电子在高速运动中免遭气体分子的阻挡而降低能量，同时也能保护灯丝不致因氧化而被烧毁．3、阳极靶面：一般由高原子序数、高熔点的钨制成。二、Ｘ线的产生装置医用Ｘ线机分诊断机和治疗机两大类。基本结构由主机、机械及辅助设备等几部分组成。主机为Ｘ线机的基本组成部件，由Ｘ线管、高压发生器、控制台三部分组成。Ｘ线管都是由阴极、阳极、玻璃管壳组成。１、阴极为电子源，由灯丝和聚射罩组成。灯丝分大、小焦点大焦点为２ｍｍ，小焦点为１ｍｍ，由钨丝制成。聚射罩又称阴极头聚焦槽或聚焦罩．由纯铁或铁镍合金制成的长方形槽，作用上对灯丝的电子进行聚焦。２、阳极又称阳极靶面，它是使高速电子突然受阻而产生Ｘ线的部位。固定阳极由阳极头、阳极罩、阳极柱或柄组成旋转阳极由靶面、转子、转轴、轴承和定子组成3、玻璃管壳是用来维持一个高真空度的空，并起着固定阴极和阳极的作用。多采用耐高温、绝缘性能好、膨涨系数小、对Ｘ线吸收较少的多种化学成分的硬质玻璃制成。§2.4X射线的产生原理一、电子与物质的相互作用高速电子和钨原子相互作用，产生Ｘ射线。X射线的产生主要利用靶物质的三种性质。即；核电场、轨道电子结合能、原子存在于最低能级的需要。依照高速电子与靶原子作用中参与碰撞过程的电子类型以及能量的高低，将能量损失分为碰撞损失和辐射损失两种。1.碰撞损失：高速电子与靶原子的外层电子作用而损失的能量，碰撞损失的能量最后全部转化为热能。高速电子与靶原子的外层电子作用时，可以使原子激发或电离而损失部分能量。2.辐射损失；高速电子与靶原子的内层电子或原子核相互作用而损失的能量。高速电子可以激发原子的内层电子，将内层电子激发为自由电子，并使内层电子具有动能。高速电子还可以进入靶原子的内部，与靶原子核相互作用损失能量。X射线是高速运动的带电粒子与靶物质相互理解作用产生的．入射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、电离能、热能。Ｅ＝Ｅ（辐射）＋Ｅ（电离）＋Ｅ（热）这三种能量的比例分配，随入射电子能量和物质性质不同而不同。辐射损失涉及内层电子和原子核。碰撞损失涉及原子的外层电子，这部分能量将全部变为热，是能量转换的过程。1、连续X射线高速电子与阳极靶的原子碰撞时，由高速运动突然转为停止不动，电子失去动能，将一部分动能转化为热能，另一部分转化为一个或几个光子辐射出去，这个光子流就是X射线。由于X射线的能量不同，因此，放出的X射线的频率不同。由此产生的X射线是连续的，称为连续X射线光谱，简称连续谱，也叫白色X射线。为什么会产生连续X射线？23二、两种X线产生原理连续谱有一个最短波长的极限λ0，若一个电子的动能全部转化成X光子的能量，波长最短。设电子的动能为E＝eU，x射线的能量为：E＝hν＝hc/λλ0=hc/Emax=hc/E这时该光子将具有最短的波长λ0。在实际的能量转化中，绝大多数电子，都有能量损耗，即E≤Emax,因此λ≥λ0。实际形成：以λ0为最短波长的连续谱线。24最短波长与X射线管的电压有关。eU=hνmax=hc/λ0e——自由电子电荷，e=1.602×1019CU——X射线管的电压（kV)h——普朗克常数，h=6.625×10－34J·sc——X射线的速度，c＝2.998×108m/s则λ0＝hc/eU＝1.24/U即管电压越大，最短波长λ0越小。即连续谱的短波限只与管电压有关。25连续谱强度公式：I连=K1iZUnK1——常数，K1≈(1.1—1.4)×10－9n——常数，n≈2261.物理过程高速电子与靶原子的内层电子相互作用，产生特征辐。读图分析：图3-6不同管电压的钨靶X射线谱管电压65KV时为连续谱；管电压100KV、150KV、200KV时，三条谱线上叠加了一组位置不变，强度很大的线状光谱。线状光谱的能量与管电压无关，完全由靶物质材料的性质决定。不同靶材料都有自己的线状光谱，它表征靶物质的原子结构特性，而与其他因素无关。通常把这种辐射称为特征辐射（标志辐射）。由此产生的X线称为特征X线。28二、两种X线产生原理——特征X线从原子物理学知道，原子内的电子按照鲍林不相容原理和能量最低原理分布在各个能级上（电子轨道），用记号K、L、M、N……表示。K层最靠近原子核，能量最低，稳定性最强（电子束缚能最高）。EkELEM…30当外来电子的能量足够高(大于K层电子的电子束缚能)，则可能把K层的一个电子击飞，从而使原子处于不稳定状态(激发态)。高速电子流打飞的电子(光电子)31激发态不是稳定态，必然自发地向稳定态过渡。方法之一：较高能量的L层电子向K层跃迁。32在跃迁的过程中，前后存在能量差异，其差异即等于K层与L层的能级差ΔEKL＝EL-EK该差值能量将以X射线的形式放射出去，α辐射:ΔEKL=hν=hc/λαλα＝hc/ΔEKLX射线33X射线方法之二：更高能级的M层向K层跃迁，β辐射ΔEMK＝EM-EK＝hν=hc/λβλβ＝hc/ΔEMK显然λαλβ同理，由NK的跃迁形成的辐射叫γ辐射。342、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（W），只有当入射高速电子的动能大于其结合能时，才有可能被击脱而造成电子空位，产生特征X射线。入射电子的动能完全由管电压决定，因此，管电压U必须满足：35eU≥W式中，W为脱出能或结合能。当eU=W时，U=W/e为最低激发电压。3、影响特征X线强度的因素36式中，i管电流，U管电压，Uk为K系激发电压，K2和n为常数。nKKUUiKI)(2§2.5X射线的质与量国家标准中，采用辐射能、粒子注量、能量注量、粒子流密度等描述电离辐射的量和质。X线的量理论上用粒子注量、能量注量来描述。目前，普遍应用照射量来测定X线的量。习惯上常用X线的强度来表示X线的量与质。Ｘ线强度是指在垂直于Ｘ线传播方向单位面积，在单位面积上，在单位时间内通过的光子数量与能量的总和。Ｘ线的强度（Ｉ）由光子数目（Ｎ）光子能量（ｈｖ）两个因素决定。一、Ｘ线的量定义：量就是X线光子的数目,单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量。表示方法：以X射线管的管电流与照射时间的乘积，即毫安秒表示X射线的量。管电流大，单位时间撞击阳极靶的电子数目多，激发的X线光子数成正比增加；照射时间长，X射线量也成正比增加。X线的质定义：X线的质又称线质，它表示X线的硬度，即穿透物质的本领大小。X线质完全由光子能量决定，而与光子个数无关。X线管的管电压。表示方法：实际应用中以管电压和滤过情况反映X线的质。管电压高，X线光子能量大，线质硬；过滤板厚，连续谱中低能成分被吸收多，透过滤板的高能成分增加，线质硬。过滤情况一定时，常用管电压的千伏值来描述X线的质。影响X线量的因素1.在管电压、管电流、投照时间相同的情况下，阳极靶的原子序数愈高，X线的量愈大。2.在一定管电压下同种靶物质的X线的量与管电流成正比。3.在一定电流下同X线量与管电压的平方成正比。影响X线质的因素1.管电压波峰值2.整流过的电压波形，电流波形3.管壁的玻璃、绝缘油层、管套窗口4.附加滤过板§2.6X射线的产生效率X射线机是一个将输入X射线机的电能转化为X射线光子能量的机器。在X射线管中产生的X射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。连续谱强度公式：I连=K1iZUnK1——常数，K1≈(1.1—1.4)×10－9n——常数，n≈2则X射线管发射X射线的效率为：η＝I连/X射线管功率=KiZU2/iU=KZU可见，X射线的发射效率与靶的原子序数及管电压有关。要提高X射线发射效率就要选用重金属靶并施以高电压。48X射线管产生X射线的效率极低，当X射线管的管电压小于100kV时，X射线产生效率一般不足1%。高速电子99%的能量都在阳极转热能。X射线的产生率随着管电压升高而增大。X射线的利用率也很低。X线的利用率，指从X射线管发出的，能够用来摄影的X射线能量与从阳极靶面产生的X射线能量的比值。从X射线管射出供使用的那部分X射线，不足阳极靶产生X射线总量的10%。绝大部分被阳极靶、管壳、管壁、绝缘油等吸收。§2.7X射线强度的空间分布X射线管阳极靶面被高速电子束撞击的面积称为实际焦点，是产生X射线的地方。从射线管焦点上产生的X射线，在空间各个方向上分布是不均匀的。其分布情况与靶物质、靶厚度、阳极角、管电压、灯丝形状等多种因素有关。薄靶周围Ｘ射线强度的空间分布薄靶为穿透式靶。根据薄靶产生X线的空间分布特点,在管电压较低时,利用反射式靶在技术上很有好处;但对使高压X线管时,管电压过高,考虑能量分因素,则需采用透射式靶,电子从靶的一面射入,X线从另一面射出。电子直线加速器产生的高通通X线就是使的透射式薄靶。厚靶周围Ｘ线强度的空间分布厚靶可以把入射电子全部阻止，阳极体几乎可把在电子入射方向上产生的Ｘ射线全部吸叫。具有这种靶的Ｘ线管叫厚靶Ｘ线管或反射Ｘ线管。在放射工作中应注意阳极效应的影响。阳极效应：越靠近阳极，X射线强度下降越多的现象，也称“足跟效应”。靶面倾角越小，下降程度越大。实际操作中，把密度高、厚度大的被检部位置于阴极一侧，使胶片感光均匀，图像质量提高。另外，阳极效应改变了X线管有效焦点的大小和形状，在X线照射野中，靠近阴极一侧的有效焦点比靠近阳极一侧的要大。课堂测评1、X射线是由（）国物理学家（）于（）发现的。2、产生X射线的必备条件是（）、（）、（）。3、X线管的靶面材料通常是（）。4、与连续X线的最短波长有关的是（）。A、管电压B、管电流C、照射时间D、电子电量E、光子数量课堂测评5、关于X线物理效应的叙述，错误的是（）。A、穿透作用B、电离作用C、荧光作用D、热作用E、着色作用6、X线在传播时，突出表现的性质是（）。A、波动性B、微粒性C、波粒二象性D、物理特性E、生物效应特性7、X线在与物质相互作用时，突出表现的性质是（）。A、波动性B、微粒性C、波粒二象性D、物理特性E、生物效应特性课堂测评8、下列叙述错误的是A、管电压越高，产生的X线最短波长越短B、X线最短波长对应于光子最大能量C、管电压越高，X线的产生效率越大D、阳极靶物质的原子序数越大，X线的产生效率越大E、管电流越高，