X射线的产生和性质

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：EEEE辐射热电离（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。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。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，并改变方向。损失的能量以X射线光子形式释放出来，光子的能量。EhE＝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。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：将普朗克常数h、光速c代入上式得：minmaxhc6min1.24101.24mnmKevKev二、X射线的产生原理min1.24nmKV光子能量的kev值等于管电压的千伏值，所以有：（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：平均波长是最短波长的2.5倍，即：maxmin1.5min2.5mean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：（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。1nIKiZV连＝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：最强波长：平均波长：1.24KVmin＝maxmin1.5min2.5mean＝2.5×0.0124nm=0.031nm＝1.5×0.0124nm=0.0186nm＝1.24/100＝0.0124nm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。特征X射线的产生的原理X-ray↗基态→受激态→基态↑↑跃迁激发二、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。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：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）。2()nkIKiVV特二、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。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。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：hIN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。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。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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。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。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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。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。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：2XIVZKKVZIV线能量＝＝高速电子流能量上式中，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。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。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：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。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。厚靶X射线强度分布特点靠近阳极端X射线强度弱，近阴极端X射线强度强。---------阳极效应厚靶X射线强度是沿X线管长轴方向分布的，若从其他不同角度方向上的强度分布情况看，阳极效应十分明显。在放射工作中，一定要注意阳极效应对照片质量的影响。强度分布在摄影中的应用：1.将阳极效应同肢体厚度相对应在摄影时应把被摄肢体的长轴与X线管长轴平行，将厚度大的、密度高的部位置放于阴极端，将厚度小的，密度小的置于阳极端。2.尽量利用中心线附近强度较均匀的X线束摄影。利用强度最大X线曝光，提高X线利用率。3.焦-片距较大时阳极效应不明显。照射野边缘近阴极，强度大；边缘衰减快→阳极效应抵消。4.焦-片距相同