第三章X射線的產(chǎn)生目錄第一節(jié)X射線的發(fā)現(xiàn)第二節(jié)X射線的本質(zhì)與特性第三節(jié)X射線的產(chǎn)生條件與裝置CONTENTS第四節(jié)X射線的產(chǎn)生原理第五節(jié)X射線的量與質(zhì)全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材第六節(jié)X射線的產(chǎn)生效率第七節(jié)X射線強(qiáng)度的空間分布學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握熟悉了解掌握X射線的發(fā)現(xiàn)、本質(zhì)與特性；X射線的產(chǎn)生裝置、產(chǎn)生原理、量與質(zhì)、產(chǎn)生效率X射線強(qiáng)度的空間分布、電子與物質(zhì)的相互作用X射線的不當(dāng)使用全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材01X射線的發(fā)現(xiàn)第一節(jié)全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材

X射線，即倫琴射線，是德國物理學(xué)家倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)的。它與1896年提出的放射線和1897年發(fā)現(xiàn)的電子并稱為“19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)”，是現(xiàn)代物理學(xué)興起的標(biāo)志。全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材一、X射線的發(fā)現(xiàn)歷程1876年物理學(xué)家希托夫觀察到真空管中陰極發(fā)出的射線，當(dāng)這些射線遇到玻璃管壁會產(chǎn)生熒光，并將其命名為“陰極射線”；1887年4月，尼古拉特斯拉發(fā)明了單電極X射線管，發(fā)現(xiàn)了軔致輻射的效應(yīng)，生成高能X射線管；1892年特斯拉完成了尼古拉特斯拉的實(shí)驗(yàn)，但是他并沒有使用X射線這個(gè)名字，而只是籠統(tǒng)稱為放射能；1892年赫茲提出陰極射線可以穿透非常薄的金屬箔倫納德對很多金屬進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)；全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材1895年發(fā)現(xiàn)了一種射線，能穿透木板、衣服和厚厚的書本，但可被鉛板遮擋；它在電場和磁場中不偏轉(zhuǎn)。倫琴給它起名叫X射線；1901年倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線及對其性質(zhì)的深入研究，榮獲了第一屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1905年在第一屆國際放射學(xué)會上正式把X射線命名為倫琴射線。全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材二、X射線的應(yīng)用（1）X射線首先被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)診斷上;（2）利用X射線的衍射現(xiàn)象研究晶體結(jié)構(gòu),根據(jù)晶體衍射的數(shù)據(jù)，精確求出阿伏加德羅常數(shù)；（3）利用X射線具有標(biāo)識譜線的特性，可以確定原子序數(shù)，并了解原子內(nèi)層電子的分布情況；（4）X射線的性質(zhì)也為波粒二象性提供了重要證據(jù)。01X射線的本質(zhì)與特性第二節(jié)全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材一、X射線的本質(zhì)（1）X射線的波動(dòng)性波長極短（約在10-3nm～10nm）的橫電磁波;

硬X射線：波長小于0.01nm的稱超硬X射線，在0.01nm～0.1nm范圍內(nèi)的稱硬X射線；硬X射線能量高、穿透性強(qiáng)，主要用來金屬部件的無損探傷（0.005nm～0.1nm）和物相分析（0.05nm～0.25nm）。

軟X射線：波長介于0.1nm～1nm范圍內(nèi)的稱軟X射線，軟X射線能量較低、穿透性弱，可用于非金屬的分析，如透視等。全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材（2）X射線的粒子性X射線是由大量以光速運(yùn)動(dòng)的粒子組成的不連續(xù)的粒子流；能量：

質(zhì)量：動(dòng)量：X射線的波動(dòng)性突出表現(xiàn)在其傳播時(shí)，如反射、干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象；而X射線的微粒性主要表現(xiàn)在其與物質(zhì)相互作用時(shí)，如光電效應(yīng)、電離作用、熒光作用。全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材二、X射線的基本特性（1）物理特性X射線屬于不可見的電磁波，在均勻的且各向同性的介質(zhì)中沿直線傳播;X射線不帶電荷，所以它不受外界磁場或電場的影響，即它在經(jīng)過電場和磁場

時(shí)不會發(fā)生偏轉(zhuǎn);

具有穿透作用；

具有熒光作用；

具有電離作用；

具有熱作用。全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材（2）化學(xué)特性

感光作用；

著色作用。（3）生物特性

由于X射線在生物體內(nèi)也能產(chǎn)生電離及激發(fā)作用，也就是使生物體產(chǎn)生生物效應(yīng)，分為確定性效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng)。X射線照射到生物機(jī)體時(shí)，可使生物細(xì)胞受到抑制、破壞甚至壞死，致使機(jī)體發(fā)生不同程度的生理、病理和生化等方面的改變。01X射線的產(chǎn)生條件與裝置第三節(jié)全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材一、X射線的產(chǎn)生條件

（1）要有一個(gè)電子源，一般稱為陰極。（2）要有一個(gè)能經(jīng)受起高速電子撞擊而產(chǎn)生X射線的靶，即陽極。（3)要有高速電子流。全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材二、X射線的發(fā)生裝置1、診斷用X射線機(jī)

診斷X射線主機(jī)主要由X射線管、控制臺和高壓發(fā)生器等三部分組成。X射線管是診斷X射線機(jī)的核心部件，它是一個(gè)高度真空的熱陰極二極管。（1）陰極

X射線管的負(fù)極，其作用是發(fā)射電子并使電子流聚集；（2）陽極

也稱陽極靶面，分固定和旋轉(zhuǎn)兩種;（3）管電壓

加在兩極之間的加速電壓；（4）管電流

陰極蒸發(fā)電子奔向陽極形成，大小受到管電壓和燈絲電流的雙重影響；（5）管殼

維持一個(gè)高真空度的空間，并起著固定陽極和陰極的作用。全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材2、治療用X射線機(jī)

醫(yī)用電子直線加速器是利用微波電場將電子沿直線加速，高能電子打靶產(chǎn)生X射線的裝置,其X射線能量范圍是4-18MV。（1）電子槍與X射線球管類似，有陰極和陽極，稱為兩極槍。還有一種三極槍，在陰極和陽極之間插入柵極，可以更好地控制電子發(fā)射。由陰極發(fā)射的電子在陰極和陽極間脈沖副高壓的作用下，進(jìn)入加速管。（2）加速管電子在加速管內(nèi)通過微波電場加速。（3）微波功率源是提供加速管建立加速場所需的射頻功率，有磁控管和速調(diào)管。全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材（4）微波傳輸系統(tǒng)；（5）脈沖調(diào)制系統(tǒng)脈沖調(diào)制系統(tǒng)的作用是為微波功率源提供具有一定波形和頻率要求的高壓脈沖；（6）真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)為加速管、電子槍等真空器件提供高真空度的空間；（7）恒溫水冷系統(tǒng)其作用是給加速器各個(gè)產(chǎn)熱部件降溫，并保持相對恒定的溫度；（8）靶電子束引出后，打靶產(chǎn)生X射線。由于打靶的電子束能量很高，所以電子束打靶后產(chǎn)生的X射線是從靶的另一端傳射出來。靶材料一般為高原子序數(shù)物質(zhì)如鎢、鉑金等。01X射線的產(chǎn)生原理第四節(jié)全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材一、電子與物質(zhì)的相互作用(1)電離：原子的外層價(jià)電子或內(nèi)層電子在高速電子作用下完全脫離原子軌道，使原子變成離子。電離過程中向外發(fā)射的光譜有兩種：一部分光能幾乎全部被周圍原子所吸收，轉(zhuǎn)化為熱。另一種是內(nèi)層電子完全脫離軌道，使原子處于激發(fā)態(tài)，當(dāng)原子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)過程中，會產(chǎn)生標(biāo)識X射線，即特征X射線。（2）激發(fā):高速電子或二次電子撞擊原子外層電子，由于作用較弱，不足使其電離，僅將電子推入更高能級的空殼層，使原子處于激發(fā)態(tài)，這種作用叫激發(fā)。（3）彈性散射：高速電子受原子核電場的作用而改變運(yùn)動(dòng)方向，但是能量不變，稱為彈性散射。全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材（4）軔致輻射：高速電子在原子核的電場作用下，速度突然變小時(shí)，它的一部分能量轉(zhuǎn)變成電磁波發(fā)射出來，這種情況叫軔致輻射。電子與物質(zhì)的相互作用位置全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材二、兩種X射線的產(chǎn)生原理（1）連續(xù)X射線的產(chǎn)生原理

物理過程：連續(xù)X射線是由波長連續(xù)變化的譜線組成的，是高速電子與靶原子核發(fā)生相互作用發(fā)生軔致輻射的結(jié)果，是電子的動(dòng)能直接轉(zhuǎn)化來的。

鎢在較低管電壓下的連續(xù)X射線譜全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材

連續(xù)譜的特點(diǎn)：連續(xù)譜線的強(qiáng)度隨波長變化而變化，在某波長上有一個(gè)強(qiáng)度極大值；曲線在波長增加的方向是無限延伸；在波長減小的方向存在一個(gè)波長極限，稱為最短波長，最短波長對應(yīng)著頻率最高。

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換和守恒定理，假設(shè)高速電子撞擊靶時(shí)，電子能量中有p部分消耗于陽極各種不同過程的激發(fā)，則全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材

光子能量的最大極限

也只能等于入射電子在X射線管加速電場中所獲得的能量

，即

連續(xù)X射線的最短波長只與管電壓有關(guān)，與其它因素沒有關(guān)系。全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材（3）影響連續(xù)X射線的因素

陽極靶的物質(zhì)原子序數(shù)的影響：對于連續(xù)X射線的強(qiáng)度，在管電壓、管電流固定時(shí)，與陽極靶的原子序數(shù)Z成正比，陽極靶的原子序數(shù)越高，X射線的強(qiáng)度越大。

管電流的影響：在管電壓，靶材料（原子序數(shù)）固定時(shí)，X射線的強(qiáng)度取決于管電流。管電流越大，在X射線管中被加速的電子數(shù)量就越多，產(chǎn)生的X射線強(qiáng)度也就越大。

管電壓的影響：X射線束中光子的最大能量等于被加速電子的動(dòng)能，而電子的最大動(dòng)能由管決定。當(dāng)管電壓升高時(shí)，曲線向短波方向移動(dòng)。當(dāng)管電流、靶材料（原子序數(shù)）固定時(shí)，隨著管電壓的升高，連續(xù)X射線譜的最短波長和最大強(qiáng)度所對應(yīng)的波長均向短波方向移動(dòng)。使得X射線的高能成分所占比例增加，同時(shí)X射線強(qiáng)度提高。全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材X射線靶物質(zhì)、管電流和管電壓對連續(xù)X射線譜的影響全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材

在上述討論中，所涉及的管電壓為恒定電壓，對于脈動(dòng)電壓，產(chǎn)生的X射線最短波長只與管電壓的峰值有關(guān)。當(dāng)峰值電壓與恒定電壓相同時(shí)，脈動(dòng)電壓產(chǎn)生的X射線的平均能量顯然要低，三相的X射線譜線明顯比單相譜線的X射線能量強(qiáng)，并且譜線向高能量方向偏移。在相同管電流時(shí)，脈動(dòng)電壓產(chǎn)生的X射線強(qiáng)度也低。

連續(xù)X射線的總強(qiáng)度：經(jīng)驗(yàn)公式：最強(qiáng)波長：平均波長：全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材二、特征X射線產(chǎn)生原理（1）物理過程

特征X射線是由譜線分立的線狀譜線構(gòu)成，是高速運(yùn)動(dòng)的電子與內(nèi)層電子發(fā)生作用的結(jié)果，是由電子的動(dòng)能間接得來的，它與靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。

事實(shí)上,不同靶材料都有自己特定的線狀光譜，它表征靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)特性，而與其它因素?zé)o關(guān)。通常把這種輻射稱為特征輻射，也稱為標(biāo)識輻射，由此產(chǎn)生的X射線稱為特征X射線。全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材（2）特征X射線的激發(fā)電壓

靶原子的軌道電子在原子中具有確定的結(jié)合能，只有當(dāng)入射高速電子的動(dòng)能大于其結(jié)合能時(shí)，才有可能被擊脫造成電子空位，產(chǎn)生特征X射線。入射電子的動(dòng)能完全由管電壓決定，因此，管電壓

必須滿足下式的關(guān)系

表3-1幾種靶材料產(chǎn)生K、L系特征放射的激發(fā)電壓靶材料原子序數(shù)激發(fā)電壓（kV）K系L系鋁（Al）131.560.09銅（Cu）298.980.95鉬（Mo）4220.002.87錫（Sn）5029.184.14鎢（W）7469.5112.09鉛（Pb）8288.0015.86全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材（3）影響特征X射線強(qiáng)度的因素

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明：K系的特征X射線的強(qiáng)度可用下式表示K系的特征X射線的強(qiáng)度與管電流成正比，管電壓大于激發(fā)電壓時(shí)才發(fā)生K系放射，并隨著管電壓的升高K系強(qiáng)度迅速增大。鎢靶在較高管電壓下產(chǎn)生的特征X射線01X射線的量與質(zhì)第五節(jié)全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材一、X射線的量與質(zhì)（1）X射線的量

量就是X光子的數(shù)目。設(shè)在單位時(shí)間內(nèi)通過單位橫截面積上的X光子數(shù)目為N，若每個(gè)光子的能量為hν

，則單色X射線強(qiáng)度對于波長不同的，但能量完全確定的

，

，……有限種X光子組成的復(fù)色X射線，其強(qiáng)度為：對于波長由

到

的連續(xù)X射線譜，對應(yīng)的X射線光子能量由

到零，其強(qiáng)度：全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材（2）X射線的質(zhì)

X射線的質(zhì)又稱線質(zhì)，它表示X射線的硬度，即穿透物質(zhì)本領(lǐng)的大小。X射線的質(zhì)完全由光子能量決定，而與光子個(gè)數(shù)無關(guān)。

半值層是指，射線數(shù)衰減到初始強(qiáng)度的一半時(shí)，所需吸收體的厚度。X射線對不同物質(zhì)的穿透能力不一樣，因此對于同一束X射線來講，描述半值層可用不同標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不同厚度來表示。診斷用X射線通常用鋁作為表示半值層的物質(zhì)，半值層的值愈大表示X射線的質(zhì)愈硬。全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材二、影響X射線量和質(zhì)的因素（1）影響X射線量的因素

在管電壓、管電流、投照時(shí)間相同的情況下，陽極靶的原子序數(shù)愈高，X射線的量愈大;

在一定管電壓下同種靶物質(zhì)的X射線的量與管電流成正比;

在一定管電流下同種靶物質(zhì)的X射線的量與管電壓的平方成正比；鎢靶和錫靶的X射線譜管電流對X射線量的影響管電壓對X射線量的影響全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材（2）影響X射線質(zhì)的因素

一般來講，X射線的質(zhì)取決于管電壓的大小。無論何種靶物質(zhì)，在一定管電壓下所產(chǎn)生的連續(xù)X射線譜的最短波長和最長波長是相同的。峰值輻射強(qiáng)度發(fā)生在相同能量光子處。光子的最大能量完全由管電壓控制。連續(xù)X射線的質(zhì)隨管電壓升高而變硬，但特征X射線的質(zhì)只與靶物質(zhì)有關(guān)。脈動(dòng)電壓產(chǎn)生的X射線質(zhì)比恒定電壓下的軟。所以管電壓波形對X射線的質(zhì)也有影響。

濾過對X射線的量與質(zhì)及能譜構(gòu)成均有很大影響。增加濾過板厚度，可大量衰減連續(xù)譜中的低能成分，使能譜變窄，線質(zhì)提高，但總的強(qiáng)度降低了。01X射線的產(chǎn)生效率第六節(jié)全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材X射線的產(chǎn)生效率：在X射線管中產(chǎn)生的X射線能與加速電子所消耗電能的比值。數(shù)值上等于X射線的輻射功率（即X射線的總強(qiáng)度）與高速電子流功率之比X射線的利用率：它是指從X射線管發(fā)出的、能夠用來攝影的X射線能量與從陽極靶面產(chǎn)生的X射線能量的比值。而能夠充分利用的X射線不足陽極靶面產(chǎn)生X射線總量的10%，90%以上的X射線能都轉(zhuǎn)化為了熱量被陽極靶、管殼、管壁、絕緣油等吸收了，說明X射線的利用率也很低。01X射線強(qiáng)度的空間分布第六節(jié)全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材一、薄靶周圍X射線強(qiáng)度的分布

根據(jù)薄靶產(chǎn)生X射線的空間分布特點(diǎn)，在管電壓較低時(shí)，利用反射式靶在技術(shù)上很有好處；但對使用超高壓X射線管時(shí)，管電壓過高，考慮能量分布因素，則須采用穿透式靶，電子從靶的一面射入，X射線從另一面射出。醫(yī)用電子直線加速器產(chǎn)生的高能X射線，使用的就是穿透式的薄靶。

薄靶周圍