X线物理学Word文档下载推荐.docx

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高速电子的产生 

灯丝放散出来的电子，能以高速冲击阳极，还必须有两个条件。

第一，必须在X线管的阴极和阳极间加以高电压，两极间的电位差使电子向阳极加速；

第二，为防止电子与空气分子冲击而减速，X线管必须保持高度真空。

电子的骤然减速 

高速电子的骤然减速，是阳极阻止的结果。

此时电子的一部分能量转换为X线。

因为阳极需要承受高速电子的冲击，所以靶物质（焦点面），一般都是用高原子序数、高熔点的钨制成。

阳极的作用有两个，阻击高速电子；

完成高压电路的回路。

1.1.2X线产生的原理

X线产生的原理，就是高速电子和钨原子相互作用的结果。

这是一个比较复杂的过程。

简单地说，X线的产生就是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。

当X线管的电子束和钨靶相互作用时，每一个电子的能量等于它的电荷乘以X线管电压，即E=ev。

E=电子能量，e=电子电荷，v=X线管电压（kVp）。

因为电子的电荷不变，那么增加管电压，将会增加电子的能量（E）。

X线管电压用kVp来表示，它是指给电子加速的最大管电压；

而用keV表示电子的能量。

实际上，当管电压为100kVp时，电子束中只有很少数的电子能得到100keV的能量，而大多数的电子能量都要比100keV小。

这是因为，X线管电压不是恒定的，而是脉动的。

例如：

在一个单相全波整流的电路中，电压从0到峰值的变化为100次／秒，这就造成冲击钨靶的电子能量有所不同。

电子在钨靶上丢失能量时，有两种不同的放射方式产生出X线，即连续X线和特性X线。

1.1.3连续X线

当高速电子接近原子核时，电子（带负电荷）由于受核电场（正电荷）的吸引，而偏离原来的方向。

在方向改变时，电子因丢失能量而减速。

此时电子所丢失的能量，直接以光子的形式放射出去。

这样产生的X线为连续X线（图1）。

电子在核电场减速，所放射的X线光子的能量，决定于

（1）电子接近核的情况

（2）电子的能量（3）核电荷。

一个高速电子在能量全部丢失之前，要进行多次这样的作用，要穿过许多原子层。

每作用一次，就有一部分能量放射出去。

此外，冲击钨靶的电子能量也不相同。

有时一个电子，可能与原子核相碰，则电子的所有能量就呈现为一个单一X线光子。

这样，就造成了普通放射波长分布的广泛性。

这种放射只有不足于1%的能量转换为X线，而绝大部分转换为热。

放射的能量就是电子丢失的能量。

因此，X线光子能量与电子能量（keV）有关，而电子的能量又与管电压（kVp）有关。

X线光子能量的大小和它的波长成反比关系。

也就是说，X线光子的能量越大，它的波长就越短。

如果一个电子与原子核相碰，其全部能量转换为X线光子，即是最短波长（λmin）。

λmin=1.24/V（kV）nm

例如，管电压是100kVp，电子能获得的最大能量是100keV，其产生的最短波长是λmin=1.24/100=0.0124nm。

但是，其余大部分X线波长都比最短波长长得多。

连续X线的最强度波长是最短波长的1.3-1.5倍。

连续X线的波谱将随管电压升高而变化。

管电压升高时，最短波长向短波一侧移动；

管电压升高时，强度曲线向短波一侧移动；

管电压升高时，最强波长向短波一侧移动；

管电压升高时，产生的X线总能量将以管电压二次方比例增大；

阳极靶物质的原子序数大时，X线总能量增大；

X线总能量将随管电流的增大而提高。

1.1.4特性X线

特性X线是高速电子冲击靶物质内层轨道电子而产生的。

一个常态的原子经常处于最低能级状态，也就是说，它永远要保持其内层轨道电子是满足的。

如果从钨原子移去一个电子，就会造成这个原子有剩余的正电荷，而成为正离子。

原子在恢复正常状态时，K层电子空位常由L层电子补充，这是因为L层电子比K层电子的能量多。

当电子从L层转换到K层时，将把多余的能量作为X线光子放出。

这种放射就称为K特性放射。

由于特性X线是在原子内层轨道电子跃迁中产生的。

因此，无论产生电子空位的原因如何，也无论造成这种空缺的冲击电子的能量大小，只要能造成空缺，则产生的特性X线都是一样的。

例如，靶物质钨的K层电子结合能为69.5keV，具有70keV以上能量的冲击电子都可以击脱K层电子，而产生特性X线。

但高速电子必须具有能击脱K层电子的最低能量，也即具有一个最低的激发电子压（也称限界电压）。

在X线诊断能量范围内，特性线产生的几率与管电压的关系大致为：

70kVp以下，不产生K特性X线；

80-150kVp，K特性X线占10-28%；

150kVp以上，特性X线减少。

1.1.5X线的产生效率

产生X线所消耗的总能量与阴极电子能量之比，称作X线发生效率。

η=X线消耗的总能量/阴极电子能量=K·

V2ZI/VI=KVZ（%）

（V：

管电压，Z：

靶物质原子序数，I：

管电流，K：

系数），在X线诊断领域内，K=1.1×

10-9。

例如，管电压为100kV，靶物质为钨（W）原子序数是74时，X线产生的效率则为0.8%，而88.2%则为产生的热量。

1.2X线的本质与特性

1895年11月8日，德国物理学家威.康.伦琴在实验室内研究阴极射线管放电现象时发现X线。

1901年伦琴因发现X线而获诺贝尔物理奖。

X线肉眼看不见，不带电，具有穿透、荧光、电离、感光等作用以及生物效应。

1.2.1X线的本质

X线也称伦琴射线，X线本质是一种电磁波。

它与无线电波、可见光、γ射线一样都具有一定的波长和频率。

由于X线光子能量大，可使物质产生电离，故又属于电磁波中的电离辐射。

X线与其它电磁波一样，具有波动和微粒的二重性。

X线的波动主要表现在以一定的波长和频率在空间传播；

它的微粒性主要表现为光子形式在辐射和吸收时具有能量、质量和动量。

波动和微粒二重性是X线的客观属性，在不同条件下属性表现的侧重点会有所不同。

如X线在传播中发生的反射、干涉、衍射等现象，突出表现了它的波动性；

而在与物质作用发生能量交换时，又突出了微粒性的表现。

1.2.2X线的特性

物理效应 

体现为穿透性、荧光作用、热作用、干涉、衍射、反射、折射作用、电离作用。

化学效应 

感光作用、着色作用。

生物效应 

生物细胞在一定量的X线照射下，可产生抑制、损伤、甚至坏死。

1.3X线强度

1.3.1X线强度的定义

X线强度是垂直于X线束的单位面积上，在单位时间内通过的光子数和能量的总和，即线束中的光子数乘以每个光子的能量。

在实际应用中，常以量与质的乘积表示X线强度。

量是线束中的光子数，应用中表示X线量的是mAs。

质则是光子的能量（也称穿透力）。

连续X线波谱中每条曲线下的面积表示连续X线的总强度。

1.3.2影响X线强度的因素

X线强度（或X线产生）受管电压、管电流、靶物质及高压波形的影响。

⑴靶物质在一定的管电压和管电流下，放射量的多少决定于靶物质。

靶物质的原子序数越高，产生X线的效率就越高。

X线管选用钨或钨合金做为靶物质，即阳极焦点面，是因为它有较高的原子序数（Z=74）和相当高的熔点（3370℃）。

另外，还要注意区分，靶物质的原子序数与两种不同放射的关系。

对连续X线来说，原子序数决定X线量的产生；

而对特性X线来说，原子序数决定产生特性X线波长的性质。

例如，钨K特性线的变化从57keV到69keV，而锡（Z=50）的K特性线是25～29keV，这就说明钨和锡的K特性线的波长性质不同。

⑵管电压（kVp）X线光子的能量，取决于冲击电子的能量大小，而电子的能量又由管电压kVp来确定。

所以，管电压决定产生X线最大能量的性质。

例如，只有在管电压为峰值（kVp）时，才会有100keV或接近100keV的最大（最短波长）的X线光子产生。

另外，增加管电压也将增加产生X线的量。

所以X线强度的增加与管电压的平方成正比。

⑶管电流（mA）管电压的大小并不决定X线的质。

但是在管电压一定下，X线强度决定于管电流。

因为管电流愈大，冲击阳极靶面的电子数愈多，产生的X线光子数就多。

⑷高压波形X线发生器产生的高压都是脉动式的。

由于不同的整流方式，单相全波、三相六脉冲、三相十二脉冲、变频发生器等，所产生的高压波形的脉动率有很大区别。

而X线光子能量取决于X线的最短波长，也即决定于管电压的峰值。

当整流后的脉动电压越接近峰值，其X线强度越大。

1.3.3X线质的表示方法

X线质有以下几种表示方法：

半值层（HVL） 

使X线强度衰减到初始值一半时，所需的标准吸收物质的厚度。

它反映了X线束的穿透力，表征X线质的软硬程度。

电子的加速电压（管电压）

有效能量 

在连续X线情况下使用这一概念。

软射线与硬射线 

将低能量X线称为软射线，高能量X线称为硬射线。

X线波谱分布 

它表示了X线的波长分布或能量分布。

此分布将根据X线管固有滤过、附加滤过、管电压、管电流、整流方式等因素而变化。

1.3.4X线的不均等性

诊断用X线为连续X线与特性X线的混合，主要为连续X线。

连续X线的波长由最短波长（λmin）到长波长领域有一个很广的范围。

这种X线称为不均等X线。

不均等X线由于滤过板的使用，长波长领域的X线被吸收，成为近似均等X线。

有效波长 

单一能量波长的半值层等于连续X线的半值层时，此波长称作有效波长（λeff。

有效电压 

产生有效波长的最短波长的管电压，称作有效电压。

将有效电压用能量单位（keV）表示时，此能量为有效能量（或等效能量）。

1.3.5连续X线强度的空间分布

高速电子碰撞阳极靶面所产生的X线分布与靶面倾斜角度有关。

靶面倾斜20o角时，在通过X线管长轴且垂直于有效焦点平面内，近阳极端X线强度弱，近阴极端强，最大值在10o处，其分布是非对称性的。

在通过X线管短轴且垂直有效焦点平面内测定，在90o处最大，分布基本上是对称的。

靶面出现过热熔解而凹凸不平时，产生的X线强度分布就会改变上述规律，严重影响X线质量。

2．X线与物质的相互作用

X线与物质的相互作用形式有：

相干散射、光电效应、康普顿效应、电子对效应、光核反应等。

诊用X线领域，主要涉及光电效应和康普顿效应。

2.1相干散射

X线与物质相互作用能发生干涉的散射过程，称为相干散射。

在此过程中，一个束缚电子吸收入射光子能量跃迁到高能级，随即放出一个能量等于入射光子能量的散射光子。

由于电子未脱离原子，故光子能量损失可忽略不计，相干散射不产生电离过程。

在X线诊断能量范围内，相干散射产生的几率只占5%。

2.2光电效应

2.2.1光电效应的定义

X线与物质相互作用时，X线光子能量全部给予了物质原子的壳层电子。

电子获得能量的电子摆脱原子核的束缚，成为自由电子。

而X线光子则被物质的原子吸收。

这一过程称为光电效应。

2.2.2光电效应的产物

光电效应，在摄影用X线能量范围内，是和物质相互作用的主要形式之一。

它是以光子击脱原子的内层轨道电子而发生（图5）。

有如特性放射的发生过程，但又不完全一样，其主要差别是击脱电子的方式不同。

光电效应可产生三种东西。

特性放射；

光电子（也叫负离子）和正离子（即缺少电子的原子）。

在产生光电效应的过程中，当一个光子在击脱电子时，其大部分能量