第三章 X线物理与防护1.docx

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第三章X线物理与防护1

第三章X线物理与防护

（1）

第三章X线物理与防护

1、1895年11月8日，德国物理学家做阴极射线管放电实验时发现X线；1901年伦琴获得诺贝尔物理奖；1905年把X线命名为伦琴射线。

1896年贝克勒尔发现钠盐的放射性。

居里夫妇发现放射性元素钋和镭。

2、产生X线的基本条件：

（1）电子源；

（2）高速电子流：

①X线管阴极和阳极间加高压，管电压越高，产生X线的最短波长越短；②为防止电子与空气分子冲击而减速和灯丝的氧化损坏，必须保持高真空度；（3）阳极靶面：

高原子序数、高熔点的金属制成；阳极有两个作用：

接受高速电子的撞击，完成高压电路的回路。

3、高速电子和靶物质相互作用过程中，将会产生碰撞损失和辐射损失，最终高速电子的动能变为辐射能、电离能和热能（上岗证考试考过，职称考试也会考）。

三种能量的比例随入射电子能量的变化和靶物质性质的差别而不同。

4、连续X线（轫致辐射）：

高速电子流与靶物质的原子核作用。

一束波长不等，连续的混合射线。

连续X线光子的能量取决于：

（1）电子接近核的情况；

（2）电子的能量；（3）核电荷。

重点

连续X线的最短波长（λmin）：

λmin＝1.24/U（kV）nm。

其最短波长仅与管电压有关，管电压越高，产生X线的最短波长越短。

X线最短波长，对应最大光子能量。

重点 尤其是公式一定要看好单位还要记住是连续X线

5、特征X线（标识放射）：

是高速电子与靶原子的内层轨道电子作用电子被击脱，外壳层电子跃迁填充空位时，多余的能量以光子（X线）的形式放出，即为特征X线。

不同的靶物质其质子结构不同，发出的X线的波长也不尽相同，这种由靶物质所决定的X线称为标识放射，与X线管电流无关。

管电压必须满足eU≥W，W是结合能，当eU＝W时，U＝W/e称为最低激发电压。

各线系的最低激发电压大小按其相应的壳层内电子结合能大小顺序排列，即UK＞UL＞UM＞UN。

壳层越接近原子核，最低激发电压越大。

若管电压低于某激发电压，则此系特征X线将不会发生。

6、X线产生的效率：

在X线管中产生的X线能与加速电子所消耗电能的比值。

η＝KZU。

一般不足1%。

公式一定要记住

7、影响连续X线产生的因素：

（1）靶物质：

连续X线强度与靶物质的原子序数成正比。

（2）管电流：

管电流的大小并不影响X线的质，但在管电压一定时，管电流越大，说明撞击阳极靶面的电子数越多，X线强度越大，X线强度I与管电流i（mA）成正比。

（3）管电压：

连续X线强度与管电压（kV）的n次方成正比（在诊断范围内，n近似为2）。

当管电流、靶材料（原子序数Z）固定时，随管电压的升高，连续X线谱最短波长和最大强度所对应的波长均向短波方向移动。

（4）高压波形：

1）单相半波/全波、三相6脉冲/12脉冲。

X线辐射强度由脉动电压产生的要比峰值相当的恒定电压产生的X线强度低；X线的平均波长由脉动电压产生的也比峰值等高的恒定电压产生的波长长。

2）峰值电压相同：

三相比单相产生的X线硬度成分多，且管电流相同，其X线的辐射强度（或输出量率）也大。

8、影响特征X线产生的因素：

特征X线的强度与管电流成正比，管电压大于激发电压时才发生K系放射，并随管电压的继续升高K系强度迅速增大。

9、在X线的两种成分中，特征X线只占很少一部分，并不重要。

对钨靶X线管来说，低于K系激发电压将不会产生K系放射；管电压在80～150kV时，特征X线只占10%～28%；高于150kV特征X线相对减少；高于300kV时，两种成分相比特征X线可忽略。

可见，医用X线主要使用的是连续放射，但在物质结构的光谱分析中使用的是特征辐射。

10、阳极倾角指垂直于X线管长轴的平面与靶面的夹角。

11、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，最大值约在10°处，其分布是非对称性的，这种现象称为阳极效应，又叫足跟效应。

阳极倾角越小，阳极效应越明显。

口诀：

阴盛阳衰

在通过X线管短轴且垂直于有效焦点平面内测定，在90°处最大，分布基本对称。

12、X线具有波粒二象性。

X线在传播时表现了它的波动性，并有衍射、偏振、反射、折射等现象，它是一种横波，其传播速度在真空中与光速相同；X线与物质相互作用时，则突出表现粒子特性。

X线光子只有运动质量，没有静止质量。

重点

13、X线是一种电磁波：

1）物理特性：

（1）不可见：

在真空中是直线传播的不可见电磁波；

（2）非带电：

X线不带电，不受磁场、电场影响；（3）穿透性：

由于X线波长短，具有较高的能量，物质对其吸收较弱，具有很强的穿透本领（4）荧光作用；（5）电离作用：

X线的电离作用主要是它的次级电子的电离作用；（6）热作用：

X线被物质吸收，最终绝大部分都将变为热能，使物体产生温升。

测定X线吸收剂量的量热法就是依据此原理研究出来的。

2）化学特性：

（1）感光作用：

它可使胶片乳剂感光，使很多物质发生光化反应。

（2）着色作用：

某些物质，如铅玻璃、水晶等经X线长期大剂量照射后，其结晶体脱水渐渐改变颜色，称为着色作用或脱水作用。

3）生物效应特性：

特别是增殖性强的细胞。

是放射治疗的基础。

14、光电效应：

X线光子与构成原子的内壳层轨道电子碰撞时，将其全部能量都传递给原子的壳层电子，原子中获得能量的电子摆脱原子核的束缚，成为自由电子（光电子），而X线光子则被物质的原子吸收，这种现象称为光电效应。

失去电子的原子变成正离子，处于激发态不稳定，外层电子填充空位，放出特征X线。

特征X线离开原子前，又击出外层轨道电子，使之成为俄歇电子，这种现象称为俄歇效应。

光电效应的产物有光电子、正离子、特征放射和俄歇电子。

15、入射光子的能量与轨道电子结合能必须“接近相等”（稍大于）才容易产生光电效应。

光电效应发生概率大约和能量的三次方成反比，和原子序数的四次方成正比。

它说明摄影中的三个实际问题：

（1）不同密度的物质能产生明显的对比影像；

（2）密度的变化可明显地影响到摄影条件；（3）要根据不同密度的物质选择适当的射线能量。

口诀：

光原四正，光能三反

16、光电效应不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾。

光电效应可增加X线的对比度。

在光电效应中，因为光子的能量全部被吸收，使病人接受的剂量比任何其他效应都多，为减少对病人的照射，在适当的情况下，要采用高能量的射线。

17、当一个光子击脱原子外层轨道上的电子或自由电子时，入射光子损失部分能量，并改变原来传播方向，变成散射光子（散射线），电子从光子处获得部分能量脱离原子核束缚，按一定方向射出，成为反冲电子，这个过程称为康普顿效应。

光子入射和散射方向的夹角称为散射角，即偏转角度。

反冲电子的运动方向和入射光子的传播方向的夹角称为反冲角。

一个光子被偏转以后能保留多大能量，由它的原始能量和偏转角度来决定，偏转的角度越大，能量损失就越大，光子波长就越大。

X线摄影中所遇到的散射线几乎都是来自康普顿散射。

康普顿散射发生概率与物质的原子序数成正比，与入射光子的能量成反比，即与入射光子的波长成正比。

18、一个具有足够能量的光子，在与靶原子核发生相互作用时，光子突然消失，同时转化为一对正、负电子，这个作用过程称为电子对效应。

一个电子对的静止质量能是1.02MeV。

入射光子的能量就必须等于或大于1.02MeV。

光子能量超过该能量值的部分就变成了正、负电子的动能。

电子对效应的发生概率与原子序数的平方成正比，与单位体积内的原子个数成正比，近似地与光子能量的对数（lnhv）成正比。

19、相干散射：

射线与物质相互作用而发生干涉的散射过程：

包括瑞利散射（主要）、核的弹性散射和德布罗克散射。

相干散射是光子与物质相互作用中唯一不产生电离的过程。

重点

相干散射的发生概率与物质原子序数成正比，并随光子能量的增大而急剧地减少。

在整个诊断X线能量范围内都有相干散射发生，其发生概率不足全部相互作用的5%，对辐射屏蔽的影响不大。

20、光核反应：

光子与原子核作用而发生的核反应。

X线与物质的相互作用有光电效应、康普顿相应、电子对效应三个主要过程和相干散射、光核反应两个次要过程。

在诊断X线能量范围内，只能发生光电效应、康普顿效应和相干散射，电子对效应、光核反应不可能发生。

光核反应在医用电子加速器等高能射线的放疗中发生率也很低。

21、在20～100keV诊断X线能量范围内，只有光电效应和康普顿效应是重要的，相干散射所占比例很小，并不重要。

随光子能量hv增大，光电效应概率下降。

22、90kV时，电子的能量为1.44X10^14J，λmin＝0.0138nm。

最大强度对应的波长值称为最强波长（λmax）,λmax＝1.5λmin。

连续X线的平均能量，一般为最大能量的1/3～1/2，λmean＝2.5λmin。

23、X线强度是垂直于X线束传播方向的单位面积上，在单位时间内通过的光子数和能量乘积的总和，即X线束中的光子数乘以每个光子的能量。

设在单位时间内通过单位横断面积上的X线光子数目为N，若每个光子的能量为hv，则单色X线强度：

I＝Nhv。

可见，单色X线强度I与光子数目N成正比。

在实际应用中，常以量与质的乘积表示X线强度，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。

掌握

24、X线质又称X线的硬度，它是由X线的波长（或频率）决定的。

X线的波长越短（频率越高），X线的光子所具有的能量就越大，X线的穿透力就越强，即X线质硬；反之，X线的波长变长，穿透力变弱，X线的硬度就小。

X线质的另一种表示方法是半值层（HVL），所谓半值层是指使入射X线强度衰减到初始值的1/2时，所需的标准吸收物质的厚度，诊断用X线的半值层一般用毫米铝（mmAl）表示。

它反映了X线束的穿透能力，表征X线质的软硬程度。

对同样质的X线来说，不同物质的半值层是不一样的。

但就同一物质来说，半值层值大的X线质硬，半值层值小的X线质软。

诊断用X线，若用半值层来表示，在1.5～4mmAl之间。

25、在医用X线摄影时，一般使用25～150kV管电压产生的X线。

应用于X线摄影中的X线波长在0.008～0.06nm之间。

26、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。

工作中有时也用半值层描述X线的质。

影响X线质的因素有管电压、滤过及整流方式（即高压波形）。

27、X线量是指X线光子的多少。

测量方法：

用间接法来测量，方法是利用X线在空气中产生电离电荷的多少来测定X线的照射量；X线诊断范围内常用管电流与曝光时间乘积（mAs）即管电流量Q来表示。

影响X线量的因素：

X线量与靶面物质的原子序数（Z）成正比；与管电压的n次方成正比（诊断能量范围内n为2），与管电流及曝光时间成正比。

从X线管焦点到距离为r的面上的X线量H为：

H＝k（V^2ZIt）/r^2

28、以点源为球心，半径不同的各球面上的射线强度，与距离（即半径）的平方成反比，这一规律称射线强度衰减的平方反比法则。

距离增加1倍，则射线强度将衰减为原来的1/4。

平方反比法则在真空中是成立的，在空气中是不成立的，因为空气对X线有少量衰减。

但在一般X线摄影时，空气对X线的衰减可忽略不计。

29、单能窄束X线通过均匀物质层时，X线质不变，其强度的衰减符合指数规律（等比衰减）。

即：

I＝I0e^-μx

上面提到的“窄束”并不仅是指几何学上的细小，而主要是指物理意义上的窄束。

因为物理学上对窄束的定义是：

射线束中不存在散射成分。

即使射线束有一定宽度，只要所含射线光子很少，都可近似称为窄束。

所谓宽束X线，是指含有散射线成分的X线束。

30、连续X线是指能量从某一最小值到最大值之间的各种光子组合成的混合射线，当连续X线通过物质层时，低能成分衰减快，高能成分衰减慢，衰减后的射线强度减小了，平均能量提高了，能谱宽度变窄了，因此连续X线的量和质都有变化。

可将其衰减特点概括为：

强度变小，硬度提高，能谱变窄。

重点

31、线衰减系数μ的国际单位（SI）是“/m”，实际应用中还常用分数单位“/cm”。

在诊断用能量范围内，其值是光电线衰减系数τ和康普顿线衰减系数σ之和（μ≈τ+σ）。

质量衰减系数：

由于μ与吸收物质的密度成正比，而密度又随物质的物理形态而变化，为了避开这种与物质密度的相关性而便于应用，通常还采用质量衰减系数μm＝μ/ρ。

其优点是它的数值与物质密度无关，与物质的物理形态无关。

例如水、冰和水蒸气，虽然它们的密度和物理形态不同，但都由H20组成，其质量衰减系数相同。

质量衰减系数的SI单位是“m^2/kg”，有时还使用其分数单位“cm^2/kg”，两者的换算关系是m^2/kg＝10cm^2/kg。

在诊断用能量范围内，其值是光电质量衰减系数τm和康普顿质量衰减系数σm之和（μm≈τm+σm）。

质量衰减系数不受吸收物质的密度和物理状态的影响，它与X线的波长和吸收物质的原子序数的关系为：

μm＝Kλ^3Z^4

32、线能量转移系数：

X线在与物质相互作用的三个过程中都转化为电子的动能及次级电子动能，单位：

/m

质量能量转移系数，单位：

m^2/kg

33、线能量吸收系数单位/m，质量能量吸收系数m^2/kg

34、影响衰减的因素：

1）射线的性质对衰减的影响：

线性衰系数随入射光子能量的增高而减小。

射线能量越高，衰减越少。

2）物质原子序数对衰减的影响：

光电衰减系数与原子序数Z的四次方成正比，而康普顿衰减系数与原子序数成正比，因此，原子序数越高：

吸收X线越多。

（铅K边88keV，锡K边29keV～88keV。

在诊断X线能量范围内，锡比铅具有更好的屏蔽防护性能）。

易被忽略3）物质密度对衰减的影响：

X线的衰减与物质密度成正比关系。

由于密度不同，形成衰减的差别，而产生了X线影像。

4）每克电子数对衰减的影响：

射线的衰减与一定厚度内的电子数有关。

电子数多的物质比电子数少的物质更容易衰减X线。

35、人体各组织对X线的衰减按骨、肌肉、脂肪、空气的顺序由大变小，这一差别即形成了X线影像的对比度。

人体软组织的密度相当于水，是1g/cm^3。

人体的构成大部分是由肌肉、脂肪和碳水化合物组成的软组织、骨骼、肺和消化道内的气体组成，有效原子序数为7.43；骨的密度是1.9g/cm^3，有效原子序数是14；空气的密度是1.293×10^-3g/cm^3，有效原子序数是7.64。

X线在人体中，主要通过光效应和康普顿效应两种作用形式使其衰减。

对肌肉组织在42kV时，两种效应各占50%，在90kV时，康普顿相应已占到90%。

在73kV时骨骼发生两种效应相等。

36、X线滤过：

诊断用X线是连续光谱的混合射线。

当X线透过人体时，绝大部分低能射线被组织吸收，增加了皮肤剂量，为此需要预先把X线束中的低能成分吸收掉，即X线滤过。

1）固有滤过：

X线机本身的滤过，包括X线管的管壁、绝缘油层、窗口滤过板。

固有滤过一般用铝当量表示，即一定厚度的铝板和其他物质对X线具有同等量的衰减时，此铝板厚度称为滤过物的铝当量，单位是mmAl。

2）附加滤过：

广义上讲，从X线管窗口至检查床之间所通过的材料的滤过总和为附加滤过。

在X线摄影中，附加滤过指X线管窗口到被检体之间所附加的滤过板，附加滤过板、可选择的附加滤过板、遮光器中反光镜和有机玻璃窗的滤过等。

一般对低能射线采用铝滤过板；高能射线采用铜与铝等复合滤过板，使用时原子序数大的朝向X线管。

当增加管电压和滤过时，会提高透射率，但照片的对比度降低，特别是骨的对比度减小。

当骨的对比度不占重要地位时，如颈部和胸部的照片，可适合于高电压、厚滤过技术。

另外，用钡检查时，由于钡本身的对比对高，故可用硬质X线，以降低受检者剂量。

产科照相剂量限制特别严格，尽量对比度降低，只要能达到诊断目的，就应采用高电压、厚滤过技术。

滤过板要求厚度均匀，否则将严重影响照片的质量。

使用3mm的铝滤过，可使受检者皮肤照射量下降80%。

高电压、厚滤过摄影虽然照射时间延长，但受照射剂量大幅度降低。