论文X射线的应用.docx
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论文X射线的应用
Documentserialnumber【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】
论文X射线的应用
X射线的发现与应用
摘要
X射线又名伦琴射线，它的波长范围一般在到1nm或更长一点。
X射线的发现对自然科学的发展有着极为重要的意义，它像一根导火线，引起了一连串的反应，从本质上改变了我们的生活方式。
论文通过理论与实际相结合的方法，主要介绍了X射线的发现过程，X射线的性质，X射线的应用和X射线的防护技术等方面最新发展。
X射线在各个领域有着广泛的应用，和人类生产、生活息息相关。
例如，医疗用的CT扫描仪的图像能让医生看到人体内脏的结构，从而做出正确的诊断。
X射线标志元素来研究物质组成更是给科研带来了一场革命。
本文的重点是探讨X射线的最新研究成果及其实用价值，并对X射线的广阔应用前景作出展望。
关键词：
X射线；发现；效应；应用；防护
Abstract
X-rayandXray,itisincommonlynmwavelengthrangeto1nmormore.X-rayfindingshasextremelyimportantsignificancetothedevelopmentofnaturalscience,itislikeafuse,causingachainreaction,essentiallychangedthewaywelive.Paperbythemethodofcombiningtheorywithpractice,mainlyintroducedtheX-rayofthediscoveryprocess,thenatureoftheX-ray,theapplicationofX-rayandX-rayprotectiontechnologyetc.Thelatestdevelopment.Xrayhasbeenwidelyusedinvariousfields,andthehumanproductionandlifeiscloselylinked.TheCTscanimagesformedicaluse,forexample,canletthedoctorseethestructureofthehumangut,soastomakethecorrectdiagnosis.X-raysignelementstostudycompositionbutalsobroughtarevolutiontoscientificresearch.ThefocusofthisarticleistodiscussthelatestresearchresultsofXrayanditsutilityvalue,andthebroadapplicationprospectofXraytooutlook.
Keywords:
X-ray;discovery;effect;applicationprotection
摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅰ
Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅱ
1引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
2X射线的发现与命名．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
3X射线的性质．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
物理效应．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
化学效应．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
生物效应．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
4X射线的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
X射线在医学中的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
应用X射线检测技术检测PCB板．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
X射线在其他方面的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
5X射线的防护．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
工业X射线探伤的卫生防护．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
医用X射线的正确使用及防护．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
6结束语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
1引言
1895年德国物理学家.伦琴发现了X射线,为表彰他的贡献,1901年的第一届诺贝尔物理学奖就颁给了他。
X射线的发现开启了近代物理学的大门。
60年代,美国物理学家马克、英国电气工程师豪斯菲尔德提出了用计算机控制的X射线断层扫描原理,并发明了X射线断层扫描仪（简称CT扫描仪）。
他们两人也因此而荣获1979年度的诺贝尔生理学及医学奖。
1912年,德国物理学家劳厄用实验证明X射线具有波动性，又证明晶体中的原子是有规则排列的。
为此,他荣获1914年度的诺贝尔物理学奖。
1953～1959年,小布拉格手下的两位助手佩鲁茨和肯德罗，用改进了的X射线分析法,测定了肌红蛋白及血红蛋白分子的结构。
他们因此而获得1962年度的诺贝尔化学奖。
如此等等，很多科学家都是在研究X射线的应用而获的了诺贝尔奖[1]。
随着科学研究的深入和生活质量的提高,X射线在各个领域扮演着相当重要的角色,研究它越来越广泛的应用是历史赋予当代科学研究者的使命。
X射线的应用跟我们有着密切的关联,掌握X射线相关的常识是非常必要的。
本课题的主要目的是通过论文给人们一个深入认识X射线的机会,并激发大家进行X射线研究的兴趣。
当前,在X射线领域有着很多应用误区,并且X射线的放射性是研究必需注意的方面,所以，当前的主要任务是要把研究的方向调整过来,使它向为人类服务的方向发展。
2X射线的发现与命名
早在1836年,法拉第就发现在稀薄气体中放电会产生美丽的辉光。
1876年德国物理学家哥尔德施泰因正式称这种放电是“阴极射线”。
欧洲学术界对“阴极射线究竟是什么”的问题展开了长期而激烈的争论。
当时就任沃兹堡大学校长的伦琴也卷进这场争论,并对阴极射线进行了系统的研究。
1895年11月8日傍晚，伦琴在暗室中做阴极射线管中气体放电的实验时,为了避免紫外线与可见光的影响,他用黑色硬纸把阴极射线管密包起来。
但伦琴发现在一段距离以外的涂有铂氰酸钡（BaPt（CN）。
）荧光材料的屏上竟会发出微弱的荧光,他反复观察,肯定激发这种荧光的东西来自阴极射线管,而且又可以肯定它不是阴极射线,因为阴极射线是透不出阴极射线管的玻璃壁的。
伦琴认真对待这个偶然的发现,一面继续进行实验,一面进行理论上的思索。
他推论着,当阴极射线撞击在管子的玻璃壁时,是否会形成一种不知道的射线,而它可以通过房间,当撞击在化学药品上时便会发出荧光。
伦琴又发现,当金属的厚片放在管子与涂有铂氛酸钡的屏之间时,便会发生投射阴影,表明这种射线穿透不过去,而平时不透光的、轻的物质（如铝片、木片、纸张等）放置在这两者之间时,发现在这种射线范围内投射阴影几乎看不见,表明它可以穿过这类物质。
所吸收的射线的数量似乎大致与吸收体的厚度和密度成正比。
当管内的气体愈少,则射线的贯穿性愈高。
由于肌肉和骨胳对这种射线的吸收情况不一样（肌肉对它的吸收比骨胳弱得多）,所以具有相当硬度的这种射线照射时,便在屏上留下骨胳的阴影。
第一张骨胳照片也是伦琴自己拍的。
这一事实,对于外科医术来说,当然具有无上的价值。
同时,伦琴又发现,这种射线并没有表示出明显的普通光的特性（如反射、折射、衍射等）,所以他误认为所发现的射线与光无关。
考虑到它的确不定的本性,他把这种射线称为X射线。
此名一直延用至今。
后人为纪念伦琴的这一伟大发现，又把它命名为伦琴射线[2]。
X射线的发现具有十分重大的意义，它是19世纪末20世纪初发生的物理学革命的开端。
它的发现对于化学的发展也有重要意义：
1913年，根据对各种元素的特征Ｘ射线光谱的研究发现的莫塞莱定律，确定了元素的原子序数等于核电荷数，这对元素周期律的发展和原子结构理论的建立起了重要作用。
以X射线晶体衍射现象为基础建立起来的X线晶体学，是现代结构化学的基石之一，它为自然科学和医学开辟了一条崭新的道路。
为此，1901年，伦琴荣获物理学第一个诺贝尔奖金。
科学总是在不断发展的，经伦琴及各国科学家的反复实践和研究，逐渐揭示了X射线的本质。
高速运动的电子流撞击固体物质会产生伦琴射线，X射线是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的，所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。
X射线在电场磁场中不偏转。
这说明X射线是不带电的粒子流。
1906年，实验证明X射线是波长很短、能量很大的一种电磁波，它的波长比可见光的波长更短（约在0．001～100nm，医学上应用的X射线波长约在0．001～0．1nm之间），它的光子能量（X射线可看成具有一定能量E、动量P、质量m的X光子）：
E=hv；P=h/
（h为普朗克常数，是1900年普朗克在研究黑体辐射时首次引进，它是微观现象量子特性的表征），比可见光的光子能量大几万至几十万倍。
因此，X射线除具有可见光的一般性质外，还具有自身的特性。
3X射线的性质
物理效应
穿透作用
穿透作用是指X射线通过物质时不被吸收的能力。
X射线能穿透一般可见光所不能透过的物质。
可见光因其波长较长，光子具有的能量很小，当射到物体上时，一部分被反射，大部分为物质所吸收，不能透过物体；而X射线则不然，因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。
X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。
X射线的穿透力也与物质密度有关，密度大的物质，对X射线的吸收多，透过少；密度小者，吸收少，透过多。
利用差别吸收这种性质可以把密度不同的骨骼、肌肉、脂肪等软组织区分开来。
这正是X射线透视和摄影的物理基础。
电离作用
物质受X射线照射时，使核外电子脱离原子轨道，这种作用叫电离作用。
在光电效应和散射过程中，出现光电子和反冲电子脱离其原子的过程叫一次电离，这些光电子或反冲电子在行进中又和其它原子碰撞，使被击原子逸出电子叫二次电离。
在固体和液体中，电离后的正、负离子将很快复合，不易收集。
但在气体中的电离电荷却很容易收集起来，利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量。
X射线测量仪器正是根据这个原理制成的。
由于电离作用，使气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。
电离作用是X射线损伤和治疗的基础。
荧光作用
由于X射线波长很短，因此是不可见的。
但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，由于电离或激发使原子处于激发状态，原子回到基态过程中，由于价电子的能级跃迁而辐射出可见光或紫外线，这就是荧光。
X射线使物质发生荧光的作用叫荧光作用。
荧光强弱与X射线量成正比。
这种作用是X射线应用于透视的基础。
在X射线诊断工作中利用这种荧光作用可制成荧光屏，增感屏，影像增强器中的输入屏等。
荧光屏用作透视时观察X射线通过人体组织的影像，增感屏用作摄影时增强胶片的感光量。
热作用
物质所吸收的X射线能，大部分被转变成热能，使物体温度升高，这就是X射线的热作用。
光学特性
X射线的干涉、衍射、反射、折射作用与可见光一样，并在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。
在光谱图中（如下图），
X射线的特征是波长非常短，频率很高。
波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。
当晶体受X射线照射时，其中的原子向四周散射X射线，由于晶体具有周期性结构，这些散射的X射线相互干涉的结果，只在某些特定的方向上发生衍射线，这种现象称为X射线衍射。
各种不同的结晶物质具有不同的晶体结构，其衍射线的方向和相对强度也就各不相同。
因此，各种结晶物质具有特定的衍射花样，如同指纹一样各不相同。
故可根据多晶的衍射花样来鉴别其化学组成和物相。
这就是X射线衍射法进行物相定性分析的基础。
化学效应
感光作用
同可见光一样，X射线能使胶片感光。
当X射线照射到胶片上的溴化银时，能使银粒子还原、沉淀而使胶片产生“感光作用”。
胶片感光的强弱与X射线强度成正比。
当X射线通过人体时，因人体各组织的密度不同，对X射线量的吸收不同，致使胶片上所获得的感光度不同，从而获得X射线的影像。
这就是应用X射线作摄片检查的基础。
着色作用
某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，经X射线长期照射后，其结晶体脱水而改变颜色，这就叫做着色作用。
生物效应
当X射线照射到生物机体时，生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变，称为X射线的生物效应。
不同的生物细胞，对X射线有不同的敏感度。
用X射线可以治疗人体的某些疾病，如肿瘤等。
另一方面，在利用X射线的同时，人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍，白血病等射线伤害的问题，在应用X射线的同时，也应注意其对正常机体的伤害，注意采取防护措施。
X射线的生物效应（归根结底是由X射线的电离作用造成的）相当明显。
由于X射线具有的生物效应，在医学上，X射线技术已成为对疾病进行诊断和治疗的专门学科，在医疗卫生事业中占有重要地位。
4X射线的应用
X射线在医学中的应用
X射线诊断
X射线应用于医学诊断，主要依据X射线的穿透作用、差别吸收、感光作用和荧光作用。
由于X射线穿过人体时，受到不同程度的吸收，如骨骼吸收的X射线量比肌肉吸收的量要多，那么通过人体后的X射线量就不一样，这样便携带了人体各部密度分布的信息，在荧光屏上或摄影胶片上引起的荧光作用或感光作用的强弱就有较大差别，因而在荧光屏上或摄影胶片上（经过显影、定影）将显示出不同密度的阴影。
根据阴影浓淡的对比，结合临床表现、化验结果和病理诊断，即可判断人体某一部分是否正常。
在医学临床应用中，目前放射线影像设备主要还是应用X射线的透射衰减效应作为成像的主要手段。
但是由于透射成像对细节展示能力不够，影像只能够反映某些人体组织的病变，对许多疾病不能准确判断。
例如，X射线乳房透视成像术对妇女的乳腺癌的诊断的假阳性率很高，有大约20％的患者必须另外做活体组织检查来确诊。
同时，假阴性的比率也很高，相对那些准确确诊的癌症患者的比例，大约10％被误诊为阴性。
在研究中X射线相干散射所表现出的特性，为上述的问题的解决提供了一种切实可行的方法，人们正考虑应用X射线相干散射技术辅助进行更为精确的医疗诊断，相信在未来的医学影像技术中它会得到广泛的应用。
X射线治疗
X射线应用于治疗，主要依据其生物效应，应用不同能量的X射线对人体病灶部分的细胞组织进行照射时，即可使被照射的细胞组织受到破坏或抑制，从而达到对某些疾病，特别是肿瘤的治疗目的。
X射线用于癌症的治疗，它的机理是X射线对生物组织的破坏作用。
在治疗过程中，照射量要恰当。
1896年1月发现X射线后仅几周，芝加哥电气技师就利用X射线对一名55岁患乳腺癌的妇女进行了放射治疗。
X射线在医学上的应用前景
X射线相干散射在医学中的应用是当前的一个极有前途和极富挑战性的话题。
在这里简单地介绍了X射线相干散射成像技术的原理和在医学中的应用。
（1）X射线相干散射的基本原理
X射线相干散射（X-raycoherentscatter）即X射线向小角度散射[3]。
对于纯晶体，X射线相干散射（衍射）图形由一系列的亮点组成，这些亮点是由物质内部不同的原子平面反射回来的X射线干涉形成的。
这些点的位置可以由着名的布拉格方程描述：
2dsinθ=nλ，n=0,1,2，……
d是不同原子平面之间的间距，θ是入射线与原子平面之间所成的角度，n是对应于不同衍射级的一个整数。
在进行X射线的相干散射成像时，需要旋转晶体使所有潜在的反射都满足1次布拉格方程条件，然后收集这些反射光的数据，形成衍射图案。
这时图案中亮点的强度是相应原子结构的傅里叶成分的一个振幅测度。
医学上，相应的生物物质成分所产生X射线相干散射较少。
这是因为生物组织内部含有的晶体结构比较少，因此认为产生的相干散射现象比较弱。
当X射线透射过人体时，X射线与人体组织之间会发生X射线的相干散射、非相干散射和光电效应3种相互作用。
发生X射线相干散射的时候，X射线光子与原子的电子发生相互碰撞，发生碰撞时的光子传递给电子的能量远远地小于原子对电子的束缚能量。
因此，原子既不会被电离，也不会被激发，所有的反冲动量完全被原子吸收。
在这种情况下，被原子束缚的电子所散射出去的辐射波长与入射线波长是一样的。
散射光子之间都有一个固定的相位关系，所以可以发生结构干涉作用。
在满足布拉格方程条件的情形下，会产生光学的干涉图案。
光子与物质发生相干散射效应的概率用截面表示，称作相干散射效应截面δ。
对于水，在入射的X射线的能量大于25keV时，超过50％的X射线在透射过程中发生了散射作用。
在散射角θ≈0时，由于原子对电子的束缚作用，非相干散射截面迅速减少。
从θ<°开始，相干散射截面超过非相干散射截面。
当入射线能量降低时，这个角度相对变大。
这说明，在相对入射方向的前向小角度范围内主要的散射效应是相干散射。
（2）相干散射图案特征分布应用研究
利用X射线相干散射图案的角度分布或者能量分布特征，不同的研究工作者对不同的实验样品在不同的研究条件下进行了研究。
Royle等人使用临床X射线，利用图案的能量分布特征对人的股骨头内部骨成分和骨髓容积进行比较分析。
在相干散射图案中，骨成分和骨髓分别形成两个能量峰值，对两个峰值进行量化比较，提出了联合参数的对比曲线，可以用于定量的分析。
Elshemey等人对冻干的生物样本进行了相干散射的能量分布峰值分析，对包括各种蛋白成分的牛奶、脂肪、肌肉组织以及DNA在内的复合样品进行了相干散射的研究。
发现蛋白质成分单独形成了一个额外的峰值，这说明与蛋白质成分相关的参数可以作为一个分析的特征值。
针对肝癌和肝硬化的早期诊断所进行的相干散射试验研究结果表明，肝硬化和肝癌的冻干血清的散射峰值同正常的血清峰值有很大的不同，这无疑提供了对这类疾病早期的诊断的可用信息。
对乳腺癌的进一步研究是由Fernández等人进行的，在他们的实验中，选用了经过组织病理检验过的离体的乳房癌组织。
通过与病理分析结果的对比分析发现，离癌细胞较远的胶原组织的散射图案和癌细胞的散射图案有很大的不同，这种不同提供了足够的信息可以利用X射线的相干散射图案进行乳腺癌放射成像的诊断[4]。
（3）X线相干散射成像医学应用展望
目前，X射线相干散射技术的研究还处于实验室研究阶段，临床应用上的研究侧重于对几种具有代表性疾病的诊断研究，例如：
骨质疏松症、软骨病、乳腺癌等。
在我国，还没有这方面技术研究的报道和文献出现。
随着实验室技术的成熟，相干散射技术的研究也在向着临床应用的方向上发展，这些技术特有的优点必将会为医学放射影像诊断技术提供更加强有力的辅助工具。
研究中还存在着很多未解决的问题，这也是在进行这方面研究时所必须关注的：
一个是射线源，文献中的大部分实验是使用SR（同步辐射）进行的，SR有它在实验应用上的各种优点：
高强度、连续的宽光谱（从红外－X射线）、自然准直、射线源尺度小、高度极化和脉冲节拍结构等，但是它不能够替代临床应用的射线源。
以我国筹建中的上海同步辐射装置为例，它由一台长度为30米的300MeV电子直线加速器、一台周长160米的增强器（同步加速器）和一台周长400米的存储环组成。
因此，目前只能够进行一些基础性的研究。
另一个就是射线的单色性，目前大部分的实验结果都是在单色射线下取得的，而在实际的临床射线源中，经常是多光谱和扇形的线束。
虽然Leclair等在实验中已经验证了：
在实际的应用中，单色射线不是必需的。
但是，实验中的理论模型是否仍然可以适用是一个问题。
再一个是实验中的样品在尺度和体积上都与人体相差很多；使用的射线的剂量也比临床的要求高出很多；活体组织的成像与样品成像之间的差异等。
虽然目前说X射线的相干散射技术会成为医院中新的医学影像模式为时尚早，但是，相干散射CT已经作为一种新型CT成像手段被使用。
目前X射线相干散射技术在临床应用上存在的问题会随着研究的进展而逐渐得到克服。
真正将X射线相干散射技术应用到临床实践中还需要做许多的科研工作。
应用X射线检测技术检测PCB板
大多数测试工程师都了解X射线检查系统可以检查隐藏在印刷电路板（PCB板）元件下面的焊点，或检查其它技术难以检测出来的微小焊点。
但是，他们可能不了解X射线成像技术有不同的检查方式，2D发射设备会显示X射线路径上的一切物体，而3D系统可以消除来自双面电路板上元件的视觉干扰。
尽管2DX射线系统目前还在应用，但3D系统却是高密度双面电路板检查的主流检查设备。
系统的X射线分层摄影法技术依赖于与旋转的图像检测器保持同步运动的可旋转X射线束。
X射线分层摄影法使系统能够对3mil（毫米）厚的PCB进行成像，从而让测试工程师可以清楚地在PCB任意一面观察焊点。
受控X射线和旋转的检测器需要对PCB板上的感兴趣区域进行若干次成像。
软件将成像合成，仅在PCB板的一面显示焊点。
3D系统首先利用X射线束检测PCB板的特征，以便对准PCB板的X和Y轴。
第二步，它利用激光测距仪来制成电路板表面的拓扑图（PCB板可能存在一定的表面变形，例如扭曲。
第三步，系统精确地上下移动电路板（Z轴）以便X射线束聚焦在观测区域，自动成像。
但是，它需要再一次扫描电路板。
3D系统可以处理某些（如0201SMT）元件并能够分辨间隔8mil毫米）的焊点。
当它遇到焊球或焊点内的空泡时，3D系统也可以将它们检测出来。
将从成像中提取的信息与测试工程师预先设定的特征比较，来判定焊点否合格。
软件的改进已经极大地缩短了编程的时间。
除了检查微小的和隐藏的焊点，X射线检查设备还提供分析和诊断工具。
这种X射线的检测技术目
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