医用物理学第十四章-X射线课件.ppt

1、第十四章第十四章 X X射线射线 X X射线又称伦琴射线，是射线又称伦琴射线，是18951895年由伦琴（年由伦琴（W.W.K.RntgenK.Rntgen）在）在研究稀薄气体放电时发现的。研究稀薄气体放电时发现的。X X射线的发现，对物质微观结构射线的发现，对物质微观结构理论的深入研究和技术上的应用都有重大意义。理论的深入研究和技术上的应用都有重大意义。本章将介绍本章将介绍X X射线的性质和发生、射线的性质和发生、X X射线谱、物质射线谱、物质对对X X射线的吸收规律射线的吸收规律和和X X射线在医学上的应用。射线在医学上的应用。14-1 X射线的基本性质射线的基本性质X射线的本质：射线的本

2、质：波长很短的电磁波波长很短的电磁波能量很大的光子流能量很大的光子流X射线除具有一系列电磁波共同特性外，还有如下性质。射线除具有一系列电磁波共同特性外，还有如下性质。（1）荧光作用荧光作用：能使原子或分子处于激发态，当它们：能使原子或分子处于激发态，当它们回到基态时发出荧光。有些激发态是亚稳态，停止回到基态时发出荧光。有些激发态是亚稳态，停止照射后，能在一段时间内发出磷光。照射后，能在一段时间内发出磷光。X射线射线透视透视，就，就是利用荧光作用显示透过人体后所成的影像。是利用荧光作用显示透过人体后所成的影像。（2）光化学作用：光化学作用：能使多种物质发生能使多种物质发生光化学反应。例光化学反应

3、。例如，如，X射线能使照相底板感光，利用这一特性进行射线能使照相底板感光，利用这一特性进行X射线射线照相拍片照相拍片。（3）电离作用电离作用：能使原子和分子电离。利用其电离作：能使原子和分子电离。利用其电离作用可测量用可测量X射线的强度，射线的强度，治疗某些疾病。治疗某些疾病。（4）生物效应生物效应：能使生物体产生生物效应，它是：能使生物体产生生物效应，它是放放射治疗射治疗的基础，也是射线工作者应注意防护的原因。的基础，也是射线工作者应注意防护的原因。（5）贯穿本领贯穿本领：对各种物质有一定的：对各种物质有一定的贯穿本领贯穿本领。研。研究证明，物质对究证明，物质对X射线的吸收程度射线的吸收程度

4、与与X射线的波长有射线的波长有关关，也与物质的原子序数或密度有关也与物质的原子序数或密度有关。X射线的波射线的波长越短，物质对它的吸收越少，它的贯穿本领越大。长越短，物质对它的吸收越少，它的贯穿本领越大。医学上利用医学上利用X射线贯穿本领和不同物质对它的吸收射线贯穿本领和不同物质对它的吸收程度不同进行透视和照相。程度不同进行透视和照相。14-2 X14-2 X射线的产生射线的产生 一、发生装置一、发生装置 X射线射线发生装置原理图发生装置原理图X X射线射线产产生的条件是生的条件是：有高速运动的电子流有高速运动的电子流有适当的障碍物有适当的障碍物靶靶X X射线是用高速电射线是用高速电子流轰击阳

5、极靶而子流轰击阳极靶而获得的。获得的。X X射线发生装置主射线发生装置主要包括要包括X X射线管射线管 、高压电源和低压电高压电源和低压电源源三部分。三部分。阳极正对阴极，是铜制的圆柱体，在柱端斜面上嵌有阳极正对阴极，是铜制的圆柱体，在柱端斜面上嵌有一块钨板，作为接受高速电子冲击的靶。阴阳两极间一块钨板，作为接受高速电子冲击的靶。阴阳两极间加上加上几十千伏几十千伏几百千伏几百千伏的直流高压，叫做的直流高压，叫做管电压。管电压。X X射线管射线管是把硬质玻璃管内部抽成高度真空，封入是把硬质玻璃管内部抽成高度真空，封入阴阴 、阳两个电极。阴极由钨丝卷绕成螺旋形，由、阳两个电极。阴极由钨丝卷绕成螺旋

6、形，由低低压电源（压电源（5-10V5-10V）供给电流，使其炽热而发射电子。供给电流，使其炽热而发射电子。+-阴极发射的热电子阴极发射的热电子在电场的作用下高在电场的作用下高速奔向阳极，形成速奔向阳极，形成管电流。管电流。高速电子高速电子突然被钨靶阻止时，突然被钨靶阻止时，就有就有X X射线射线向四周辐向四周辐射。射。高速电子轰击阳极时，转变为高速电子轰击阳极时，转变为X X射线的能量射线的能量不不到到1%1%，电子动能的，电子动能的99%99%以上都转变为热，使阳极以上都转变为热，使阳极温度升高。故温度升高。故 阳极整体用导热系数较大的铜做阳极整体用导热系数较大的铜做成，靶用熔点高的钨或钼

7、板镶嵌在阳极上。成，靶用熔点高的钨或钼板镶嵌在阳极上。二、二、X X射线的强度和硬度射线的强度和硬度X X射线的强度和硬度射线的强度和硬度可以通过加在管子上的可以通过加在管子上的管管电压、管电流电压、管电流和和照射时间照射时间来控制。来控制。X X射线的强度射线的强度 是指单位时间内通过垂直于射线方是指单位时间内通过垂直于射线方向单位面积上的辐射能量。用向单位面积上的辐射能量。用I I表示表示n1122nni 1INhNhN hN h式中式中n21NN,N面积上具有相对应能量为面积上具有相对应能量为n21hhh、的光子数。的光子数。分别表示单位时间内通过垂直于射线方向单位分别表示单位时间内通过

8、垂直于射线方向单位 由式可知由式可知 ，I I 与与 N N 和和hh成正比成正比。两种两种方方法法可可使使 I I 增加：增加：增加管电流增加管电流 增加管电压增加管电压在一定在一定管电压下，管电压下，医学上医学上用管电流用管电流 的mAmA数数表示X X射线的射线的强度。强度。X X射线的强度与辐射时间的乘积射线的强度与辐射时间的乘积，用，用来衡量来衡量该时间内通过垂直于射线方向单位面积上的该时间内通过垂直于射线方向单位面积上的总能量总能量，称为，称为X X射线的量，单位为射线的量，单位为mAmAs s。管电压管电压愈高，则轰击靶面电子的动能愈大，发愈高，则轰击靶面电子的动能愈大，发射射X

9、 X光子的能量也愈大，而能量愈大的光子愈光子的能量也愈大，而能量愈大的光子愈不易不易被被物质吸收。物质吸收。医学上用管电压的千伏数医学上用管电压的千伏数（kVkV）表示）表示X X射线的硬度。射线的硬度。X X射线的硬度射线的硬度 是指是指X X射线的贯穿本领。对一射线的贯穿本领。对一定的吸收物质，定的吸收物质，X X射线被吸收愈少，则贯穿射线被吸收愈少，则贯穿的量愈多，的量愈多，X X射线就愈硬。射线就愈硬。强度强度是从数量上描述是从数量上描述X X射线的物理量，射线的物理量，硬度硬度是从质量上描述是从质量上描述X X射线的物理量，射线的物理量，前者决定影像的亮度，后者决定影像前者决定影像的

10、亮度，后者决定影像的清晰度，在临床上，的清晰度，在临床上，必须合理兼顾必须合理兼顾地选择强度和硬度，即毫安数和千伏地选择强度和硬度，即毫安数和千伏数，才能获得较理想的透视效果。数，才能获得较理想的透视效果。X X射线的硬度射线的硬度 分为分为极软、软、硬和极硬四级，它们的用途、相应的管电四级，它们的用途、相应的管电压与波长范围见表压与波长范围见表14-114-1。14-3 X14-3 X射线谱射线谱一、一、X X射线摄谱仪射线摄谱仪根据根据X X射线衍射干涉加射线衍射干涉加强条件（强条件（布喇格公式）布喇格公式）2dsin2dsin=k=kk=0,1,2,.在晶体后放一个圆弧形的底片，当晶体往

11、复转动时（即在晶体后放一个圆弧形的底片，当晶体往复转动时（即改变改变角）角）X X射线束就在底片上从一端到另一端反复感光。射线束就在底片上从一端到另一端反复感光。取下底片冲洗后可获得取下底片冲洗后可获得X X射线谱射线谱（见图（见图14-314-3）。）。X X射线谱包含两部分：射线谱包含两部分：曲线下画斜线的部分对应于照曲线下画斜线的部分对应于照片上的背景，它包括各种不同波长的射线，称为片上的背景，它包括各种不同波长的射线，称为连连续续X X射线（射线（continuouscontinuous X-raysX-rays）；另一部分是曲线；另一部分是曲线上凸出的尖端，具有较大的强度，对应于照片

12、上的上凸出的尖端，具有较大的强度，对应于照片上的明显谱线，称为明显谱线，称为标识标识X X射线（射线（characteristicXcharacteristicX-rays)rays)，标识谱一般叠标识谱一般叠加加在连续谱上。在连续谱上。1.1.连续连续X X射线谱射线谱连续连续X X射线的发生是轫致辐射过程射线的发生是轫致辐射过程。轫致辐射轫致辐射一词来一词来自德语自德语制动辐射（制动辐射（bremsstrahlungbremsstrahlung)，它是对该过程，它是对该过程的最好描述。的最好描述。微观机理：微观机理：高速电子流撞高速电子流撞击阳极靶受到制动，电击阳极靶受到制动，电子在原子核

13、强电场的作子在原子核强电场的作用下，速度大小和方向用下，速度大小和方向发生急剧变化，电子的发生急剧变化，电子的一部分动能一部分动能E E 转化为转化为X X光子的能量光子的能量hh而发射出而发射出来。来。v v变化情况不同，电变化情况不同，电子损失的动能子损失的动能E E不同，不同，故故X X光子能量光子能量hh也不同，也不同，即波长不同，即波长不同，这样就产这样就产生了连续谱。生了连续谱。图为钨靶的连续图为钨靶的连续X X射线谱。射线谱。谱线特点：谱线特点：（1 1）谱线强度从）谱线强度从长波开始，逐渐上升，达到长波开始，逐渐上升，达到最大值后很快降为零。（最大值后很快降为零。（2 2）强度

14、为零强度为零的相应波长是连续的相应波长是连续谱中的谱中的最短波长最短波长，称为，称为短波短波极限极限。它是电子损失其全部它是电子损失其全部能量而发射单个能量而发射单个X X光子，此时光子，此时光子有最高频率或最短波长光子有最高频率或最短波长。（3 3）管电压增大，各波长的）管电压增大，各波长的强度都增大，且强度最大的强度都增大，且强度最大的波长和短波极限都向短波方波长和短波极限都向短波方向移动。向移动。图为钨靶的连续图为钨靶的连续X射线谱。射线谱。设管电压为设管电压为U U，电子电量为，电子电量为e e，则电子的动能为电子的动能为eUeU，光，光子可能具有的最大能量子可能具有的最大能量hhma

15、xmax，由此得到，由此得到2min1=2maxceUmvhhU1ehcminnm)kV(U242.1min即即上式表明，连续上式表明，连续X射线谱中的射线谱中的最短波长与管电压成反最短波长与管电压成反比比。管电压愈高，则管电压愈高，则minmin愈短。愈短。将将h、c、e值值代入上式得代入上式得注意注意：单位单位2.2.标识标识X X射线谱射线谱（2 2）标识）标识X X射线谱是具射线谱是具有分立波长的线状谱，有分立波长的线状谱，谱线的波长决定于谱线的波长决定于阳极阳极靶材料的元素种类靶材料的元素种类，每，每一种元素一种元素都都有一定波长有一定波长的的标识标识X X射线谱。因此，射线谱。因此

16、，可作为不同元素的标识，可作为不同元素的标识，这就是：这就是：“标识标识X X射线射线”名称的由来。名称的由来。钨在较高管电压下的钨在较高管电压下的X射线谱射线谱 谱线特点谱线特点：（1 1）当管电压升高到）当管电压升高到7070千伏以上千伏以上时，钨靶时，钨靶的连续谱在的连续谱在0.02nm0.02nm附近叠加了四条谱线，在曲线上出现附近叠加了四条谱线，在曲线上出现了四个高峰。当电压继续升高时，连续谱发生很大变化，了四个高峰。当电压继续升高时，连续谱发生很大变化，但但四条谱线在图中的位置始终不变四条谱线在图中的位置始终不变，即，即它们的波长不变。它们的波长不变。微观机理微观机理 X X射线标

17、识谱是当射线标识谱是当高速电子撞击高速电子撞击金属靶时，使原子的内层电子激发而留下金属靶时，使原子的内层电子激发而留下空位，在较高能级中的轨道电子向此空位空位，在较高能级中的轨道电子向此空位跃迁时，所发出的辐射跃迁时，所发出的辐射。标识谱反映了原子内层结构的情况，谱线的标识谱反映了原子内层结构的情况，谱线的波长代表能级的间隔，谱线的精细结构显示波长代表能级的间隔，谱线的精细结构显示能级的精细结构，能级的精细结构，X X 射线标识谱对分析元素射线标识谱对分析元素成分和研究原子结构有重要意义。成分和研究原子结构有重要意义。标识谱与原子标识谱与原子能级能级的关系的关系 氢原子基态的能量为氢原子基态的

18、能量为-1 13.6eV3.6eV，能量零点对应原子完全电离且电能量零点对应原子完全电离且电子和质子都处于静止的状态。在子和质子都处于静止的状态。在研究研究X X射线时，取能量零点为处射线时，取能量零点为处于基态的中性原子，这样比较方于基态的中性原子，这样比较方便。便。图图14-6 14-6 原子内壳层对应于原子内壳层对应于n=1n=1，即，即K K壳层壳层，电离出一个电子（造成一个，电离出一个电子（造成一个空穴）的状态对应最高的能级空穴）的状态对应最高的能级K K。当。当L L或或M M壳层的电子去填那个空壳层的电子去填那个空穴的时候，则将形成在穴的时候，则将形成在L L或或M M壳层壳层有

19、一个空穴的状态，能量比有一个空穴的状态，能量比K K壳壳层低。在填充空穴的过程中同时发射出来层低。在填充空穴的过程中同时发射出来KK和和KK等标识谱线。等标识谱线。又当又当L L层出现空穴时层出现空穴时M M层和层和N N层层电子可以去填充，同时发射电子可以去填充，同时发射LL和和LL等标识谱线。等标识谱线。原子序数愈高的元素，各个标识原子序数愈高的元素，各个标识X X射线系的波射线系的波长也愈短，即长也愈短，即k kL LM MN N。一、吸收规律一、吸收规律14-4 14-4 物质对物质对X X射线的吸收规律射线的吸收规律实验表明实验表明 单色单色X X射线通过均匀射线通过均匀 物质时的吸

20、收规律，服从朗伯定物质时的吸收规律，服从朗伯定律律 即即（1）单色）单色X射线通过均匀射线通过均匀 物质时，其强度按指数规律物质时，其强度按指数规律衰减。衰减的快慢由衰减。衰减的快慢由决定。决定。值大值大衰减快，衰减快，值小值小衰衰减慢。减慢。（2）x物质的吸收值物质的吸收值x0eIII I0 0入射的入射的x x光强度光强度I I 通过物质厚度为通过物质厚度为x x的强度的强度X X 物质厚度物质厚度线性吸收系数线性吸收系数 如果如果x用用m，则，则的单位为的单位为m-1讨论：讨论：由由式式IIlnx0由此可见，只要测出由此可见，只要测出I0、I即通过物质前后即通过物质前后X射线的强度，就可

21、求出物质的吸收值射线的强度，就可求出物质的吸收值（3 3）单色）单色X X射线通过多层不同物质后被吸收的规律射线通过多层不同物质后被吸收的规律如图所示，根据朗伯定律如图所示，根据朗伯定律I I0 0I I1 1I I2 2I I3 3123x1x2x3)xx(0n)xx(0 x12x1nnx12x01nn11221122nn2211eIIeIeIIeII,eII,eIIX射线通过射线通过n层物质的总吸收值层物质的总吸收值n1iiix即即 X X射线通过吸收系数和厚度各不相同的多层射线通过吸收系数和厚度各不相同的多层 物质后总的吸收物质后总的吸收值等于各层物质吸收值之和。值等于各层物质吸收值之和

22、。（4 4）如把）如把X X射线通过的物质分成许多薄层，每个薄层的厚度射线通过的物质分成许多薄层，每个薄层的厚度均为均为x x，则总的吸收系数为：，则总的吸收系数为：x这就是这就是X-CT（X-ray Computed Tomography)成像的物理基础。成像的物理基础。二、吸收系数二、吸收系数IIlnx10n21i对同一种物质对同一种物质写成等式写成等式=m 或或 m=/质量吸收系数质量吸收系数应用质量吸收系数应用质量吸收系数式式变为变为mmx0 x0 xxeIIeIImm与与式比较可知式比较可知式中式中 x xm m=x=x叫叫做质量厚度，做质量厚度，它等于单位面它等于单位面积中，厚度为

23、积中，厚度为x x的吸收层的的吸收层的质量。质量。单位单位 xm：g/cm m：cm/g半价层半价层 X X射线在各种物质中强度被衰减为一半的厚度射线在各种物质中强度被衰减为一半的厚度（质量厚度），称为这种物质的（质量厚度），称为这种物质的半价层半价层，由由式可得式可得半价层与吸收系数之间的关系：半价层与吸收系数之间的关系：对含有各种波长的对含有各种波长的X X射线束，穿过物质后的总强度并射线束，穿过物质后的总强度并非严格按指数规律衰减。在用指数规律处理问题时，非严格按指数规律衰减。在用指数规律处理问题时，上述各式中的吸收系数应当用各种波长的吸收系数上述各式中的吸收系数应当用各种波长的吸收系数

24、的平均值来代替。的平均值来代替。mm21m21693.0ln2X693.0ln2X应指出应指出，各种，各种 物质的物质的吸收吸收系数都与波长有关，因此，系数都与波长有关，因此，以上各式只适用单色以上各式只适用单色X X射射线束。线束。医学上常用的低能医学上常用的低能X X射线，光子能量在几十射线，光子能量在几十 几百几百keVkeV之间，各种元素的质量吸收系数近似地用下式表之间，各种元素的质量吸收系数近似地用下式表示示3mKZ式中，式中，K-比例系数，比例系数，-入射入射x光波长，光波长，Z-Z-原子原子序数，指数序数，指数=34=34，医学上取，医学上取3.53.5。由上式可得出两个有实际意

25、义的结论：由上式可得出两个有实际意义的结论：（1 1）原子序数）原子序数Z Z愈大的物质，吸收本领越大。愈大的物质，吸收本领越大。例如，人体肌肉的主要成分是例如，人体肌肉的主要成分是 H H、O O、C C等等人体骨的成分是人体骨的成分是CaCa3 3(PO(PO4 4)2 2,其中其中CaCa、P P比肌肉中任比肌肉中任何成分的何成分的Z Z值都要大。值都要大。mm骨肌 肉444m44mK(3 202 15+8 8)152K(2 18)骨水所以所以比较比较这就是为什麽透视时骨在屏幕上留有明显的阴影。这就是为什麽透视时骨在屏幕上留有明显的阴影。还有，在肠胃透视时吃钡盐还有，在肠胃透视时吃钡盐钡

26、餐透视钡餐透视（人工造影）（人工造影）钡钡 Ba(Z=56)，Z大，大，m m大大，对对比度大。比度大。铅铅 Pb(Z=82)，Z大大，m大，很好的防护材料大，很好的防护材料（2）波长愈长的）波长愈长的X射线，愈容易被吸收。射线，愈容易被吸收。3mKZ波长波长长，易吸收，长，易吸收，因为因为m大大相反波长越短，相反波长越短，X射线越硬，穿透性越强射线越硬，穿透性越强例如，软例如，软X射线摄影射线摄影乳腺摄影乳腺摄影临床上用的各种临床上用的各种滤线板滤线板获得硬获得硬X射线，进行射线，进行深部透视和治疗。深部透视和治疗。三、物质吸收三、物质吸收X X射线的微观机理射线的微观机理（1）光电效应（）

27、光电效应（photo-electric effect)(2)康普顿散射（康普顿散射（Compton scatter)能量较大的能量较大的X X光子与原子中较外层光子与原子中较外层电子碰撞，把一部分能量传给电电子碰撞，把一部分能量传给电子，使之脱离原子，成为反冲电子，使之脱离原子，成为反冲电子，子，X X光能量减小且改变方向。光能量减小且改变方向。X X光子能量不太大，将其能量全光子能量不太大，将其能量全部传给原子中内层电子，使之脱离部传给原子中内层电子，使之脱离原子，光子消失，脱离原子的的电原子，光子消失，脱离原子的的电子称为光电子。子称为光电子。当当X X光子能量大于两个电子的静光子能量大于

28、两个电子的静止能量时，止能量时，X X光子在原子核场的光子在原子核场的作用下会转化为一个负电子和一作用下会转化为一个负电子和一个正电子，这种现象称为电子对个正电子，这种现象称为电子对生成。生成。在此过程中，光子的能量除了转在此过程中，光子的能量除了转化为两个电子的静止能量之外，化为两个电子的静止能量之外，其余的能量转化为两个电子动能。其余的能量转化为两个电子动能。正电子在物质中不能长期存在，正电子在物质中不能长期存在，它与物质中的原子碰撞失去能量它与物质中的原子碰撞失去能量后，与一个电子结合转化为两个后，与一个电子结合转化为两个能量相同（能量相同（0 0.511MeV.511MeV）而飞行方）而飞行方向相反的光子，这种现象叫做向相反的光子，这种现象叫做电电子对湮灭。（子对湮灭。（electron pair electron pair annihilationannihilation)(3)电子对生成（电子对生成（electricpair production)作 业：1-5