1、2022-3-241德国科学家德国科学家(1845-1923)Wilhelm Conrad Roentgen1895年发现X线X线投照线投照2022-3-2422022-3-243Gamma RaysUltraviolet RaysX RaysLightInfrared (IR)MicrowaveRadio waveUsually detected as particles of energy (photons).Discovered in 1895 by Wilhelm Conrad Roentgen.10-9 m (1 nm)10-11 m (0.01 nm)“soft”“hard”202
2、2-3-244第一节、第一节、X X射线管的特性射线管的特性n1、X射线管的结构n2、X射线的产生 n3、X射线管的焦点及焦点的性能参量 n4、X射线管的容量 2022-3-2451.1.1 X1.1.1 X射线管的结构射线管的结构2022-3-246n阴极阴极。一般由发射电子的灯丝和聚焦电子的凹面一般由发射电子的灯丝和聚焦电子的凹面阴极体组成。用低压电源对灯丝加热，引起热发阴极体组成。用低压电源对灯丝加热，引起热发射，提供足够数量的电子，且使射，提供足够数量的电子，且使电子聚焦电子聚焦后去撞后去撞击阳极。常用两种类型，圆焦点型和线焦点型。击阳极。常用两种类型，圆焦点型和线焦点型。2022-3
3、-247电子聚焦电子聚焦 从灯丝发射出的电子，由于库仑力的作用而相互排斥，从灯丝发射出的电子，由于库仑力的作用而相互排斥，使电子流在向阳极运动时发散。因此实际中采用凹面阴使电子流在向阳极运动时发散。因此实际中采用凹面阴极体，置于灯丝后，且将灯丝一端与阴极体相连，接在极体，置于灯丝后，且将灯丝一端与阴极体相连，接在同一电源上，使阴极体具有比灯丝电位更低的电位，使同一电源上，使阴极体具有比灯丝电位更低的电位，使阴极体排斥电子，可起到使电子初聚焦的作用。阴极体排斥电子，可起到使电子初聚焦的作用。阴极体可收集二次电子，防止危害发生。二次电子是由阳阴极体可收集二次电子，防止危害发生。二次电子是由阳极发射
4、极发射( (反射反射) )出来的电子，二次电子可撞击灯丝使其发生出来的电子，二次电子可撞击灯丝使其发生断裂，撞在玻璃上可造成玻璃破裂。断裂，撞在玻璃上可造成玻璃破裂。2022-3-248n阳极阳极。功能是产生功能是产生X X射线射线, , 按结构分有固定式和旋转按结构分有固定式和旋转式两种。式两种。 固定式阳极一般固定式阳极一般为镶嵌在铜制圆柱柱端斜为镶嵌在铜制圆柱柱端斜面上的小钨块（靶）面上的小钨块（靶）, , 仅仅适用于管电流小，曝光时适用于管电流小，曝光时间较长的便携式牙科和骨间较长的便携式牙科和骨科用的科用的X X光机中。光机中。旋转阳旋转阳极是将阳极和阳极体做成极是将阳极和阳极体做成
5、圆盘状，并用小电机带动圆盘状，并用小电机带动旋转，这样阳极时刻都以旋转，这样阳极时刻都以“新的靶面新的靶面”接受电子束接受电子束的轰击，使产生的热量均的轰击，使产生的热量均匀分散到整个靶面上，避匀分散到整个靶面上，避免了局部过热。免了局部过热。2022-3-249特殊X射线管 ：1 1）栅控）栅控X X射线管：在阴极和阳极之间加上控制栅极，控制管电流的截至射线管：在阴极和阳极之间加上控制栅极，控制管电流的截至和导通，从而控制和导通，从而控制X X射线的截至和导通。射线的截至和导通。 特点：特点： 灯丝发射特性比一般灯丝发射特性比一般X X线管差，不适用于大容量的线管差，不适用于大容量的X X线
6、机。线机。 可获得微焦点，适用用于放大可获得微焦点，适用用于放大X X射线摄影射线摄影 ； 可使病人和操作者接受的可使病人和操作者接受的X X线辐射剂量减少，线辐射剂量减少，X X线管负载降低；线管负载降低； 能实现快速断续能实现快速断续X X线摄影，提高线摄影，提高X X线影像清晰度。线影像清晰度。 2 2）软）软X X射线管：用于射线管：用于2022-3-2410nX X射线管的电特性：射线管的电特性：2022-3-24111.1.2 X1.1.2 X射线的产生射线的产生 2022-3-2412are first emitted from a heated filament, by a p
7、rocess called thermionic emission. across the evacuated X-ray tube, under the action of a large voltage across the tube, the filament forming the negative cathode and the target being positive anode. On striking the target, the electrons lose most (about 99%) of their energy in low-energy collisions
8、 with target atoms, resulting in a substantial heating of the target.(usually less than 1%) reappears as X-ray radiation.2022-3-24132022-3-2414连续连续X射线射线14 2022-3-2415连续X射线谱的特征 连续谱的X射线强度是随波长的变化而连续变化的。每条曲线都有一个峰值；曲线在波长增加的方向上都无限延伸，但强度越来越弱；在波长减小的方向上，曲线都存在一个称为短波极限波长min 的极限值。随着管压的升高，辐射强度均相应地增强。同时，各曲线所对应的强度
9、峰值和短波极限的位置均向短波方向移动。)()(4 .12maxminmaxoAkVVeVhcceVh h ：普朗克常数：普朗克常数 c ：光速：光速 V ：加速电子的电场电压：加速电子的电场电压 e ：电子电荷量：电子电荷量 max ：X射线的频率射线的频率 min ：X射线的波长射线的波长连续连续X射线的能量射线的能量：2022-3-2416特征特征X射线的能量射线的能量: h ：普朗克常数：普朗克常数 ：X射线的频率射线的频率 ：X射线的波长射线的波长 c ：光速：光速 En1：轨道能级（外）：轨道能级（外） En2：轨道能级（内）：轨道能级（内）特征特征X射线射线2022-3-2417标
10、识标识X X射线的波长同阳极靶原子的结构有着密切的联系，仅射线的波长同阳极靶原子的结构有着密切的联系，仅取决于阳极靶物质，与取决于阳极靶物质，与X X射线产生过程中的其它因素无关。射线产生过程中的其它因素无关。不同靶材料的辐射光子的能量和波长也不同。每一种元素的不同靶材料的辐射光子的能量和波长也不同。每一种元素的标识标识X X射线的波长是固定不变的。射线的波长是固定不变的。 为最低激发电压，不同的激为最低激发电压，不同的激发电压产生的标识发电压产生的标识X X射线量占总的射线量占总的X X射线量的比率是不同的。射线量的比率是不同的。 X射线谱示意图射线谱示意图WeU W W为脱出能。当为脱出能
11、。当WeU 时时eWU 2022-3-2418X射线强度射线强度X射线波长射线波长特征特征X射线射线管电压管电压V1V2V32022-3-2419n1 1）连续谱的形状与靶的材料无关。）连续谱的形状与靶的材料无关。n2 2）连续谱存在一最大的能量值，它取决于）连续谱存在一最大的能量值，它取决于管电压。管电压。n 3）标识辐射的标识辐射的X射线波长射线波长是由跃迁的电子是由跃迁的电子能量差能量差决定的，与高速电子的能量（管电决定的，与高速电子的能量（管电压）无直接关系，主要决定于靶物质的压）无直接关系，主要决定于靶物质的原原子序数子序数，原子序数越高，产生的标识辐射的波长越短。 2022-3-2
12、4201.1.3 X1.1.3 X射线管的焦点及射线管的焦点及 焦点的性能参量焦点的性能参量实际焦点实际焦点 灯丝发射的电子，经聚焦加速后，透射在阳极靶上的面积。灯丝发射的电子，经聚焦加速后，透射在阳极靶上的面积。有效焦点有效焦点 X X射线管的实际焦点在垂直于射线管的实际焦点在垂直于X X射线管轴线方向上投射线管轴线方向上投 影的面积，即影的面积，即X X射线照射在胶片上的有效面积。射线照射在胶片上的有效面积。 两个焦点都具有面积的量纲，它们之间通过靶角两个焦点都具有面积的量纲，它们之间通过靶角（target angle）建立起一定关系。建立起一定关系。有效焦点面积实际焦点面积有效焦点面积实
13、际焦点面积sinsin 靶角越小，有效焦点的长度越小，靶角越小，有效焦点的长度越小，即有效焦点的面积也越小。即有效焦点的面积也越小。 实际焦点的大小直接影响实际焦点的大小直接影响X X射线管的射线管的散热和影像的清晰度。面积越大，散热和影像的清晰度。面积越大，对散热越有利。但有效焦点的面积对散热越有利。但有效焦点的面积也将增大，必然引起在胶片上所成也将增大，必然引起在胶片上所成影像的清晰度影像的清晰度 2022-3-24211 1）X X射线管焦点的方位特性射线管焦点的方位特性2 2）焦点的焦点的X X线量分布线量分布 3 3）管球焦点对成像的影响管球焦点对成像的影响 2022-3-2422X
14、射线管焦点的方位特性射线管焦点的方位特性在在X X射线管的管轴垂直方向上投影得到有效焦点，投影的方射线管的管轴垂直方向上投影得到有效焦点，投影的方位不同，有效焦点的尺寸也不一样。越靠近位不同，有效焦点的尺寸也不一样。越靠近X X射线管阴极方射线管阴极方向所得到的焦点越大，而越靠向向所得到的焦点越大，而越靠向X X射线管阳极方向所得焦点射线管阳极方向所得焦点越小。越小。 Return2022-3-2423焦点的焦点的X线量分布线量分布在在X X射线管中，射线管中，X X射线强度的分布是不均匀分布。原因有两个：射线强度的分布是不均匀分布。原因有两个：1 1）抵达靶面各处的电子密度不尽相同）抵达靶面
15、各处的电子密度不尽相同 靶面上各处辐射的靶面上各处辐射的X X光子数密度不尽相同；光子数密度不尽相同；2)2)抵达靶面上各处的电子与靶原子作用的情况千差万别抵达靶面上各处的电子与靶原子作用的情况千差万别 靶面上各处辐射的单个靶面上各处辐射的单个X X光子的能量千差万别。光子的能量千差万别。 2022-3-2424 聚焦槽的形状及深度对电子集射影响很大。可通过选取适聚焦槽的形状及深度对电子集射影响很大。可通过选取适当的槽深及灯丝的相对深度，使主、副焦点重合，形成双当的槽深及灯丝的相对深度，使主、副焦点重合，形成双峰分布的焦点。医学诊断用峰分布的焦点。医学诊断用X X射线管的焦点宽度上射线管的焦点
16、宽度上X X射线强射线强度的分布一般是双峰分布。度的分布一般是双峰分布。Return2022-3-2425管球焦点对成像的影响管球焦点对成像的影响2022-3-2426 半影半影 缩小半影的方法缩小半影的方法： 缩小有效焦点面积缩小有效焦点面积S； 缩短被摄部位与胶片缩短被摄部位与胶片 间的距离。间的距离。 Sdfdp2022-3-2427管球焦点对成像的影响管球焦点对成像的影响Return2022-3-24282022-3-2429X X射线管容量的计算射线管容量的计算 例：例：一给定的一给定的X X射线管，额定管电压为射线管，额定管电压为200kV200kV，额定管电流，额定管电流为为20
17、mA20mA，求其容量。，求其容量。 解：解：1000IUPe容量（单位：（单位：kWkW）管电压有效值（单位：管电压有效值（单位：kVkV）管电流（单位：管电流（单位：mA)mA)1000IUPekW31000200.7072002022-3-2430n 小焦点可使影像清晰。小焦点可使影像清晰。但是焦点越小，在焦点上集聚的能量越高，产生的但是焦点越小，在焦点上集聚的能量越高，产生的热量也就越高。因为只有约热量也就越高。因为只有约0.5%0.5%的电能转化为的电能转化为X X射射线的能量，线的能量，99.5%99.5%以上的能量转化为热能。以上的能量转化为热能。最终将导致焦点面熔化。最终将导致
18、焦点面熔化。解决办法：解决办法：双焦点技术、旋转阳极技术和水或油循环冷却技术双焦点技术、旋转阳极技术和水或油循环冷却技术2022-3-2431在透视时使用小焦点在透视时使用小焦点 在摄影时使用大焦点在摄影时使用大焦点高高 压压正正KV负负KV大焦大焦 灯丝灯丝小焦小焦 灯丝灯丝大焦灯丝大焦灯丝 变压器变压器小焦灯丝小焦灯丝 变压器变压器CLCCS阳极阳极2022-3-2432 通过阳极旋转来扩大焦点面积，提高球通过阳极旋转来扩大焦点面积，提高球管的散热率，从而提高球管的功率。管的散热率，从而提高球管的功率。旋转阳极球管旋转阳极球管旋转速率有旋转速率有2700rpm、8500rpm(3倍频倍频)
19、，甚至，甚至16000rpm(6倍频倍频)。旋转阳极球管的靶面旋转阳极球管的靶面2022-3-2433真空真空 油油在在CT中使用油循环中使用油循环X线管线管 在心血管造影机在心血管造影机X线机中使用水循环线机中使用水循环X线球管线球管2022-3-2434第二节、第二节、X X射线辐射场的空间分布射线辐射场的空间分布n1、X射线的物理特征n2、X射线的强度 n3、X射线的滤过和硬化 n4、辐射场的角分布 2022-3-2435 本质与普通光线一样，都属电磁波，但波长比可见本质与普通光线一样，都属电磁波，但波长比可见光更短，介于紫外线与光更短，介于紫外线与射线之间。射线之间。与普通光线一样与普
20、通光线一样具有具有微粒微粒波动二重性，每个波动二重性，每个X X射线光子具有一定的能射线光子具有一定的能量量E=E=h h，并以光的速度直线传播。同时服从光的反射、，并以光的速度直线传播。同时服从光的反射、折射、散射和衍射等一般规律。折射、散射和衍射等一般规律。 X X射线不带电，它不受外界磁场或电场的影响。射线不带电，它不受外界磁场或电场的影响。 1.2.1 X1.2.1 X射线的物理特征射线的物理特征2022-3-24361 1、贯穿本领、贯穿本领 X X射线的波长很短，对各种物质都具有程度不同的穿透能力。射线的波长很短，对各种物质都具有程度不同的穿透能力。 影响因素影响因素：与与X X射
21、线的射线的能量能量、被穿透、被穿透物质结构物质结构和和原子性质原子性质有关。有关。 同一同一X X射线，对原子序数较低元素组成的物体贯穿本领较强，对射线，对原子序数较低元素组成的物体贯穿本领较强，对原子序数较高元素组成的物体贯穿本领相对较弱。原子序数较高元素组成的物体贯穿本领相对较弱。 X X射线对人体不同组织的穿透性不同射线对人体不同组织的穿透性不同X X射线医学影像学的基础射线医学影像学的基础 人体组织对人体组织对X X射线的穿透性射线的穿透性 易透射组织易透射组织 中等透射性组织中等透射性组织 不易透射性组织不易透射性组织 气气 体体 结缔组织结缔组织 骨骼骨骼 肌肉组织肌肉组织 脂肪组
22、织脂肪组织 软骨软骨 血液血液 2022-3-24372 2、荧光作用、荧光作用 当射线照射某种物质时，能够发出荧光，具有这种光特性的当射线照射某种物质时，能够发出荧光，具有这种光特性的物质称为物质称为荧光物质荧光物质。 如如钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉等荧光物质受等荧光物质受X X射射线照射时，物质原子被激发或电离，当被激发的原子恢复到基态时，线照射时，物质原子被激发或电离，当被激发的原子恢复到基态时，便可放出荧光。便可放出荧光。 X X射线荧光作用的应用：射线荧光作用的应用： X X射线透视荧光屏、增感屏、影像增强器、闪烁计数器等。射线透视荧光屏、增
23、感屏、影像增强器、闪烁计数器等。 3 3、电离作用、电离作用 具有足够能量的具有足够能量的X X射线光子不仅可从原子中击脱电子产生射线光子不仅可从原子中击脱电子产生一一次电离次电离，脱离了原子的电子还能与其他原子碰撞产生，脱离了原子的电子还能与其他原子碰撞产生二次电离。二次电离。 X X射线电离作用的应用：射线电离作用的应用： X X射线剂量仪器探头原理及射线剂量仪器探头原理及X X射线损伤和治疗的基础。射线损伤和治疗的基础。 2022-3-24384 4、X X射线的化学和生物特性射线的化学和生物特性 1 1）、感光作用）、感光作用 X X射线与可见光一样，可使射线与可见光一样，可使胶片感光
24、胶片感光。 胶片乳剂中的溴化银受胶片乳剂中的溴化银受X X射线照射感光，经化学显影，还射线照射感光，经化学显影，还原出黑色的金属银颗粒，其黑度取决于感光程度。原出黑色的金属银颗粒，其黑度取决于感光程度。X X射线摄影射线摄影即是利用其化学感光作用，使组织影像出现在胶片上。即是利用其化学感光作用，使组织影像出现在胶片上。 2 2）、）、脱水作用脱水作用/ /着色作用着色作用 某些物质经某些物质经X X射线长期照射后，因结晶体脱水而逐渐改变射线长期照射后，因结晶体脱水而逐渐改变颜色。如荧光屏、增感纸、铅玻璃等经颜色。如荧光屏、增感纸、铅玻璃等经X X射线长期照射后都会射线长期照射后都会逐渐变色。逐
25、渐变色。 3 3）、生物效应）、生物效应X X射线在生物体内能产生电离及激发作用，也就射线在生物体内能产生电离及激发作用，也就是使生物产生生物效应，它是放射治疗的基础，也是使生物产生生物效应，它是放射治疗的基础，也是射线工作者应注意防护的原因。是射线工作者应注意防护的原因。 2022-3-2439 X射线在空间某点的强度：单位时间内通过单位横截面积的辐射线在空间某点的强度：单位时间内通过单位横截面积的辐射能量。射能量。 在医学应用中，常用在医学应用中，常用X射线的射线的量量和和质质表示表示X射线的强度。射线的强度。 单色单色X射线强度：射线强度：I I = =N N h h 复色复色X射线强度
26、：射线强度：I I总总= =NNi i h hi i=N=N1 1 h h1 1+N+N2 2 h h2 2+ N+ N3 3 h h1 1+ + X射线束内射线束内的光子数目的光子数目X射线光射线光子的能量子的能量1.2.2 X1.2.2 X射线的强度射线的强度（Intensity of X-rays) 2022-3-2440影响连续影响连续X射线强度的因素射线强度的因素靶物质靶物质 IZIZ 管电流管电流 IiIi 管电压管电压 IIU U2 22022-3-2441 X射线的量与质的表示射线的量与质的表示： X射线的量：管电流射线的量：管电流曝光时间（曝光时间（mAs） X射线的质：管电
27、压（射线的质：管电压（kV） X射线的质射线的质/线质一般用于表示线质一般用于表示X射线的硬度射线的硬度(hardness of X-ray) X射线的三个参量：射线的三个参量： 管电压管电压(kVp) 管电流管电流(mA) 曝光时间曝光时间(s) 在在X线管加上线管加上 高压产生高压产生X射射 线的时间线的时间穿透物质穿透物质的能力的能力X射线射线阳极阳极阴极阴极灯丝灯丝 变压器变压器高压高压 变压器变压器管电压管电压管电流管电流2022-3-2442X射线质的分类及用途射线质的分类及用途 产生硬产生硬X X射线，除了选用高的管电压和选用原子序数较大的射线，除了选用高的管电压和选用原子序数较
28、大的材料做阳极靶外，还应选择原子序数较大和厚度较大的滤材料做阳极靶外，还应选择原子序数较大和厚度较大的滤过板。产生软过板。产生软X X射线则相反，除选用低的管电压和用原子序射线则相反，除选用低的管电压和用原子序数较小的材料做阳极靶外，还需要采用特殊结构的软数较小的材料做阳极靶外，还需要采用特殊结构的软X X射线射线设备，即用铍制成的设备，即用铍制成的X X射线输出窗口。射线输出窗口。 X X射线影像采用的是前两种较软的射线影像采用的是前两种较软的X X射线。射线。名称名称 最短波长最短波长()管电压管电压(kV)用途用途滤过板材料滤过板材料极软极软X射线射线2.50.62520软组织摄影、表皮
29、治软组织摄影、表皮治疗疗胶纸板胶纸板软软X射线射线0.620.1220100透视与摄影透视与摄影铝片铝片硬硬X射线射线0.120.05100250较深组织治疗较深组织治疗铜片铜片超硬超硬X射线射线0.05以下以下250以上以上深部组织治疗深部组织治疗锡、铅锡、铅2022-3-2443固有滤过：固有滤过：从从X射线管阳极发射出的原级射线管阳极发射出的原级X射线穿过管壁后，射线穿过管壁后，被吸收一部分。被吸收一部分。 附加滤过：附加滤过：在在X射线管射出的射线管射出的X射线到达被投照部位前放置射线到达被投照部位前放置一定物质产生的滤过。一定物质产生的滤过。 附加滤过可使：附加滤过可使：X射线总强度
30、减小射线总强度减小 波长分布均匀波长分布均匀 平均硬度提高平均硬度提高 半价层：半价层：使使X射线的强度减弱到其初始值一半时所需的滤射线的强度减弱到其初始值一半时所需的滤过板厚度。反映过板厚度。反映X射线束的穿透能力。射线束的穿透能力。 半价层的单位必须包括半价层的单位必须包括滤过板材料滤过板材料和和厚度厚度两部分。两部分。 例如：一束例如：一束X射线穿过射线穿过2mm厚的标准铝板后，其强度减厚的标准铝板后，其强度减弱了一半，则可称这束弱了一半，则可称这束X射线的半价层为射线的半价层为2mm铝。铝。1.2.3 X1.2.3 X射线的滤过和硬化射线的滤过和硬化 2022-3-24441.2.4
31、辐射场的角分布辐射场的角分布 2022-3-2445低能电子束冲击薄靶产生的X射线强度分布，主要集中在与电子束成垂直的方向上；沿着电子束方向上X射线强度相对较小；与电子束相反方向上X射线强度近似为零。靶越薄，上述结论越正确。 根据薄靶产生X射线的空间分布的特点，在管电压较低时，利用反射式靶在技术上很有好处；但对使用超高压X射线管时，管电压过高，考虑能量分布因素，则需采用穿透式靶，电子从靶的一面射入，X射线从另一面射出。加速器产生的高能X射线用的就是穿透式靶。 Return2022-3-24462022-3-2447第三节、第三节、X X射线在介质中的衰减射线在介质中的衰减n1、作用概率与截面n
32、2、主要作用形式 n3、扩散衰减 n4、吸收衰减的规律2022-3-24481.3.1 1.3.1 作用概率与截面作用概率与截面入射的光子数发生作用的粒子数0IIXNII/2022-3-2449显然N就是线性衰减系数，可见作用截面与衰减系数，只是 同 一 物 理 性 质 的 不 同表示方式。 2022-3-2450. . 光电效应光电效应(photo electric effect) X X射线光子的能量射线光子的能量全部给予全部给予壳层电子，一部分使其克服核的壳层电子，一部分使其克服核的结合能脱离轨道，成为光电子，另一部分则作为光电子动能结合能脱离轨道，成为光电子，另一部分则作为光电子动能被
33、带走。被带走。 发生光电效应时，光电子从原子内壳层出射后，外壳层的电发生光电效应时，光电子从原子内壳层出射后，外壳层的电子将填补空穴，随之辐射出标识子将填补空穴，随之辐射出标识X X射线。射线。光电效应光电效应的产物：光电子、正离子的产物：光电子、正离子( (产生光电子的原子产生光电子的原子 ) )、新的光子（标识辐射光子）新的光子（标识辐射光子） X X射线射线光电效应光电效应光电子光电子光电效应的能量供受关系：光电效应的能量供受关系：ieEExEEe ：电子的动能：电子的动能 Ex: X: X射线的能量射线的能量 Ei:Ei:第第i i层电子结合能层电子结合能50 内光电效应内光电效应产生
34、几率与X射线光子能量的三次方成反比，与物质原子序数的四次方成正比。1.3.2 1.3.2 主要作用形式主要作用形式 2022-3-2451n光电效应光电效应2022-3-2452.Compton效应效应(Compton scattering) 入射入射X射线与物质原子束缚较弱的电子相碰撞，光子的一射线与物质原子束缚较弱的电子相碰撞，光子的一部分能量传给电子，并将它从原子中击出（反冲电子），能部分能量传给电子，并将它从原子中击出（反冲电子），能量减小了的光子，波长增大并且改变运动方向，成为散射光量减小了的光子，波长增大并且改变运动方向，成为散射光子。这种改变波长和方向的散射称为康普顿散射。子。这
35、种改变波长和方向的散射称为康普顿散射。 康普顿散射的产物：康普顿散射的产物： 散射光子、反冲电子、正离子散射光子、反冲电子、正离子 康普顿散射是康普顿散射是X射线在生物组织内衰减射线在生物组织内衰减 的主要原因。的主要原因。 入射入射X X射线射线Compton效应效应Compton电子电子出射出射X X射线射线Compton效应的能量供受关系：效应的能量供受关系：Ee ：电子的动能：电子的动能 E x: X: X射线的能量射线的能量 : :散射角（如图）散射角（如图） m me eC C2 2 : :电子的静态质量能电子的静态质量能)cos1 ()cos1 (22xexeECmEE 2022
36、-3-2453 康普顿散射原理图康普顿散射原理图 2022-3-2454X X射线射线正电子正电子电子对效应电子对效应负电子负电子电子对效应的能量供受关系：电子对效应的能量供受关系：Ee ：电子的动能：电子的动能 E x: X: X射线的能量射线的能量 m me eC C2 2 : :电子的静态质电子的静态质量能量能eexECmE222.电子对效应电子对效应(electric pair effect) 入射入射X射线光子进入吸收物质行近原子核时，受到原射线光子进入吸收物质行近原子核时，受到原子核电场的作用，会突然消失而转换成一个正电子和一子核电场的作用，会突然消失而转换成一个正电子和一个负电子
37、，这一现象称为个负电子，这一现象称为电子对效应。电子对效应。 一个电子的静止能量为一个电子的静止能量为0.511MeV,故电子对效应中故电子对效应中的电子总动能为：的电子总动能为： E2e= h-1.022MeV 如果入射光子能量超过如果入射光子能量超过1.022MeV， 则超过部分就将成为所产生的电子则超过部分就将成为所产生的电子 对的动能。对的动能。2022-3-2455各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率2022-3-24561.3.3 扩散衰减扩散衰减 212221rrII2022-3-2457. . 吸收衰减的规律吸收衰减的规律 由能量相同的光子组成的由能量相同的光子组成的X
38、 X射线称为单能射线称为单能X X射线。射线。X X射线中不存在射线中不存在散射成分时，称为窄束散射成分时，称为窄束X X射线射线 单能窄束单能窄束X X射线在物质中的衰减：射线在物质中的衰减： xII令令X0X0IdxdIxeII01.3.4 吸收衰减的规律吸收衰减的规律2022-3-2458为穿过某一物质后的为穿过某一物质后的X射线强度；射线强度； 为射入该物质之前为射入该物质之前的的X射线强度；射线强度； 为该物质的吸收系为该物质的吸收系数（不同物质的数（不同物质的值不同，由物质的值不同，由物质的物理特性决定）；物理特性决定）； 为该物质的厚度为该物质的厚度； I I0 XdxIdIxo
39、eII58 2022-3-2459两个概念：两个概念： 线性衰减系数线性衰减系数 、 质量衰减系数质量衰减系数m m 线性衰减系数：线性衰减系数： 或或 ( (单位：单位：m m-1)-1) 线性衰减系数线性衰减系数的的物理意义：物理意义：X X射线穿过单位厚度的物质薄层时，强射线穿过单位厚度的物质薄层时，强 度减弱的百分数。度减弱的百分数。 线性衰减系数作用截面线性衰减系数作用截面靶粒子密度靶粒子密度 质量衰减系数：质量衰减系数： 当入射当入射X X射线能量一定，吸收物质一定射线能量一定，吸收物质一定 （单位：（单位： ) ) 时，线性衰减系数与物质密度成正比。时，线性衰减系数与物质密度成正
40、比。 为消除为消除的相关性，引入质量衰减系数：的相关性，引入质量衰减系数： 质量厚度质量厚度 XII1dxIdI 1NANMmmXIIXII112kgmXXm2022-3-2460几种常见物质在不同光子能量时的质量衰减系数几种常见物质在不同光子能量时的质量衰减系数:( ) 光子能量光子能量 氢氢 碳碳 氧氧 氮氮 钠钠 镁镁 碘碘 氩氩 钾钾 钙钙 MeV 0.010 9.92104 0.149 0.560 0.342 1.45 2.09 4.01 6.20 7.70 9.98 0.015 1.10103 0.0517 0.149 0.0916 0.443 0.609 1.19 1.94 2.
41、46 2.89 0.020 1.33103 0.0203 0.0589 0.0360 0.177 0.247 0.50 0.831 1.05 1.25 衰减公式：衰减公式： 12 kgmmmXeII0质量厚度质量厚度质量衰减系数质量衰减系数2022-3-2461Attenuation coefficients tell you the “x-ray blocking power” of a material.5105010015010.1AttenuationCoefficientPhoton Energy (keV)500BoneMuscleFat2022-3-24622022-3-2463
42、第四节、第四节、X X射线在人体组织内的衰减射线在人体组织内的衰减n1、混合物和化合物得质量衰减系数n2、化合物的有效原子序数n3、连续能谱X射线在物质中的衰减规律n4、X射线在人体组织内的衰减2022-3-24641.4.1 1.4.1 混合物和化合物的质量衰减系数混合物和化合物的质量衰减系数 组成人体的物质非单一物质，医用组成人体的物质非单一物质，医用X射线也非单能窄束。射线也非单能窄束。 例题：例题： 若空气中各组分的质量百分比为氮若空气中各组分的质量百分比为氮75，氧，氧23.7，二氧化碳，二氧化碳1.3，试计算在能量为试计算在能量为10keV光子作用下，空气的质量衰减系数是多少？已知
43、氮、氧、光子作用下，空气的质量衰减系数是多少？已知氮、氧、二氧化碳的质量衰减系数分别为二氧化碳的质量衰减系数分别为0.36、0.587、和、和8.31( ) 解：空气的质量衰减系数为解：空气的质量衰减系数为 0.360.750.5870.2378.310.013 0.270.1390.108 0.515（ ）imimP第第i种元素的质量衰减系数种元素的质量衰减系数第第i种元素在化合物或混合物种元素在化合物或混合物中所占质量的百分比中所占质量的百分比12kgm22cocoomoNmNmPPP12kgm2022-3-2465 X射线束的线性衰减系数随原子序数的增大而增大。射线束的线性衰减系数随原子
44、序数的增大而增大。 对于混合物或化合物常采用对于混合物或化合物常采用有效原子序数有效原子序数/平均原子序数平均原子序数来描来描 述其对述其对X射线的衰减性质。射线的衰减性质。 例：例：求水分子求水分子H2O的有效原子序数的有效原子序数 解：解：94. 2194. 2iiZaZ314iiiiZaZaZ1441331 82 14107.431 8 2 1Z1.4.2 1.4.2 化合物的有效原子序数化合物的有效原子序数2022-3-2466 线性衰减系数与吸收物质的密度成正比，故当射线穿过线性衰减系数与吸收物质的密度成正比，故当射线穿过 相同物体时，密度大的物质对相同物体时，密度大的物质对X射线的
45、衰减能力强。故实际射线的衰减能力强。故实际 中多采用密度大的物质做屏蔽材料。但对复合材料而言，由中多采用密度大的物质做屏蔽材料。但对复合材料而言，由 于各成分元素的吸收很不相同，可与较大能量范围的光子共于各成分元素的吸收很不相同，可与较大能量范围的光子共 振吸收，所以即使密度较小，对振吸收，所以即使密度较小，对X射线也有较强的吸收。射线也有较强的吸收。 例如：例如：XF型防护材料是由石墨、氧化钡、三氧化钨、氧化铝型防护材料是由石墨、氧化钡、三氧化钨、氧化铝 以及微量的锌、钙、钛、银、镁等按一定比例配合而成的复以及微量的锌、钙、钛、银、镁等按一定比例配合而成的复 合材料。其密度合材料。其密度 虽
46、小于铁的密度虽小于铁的密度 ， 但但XF型防护材料对型防护材料对X射线的衰减能力，在射线的衰减能力，在100kV时为铁的时为铁的1.2 倍，在倍，在150kV时为铁的时为铁的1.5倍。倍。33200mkg37800mkg2022-3-2467X射线在物质中衰减，主要是射线在物质中衰减，主要是X射线光子与物质中的电子相射线光子与物质中的电子相互作用，因此，互作用，因此，电子数目越多的物质，更易使电子数目越多的物质，更易使X射线衰减。射线衰减。某些常见物质的密度和电子数某些常见物质的密度和电子数 物质物质 密度密度 每千克电子数每千克电子数 每立方米电子数每立方米电子数 有效原子序有效原子序数数
47、氢氢 0.0899 6.00 0.00054 1 氧氧 1.429 3.01 0.0043 8 空气空气 1.293 3.01 0.0030 7.64 (00C760mmHg) 水水 1000 3.43 3.43 7.43 脂肪脂肪 910 3.40 3.17 5.92 肌肉肌肉 1000 3.36 3.36 7.42 骨骨 1650 3.00 5.55 13.8 铝铝 2700 2.00 7.83 13 )(3mkg)10(126kg电子32910m电子2022-3-2468nIIII21连续能谱窄束连续能谱窄束X X射线的衰减公式：射线的衰减公式：投射强度投射强度xnxxneIeIeI00
48、20121入射强度入射强度线性衰减系数线性衰减系数介质厚度介质厚度1000光子光子1cm 1cm 1cm 1cm水模型水模型288电子电子探测器探测器1000光子光子40KeV平均能量平均能量1cm水水351cm水水6504747452271cm水水36555231cm水水288 光子光子57 KeV21%连连续续能能谱谱 X 射射线线的的衰衰减减特特点点量量 减减 小小质质 提提 高高1.4.3 1.4.3 连续能谱连续能谱X X射线在物质中的衰减规律射线在物质中的衰减规律2022-3-2469 X X射线与人体组织的相互作用除与光子本身的能量有关外，射线与人体组织的相互作用除与光子本身的能
49、量有关外，还与物质的原子序数有关。还与物质的原子序数有关。 低原子序数物质（水）：肌肉、脂肪、体液低原子序数物质（水）：肌肉、脂肪、体液 与光子作用的三种物质与光子作用的三种物质 中等原子序数物质（钙）：骨骼中等原子序数物质（钙）：骨骼 高原子序数物质：碘化钠高原子序数物质：碘化钠 不同能量不同能量X射线对此三种物质的光电效应作用的百分数射线对此三种物质的光电效应作用的百分数 X射线能量射线能量 水水Z=7.4 骨骨Z=13.8 碘化钠碘化钠 （keV） Z=49.8 20 6.5 89 94 60 7 31 95 100 2 9 881.4.4 1.4.4 X X射线在人体组织内的衰减射线在人体组织内的衰减
