1、第二章放射物理学基础第一节X线的产生和性质 1895年11月8日德国物理学家伦琴做阴极射线管的实验时意外发现X射线；1901年，伦琴为此获得诺贝尔物理学奖。X线、放射性、电子并称19世纪末20世纪初三大发现，是现代物理学发展的标准一、X线发现 在发现X线3个月后，维也纳一家医院首先用X线协助外科手术。X线发现已有100多年历史，X线不仅日益广泛地应用于医学诊断和治疗上，而且还用于物质结构分析、工业探伤、科研等方面。二、X线的本质和特征 1912年，德国物理学家劳厄等人利用晶格做衍射光栅实验时观察到X线的衍射，证明X线本质是一种电磁波。1914年获得诺贝尔物理学奖(一)X线本质电磁波 长波、中波
2、、短波、微波、红外线、可见光、紫外线、X线、射线都为电磁波。它们本质完全相同，只是波长、频率有所差别。电磁波性质：1、波动性：干涉、衍射、偏振、反射、折射、散射 波动性的主要表现：以一定的波长和频率在空间传播 电磁波是横波，其传播速度在真空中与光速相同，用波长、频率来描述。2、粒子性：X线的波动性波能解释它的光电效应、荧光作用、电离作用等，这些只能用爱因斯坦的光量子理论，即X线看做一个个微粒。微粒性表现：在辐射、吸收时具有能量、质量和动量。E=hv c=v 波长越短的电磁波，其粒子能力越大 根据光子能量的大小，电磁辐射分为两种。3、具有波、粒二象性 X线即具有波动性又有粒子性，所以有波、粒二象
3、性。波动性是几率波 量子力学将波粒二项性统一非电离辐射：可见光以前的电磁波（包括可见光）电磁辐射电离辐射：可见光以后的电磁波（二）X线特性 1、物理特性（1）穿透性：X线的穿透性不但与其能量有关，还与物质的密度和原子序数有关。X线能量越大穿透性越强，反之则弱。X线对人体不同组织穿透性能的差别，是X线透视、摄像和CT检查的基础，也是选择屏蔽防护材料和滤过板材料的依据。（2）荧光作用：X线照射某些物质时，物质的原子被激发或电离；当恢复到基态时，便放射出可见的荧光（自发辐射）。具有这种特质的物质称为荧光物质。荧光物质：钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌 荧光物质应用：透视用的荧光屏、摄影用的增感屏（3
4、）电离作用：具有足够能量的X光子不仅能击脱物质原子的轨道电子产生一次电离，脱离原子的电子再与其他原子碰撞，还会产生二次电离。电离作用是X线放射治疗的基础，但对人体也有伤害（4）热作用：物质吸收X线能量，最终绝大部分都将变为热能，使物体温度升高。2、化学特性（1）感光作用：X线具有光化学作用，可使胶片乳胶剂感光，能使很多物质发生光化学反应。（2）着色作用:某些物质经X线长期照射后，其结晶体脱水渐渐改变颜色 3、生物效应特性：X线在生物体内能产生电离和激发作用，使生物体产生生物效应。生物细胞特别是增殖性强的细胞，经一定量的X线照射后，可以产生抑制、损伤甚至坏死。三、X线的产生（一）X线产生条件 高
5、速带电粒子撞击物质而突然受阻减速时能产生X线 产生X线必须具备三个基本条件：1、电子源 2、高速电子流（1）高电压产生的强电场 （2）高真空度的空间 3、能经受高速电子撞击产生X线靶面（二）X线产生装置（诊断机、治疗机）X线机:能将电能转变为X能的装置称为X线机。能根据不同需要产生量和质能控制的X线束 医用X线机：（1）诊断机（2）治疗机 X线机：主机、机械装置、辅助设备 主机结构：X线管、高压发生器、控制台 1、球管（X线管）：高真空度的热电子式 X线管。特制的玻璃管 中插入两个电极，产 生发射热电子的阴极，接受电子撞击的阳极 靶面（1）阴极：由灯丝和集射罩构成。灯丝电压越高，温度越高，每秒
6、钟蒸发出电子数越多。（2）阳极：使高速电子突然受阻而产生X线的地方。阳极由靶面和散热体组成，通常将钨靶焊接在实心或空心的铜圆主体上。铜导热性能好，但熔点和原子序数低；钨熔点金和原子序数高，但导热性能差（3）管壳：维持真空，固定阴极和阳极。旋转阳极X线管和固定阳极X线管；钼靶、金靶、钨靶 焦点（实际焦点）：从阴极灯丝射向阳极的高速电子流，经聚焦后撞击在阳极靶面上的面积称为实际焦点。大小取决于聚焦槽的形状、宽度和深度 聚焦槽与灯丝位置及其电位分布影响阴极电子流的分布，形成主焦点和副焦点 灯丝正面发射的电子撞击靶面形成主焦点 灯丝侧方发射的电子撞击靶面形成副焦点 主焦点和副焦点共同形成（实际）焦点，
7、理想的实际焦点在靶面上形成近似矩形 阳极角：阳极面与X线投射方向之间的夹角叫阳极角，一般1020 在聚焦槽中灯丝的深度与焦点大小有关，当灯丝在聚焦槽内的深度越深、聚焦槽的宽度越狭时聚焦作用越大，即灯丝深度大，主焦点变小，副焦点变大。理想的副焦点是处于主焦点内侧，此时热量容易被分散，焦点大小变化不大。实际焦点在X线投射方向上的投影面积称为有效焦点。有效焦点约为一矩形，其大小可用 来表示。其中：a为焦点的宽、b为焦点的长、为阳极倾角。阳极角：阳极面与X线投射方向之间的夹角sinba 有效焦点标称值 1982年国际电工委员会（IEC）336号出版物上阐述了用无量纲的数字（如1.0、0.3、0.1等）
8、来表示有效焦点的大小，此数字称为有效焦点标称值，其值是指有效焦点或实际焦点宽度上的尺寸。另外，由于焦点面上的线量分布是不均匀的，故在描写焦点成像性能时又用“等效焦点”来描述。2、高压发生器 灯丝电路、高压电路、限时电路 3、控制台 电源开关、工作方式、mA kV、照射时间 4、机械装置和辅助装置四、X线产生原理（一）电子与物质相互作用 高速电子带负电荷，主要与原子核的正电场及轨道电子的负电场发生作用。所谓撞击实际上是带电粒子间静电库仑力的相互作用。电子碰撞过程中能量损失：碰撞损失、辐射损失 1、碰撞损失：凡电子与原子外层电子作用而损失的能量统称为碰撞损失，碰撞损失能量最后全变成热能。可使原子激
9、发或电离。激发所需能量只需几千电子伏，能量损失小 电离外层原子脱离靶原子并且具有一定的动能 电离出的电子动能100eV，称为电子。电子可使原子激发或电离，也可与原子核和内层电子相互作用 2、辐射损失：与原子的内层电子或原子核相互作用损失的能量统称辐射损失。运动电子与物质相互作用，发生能量转换：E=E热+E电离+E辐射(二)X线产生原理 X线组成：1、与原子核相互作用连续X线 2、与内层轨道电子相互作用特征X线1、连续X线 连续辐射又称轫致辐射。它是高速电子与靶原子核相互作用时产生的、具有连续波长的X线。连续辐射构成连续X线谱，是包含多种能量光子的混合射线（1）连续X线产生的物理过程经典电磁理论
10、：当一个带电体在外电场中速度变化时，带电体将向外辐射电磁波。电子进入原子核附近的强电场区域、然后飞离，从而完成一次电子与原子核的相互作用，电子速度大小和方向必然发生改变。按上述理论向外辐射电磁波。电子这种能量辐射叫轫致辐射，产生能量为h?的电磁波称为X线光子 产生连续辐射的原因：每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同，且每个电子与靶原子作用前具有的能量不同，所以各自作用的辐射损失不同，因而发出的线光子频率也互不相同。图2-3（2）连续辐射的最短波长：图2-4，连续X线谱每条曲线都有一个峰；在长波长方向上无限延伸，强度越来越弱；在短波长方向上，曲线存在一个波长极限，称为最短波长图2-4钨在较低
11、管电压下的连续X线谱 电子获得的最大能量E=eV 最大动能 =E=eV,电子所有的动能变为 辐射能eV=h?,这个频率就是最大频率，对应最小波长=c/?。描述线能量时，经常用到kV(kVp)和keV,kV是指球管两极管电压的千伏值，kVp是指峰值管电压的千伏值，keV基本粒子能量的千电子伏值212mvmin1.24()nmU kV（3）影像X线强度的因素：阳极靶面的原子序数、电流、电压 以上所涉及的X线管电压为恒电压，而实际上X线管电压是交流电经过整流后的脉动电压。对于脉动电压，产生的X线最短波长只与管电压的峰值（kVp）有关。在X线管中，随管电压而能量周期变化的电子群以各种不同的受阻情况与靶
12、原子作用，这也是产生范围很广的连续线谱的一个重要原因。连续X线波谱中每条曲线下的面积表示连续X线总强度，连续X线的总强度与管电流、管电压、靶原子序数的关系：最大强度对应的波长值称为最强波长：=KnIi Z kV 连min=1.5最强 在诊断用X线中，以最强波长为中心，邻近两侧的波段起主要作用。由于滤过不同，连续X线的平均能量一般为最大能量的1/31/2，其平均波长为最短波长的2.5倍：课本例题min=2.5平均2、特征X线 特征辐射又称标识辐射，与连续辐射的产生机理完全不同 图2-6 钨在不同管电压下的X线谱 在X射线谱中看到，标识谱是叠加在连续谱上的线状谱，这些谱线所对应的波长位置与外加电压
13、无关(当然v要超过临界值)，而只决定于靶的材料。(1)产生机理：高速电子将内存电子打出（离开原子）使之成为自由电子（光电子），使原子内电子层出现空位，从而处于不稳定的激发态。这样按能量分布的原则，处于高能态的外层电子必然要向内层跃迁填补内层电子空位，便释放出能量（hv）等于电子跃迁前(E2)、后(E1)两能级之差的X光子：21hEE 由于每一种元素的特征谱线都不相同，因此可以用这样的谱线来标识各元素，所以称为标识谱（2）特征X线的激发电压：当入射高速电子的动能大于内层电子结合能时，才有可能被击脱造成电子空位，产生特征x线。只要造成空位，则产生的特征X线都是一样的。产生特征X线必须有一个激发电压
14、()khW W是结合能 标识谱中K线系是第K壳层以外各壳层电子跃迁到K壳层空位上形成的 L线系是L壳层以外电子跃迁到L层空位上形成 M线系是M壳层以外的电子跃迁到M壳层空位上形成的。可知X射线的标识谱是原子内层电子跃迁产生的轫致辐射原理图特征辐射原理图 影响特征X线的因素：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，并随管电压的继续升高强度迅速增大 连续光谱的性质与阳极的材料无关 线状光谱的结构与阳极的材料有关。每一元素具有自己特有的X射线线状光谱五、X线的量和质 习惯上常用X线强度来表示X线的量和质，这并不能将X线特性表达清楚。X线强度：指单位时间内通过垂直于X线束的方向上单位
15、面积上的X线光子数量与光子能量乘积的总和。可见X线强度由光子数目和光子能量决定。在实际中，常用X线量与质的乘积表示X线强度 量是指线束中光子数 质是指光子的能量 1、X线的量 就是X线光子的数目 由相同能量光子组成的单能辐射，其辐射强度：N为单位时间通过单位横截面积上的X线光子数 由不同能量，但能量完全确定的光子组成的复合光谱，辐射强度：光子组成连续谱，辐射强度：I=Nhniii=1=NIh总max0(E)EIE NdE X线强度的SI单位:量（mAs）：可以用X线管的管电流mA与照射时间s的乘积来反应X线的量，通常以mAs为单位 管电压一定时，管电流大，表明单位时间撞击阳极靶面的电子数多，由
16、此激发的X线光子数也正比地增加；照射时间长，X线量也正比地增大，所以管电流与照射时间的乘积能反应X线的量。21J ms2、X线的质，又叫线质（kV）,它表示X线的硬度，即穿透物质本领的大小。(是指光子的能量，X线的质只与光子能量有关而与光子数无关。)在X线的放射应用中，常以X线管的kV值近似描述X线的质。kV越高，电子从电场中获得的能量越大，产生的X线的穿透本领越大。所以kV能反映X线的质 一般情况下，并不需要严格的能谱分析，通常就用表示射线穿透能力的半价层(half value layer，HVL)来表示X线的质。HVL是使一束X线的强度衰减到其初始值一半时所需要的标准物质的厚度。诊断用X线
17、通常有铝作为表示HVL的物质，HVL越厚表示X线的质越硬六、影响X线量与质的因素 靶物质、kV、mA及高压波形直接影响X线量与质。（一）影像X线量的因素 1、靶物质 在kV和mA一定情况下，连续X线强度与靶物质的原子序数Z成正比。其他条件相同下，锡靶和钨靶的线谱。曲线两个端点重回，高能端重回，说明X线谱的最大光子能量只与管电压有关与靶物质无关；低能端重回因为X线管固有的过滤的限制，低能成分被管壁吸收 实际上，把锡在任何能量时的强度乘以74/50，则将正好落在钨的曲线上。因为X线强度与靶原子的Z成正比，而74和50分别是钨和锡的Z。特征X线完全由靶物质的原子结构特性所决定，靶物质的Z越高，轨道电
18、子的结合能就越大，特征X线的能量也就越大，所以需要的激发电压更高。2、管电流 在一定的管电压下，X线的强度决定于mA。mA越大，说明撞击阳极靶面的电子数越多，产生的X线强度也越大。3、管电压 X线束中的最大光子能量等于高速电子的最大动能，而电子的最大动能又决定于管电压的峰值，即X线的质取决于管电压的千伏值。改变管电压，整个X线谱的形状也随之发生变化（图2-5c）当电流不变，电压增高时，连续X线谱的最短波长和最强波长都向短波方向（高能段）移动，可见X线束中的高能成分增多，X线质提高。（二）影像X线质的因素 X线的质仅取决于管电压的千伏值。无论何种靶物质，在一定的管电压下所产生的联系X线的最短波长
19、和最长波长是相同的。X线的量与靶物质原子序数、管电压的n次方、管电流及投照时间成正比。X线的质取决于管电压的千伏值。七、X线产生效率nK mA Z kVK Z kVmA kV X线的产生效率等于X线功率（X线总强度）与加速电子所消耗电能的比值：X线的产生效率比较低，一般不到1%，约99%转化为热。表2-2钨靶线管和加速器产生X线效率八、X线强度空间分布 X线管产生的X线，在空间各个方向上的分布不是均匀的。这种不均匀的分布称为辐射强度空间分布或辐射场的角分布。X线辐射强度在空间分布主要取决于入射电子的能量、靶物质、靶厚度等因素 1、厚靶周围X线强度的空间分布 国内外用于医疗诊断方面的线管，其阳极
20、靶较厚，称为厚靶X线管。对于厚靶，高能电子不但与靶面原子作用还穿透靶物质内部的一定深度，与靶原子作用，直至将电子的能量耗尽位置。如图，除了靶面辐射线外，在靶的深层，在靶面内O点产生X线向各个方向辐射，越靠近OC方向，穿过靶的厚度越厚，靶本身对X线的吸收也越多；越靠近OA方向，靶对它的吸收越少。而且靶角越小，下降越大。这种越靠近阳极，X线强度下降越多的现象称为阳极效应，也叫足跟效应 当靶面阳极角为20，在通过X线管长轴且垂直于焦点平面的平面内测定，则近阳极端X线强度小，近阴极端线强度大。最大值在110处，分布是非对称性的。（图2-11a）在通过X线管短轴且垂直于焦点平面的平面内测定，90处最大，
21、其分布基本上是对称的。(图2-11b)经实验测量，从X线管窗口射出的有用X线束强度分布是不均匀的，普遍存在阳极效应。图2-12中，若规定与X线管长轴垂直方向中心线（0）的强度为100%，从其他不同角度方向上强度分布情况看，阳极效应十分明显。2、薄靶周围X线强度的空间分布 图2-13表示不同管电压下不同薄靶中产生的X线在周围空间的分布。不同角度上的矢径长度代表在该方向上X线强度。图2-14表示一薄靶在不同管电压下，产生的X线强度在靶周围分布的变化情况。根据薄靶产生X线的空间分布特点，在管电压较低时，利用反射式靶在技术上很有好处 使用超高压X线管时，考虑能量分布因素，则需采用透射式靶，电子从靶的一面射入，X线从另一面射出。医用电子直线加速器产生的高能X线，使用的就是透射式薄靶。3、X线机周围剂量场的分布 在X线机周围工作环境中，剂量场的分布情况是辐射防护的重要参考资料，可发现潜在的异常高剂量区，从而采取必要的防护措施，减轻照射的危害。谢谢！
