X线放射物理与防护第二章.pptx

第二章X线的的产生和性生和性质1.第一第一节、X线的的发现 X线是德国著名物理学家伦琴于1895年11月8日发现的。X线的发现在科学史上是个极其重大的事件，它给人类历史和科技发展带来巨大的影响，并由此开创了物理学和影像医学的崭新时代。X线成像技术与后来发展起来的核医学成像、超声成像、X线CT、磁共振成像、热图像、介入性放射学和内镜等技术共同组成现代医学影像学的崭新领域。2.3.第二第二节 X线的基本特性的基本特性X线是电磁辐射谱中的一部分，属于电离辐射，其波长介于紫外线和射线之间，是具有电磁波和光量子双重特性的一种特殊物质。就其本质而言，X线与可见光、红外线、紫外线、射线完全相同，都是电磁波，只不过X线的频率很高，波长很短。X线具有波动性，与可见光一样，具有衍射、偏振、反射、折射等现象。4.X线具有微粒性，X线的波动性可以成功地解释X线的干涉与衍射现象，但却不能解释X线的光电效应、荧光作用、电离作用等，这些只能用X线的粒子性做出圆满的解释。即X线是由一个个微粒即X光子组成的。5.6.X线是一种电磁波，它具有电磁波的共同属性。此外，由于X线的能量大、波长短，它还具有以下几方面的特有性质。(一)物理特性 1X线在均匀的、各向同性的介质中，是直线传播的不可见电磁波。2中性高能光子流，X线不带电，它不受外界磁场或电场的影响。3穿透作用 由于X线波长短，具有较高的能量，物质对其吸收较弱，因此它有很强的贯穿本领。其穿透本领的强弱取决于X线能量、物质密度和原子序数等因素。7.4荧光作用 某些物质被X线照射后，能激发出可见荧光。如磷、钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉等荧光物质受X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。透视用的荧光屏，摄影用暗盒中的增感屏，影像增强器中的输入屏和输出屏，测定辐射量的闪烁晶体、荧光玻璃等都是利用荧光特性制造的。X线的发现也是基于它的荧光作用。荧光的强弱与X线的量成正比8.5电离作用 X线虽然不带电，但它具有足够能量的X线光子能够撞击原子中的轨道电子，使之脱离原子产生一次电离。被击脱的电子仍有足够能量，去电离更多的原子。X线的电离作用主要是它的次级电子的电离作用。X线在气体中产生的正、负离子，在电场力的作用下很容易收集起来。通常就是利用空气中电离电荷(或电流)的多少来测定X线的照射量。多种测定X线剂量仪器的探头，如电离室、盖革弥勒计数管等都是根据这个原理制造的。X线的电离作用是放射治疗的基础，但它也可对人体造成损伤。9.6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这个原理研究出来的。10.(二)化学特性1感光作用 X线和可见光一样，同样具有光化学作用。它可使胶片乳剂感光，能使很多物质发生光化学反应。X线被广泛应用于人体X线摄影和工业无损探伤检查，以及照射量(胶片法)测定等技术中。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。11.(三)生物效应特性X线在生物体内也能产生电离及激发作用，也就是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X线照射后，可产生抑制、损伤甚至坏死。人体组织吸收一定量X线后，视其敏感程度的不同，而出现种种反应，这个特性可在肿瘤放疗中得到充分应用，它是放射治疗的基础。当然X线对正常人体组织也可能产生损伤作用，故应注意对非受检部位和非治疗部位的屏蔽防护，同时射线工作者也应注意自身的防护。12.第三第三节X线的的产生条件和装置生条件和装置研究研究证明，凡高速明，凡高速带电离子离子桩基物基物质而突然受阻，都而突然受阻，都能能产生生X线。一、一、X线的的产生条件生条件:1.1.电子源子源2.2.高速运高速运动的的电子流子流3.3.阳极靶阳极靶13.三、X线产生装置14.1.1.电子源：子源：电子源能提供所需数量的子源能提供所需数量的电子。子。2.2.高速运高速运动的的电子流：子流：要使要使电子成子成为高速运高速运动的的电子流需要两个条件子流需要两个条件;(1)(1)有一个有一个给电子加速的高子加速的高压场，在高，在高压场的作用下，的作用下，电子子获得足得足够大的大的动能。能。（2 2）有一个高真空的空）有一个高真空的空间，是，是电子在高子在高压场作用下而加作用下而加速运速运动的的过程中，免遭气体分子的阻程中，免遭气体分子的阻挡而降低能量。而降低能量。3.3.阳极靶：阳极靶：一个能一个能经受的住的高速受的住的高速电子撞子撞击而而产生的生的X X射射线的靶。的靶。15.X线管不同的分类1.按焦点分：单焦点，双焦点X线管2.按阳极分：固定阳极，旋转阳极X线管3.按靶物质分：钨靶、钼靶、铼钨合金靶X线管。16.17.18.19.20.21.以旋转阳极X线管来介绍产生X线装置的几个主要部分1.阴极：为电子源，起作用是按照需要提供足额数量的电子，经聚焦加速后撞击阳极而产生x线。阴极由灯丝和集射罩组成，灯丝多有高熔点的钨丝烧制而成。接通电源，灯丝加热，当温度升到一定值时钨原子的轨道电子便脱离原子核的束缚而溢出灯丝表面，形成包饶灯丝的电子云。灯丝电压越高，灯丝温度便越高，每秒蒸发出的电子数目就越多。当在阴极和阳极之间接通高电压（阴极为负、阳极为正）时，在强电场的作用下，蒸发电子奔向阳极便形成了管电流。管电流单位mA。22.2.阳极 又称阳极靶，它是使高速电子突然受阻而产生X线的地方。阳极靶面和散热体两部分组成。通常，是将钨材料靶面焊接在实心或空心铜材料圆柱体上。采用这种结构是因为从阴极飞来的高速电子能，99%以上都在阳极上变为了热能，使阳极产生，很高的温升，这就要求阳极材料既要耐高温，又要散热性能好。以便能及时将热量传递出去，保证阳极靶面不被融化而损坏。钨的原子序数高（Z=74），有利于提高X线产生的效率;其熔点高（3370C），能耐受住高速电子碰撞时产生的热量，但导热性差。铜的原子序数和熔点较低，但导热性能好，故结合两者的优点将阳极靶面做成将钨靶面镶嵌在镶嵌在铜散热体上的结构。23.固定阳极X线管由于焦点面受温的限制，功率不能太大，若功率太大，温度过高，靶面会融化，使靶面凹凸不平，在工作中产生大量的额散射线，影像图像质量，增加了射线的环境污染和防护难度。降低了X线管的使用寿命。、若增大焦点面也会影像影像质量，所以为了解决这个既要焦点小又要功率大的矛盾，就发明了旋转阳极X线管。旋转阳极X线管，做成了一个有梯度的圆盘，可随点击旋转高速旋转，这样，被掌机的靶面就是整个环形圆盘，避免了局部过热，是X线管的热容量大大提高。24.3.管壳，其作用是维持一个高真空度的空间。兵器这固定阳极和阴极的作用。管壳必须有不漏气、耐高温、绝缘性能好及吸收较少等特性。一般再用汗多种化学成分的硬质玻璃制成。4.其他装置：高压发生器、控制台等。25.26.27.本次授课完，谢谢！28.第四第四节 X线的的产生原理生原理（一）电子与物质的相互作用X线是高速电子与靶物质相互作用产生的。电子与物质相互作用的过程，就是电子与物质原子的原子核或核外电子的作用过程。当入射的高速电子从原子核旁经过时，由于受原子核库伦电场的作用，入射电子将连续的损失能量，损失的能量以X光子的形式释放出来即变为辐射能（E辐射射）E =E辐射射 +E电子子 +E热能能29.二X线的产生原理X线产生于高速电子轰击靶原子，由于高速电子与靶原子核作用时速度的连续变化而产生连续的X线。而又于轨道电子的内壳层跃迁变产生特征X线。高速电子被靶物质组织的过程很复杂，它不仅与靶面的原子作用，而且还能穿过原子的间隙，与内部原子作用。一般情况下电子在失去其全部能量之前要收到很多次撞击。X线的产生：X线是高速的入射电子与靶物质相互作用而产生的，或者说入射高速电子在与物质相互作用时，入射电子的能量转换成了X线光子的能量。30.（二）连续X线 对X线管发出的X线进行光谱分析，发现它由两种成分组成，一种是当高速电子与靶物质原子的原子核相互作用，由于受库伦电场的作用急剧减速u，其速度发生连续变化，这种X线谱是连续的，称为连续X线（又称韧致辐射）；另一种则是线状的，称为特征X线。可见X线是由这两种成分组成的混合射线。1、连续X线的产生原理 31.连续X线产生的物理过程是轫致辐射 高速电子进入到原子核附近的强电场区域，然后飞离强电场区域从而完成一次电子与原子核的相互作用时，电子的速度大小和方向必然发生变化。电子损失的能量将以电磁波（包括X线）形式向外辐射。电子的这种能量辐射叫轫致辐射。由于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也不同，所以各次相互作用对应的辐射损失也不同，因而发出的X线光子频率也互不相同。大量的X线光子组成了具有频率连续的X线光谱。32.图2-4当一个能量为E的高速电子与原子核相互作用时，日射电子会损失E，并改变运动方向。损失的能量就以X线光子形式释放出来，光子的能量hv=E。入射高速电子在于靶原子相互作用的过程中，可将部分或者全部的能量转变成X线。X线光子能量的大小与入射电子损失的能量大小相等。入射能量越大，X线光子能量越大。入射能量越小，X线光子能量越小。33.入射电子与原子核相互作用后，有的是经过辐碰撞耗尽所有能量。而绝大多数电子则是要经过多次碰撞，才能耗尽全部能量。每个电子经历的一次碰撞，便产生一个光子，多次碰撞产生多个光子，这样便产生多次辐射。这种多次辐射每次产生的能量不同，因而产生了光子能量，从零到最大值，这样就形成了连续的x线。34.其他原因影响半波整流，全波整流。35.下图是使用钨靶X线管，管电流保持不变，将管电压从20KV逐步增加到50KV，同时测量各波段的相对强度而绘制成的X线谱。36.2、连续X线的最短波长、最强波长、平均波长及最大光子能量。37.最短波长38.39.最强波长：最强 =1.5 min 平均波长 平均=2.5min 最大光子能量 =hvmaX（最大光子能量与管电压的峰值电压相等）40.41.特征特征X线 当高速电子与物质原子的核外电子相互作用时，所产生的X线。特征特征X 线产生原理：生原理：（标识X线的产生的原理）X-ray 基基态 受激受激态 基基态 跃迁迁 激激发42.43.2特征X线的激发电压靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合能，只有当入射高速电子的动能大于其结合能时，才有可能被击脱造成电子空位，产生特征X线。44.45.46.第五第五节 X线的量、的量、质及及强度度习惯上常用X线强度来表示X线的量与质。所谓X线强度是指在垂直于X线传播方向单位面积上，在单位时间内通过光子数量与能量乘积的总和。47.1、X线的量的量 在实际放射工作中，作为一种简便方法，一般是用管电流(mA)和照射时间(s)的乘积来反映X线的量，以毫安秒(mAs)为单位。管电压一定时，X线管的管电流的大小反应了阴极灯丝发射电子的情况。管电流大，表明单位时间撞击阳极靶的电子数多，由此激发出的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。所以管电流和照射时间的乘积能反映X线的量。48.2、X线的的质 X线的质又称线质，它表示X线的硬度，即穿透物质本领的大小。X线质完全由光子能量决定（即X光子的频率决定），而与光子个数无关。X光子频率越高，波长越短，能量越高，穿透力越强，X的质越硬。在实际应用中是以管电压和滤过情况（滤过物质和厚度）来反映X线的质。这是因为管电压高、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。在工作中描述X线质除千伏值外，还用半价层、半值深度等物理量来表示X线质49.影响影响X线量和量和质的因素的因素1.靶原子序数（靶物质）的影响：在管电压、管电流、投照时间相同的情况下，阳极靶的原子序数愈高，X线的量愈大。2.管电流的影响：在一定管电压下同种靶物质和相同的照射时间，X线的量与管电流成正比，管电压一定时，X线管的管电流的大小反应了阴极灯丝发射电子的情况，管电流越大表明阴极发射的电子越多，因而电子撞击阳极靶产生的X线的量也越大：发射出的X线的强度也就越大(质不变，量增加)。3.管电压的影响：在相同mAs同种靶物质的条件下，X线的量与管电压的n次方成正比。50.51.52.4.高压波形，X线两端电压波形对产生X线的质和量有明显影响。单相电源的半波整流和全波整流，由于高压波是脉动的，所以产生的X线也呈脉动变化。5.过滤，滤过对X线的量与质及能谱构成均有很大影响。增加滤过板厚度，可大量衰减连续谱中的低能成分，使能谱变窄，线质提高，但总的强度降低了。在放射工作中应熟练掌握影响X线量与质的诸因素，并能根据临床工作需要，恰当地选择X线的量与质，这对提高影像质量和降低受检者的受照剂量都具有重要意义。53.54.X线的强度单能射线的强度，X线强度(I)是由光子数目(N)和光子能量(hv)两个因素决定的。即：I =N hv 连续X线的总强度(I连)与管电流(i)、管电压(U)、靶原子序数(Z)的关系可用下面公式近似表示出来:I连=K1 I Z Un 55.第六第六节、X线的的产生效率生效率在X线管中产生的X线能与加速电子所消耗电能的比值，叫做X线的产生效率。在X线管中加速阴极电子所消耗的电功率(IU)全部变成高速电子的动能。这些高速电子在与物质复杂的相互作用过程中产生X线，同时也产生大量的热。研究证明，X线管产生X线的效率极低，一般不足1，而绝大部分的高速电子能都在阳极变为了热能，使阳极靶面产生很高的温升。这是X线管不能长时间连续工作的原因所在。因此X线管必须有良好的散热冷却装置。大量存在的软X线也是导致效率低的原因。56.57.七、七、X线强度的空度的空间分布分布 从X线管焦点上产生的X线，在空间各个方向上的分布是不均匀的，即在不同的方位角上的辐射强度是不同的。这种不均匀的分布称为辐射强度空间分布。实验表明，X线辐射强度在空间的分布情况很复杂，主要取决于入射电子的能量、靶物质及靶厚度等因素。1、薄靶X线强度的空间分布2、厚靶周围X线强度的空间分布3、诊断X线机靶周围X线强度的空间分布 Heel Effect 阳极端效应 58.59.随着管电压的升高，X线强度的分布逐渐向前，其他方向的相对减弱。医用直线加速器透射式薄靶60.厚靶周围X线强度的空间分布厚靶X线管所产生的X线分布与阳极角有关。阳极角:是指垂直于X线管长轴与靶面之间的夹角。61.62.阳极效应：靠近阴极端的强度比靠近阳极端的X线强度强，这种现象成为厚靶X线强度缝补的阳极效应。又称足跟效应拍摄X线照片是应注意：63.经过的距离：OAOBOC所以说,光子在靶中穿行的距离越大，损失的能量就越多。64.65.