X线物理学

第1章 X线物理学基础与防护

1．X线的产生与性质 1.1X

X线是由能量的转换而产生。产生X线的主要器件是X线管。它是用硬质玻璃做外套，内部真空，有两个相对的电极。一个是产生电子的阴极，也叫丝极或负极；另一个叫阳极，也叫靶成正极。当X线管两极间有高压时，阴极钨丝放散的电子，就获得能量，以高速冲向阳极。，由于阳极的阻止作用，使电子骤然减速而产生X

1.1.1 X线产生的条件 X线管之所以能产生X

·电子源 钨丝通过电流加热后，即放射出电子。这些电子在灯丝周围形成空间电

·高速电子的产生 灯丝放散出来的电子，能以高速冲击阳极，还必须有两个条件。第一，必须在X线管的阴极和阳极间加以高电压，两极间的电位差使电子向阳极加速；第二，为防止电子与空气分子冲击而减速，X

·电子的骤然减速 高速电子的骤然减速，是阳极阻止的结果。此时电子的一部分能量转换为X线。因为阳极需要承受高速电子的冲击，所以靶物质(焦点面)，一般都是用高原子序数、高熔点的钨制成。阳极的作用有两个，阻击高速电子；完成高压电路的

1.1.2X线产生的原

X线产生的原理，就是高速电子和钨原子相互作用的结果。这是一个比较复杂的过程。简单地说，X线的产生就是利用靶物质的三种性质。即：核电场、轨道电子结合能、原子存在于最低能级的需要。

当X线管的电子束和钨靶相互作用时，每一个电子的能量等于它的电荷乘以X线管电压，即E=ev。E=电子能量，e=电子电荷，v=X线管电压(kVp)。因为电子的电荷不变，那么增加管电压，将会增加电子的能量(E)。

X线管电压用kVp来表示，它是指给电子加速的最大管电压；而用keV表示电子的能量。实际上，当管电压为100kVp时，电子束中只有很少数的电子能得到100keV的能量，而大多数的电子能量都要比100keV小。这是因为，X线管电压不是恒定的，而是脉动的。例如：在一个单相全波整流的电路中，电压从0到峰值的变化为100次／

电子在钨靶上丢失能量时，有两种不同的放射方式产生出X线，即连续X线和特性X线。

1.1.3连续X

当高速电子接近原子核时，电子(带负电荷)由于受核电场(正电荷)的吸引，而偏离原来的方向。在方向改变时，电子因丢失能量而减速。此时电子所丢失的能量，直接以光子的形式放射出去。这样产生的X线为连续X线(图1)。电子在核电场减速，所放射的X线光子的能量，决定于(1)电子接近核的情况(2)电子的能量(3)

一个高速电子在能量全部丢失之前，要进行多次这样的作用，要穿过许多原子层。每作用一次，就有一部分能量放射出去。此外，冲击钨靶的电子能量也不相同。有时一个电子，可能与原子核相碰，则电子的所有能量就呈现为一个单一X线光子。这样，就造成了普通放射波长分布的广泛性。这种放射只有不足于1%的能量转换为X线，而绝

放射的能量就是电子丢失的能量。因此，X线光子能量与电子能量(keV)有关，而电子的能量又与管电压(kVp)有关。X线光子能量的大小和它的波长成反比关系。也就是说，X线光子的能量越大，它的波长就越短。如果一个电子与原子核相碰，其全部能量转换为X线光子，即是最短波长(λmin)

λmin=1.24/V(kV) nm

例如，管电压是100kVp，电子能获得的最大能量是100keV，其产生的最短波长是λmin=1.24/100=0.0124nm。但是，其余大部分X线波长都比最短波长长得多。连续X线的最强度波长是最短波长的1.3-1.5倍。连续X线的波谱将随管电

管电压升高时，产生的X阳极靶物质的原子序数大时，XX

1.1.4特性X

特性X线是高速电子冲击靶物质内层轨道电子而产生的。一个常态的原子经常处于最低能级状态，也就是说，它永远要保持其内层轨道电子是满足的。如果从钨原子移去一个电子，就会造成这个原子有剩余的正电荷，而成为正离子。原子在恢复正常状态时，K层电子空位常由L层电子补充，这是因为L层电子比K层电子的能量多。当电子从L层转换到K层时，将把多余的能量作为X线光子放出。这种放射就称为K特性放射。

由于特性X线是在原子内层轨道电子跃迁中产生的。因此，无论产生电子空位的原因如何，也无论造成这种空缺的冲击电子的能量大小，只要能造成空缺，则产生的特性X线都是一样的。例如，靶物质钨的K层电子结合能为69.5keV，具有70keV以上能量的冲击电子都可以击脱K层电子，而产生特性X线。但高速电子必须具有能击脱K层电子的最低能量，也即具有一个最低的激发电子压(也称限界电压)

在X

70kVp以下，不产生K特性X

80-150kVp，K特性X线占10-280kVp以上，特性X1.1.5X

产生X线所消耗的总能量与阴极电子能量之比，称作X

η=X线消耗的总能量/阴极电子能量=K·V2ZI/VI=KVZ(%)

(V：管电压，Z：靶物质原子序数，I：管电流，K：系数)，在X线诊断领域内，K=1.1×10-9。例如，管电压为100kV，靶物质为钨(W)原子序数是74时，X线产生的效率则为0.8%，而88.2%

1.2X

1895年11月8日，德国物理学家威.康.伦琴在实验室内研究阴极射线管放电现象时发现X线。1901年伦琴因发现X线而获诺贝尔物理奖。

X线肉眼看不见，不带电，具有穿透、荧光、电离、感光等作用以及生物效应。 1.2 .1X

X线也称伦琴射线，X线本质是一种电磁波。它与无线电波、可见光、γ射线一样都具有一定的波长和频率。由于X线光子能量大，可使物质产生电离，故又属于电磁波中

X线与其它电磁波一样，具有波动和微粒的二重性。X线的波动主要表现在以一定的波长和频率在空间传播；它的微粒性主要表现为光子形式在辐射和吸收时具有能量、质量和动量。

波动和微粒二重性是X线的客观属性，在不同条件下属性表现的侧重点会有所不同。如X线在传播中发生的反射、干涉、衍射等现象，突出表现了它的波动性；而在与

1.2 .2X

·物理效应 体现为穿透性、荧光作用、热作用、干涉、衍射、反射、折射作用、

·化学效应 感光作用、

·生物效应 生物细胞在一定量的X1.3 X1.3.1 X

X线强度是垂直于X线束的单位面积上，在单位时间内通过的光子数和能量的总和，即线束中的光子数乘以每个光子的能量。在实际应用中，常以量与质的乘积表示X线强度。量是线束中的光子数，应用中表示X线量的是mAs。质则是光子的能量(也称穿透力)。连续X线波谱中每条曲线下的面积表示连续X

1.3.2影响X

X线强度(或X线产生)受管电压、管电流、靶物质及高

⑴靶物质 在一定的管电压和管电流下，放射量的多少决定于靶物质。靶物质的原子序数越高，产生X线的效率就越高。X线管选用钨或钨合金做为靶物质，即阳极焦点面，是因为它有较高的原子序数(Z=74)和相当高的熔点(3370℃)

另外，还要注意区

分，靶物质的原子序数与两种不同放射的关系。对连续X线来说，原子序数决定X线量的产生；而对特性X线来说，原子序数决定产生特性X线波长的性质。例如，钨K特性线的变化从57keV到69keV，而锡(Z=50)的K特性线是25～29keV，这就说明钨和锡的K特性

⑵管电压(kVp) X线光子的能量，取决于冲击电子的能量大小，而电子的能量又由管电压kVp来确定。所以，管电压决定产生X线最大能量的性质。例如，只有在管电压为峰值(kVp)时，才会有100keV或接近100keV的最大(最短波长)的X线光子产生。

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