吉林大学：《医用物理学》课程电子教案（PPT课件）第十章 X射线成像的物理基础

第四章X射线 X射线又称伦琴射线，是一种波长 较短的电磁波。波长)为0.001~10nm。本章主要 讨论X射线的发生原理、基本性质、吸收规律。 第一节X射线的产生及其基本性质 、 X射线的产生 一般X射线都是用高速电子流冲击适当的靶 子产生的，如下图是X射线发生装置的示意图， 主要包括三个部分：X射线管、高压电源、低压 (灯丝)电源

第四章 X射线 X射线又称伦琴射线，是一种波长 较短的电磁波。波长为0.00110nm。本章主要 讨论X射线的发生原理、基本性质、吸收规律。 第一节 X射线的产生及其基本性质 一、X射线的产生 一般X射线都是用高速电子流冲击适当的靶 子产生的，如下图是X射线发生装置的示意图， 主要包括三个部分：X射线管、高压电源、低压 (灯丝)电源

1、X射线管 低压电源 X射线管是X射线 发生装置的核心。发 生X射线应具有两个基本条件： 高速电子流和适当的阻挡电子 毫安表 X射线 流运动的障碍物--靶。当高速 千伏计 电子流轰击靶而受阻时，就有 部分电子动能转变为X射线能量 X射线管是热阴极式的，是高真空(106~104Pa)的 硬质玻璃管，管内封有两个电极：阴极--灯丝， 用高熔点的钨丝制成；阳极是铜制圆柱体，柱端 斜面上嵌有一小块钨板作为接受高速电子流轰击 的靶。阴极由低压电源(=1OV)单独供电。两极间加

1、X射线管 X射线管是X射线 发生装置的核心。发 生X射线应具有两个基本条件： 高速电子流和适当的阻挡电子 流运动的障碍物----靶。当高速 电子流轰击靶而受阻时，就有 部分电子动能转变为X射线能量。 X射线管是热阴极式的，是高真空(10-610-4Pa)的 硬质玻璃管，管内封有两个电极：阴极----灯丝， 用高熔点的钨丝制成；阳极是铜制圆柱体，柱端 斜面上嵌有一小块钨板作为接受高速电子流轰击 的靶。阴极由低压电源(=10V)单独供电。两极间加 + _ 千伏计 毫安表 低压电源 Ｘ射线 阳 < 阴

有高压电源，一般为几万到几十万伏。 当阴极有电流流过时，温度升高，电子 因受热从阴极发射出来，阴极电流越大， 温度就越高，单位时间从阴极发射的电子也越多 这些电子受到两极间高压电场的作用而加速，形 成高速电子流飞向阳极并连续不断的轰击阳极靶。 当这些高速电子突然被靶阻止时，就有部分能量 转变为辐射线向四周辐射，辐射出来的射线就是 X射线，同时产生大量的热。 加在两极间的直流高压电称为管电压，用干 伏计测量。X射线管内两极间形成的电流称为管 电流，用毫安计测量

有高压电源，一般为几万到几十万伏。 当阴极有电流流过时，温度升高，电子 因受热从阴极发射出来，阴极电流越大， 温度就越高，单位时间从阴极发射的电子也越多 这些电子受到两极间高压电场的作用而加速，形 成高速电子流飞向阳极并连续不断的轰击阳极靶。 当这些高速电子突然被靶阻止时，就有部分能量 转变为辐射线向四周辐射，辐射出来的射线就是 X射线，同时产生大量的热。 加在两极间的直流高压电称为管电压，用千 伏计测量。X射线管内两极间形成的电流称为管 电流，用毫安计测量

三、X射线的强度和硬度 在临床医疗上，X射线照射的是人体， 因此，既要考虑疗效，也要考虑防护，所 以，要适当选用X射线的强度和硬度。 1、X射线的强度 X射线的强度是指在单位时间内通过与射线 方向垂直的单位面积的辐射能量，用表示，单位 为Wm2。 I=∑N,w 式中v表示X射线光子的频率，N为频率是v的X 射线的光子数

三、X射线的强度和硬度 在临床医疗上，X射线照射的是人体， 因此，既要考虑疗效，也要考虑防护，所 以，要适当选用X射线的强度和硬度。 1、X射线的强度 X射线的强度是指在单位时间内通过与射线 方向垂直的单位面积的辐射能量，用I表示，单位 为W·m-2 。 i i i I N h =   式中i表示X射线光子的频率，Ni为频率是i的X 射线的光子数

增加管电流，可以增加电子流的数 量，轰击靶子的的高速电子数目就越多， 由靶发射的X射线光子的数目就越多。即 增加了公式中的N的值。因此，强度I增加，所以 增加管电流，可以使X射线强度增加。通常是在 管电压保持一定的条件下，调节管电流来控制X 射线的辐射强度。在临床上用管电流的毫安数来 表示X射线的强度，称为毫安率。如果要估算在 一段时间内X射线的总辐射能量，通常用管电流 的毫安数与辐射时间的积来计算总辐射能量，称 为毫安秒(mAs)。它等于X射线管中的电子流总 电量的毫库仑数。人体进行X射线诊断和治疗时， 必须严格考虑照射量的毫库仑数

增加管电流，可以增加电子流的数 量，轰击靶子的的高速电子数目就越多， 由靶发射的X射线光子的数目就越多。即 增加了公式中的N的值。因此，强度I增加，所以 增加管电流，可以使X射线强度增加。通常是在 管电压保持一定的条件下，调节管电流来控制X 射线的辐射强度。在临床上用管电流的毫安数来 表示X射线的强度，称为毫安率。如果要估算在 一段时间内X射线的总辐射能量，通常用管电流 的毫安数与辐射时间的积来计算总辐射能量，称 为毫安秒(mA·s)。它等于X射线管中的电子流总 电量的毫库仑数。人体进行X射线诊断和治疗时， 必须严格考虑照射量的毫库仑数

2、X射线的硬度 X射线的硬度是指X射线对物质的贯 穿本领。对一定的吸收物质，X射线被 吸收得越少，贯穿的量越多，X射线就越硬，或 说X射线硬度越大，X射线的硬度只决定于每个 光子能量的大小而和光子的数量无关。增加管电 压，电子到达阳极靶时具有的速度或说动能就越 大，就会有更多的能量转化为X射线光子的能量， 产生X射线的波长也越短，贯穿本领就强，X射线 的硬度就越大，医学上习惯用管电压来间接表示 X射线的硬度，称为千伏率

2、X射线的硬度 X射线的硬度是指X射线对物质的贯 穿本领。对一定的吸收物质，X射线被 吸收得越少，贯穿的量越多，X射线就越硬，或 说X射线硬度越大，X射线的硬度只决定于每个 光子能量的大小而和光子的数量无关。增加管电 压，电子到达阳极靶时具有的速度或说动能就越 大，就会有更多的能量转化为X射线光子的能量， 产生X射线的波长也越短，贯穿本领就强，X射线 的硬度就越大，医学上习惯用管电压来间接表示 X射线的硬度，称为千伏率

第二节X射线谱 X射线谱 用X射线摄谱仪可获得X射线谱，X射线谱由两 部分构成：一部分是波长连续变化的，称为连 续谱；另一部分是具有个别波长的线状谱，称 为标识谱。 如图是用钨靶射线管得到的X射 线谱示意图。上面的曲线部分和 下面照片的背景相对应的就是包 括各种不同波长的连续X射线谱， 相应的X射线称为连续X射线。上 0.02 0.1080.1280.147m

第二节 X射线谱 X射线谱 用X射线摄谱仪可获得X射线谱，X射线谱由两 部分构成：一部分是波长连续变化的，称为连 续谱；另一部分是具有个别波长的线状谱，称 为标识谱。 如图是用钨靶射线管得到的X射 线谱示意图。上面的曲线部分和 下面照片的背景相对应的就是包 括各种不同波长的连续X射线谱， 相应的X射线称为连续X射线。上 K L L L λ 0.02 0.108 0.128 0.147nm

面的几条明显的谱线Ka、L。、LgL就 是标识谱，相应的X射线称为标识X射线 其波长与靶的物质有关。 1、连续X射线 连续X射线是电子在靶上被突然减速而产生的。 由于靶是原子序数较高的物质制成的，所以高速 电子流撞击在靶上时，会受到靶中原子核的强电 场作用而骤然减速，电子的动能转变成辐射能， 放出射线，这种辐射称为轫致辐射。电子一部分 动能△o转化为一个X光子的能量hv辐射出来，即 △o=v。由于每个电子和靶撞击时，受到靶原子 核强电场的作用不同，电子速度的变化就不一样

面的几条明显的谱线K、L、L、L就 是标识谱，相应的X射线称为标识X射线 其波长与靶的物质有关。 1、连续X射线 连续X射线是电子在靶上被突然减速而产生的。 由于靶是原子序数较高的物质制成的，所以高速 电子流撞击在靶上时，会受到靶中原子核的强电 场作用而骤然减速，电子的动能转变成辐射能， 放出射线，这种辐射称为轫致辐射。电子一部分 动能转化为一个X光子的能量h辐射出来，即  =h。由于每个电子和靶撞击时，受到靶原子 核强电场的作用不同，电子速度的变化就不一样

因此每个电子失去的动能△o也各不相 同，所以得到的X射线的波长也各不 相同，便产生了连续X射线。 在X射线管的管电压较低时，发射的是连续 X射线。如图是钨靶在四种较低电压下得到的连 续谱强度分布曲线。由图中可以看出，随着波长 向短波方向的变化，X射线的强度逐渐上升。当 波长降到某一值时，强度达到最大值，之后波再 50kV 减小时强度很快下降为零，与强 对强 40kV 度为零相对应的波长是连续X谱 30kV 中的最短波长，或称为短波极限， 20kV 用入mn表示，在图中还可以看出， 00.020.06 箐电压增大时，各个波长的强度

因此每个电子失去的动能也各不相 同，所以得到的 X 射线的波长也各不 相同，便产生了连续X射线。 在X射线管的管电压较低时，发射的是连续 X射线。如图是钨靶在四种较低电压下得到的连 续谱强度分布曲线。由图中可以看出，随着波长 向短波方向的变化，X射线的强度逐渐上升。当 波长降到某一值时，强度达到最大值，之后波再 减小时强度很快下降为零，与强 度为零相对应的波长是连续X谱 中的最短波长，或称为短波极限， 用min表示，在图中还可以看出， 管电压增大时，各个波长的强度 50kV 40kV 30kV 20kV 0 0.02 0.06  (nm) 相 对 强 度

都随之增加（纵向看），各条曲线均上移， 而且强度最大值所对应的波长和短波极 限都向短波方向移动。 设管电压为U,电子的电量为e,则电子在加 速电场中获得的动能等于电场对它所做的功U(即 电子到达靶时的动能)。如果电子被阻停时其全部 动能转换成辐射线，则此时发射的一个X射线光子 的能量就等于电子的全部动能，即光子的最大能 量，用h Vma表示(Vmx是与入nmn对应的最高频率)， 则有： hVmax-eU 由于v=C/入(c为光速)，即Vmax-C/入mm

都随之增加(纵向看)，各条曲线均上移， 而且强度最大值所对应的波长和短波极 限都向短波方向移动。 设管电压为U，电子的电量为e，则电子在加 速电场中获得的动能等于电场对它所做的功eU(即 电子到达靶时的动能)。如果电子被阻停时其全部 动能转换成辐射线，则此时发射的一个X射线光子 的能量就等于电子的全部动能，即光子的最大能 量，用hmax表示(max是与min对应的最高频率)， 则有： hmax=eU 由于=c/  (c为光速)，即max=c/ min