X线摄影基础理论课件.ppt

1、X线物理基础线物理基础江汉大学卫生技术学院医学影像系X线物理基础线物理基础 pX线的产生线的产生pX线产生的原理线产生的原理pX线的本质与特性线的本质与特性pX线与物质相互作用线与物质相互作用pX线质、线质、X线量与线量与X线强度线强度pX线的吸收与衰减线的吸收与衰减X线的产生线的产生nX线的发现及简史线的发现及简史nX线的产生线的产生nX线产生的条件线产生的条件Wilhelm RoentgenoIn October of 1895,Wilhelm Conrad Roentgen(1845-1923)who was professor of physics and the director o

2、f the Physical Institute of the University of Warburg,became interested in the work of Hillorf,Crookes,Hertz,and Leonard.The previous June,he had obtained a Leonard tube from Muller and had already repeated some of the original experiments that Leonard had created.He had observed the effects Leonard

3、 had as he produced cathode rays in free air.Wilhelm RoentgenoHe became so fascinated that he decided to forego his other studies and concentrate solely on the production of cathode rays.One Friday evening,on November 8,1895,he worked alone in his laboratory.It was the beginning of the weekend and a

4、ll of his assistants had gone home.Wilhelm RoentgenoHe had set up his experiment using a Crookes tube fitted with an anode and cathode,separated from each other by a few centimeters in the tube.He used a Rhumkoff induction coil to produce a difference of potential of a few thousand volts,knowing tha

5、t a stream of charged particles would originate in the cathode and would be attracted to the anode.Wilhelm RoentgenoThe laboratory Roentgen worked in that evening was very similar to all other laboratories of those who worked before him,but the conditions that existed that evening varied in three ve

6、ry important ways.His laboratory was dark,his tube was covered with a light-proof cardboard jacket and a screen of fluorescent material lay on a table a few feet away from the apparatus.Wilhelm RoentgenoWhile passing the discharge,he suddenly noticed a shimmering light on the table top.He could not

7、believe his eyes,so he again repeated the experiment.He released the discharge many times producing the same results each time.Greatly excited,he realized that the green fluorescence was emanating from the screen.He repeated the experiment again,this time moving the screen further and further away a

8、nd he still received the same results.Wilhelm RoentgenoRoentgen knew the fluorescence could not be produced by the cathode rays since it was well known that they could not penetrate through the wall of the tube.Visible light could not be the stimulus since the tube was covered with a shield which wa

9、s opaque to light.He boldly hypothesized that he must have been producing some unknown type of radiation。Wilhelm RoentgenoRoentgen spent the next eight weeks in his laboratory repeating his experiments.He ate and even slept in his laboratory as he attempted to determine if the rays could penetrate s

10、ubstances besides the air.He placed various objects between the tube and screen and he found that the screen still fluoresced but with different intensities depending on the material being used.Wilhelm RoentgenoWhen he placed a lead disk,which he was holding,in the cathode ray path he was astonished

11、 to find the shadow of the round circle appeared on the screen along with the outline of his thumb and forefinger and within them the bones of his hand!He replaced the screen with a photographic plate and employed his wife Bertha(Frau Roentgen)to place her hand on the photographic plate while he dir

12、ected the rays at it for fifteen minutes.Wilhelm RoentgenoRoentgen hurriedly prepared his notes so that his first report On a New Kind of Rays could be published in the Proceedings of the Physical Medical Society of Wurburg on December 28,1895.Not knowing what these emanations were he uses the term

13、x-ray to describe the rays he was producing.Wilhelm RoentgenoLater,in 1896,he accepted the Rumford gold medal of the Royal Society and in 1901 he would be the first to receive the Nobel Prize for physics,but he bequeathed the Nobel prize money to scientific research at Wurzburg.X线的发现及简史线的发现及简史 o1895

14、年年11月月8日日,德国物理学家威廉德国物理学家威廉康拉德康拉德伦琴伦琴（WCRontgen）发现了）发现了X射线射线;当年当年12月月22日伦日伦琴利用琴利用X线拍摄了夫人手的照片线拍摄了夫人手的照片,这是人类历史上第这是人类历史上第一张揭示人体内部结构的影像。一张揭示人体内部结构的影像。o1896年年X线就开始应用于医学线就开始应用于医学,至今它经历了至今它经历了X线的线的医学应用、医学应用、X线诊断学的建立以及医学影像学的逐线诊断学的建立以及医学影像学的逐步形成三个阶段步形成三个阶段.伦琴及第一张伦琴及第一张X线照片线照片X线的产生线的产生oX线的产生是能量转换的结果。线的产生是能量转换

15、的结果。X线在线在X线线管中产生，当管中产生，当X线管两极间加有高电压时，线管两极间加有高电压时，阴极灯丝发散出的电子就获得了能量，以阴极灯丝发散出的电子就获得了能量，以高速运动冲向阳极。由于阳极的阻止，使高速运动冲向阳极。由于阳极的阻止，使电子骤然减速电子骤然减速,约约98%的动能产生热量的动能产生热量,2%动能转换为动能转换为X线。线。X线产生的条件线产生的条件nX线产生必须具备以下线产生必须具备以下3个条件个条件:p电子源电子源p高速电子的产生高速电子的产生p电子的骤然减速电子的骤然减速灯丝加灯丝加热获得热获得定向直流高压；定向直流高压；维持管内真空维持管内真空阳极靶阳极靶X线的产生示意

16、图线的产生示意图X线机原理图线机原理图X线产生的原理线产生的原理oX线产生的原理，就是高速电子和阳极靶物质的原子相互作线产生的原理，就是高速电子和阳极靶物质的原子相互作用中能量转换的结果，这是一个复杂的过程。用中能量转换的结果，这是一个复杂的过程。oX线的产生是利用了靶物质的线的产生是利用了靶物质的3种特性：即核电场、轨道电子种特性：即核电场、轨道电子结合能和原子存在于最低能级的需要。结合能和原子存在于最低能级的需要。o诊断使用的诊断使用的X线有两种不同的放射方式线有两种不同的放射方式：n连续放射连续放射n特性放射。特性放射。连续放射连续放射o连续放射又称为韧致放射连续放射又称为韧致放射,是高

17、速电子与靶是高速电子与靶物质原子核作用的结果物质原子核作用的结果.o当带有能量的高速电子接近靶物质的原子当带有能量的高速电子接近靶物质的原子核时，带有负电荷的电子在核电场（正电核时，带有负电荷的电子在核电场（正电荷）的吸引下偏离原有方向。在改变方荷）的吸引下偏离原有方向。在改变方向时因丢失能量而减速。此时电子所丢失向时因丢失能量而减速。此时电子所丢失的能量直接以的能量直接以X线光子的形式放射出来。这线光子的形式放射出来。这种放射叫连续放射（也称普通放射）。种放射叫连续放射（也称普通放射）。连续放射连续放射o连续放射产生的连续放射产生的X线是一束波长不等的混合线线是一束波长不等的混合线,其其X线

18、光子的线光子的能量取决于能量取决于:电子接近核的情况电子接近核的情况;电子的能量和核电荷电子的能量和核电荷.o如果一个电子与原子核相撞如果一个电子与原子核相撞,其全部动能丢失转换为其全部动能丢失转换为X线光子线光子,其最短波长为其最短波长为 min=hc/kVp=1.24/kVp(nm)o波长，波长，nm波长单位，波长单位，E0最大电子能量。而电子能量最大电子能量。而电子能量又与管电压有关，所以，当施与又与管电压有关，所以，当施与X线管两端管电压为线管两端管电压为l00kVp时，电子所获得的最大能量就是时，电子所获得的最大能量就是l00keV，它所产生的，它所产生的X线光线光子的最短波长就是子

19、的最短波长就是0.0124nm。连续放射连续放射特性放射特性放射o这是高速电子击脱靶物质原子的内层轨道电子，而产生的一这是高速电子击脱靶物质原子的内层轨道电子，而产生的一种放射方式。一个常态的原子经常处于最低能级状态，它永种放射方式。一个常态的原子经常处于最低能级状态，它永远保持其内层轨道电子是满员的。当靶物质原子的远保持其内层轨道电子是满员的。当靶物质原子的K层电子层电子被高速电子击脱时，被高速电子击脱时，K层电子的空缺将要由层电子的空缺将要由L层电子补充，此层电子补充，此时时L层电子将把多余的能量作为层电子将把多余的能量作为X线光子释放出来，此即线光子释放出来，此即K系系特性放射；而特性放

20、射；而L层电子的空缺，则由层电子的空缺，则由M层电子补充，即产生层电子补充，即产生L系特性放射。系特性放射。o 特性放射是在靶物质原子壳层电子的跃迁中产生的。特性放特性放射是在靶物质原子壳层电子的跃迁中产生的。特性放射的射的X线光子能量与冲击靶物质的高速电子能量无关。它只线光子能量与冲击靶物质的高速电子能量无关。它只服从于靶物质的原子特性。服从于靶物质的原子特性。特性放射特性放射X线的本质与特性线的本质与特性X X线？线？X线的本质线的本质oX线是一种能，有两种表现形式线是一种能，有两种表现形式:n微粒辐射微粒辐射n电磁辐射电磁辐射oX线属电磁辐射的一种线属电磁辐射的一种,具有二象性具有二象性

21、:微微粒性和波动性粒性和波动性,这就是这就是X线的本质。线的本质。X线的微粒性线的微粒性o把把X线看成是一个个的微粒光子组成的线看成是一个个的微粒光子组成的,光子具有一定的能量和一定的动质量光子具有一定的能量和一定的动质量,但无但无静止质量。静止质量。oX线与物质相互作用时表现出微粒性：每个线与物质相互作用时表现出微粒性：每个光子具有一定能量光子具有一定能量,能产生光电效应能产生光电效应,能激发能激发荧光物质发出荧光等现象荧光物质发出荧光等现象.X线的波动性线的波动性oX线具有变动特有的现象波的干涉和衍线具有变动特有的现象波的干涉和衍射等。它以波动方式传播射等。它以波动方式传播,是一种横波。是

22、一种横波。oX线在传播时表现了它的波动性线在传播时表现了它的波动性,具有频率具有频率和波长和波长,具有干涉、衍射、反射和折射现象。具有干涉、衍射、反射和折射现象。电磁波谱电磁波谱o无线电等无线电等 3105 1cmo红外线红外线 0.010.0008cmo可见光可见光 750390nmo紫外线紫外线 3902nmo诊断用诊断用X线线 0.010.008nmp 注：注：1m 109 nmX线的特性线的特性oX线特性指的是线特性指的是X线本身的性能，它具线本身的性能，它具有以下特性：有以下特性：n物理效应物理效应n化学效应化学效应 n生物效应生物效应 X线还是线还是“X”线？！线？！X线的物理效应

23、线的物理效应o穿透作用：穿透作用：由于由于X线波长很短，光子能量大，故具有很强的穿透线波长很短，光子能量大，故具有很强的穿透力。力。X线的穿透作用除与线的穿透作用除与X线波长线波长(能量能量)有关外，还与被穿透物质的有关外，还与被穿透物质的原子序数、密度和厚度等因素有关。原子序数、密度和厚度等因素有关。o荧光作用：荧光作用：荧光物质荧光物质(如钨酸钙、氰化铂钡等如钨酸钙、氰化铂钡等)的原子，在的原子，在X线照射线照射下被激发或电离，当恢复原有基态时，便释放出可见的荧光。下被激发或电离，当恢复原有基态时，便释放出可见的荧光。o电离作用：电离作用：具有足够能量的具有足够能量的X线光子，不仅能击脱原

24、子轨道的电子，线光子，不仅能击脱原子轨道的电子，产生一次电离，击脱的电子又与其它原子撞击，产生二次电离。电产生一次电离，击脱的电子又与其它原子撞击，产生二次电离。电离作用是离作用是X线剂量测量、线剂量测量、X线治疗、线治疗、X线损伤的基础。线损伤的基础。o干涉、衍射、反射与折射作用：干涉、衍射、反射与折射作用：X线与可见光一样具有这些重要线与可见光一样具有这些重要的光学特性。它可在的光学特性。它可在X线显微镜、波长测定和物质结构分析中得到线显微镜、波长测定和物质结构分析中得到应用。应用。X线化学效应线化学效应o感光作用：感光作用：X线具有光化学作用，可使摄影线具有光化学作用，可使摄影胶片感光。

25、胶片感光。o着色作用：某些物质经着色作用：某些物质经X线长期照射后，其线长期照射后，其结晶脱水变色。如铅玻璃经结晶脱水变色。如铅玻璃经X线长期照射后线长期照射后着色。着色。生物效应生物效应oX线是电离辐射，它对生物细胞特别线是电离辐射，它对生物细胞特别是增殖性强的细胞有抑制、损伤，甚是增殖性强的细胞有抑制、损伤，甚至使其坏死的作用。至使其坏死的作用。o它是它是X线治疗的基础；是放射卫生防线治疗的基础；是放射卫生防护的根据。护的根据。X线与物质的相互作用线与物质的相互作用 o相干散射相干散射o光电效应光电效应o康普顿效应康普顿效应o电子对效应和光核反应电子对效应和光核反应o相互作用效应产生的几率

26、相互作用效应产生的几率相干散射（或称不变散射）相干散射（或称不变散射）o 它是一个低能量的光子冲击到物质的原子它是一个低能量的光子冲击到物质的原子上，形成原子的激发状态。上，形成原子的激发状态。o原子在恢复其常态时，放出一个与原入射原子在恢复其常态时，放出一个与原入射光子同样波长、方向不同的光子，此即相光子同样波长、方向不同的光子，此即相干散射。干散射。o相干散射在相干散射在X线与物质相互作用时所占几率线与物质相互作用时所占几率很小，不超过很小，不超过5，实际作用不大。，实际作用不大。光电效应光电效应o在诊断在诊断X线能量范围内，它是线能量范围内，它是X线与物质相互作用线与物质相互作用的主要形

27、式之一，它是以光子击脱原子的内层轨的主要形式之一，它是以光子击脱原子的内层轨道电子而产生。道电子而产生。o光电效应产生的几率受光电效应产生的几率受3个因素影响：个因素影响：n光子必须有克服电子结合能的足够能量光子必须有克服电子结合能的足够能量n光子能量与电子结合能必须接近相等光子能量与电子结合能必须接近相等n轨道电子结合的越紧，越容易产生光电效应轨道电子结合的越紧，越容易产生光电效应o在在X线诊断能量范围内，光电效应产生的几率约占线诊断能量范围内，光电效应产生的几率约占70。光电效应示意光电效应示意光电效应光电效应o光电效应在光电效应在X线摄影中的意义：线摄影中的意义：n不产生有效的散射，对胶

28、片不产生灰雾不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾n光电效应增加射线对比度光电效应增加射线对比度n光电效应中，光子能量被全部吸收，病光电效应中，光子能量被全部吸收，病人接受的辐射剂量相对较多。人接受的辐射剂量相对较多。康普顿效应康普顿效应 o这是这是X线诊断能量范围内，线诊断能量范围内，X线与物质相线与物质相互作用的另一种主要形式。互作用的另一种主要形式。o当一个光子击脱原子外层轨道电子时，当一个光子击脱原子外层轨道电子时，入射光子就会偏转，以新的方向散射出入射光子就会偏转，以新的方向散射出去。光子能量的一部分作为反跳电子的去。光子能量的一部分作为反跳电子的动能，而绝大部分作为光子散射。动能，而绝

29、大部分作为光子散射。o在在X线诊断能量范围内，康普顿散射的线诊断能量范围内，康普顿散射的几率占几率占25。康普顿效应示意康普顿效应示意电子对效应与光核反应电子对效应与光核反应 o此两种此两种X线与物质的相互作用形式，在线与物质的相互作用形式，在X线诊断能线诊断能量范围内不发生。量范围内不发生。n电子对效应是当入射光子能量大于电子对效应是当入射光子能量大于1.02兆电子兆电子伏特时，在原子核附近生成正电子和负电子伏特时，在原子核附近生成正电子和负电子;n光核反应是指光核反应是指X线光子使原子核发生核反应线光子使原子核发生核反应.电子对效应示意电子对效应示意相互作用效应产生的几率相互作用效应产生的

30、几率o在诊断在诊断X线能量范围内：线能量范围内：p相干散射约占相干散射约占5；p光电效应约占光电效应约占70；p康普顿效应约占康普顿效应约占25。X线质、线质、X线量与线量与X线强度线强度 oX线质线质oX线量线量oX线强度线强度X线质、线质、X线量线量oX线质（或称线质（或称X线硬度）线硬度）nX线质由线质由X线的波长（或频率）决定线的波长（或频率）决定.波长波长又取决于管电压的峰值又取决于管电压的峰值.管电压越高管电压越高,波长波长越短越短,穿透力越强穿透力越强.X线摄影中的线摄影中的X线质在线质在0.008nm0.06nm.oX线量线量nX线量是指线量是指X线光子的多少线光子的多少,常用

31、常用mAs表示表示.X线强度的定义线强度的定义oX线强度：线强度：n指垂直于指垂直于X线传播方向的单位面积上，在线传播方向的单位面积上，在单位时间内通过的单位时间内通过的X线光子数量与能量之线光子数量与能量之总和；总和；n也即也即X线束光子数量乘以每个光子的能量；线束光子数量乘以每个光子的能量；n也可以看作是也可以看作是X线质与量的乘积。线质与量的乘积。影响影响X线强度的因素线强度的因素o管电压：管电压：X线强度与管电压的平方成正比线强度与管电压的平方成正比;o管电流：管电流：X线强度与管电流成正比线强度与管电流成正比;o靶物质：在一定的管电压和管电流下，靶靶物质：在一定的管电压和管电流下，靶

32、物质原子序数越高，物质原子序数越高，X线产生的效率也越高线产生的效率也越高;o高压波形：高压波形：X线光子能量取决于线光子能量取决于X线的最短线的最短波长波长,即决定于管电压的峰值即决定于管电压的峰值,整流后的脉动整流后的脉动电压越接近峰值电压越接近峰值,其其X线强度越大线强度越大.X线的吸收与衰减线的吸收与衰减o距离的衰减距离的衰减nX线强度在真空中传播过程中与距离的平线强度在真空中传播过程中与距离的平方成反比。（反平方法则）方成反比。（反平方法则）n一般在一般在X线摄影时可将空气对线摄影时可将空气对X线的衰减线的衰减忽略不计，故此法则成立。忽略不计，故此法则成立。o物质吸收的衰减物质吸收的衰减nX线穿过物质时线穿过物质时,由于与构成物质的原子、由于与构成物质的原子、电子或原子核相互作用而被衰减。透过电子或原子核相互作用而被衰减。透过的的X线在质和量上都会有所改变。由于低线在质和量上都会有所改变。由于低能量光子比高能量光子更多的被吸收，能量光子比高能量光子更多的被吸收，透过后的射线平均能量提高，将接近它透过后的射线平均能量提高，将接近它的最高能量。的最高能量。