X线的产生和性质课件.ppt

X 线的产生和性质,X 线的产生和性质,第一节 X射线的发现,第一节 X射线的发现,一、背景（Background）,低气压放电现象：1836年，英国科学家法拉第发现，稀薄气体放电时，会产生一种绚丽的辉光。因为它是由阴极发出的，后来物理学家把这种辉光称为“阴极射线”（cathode ray） 。为探明阴极射线，许多科学家进行了艰巨的研究。盖斯勒管（Geissler tube）,一、背景（Background）低气压放电现象：1836,当管中为大气压，电压至数万伏，不放电；继续加压，产生白色火花放电；抽出空气，放电所需电压随气压降低而降低；气压5mmHg，气体发出明亮的光辉，颜色由气体决定；0. 5mmHg，阴极附近产生克罗克斯（Crocks）黑暗区；0. 1mmHg，全黑玻璃壁产生荧光（阴极射线撞击）；高度真空，无论电压多高，不放电。,基础知识,当管中为大气压，电压至数万伏，不放电；基础知识,1861年，英国科学家克罗克斯（Crocks）发现通电的阴极射线管会产生亮光，于是就拍下来，可显影后发现整张干版一片模糊。他认为干版有毛病退给厂家。 克罗克斯也曾发现抽屉里保存在暗盒里的胶卷莫名其妙地感光报废，他找到胶片厂商，指斥其产品低劣。 在伦琴发现X光的五年前，美国科学家古德斯柏德在实验室里偶然洗出了一张X射线透视底片。但他将其归因于照片的冲洗药水或冲洗技术，把这一“偶然”弃之于垃圾堆中。 一个伟大的发现就这样一次次与他们失之交臂！,基础知识,科学发现的偶然性与必然性,1861年，英国科学家克罗克斯（Crocks）发现,1845年3月27日生于荷兰；1868年毕业于苏黎世联邦工程学院；1872年伦琴到斯特拉斯堡大学任副教授；1875年成为霍恩海堡农业专科学校的教授；1879年1888年主持吉森大学物理学讲座；1889年1893年任耶拿大学和乌德勒兹两大学的教授；1894年1900年任维尔茨堡大学校长和慕尼黑物理研究所所长。,伦琴生平简介,基础知识,1845年3月27日生于荷兰；伦琴生平简介基础知识,伦琴是柏林和慕尼黑科学院的通讯院士。伦琴在五十年的研究工作中，一共发表了五十多篇论文。他在研究电磁现象中还发现，在充电的固定平行板电容器中，使介质旋转，能够产生磁场，就好象有电流流动一样。这一假想的电流，人们称为伦琴电流。此外，伦琴还在弹性、液体的毛细作用、气体比热、热在晶体中的传导、压电效应以及偏振光的磁致旋转等方面也都有研究。 1923年2月10日伦琴因患癌症在慕尼黑逝世。,基础知识,伦琴是柏林和慕尼黑科学院的通讯院士。伦琴在五十,1895年10月年过半百的伦琴用克罗克斯管研究高真空放电。他吃住在实验室，一连做了7个星期的实验。11月8日，他用黑纸把阴极射线管严密地包起来，电流通过时，两米开外一个涂了亚铂氰化钡的小屏发出明亮的荧光。伦琴证明了这种效应是由一种看不见的射线引起的，它能穿过纸和23厘米厚的木头，能穿过薄铝片，但不能穿过较厚的金属和其他致密物质。如果把手放在管子与荧光屏之间，可以看到手上的骨骼。这种能透过不透光物质而又看不见的射线伦琴称为X线。,二、X线的发现(Discovery of X-ray),基础知识,1895年10月年过半百的伦琴用克罗克斯管研究高,1895年12月28日，伦琴在维尔兹堡大学作了一次X射线的学术报告，并公布了世界上第一张X光照片伦琴夫人的手骨照片，引起了世界的轰动 。X射线的新闻发布不久，美国人就用它发现了患者足部的子弹。,伦琴夫人的手骨照片,基础知识,1895年12月28日，伦琴在维尔兹堡大学作,1896年1月23日 物理医学会纪念演讲,基础知识,1896年1月23日 物理医学会纪念演讲基础知识,X射线特性,X 射线的波动性与粒子性是X 射线具有的客观属性波动性： 1913年德国物理学家劳厄(MV. Laue)等发现X射线衍射现象，从而证实了X射线本质是一种电磁波，它与可见光一样，X射线以光速沿直线传播，其电场强度矢量E和磁场强度矢量H相互垂直，并位于垂直于X射线传播方向的平面上。通常X射线波长范围为100.001nm，衍射分析中常用波长在0.050.25nm范围内。,X射线特性X 射线的波动性与粒子性是X 射线具有的客观属,粒子性： X射线在空间传播具有粒子性，或者说X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续的粒子流，这些粒子叫光量子，每个光量子具有能量： 每个光量子的能量是X射线的最小能量单位。当它和其他元素的原子或电子交换能量时只能一份一份地以最小能量单位被原子或电子吸收。,粒子性：,760nm400nm 可见光 电 磁 波 谱红外线,（三）X线的特性1物理特性（1）穿透作用：穿透能力与X线光子的能量成正比，波长短的X线光子能量大、穿透能力强，另外还与被照物体的密度有关。（2）荧光作用：当X线照射某些荧光物质(如钨酸钙等)时能激发产生荧光，荧光屏、影像增强器、增感屏等都利用了这一特性。,14,（三）X线的特性14,（3）电离作用：物体受X线照射时，使核外电子脱离原子轨道，即电离作用。自动曝光控制系统的电离室、X线放射治疗等利用了该特性。（4）热作用 （5）干涉、衍射、反射、折射作用,（3）电离作用：物体受X线照射时，使核外电子脱离原子轨道，即,2化学特性（1）感光作用：是X线摄影的基础（2）着色作用：使某些物质(如铂氰化钡)的结晶体脱水而改变颜色。3生物效应 生物细胞经一定剂量X线的照射会受到抑制、损伤、坏死，生物效应既有利又有弊 在X线诊断和治疗中主要利用了X线的穿透、荧光、电离、感光、生物等特性。,16,2化学特性16,第三节 X射线的产生和装置,当高速带电粒子撞击物质受阻而突然减速时，能够产生X 射线。医学影像诊断所用的X线产生设备是X线管（X-ray tube，球管）。,第三节 X射线的产生和装置当高速带电粒子撞击物质受阻,X射线的产生需要的基本条件是：1.要有一个电子源，能根据需要，随时提供足够数量的电子，这个电子源称为阴极（cathode）；2.要有一个能经受高速电子撞击而产生线的靶，即阳极（anode）；,X射线的产生需要的基本条件是：,3.要有高速电子流。两个方面，其一是高压电场，使电子获得动能；其二是有高真空环境，使电子在运动中不受气体分子的阻挡和电离放电而降低能量，同时也能保护灯丝不致因氧化而被烧毁。4.高度真空(P10-4Pa)的环境,3.要有高速电子流。,2. X射线产生装置,X射线管的构造：外壳：硬质玻璃管，高真空。阴极：电子源，发射电子流（钨丝）。阳极：靶，受高速电子轰击,2. X射线产生装置X射线管的构造：,X 射 线,阴极阳极+金属靶X 射 线,X 射线冷却水,X射线管的结构为：,X射线管的结构为：,X线的产生和性质课件,X-ray tubes,Coolidge tube,Modern tube with rotating anode,X-ray tubesCoolidge tubeModern,X线的产生和性质课件,固定阳极X线球管,X线球管,固定阳极X线球管X线球管,电子动能99转换为热能，灯丝及靶面采用钨：熔点高（3370）、机械强度高、寿命长、延展性好。二次电子：高速电子轰击靶面，少量电子反射回来形成二次电子，能量为原来的90左右。 危害：1.降低真空度 2.影响成像质量阳极罩：吸收二次电子和散射线。集射罩：使电子集中，防止二次电子造成灯丝损害。,电子动能99转换为热能，灯丝及靶面采用钨：熔点高（3370,阴极一般由发射电子的灯丝和聚焦电子的凹面阴极体组成。用低压电源对灯丝加热，引起热发射，提供足够数量的电子，且使电子聚焦后去撞击阳极。常用两种类型，圆焦点型和线焦点型。,阴极一般由发射电子的灯丝和聚焦电子的凹面阴极体组成。用低,电子聚焦,从灯丝发射出的电子，由于库仑力的作用而相互排斥，使电子流在向阳极运动时发散。因此实际中采用凹面阴极体，置于灯丝后，且将灯丝一端与阴极体相连，接在同一电源上，使阴极体具有比灯丝电位更低的电位，使阴极体排斥电子，可起到使电子初聚焦的作用。阴极体可收集二次电子，防止危害发生。二次电子是由阳极发射(反射)出来的电子，二次电子可撞击灯丝使其发生断裂，撞在玻璃上可造成玻璃破裂。,电子聚焦 从灯丝发射出的电子，由于库仑力的作用而相互排斥，使,阳极。功能是产生X射线, 按结构分有固定式和旋转式两种。 固定式阳极一般为镶嵌在铜制圆柱柱端斜面上的小钨块（靶）, 仅适用于管电流小，曝光时间较长的便携式牙科和骨科用的X光机中。旋转阳极是将阳极和阳极体做成圆盘状，并用小电机带动旋转，这样阳极时刻都以“新的靶面”接受电子束的轰击，使产生的热量均匀分散到整个靶面上，避免了局部过热。,阳极。功能是产生X射线, 按结构分有固定式和旋转式两种。 固,.旋转阳极X线球管（Rotating Anode X-ray Tube ）,旋转阳极X线球管,X线球管,.旋转阳极X线球管（Rotating Anode X-ray,旋转阳极X线球管,灯丝,靶面,定子,转轴,X线球管,旋转阳极X线球管灯丝靶面定子转轴X线球管,X线的产生和性质课件,旋转阳极靶面示意图,有效焦点,电子束,X线球管,旋转阳极靶面示意图有效焦点电子束X线球管,阳极旋转的靶面热量分布,有效焦点面积,7mS曝光3000r/min,7mS曝光6000r/min,X线球管,阳极旋转的靶面热量分布有效焦点面积7mS曝光7mS曝光X线球,X射线的产生装置主要包括三部分：X射线管、高压电源及低压电源，如图3.2所示。,X射线的产生装置主要包括三部分：X射线管、高压电源及低压电源,X射线机的基本线路：,mA,T2 ( 降压变压器）,T1 （升压变压器）,整流,X射线管,管电流I,管电压 KV,220V,R,低压电源,高压电源,220V,X射线机的基本线路：mAT2 ( 降压变压器）T1 （升压变,第四节 X射线的产生,在X射线管中，从阴极发射的热电子，经阴、阳两极间的电场加速后，电子的速度已非常高。此高速电子与靶物质相互作用，能量损失，速度骤减。这种相互作用十分复杂，一般情况下，电子在失去它的全部能量前要经受很多次同靶原子的碰撞，其能量损失分为碰撞损失 (collision loss)和辐射损失(radition loss)两种情况。,第四节 X射线的产生 在X射线管中，从阴极发射的热电子,碰撞损失只涉及高速电子与外层电子的作用，碰撞损失的能量将全部转化为热能。而辐射损失则涉及高速电子与内层电子和原子核的作用。通过辐射损失的能量，大部分是以X射线的形式辐射出去的，它不足电子总能量的1。,碰撞损失只涉及高速电子与外层电子的作用，碰撞损失的能量将,X射线的产生 连续X射线：高速运动电子与靶原子核作用。 特征X射线：原子核外电子的跃迁。,41,+连续X射线41,对连续X射线谱的解释 一,根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。,对连续X射线谱的解释 一根据经典物理学的理论，一个带负电荷,对连续X射线谱的解释 二,量子力学概念，当能量为ev的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子，即“韧致辐射”。大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。,对连续X射线谱的解释 二量子力学概念，当能量为ev的电子与靶,连续辐射/韧致辐射：高速带电粒子在靶物质的原子 核电场作用下，改变运动方向和速度，所损失的动能 中，有一部分转化为能量等于h的光子辐射出去。由于各带电粒子与原子核相互作用情况不同，所以辐射 出来的X射线光子能量也不一样，具有连续的能谱分布。,连续辐射/韧致辐射：,连续X射线谱的特征,连续谱的X射线强度是随波长的变化而连续变化的。每条曲线都有一个峰值；曲线在波长增加的方向上都无限延伸，但强度越来越弱；在波长减小的方向上，曲线都存在一个称为短波极限波长,的极限值。随着管压的升高，辐射强度均相应地增强。同时，各曲线所对应的强度峰值和短波极限的位置均向短波方向移动。,连续X射线谱的特征 连续谱的X射线强度是随波长的变化而连续变,X线的最短波长,min,min,min,min,h ：普朗克常数 c ：光速 V ：加速电子的电场电压 e ：电子电荷量 max ：X射线的频率 min ：X射线的波长,X线的最短波长minminminmin h ：普朗,设管电压U，电子电量为e，则电子具有的动能为eU，这也是光子可能具有的最大能量hmax ， max是与短波极限min对应的最高频率，由此得到：,上式表明，连续X射线谱的最短波长与管电压成反比。管电压愈高，则min愈短。这个结论可有图13-4所示。,把h、c、e的值代入上式，并取kV为电压单位，nm为波长单位，可得,设管电压U，电子电量为e，则电子具有的动能为eU，这也是光子,影响因素,a、与靶原子序数呈正比,b、与管电流大小呈正比,c、与管电压n次方呈正比,影响因素a、与靶原子序数呈正比b、与管电流大小呈正比c、与管,连续X射线谱的强度同时受到靶原子序数、管电流及管电压影响，其中靶原子序数大的原子核，电场作用强，电子损失能量多，辐射出来的光子能量大，产生的X射线的强度就大。,连续X射线谱的强度同时受到靶原子序数、管电流及管电压影响,X线的峰值波长和平均波长,max,例1 求管电压为100KV时X线的最短波长、峰值波长、平均波长和最大光子能量。,X线的峰值波长和平均波长max例1 求管电压为100KV时,解,解,X线的产生和性质课件,二、特征（标识）X射线谱,特征辐射/标识辐射（characteristic X-radiation）：当高速电子与阳极靶面撞击时，也可能与原子的内层电子相互作用而将内层电子轰出，使原子呈不稳定状态。当具有较高势能的外层电子填补内层电子空位时，即释放出多余的能量。这种能量的辐射称为特征辐射。,二、特征（标识）X射线谱特征辐射/标识辐射（characte,特征X射线的产生机理,处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。,特征X射线的产生机理处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的,特征X线的产生过程,高速电子进入靶物质后，其动能被靶原子内壳层电子获得，一部分用来脱离原子核束缚作功（逸出功）；另一部分变成逸出后电子的动能。当电子逸出后，原子内壳层就出现了空位，外壳层电子将向内壳层填充，辐射的电磁波（ X线）由两能级差确定,E2- E1= hf21,特征X线的产生过程高速电子进入靶物质后，其动能被靶原子内壳层,由于原子中各个内层轨道的能量是随着原子序数增加的，因此，原子序数愈高的元素，它的各个标识X射线系的波长也愈短。标识谱线的波长决定于阳极靶的材料，不同元素制成的靶具有不同的线状X射线谱，并可以作为这些元素的标识，这就是“标识X射线”名称的由来。标识X射线主要用于认识原子的壳层结构和化学元素的分析。,由于原子中各个内层轨道的能量是随着原子序数增加的，因此，原子,特征的激发电压,靶原子的轨道电子在原子中有确定的结合能W。当炸弹电子的动能大于内层电子结合能时，才可能使电子逸出造成空位，产生X射线。,炸弹电子的动能大小完全由管电压确定,U = W/e 为最低激发电压。Uk UL UM UN X光子辐射以K系为主。,特征的激发电压 靶原子的轨道电子在原子中有,影响特征X射线的因素,i为管电流；U为管电压；Uk为K系激发电压；K2和n均为常数， n约等于1.5 1.7,需要指出:特征X线只占很少一部分,医用X线主要使用连续辐射,部分物质结构的光谱分析用特征辐射.,特征谱线位置(频率大小)只与物质结构有关。,特征谱线的强度（K系）,影响特征X射线的因素i为管电流；U为管电压；Uk为K系激发电,连续谱的形状与靶的材料无关。连续谱存在一最大的能量值，它取决于管电压。标识辐射的X射线波长是由跃迁的电子能量差决定的，与高速电子的能量（管电压）无直接关系，主要决定于靶物质的原子序数，原子序数越高，产生的标识辐射的波长越短。,连续谱的形状与靶的材料无关。,60,60 产生机制管电压特性用途连续谱韧致辐射50kv以下管电压,第五节X 射线的量与质,X线量和质的定义,1、影响X线 量的因素,I U2iZt,（1）靶原子 Z,（2）管电流,（3）管电压,（4）投照时间,第五节X 射线的量与质X线量和质的定义 1、影响X线I ,2、影响X线质的因素,影响X光子频率的因素,取决于管电压的大小,2、影响X线质的因素影响X光子频率的因素取决于管电压的大小种,第六节X线的产生效率,在X线管中产生X线能量与加速电子所消耗电能的比值叫X线的产生效率,用连续X线的总强度表示X线的辐射功率(极少的特征X线可忽略),加速电压产生的总功率 (大部分转换成热能) 为管电流与管电压的乘积,第六节X线的产生效率 在X线管中产生X线能量与加速电子所,X线管产生X线的效率一般不足1%,绝大部分生成热而使靶面大幅升温。,例2：求钨(Z=74)靶 在管电压为100kV 时X线的产生效率。,钨靶在不同电压值的效率,解：,X线管产生X线的效率一般不足1%,绝大部分生成热而使靶面大,从阳极靶上发射的X射线在不同的方位角上，辐射强度不同。这种不均匀分布称为辐射强度空间分布或辐射场的角分布。它主要取决于入射电子的能量、靶物质及靶厚度等因素。 薄靶周围X射线强度的角分布 厚靶产生的X射线空间分布,第七节X 射线强度的空间分布,从阳极靶上发射的X射线在不同的方位角上，辐射强度不同。这种不,薄靶周围X射线强度的角分布,低能电子束冲击薄靶产生的X射线强度分布，主要集中在与电子束成垂直的方向上；沿着电子束方向上X射线强度相对较小；与电子束相反方向上X射线强度近似为零。靶越薄，上述结论越正确。,根据薄靶产生X射线的空间分布的特点，在管电压较低时，利用反射式靶在技术上很有好处；但对使用超高压X射线管时，管电压过高，考虑能量分布因素，则需采用穿透式靶，电子从靶的一面射入，X射线从另一面射出。加速器产生的高能X射线用的就是穿透式靶。,Return,薄靶周围X射线强度的角分布低能电子束冲击薄靶产生的X射线强度,厚靶产生的X射线空间分布,用于医疗诊断方面的X射线管，其阳极靶较厚。当高能电子轰击靶面时，不仅与靶面原子相互作用辐射X射线，而且还穿透到靶物质内部的一定深度，因此，除了靶表面辐射X射线外，在靶的深层，也能向外辐射X射线。如图1-21，越靠近OC方向，穿过靶的厚度越厚，靶本身对它的吸收也越多；越靠近OA方向，靶对它吸收越少。,厚靶产生的X射线空间分布用于医疗诊断方面的X射线管，其阳极,厚靶,足跟效应：沿垂向散射的 X线束，靠近靶一侧的光子因为在靶内的行程较外侧的长，故被吸收的能量和强度都较外侧的大，造成接收截面强度分布的不均匀。又叫阳极效应。,角越小，足跟效应越明显。,厚靶足跟效应：沿垂向散射的角越小，足跟效应越明显。,厚靶,摆位：沿X线管方向厚向朝阴极,焦距(a)的阳极效应明显,两端的强度差约为95%-31%=64%,焦距(b)可忽略阳极效应,强度差为104%-85%=19%,厚靶摆位：沿X线管方向厚向朝阴极焦距(a)的阳极效应明显,两,