X线摄影基础理论课件.ppt

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

2、he 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 had as he produced ca

3、thode rays in free air.,Wilhelm RoentgenIn October of,Wilhelm Roentgen,He 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

4、 weekend and all of his assistants had gone home.,Wilhelm RoentgenHe became so f,Wilhelm Roentgen,He 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

5、of potential of a few thousand volts, knowing that a stream of charged particles would originate in the cathode and would be attracted to the anode.,Wilhelm RoentgenHe had set up,Wilhelm Roentgen,The laboratory Roentgen worked in that evening was very similar to all other laboratories of those who w

6、orked before him, but the conditions that existed that evening varied in three very 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 RoentgenThe laboratory

7、,Wilhelm Roentgen,While passing the discharge, he suddenly noticed a shimmering light on the table top. He could not 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 fluoresce

8、nce was emanating from the screen. He repeated the experiment again, this time moving the screen further and further away and he still received the same results.,Wilhelm RoentgenWhile passing,Wilhelm Roentgen,Roentgen knew the fluorescence could not be produced by the cathode rays since it was well

9、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 was opaque to light. He boldly hypothesized that he must have been producing some unknown type of radiation。,Wilhelm RoentgenRoentgen knew,Wilhelm

10、Roentgen,Roentgen 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 substances besides the air. He placed various objects between the tube and screen and he found that the screen st

11、ill fluoresced but with different intensities depending on the material being used.,Wilhelm RoentgenRoentgen spent,Wilhelm Roentgen,When he placed a lead disk, which he was holding, in the cathode ray path he was astonished to find the shadow of the round circle appeared on the screen along with the

12、 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 directed the rays at it for fifteen minutes.,Wilhelm RoentgenWhen he placed,W

13、ilhelm Roentgen,Roentgen 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 x-ray to describe the rays he was produc

14、ing.,Wilhelm RoentgenRoentgen hurri,Wilhelm Roentgen,Later, 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.,Wilhelm RoentgenLater, in

15、 1896,X线的发现及简史,1895年11月8日,德国物理学家威廉康拉德伦琴（WCRontgen）发现了X射线;当年12月22日伦琴利用X线拍摄了夫人手的照片,这是人类历史上第一张揭示人体内部结构的影像。 1896年X线就开始应用于医学,至今它经历了X线的医学应用、X线诊断学的建立以及医学影像学的逐步形成三个阶段.,X线的发现及简史 1895年11月8日,德国物理学家威廉康,伦琴及第一张X线照片,伦琴及第一张X线照片,X线的产生,X线的产生是能量转换的结果。X线在X线管中产生，当X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，以高速运动冲向阳极。由于阳极的阻止，使电子骤然减速,约

16、98%的动能产生热量,2%动能转换为X线。,X线的产生X线的产生是能量转换的结果。X线在X线管中产生，当,X线产生的条件,X线产生必须具备以下3个条件:电子源高速电子的产生电子的骤然减速,灯丝加热获得,定向直流高压；维持管内真空,阳极靶,X线产生的条件X线产生必须具备以下3个条件:灯丝加热获得定向,X线的产生示意图,X线的产生示意图,X线机原理图,X线机原理图,X线产生的原理,X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。X线的产生是利用了靶物质的3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。诊断使用的X线有两种不同的放射方式：连续

17、放射特性放射。,X线产生的原理X线产生的原理，就是高速电子和阳极靶物质的原子,连续放射,连续放射又称为韧致放射,是高速电子与靶物质原子核作用的结果.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。此时电子所丢失的能量直接以X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）。,连续放射连续放射又称为韧致放射,是高速电子与靶物质原子核作用,连续放射,连续放射产生的X线是一束波长不等的混合线,其X线光子的能量取决于:电子接近核的情况;电子的能量和核电荷.如果一个电子与原子核相撞,其全部动能丢失转换为X线光子,其最

18、短波长为 min=hc/kVp=1.24/kVp(nm)波长，nm波长单位，E0最大电子能量。而电子能量又与管电压有关，所以，当施与X线管两端管电压为l00kVp时，电子所获得的最大能量就是l00keV，它所产生的X线光子的最短波长就是0.0124nm。,连续放射连续放射产生的X线是一束波长不等的混合线,其X线光子,连续放射,连续放射,特性放射,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层电子被高速电子击脱时，K层电子的空缺将要由L层电子补充，此时L层电子将把多余的能量作为X线光子释放出

19、来，此即K系特性放射；而L层电子的空缺，则由M层电子补充，即产生L系特性放射。 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X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。,特性放射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,特性放射,特性放射,X线的本质与特性,X线？,X线的本质与特性X线？,X线的本质,X线是一种能，有两种表现形式:微粒辐射电磁辐射X线属电磁辐射的一种,具有二象性:微粒性和波动性,这就是X线的本质。,X线的本质X线是一种能，有两种表现形式:,X线的微粒性,把X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,但无

20、静止质量。X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,能产生光电效应,能激发荧光物质发出荧光等现象.,X线的微粒性把X线看成是一个个的微粒光子组成的,光子具有,X线的波动性,X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,是一种横波。X线在传播时表现了它的波动性,具有频率和波长,具有干涉、衍射、反射和折射现象。,X线的波动性X线具有变动特有的现象波的干涉和衍射等。它以,电磁波谱,无线电等 3105 1cm红外线 0.010.0008cm可见光 750390nm紫外线 3902nm诊断用X线 0.010.008nm 注： 1m 109 nm,电磁波谱无线电等,X线的特性,X

21、线特性指的是X线本身的性能，它具有以下特性： 物理效应化学效应生物效应,X线还是“X”线？！,X线的特性X线特性指的是X线本身的性能，它具有以下特性： X,X线的物理效应,穿透作用： 由于X线波长很短，光子能量大，故具有很强的穿透力。X线的穿透作用除与X线波长(能量)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。荧光作用：荧光物质(如钨酸钙、氰化铂钡等)的原子，在X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。电离作用：具有足够能量的X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。电离作用是X线剂量测量、X线治疗、X线损伤的基

22、础。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应用。,X线的物理效应穿透作用： 由于X线波长很短，光子能量大，故具,X线化学效应,感光作用：X线具有光化学作用，可使摄影胶片感光。着色作用：某些物质经X线长期照射后，其结晶脱水变色。如铅玻璃经X线长期照射后着色。,X线化学效应感光作用：X线具有光化学作用，可使摄影胶片感光。,生物效应,X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，甚至使其坏死的作用。它是X线治疗的基础；是放射卫生防护的根据。,生物效应X线是电离辐射，它对生物细胞特别是增殖性强的细胞有抑,X线与

23、物质的相互作用,相干散射光电效应康普顿效应电子对效应和光核反应相互作用效应产生的几率,X线与物质的相互作用 相干散射,相干散射（或称不变散射）,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。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，此即相干散射。相干散射在X线与物质相互作用时所占几率很小，不超过5，实际作用不大。,相干散射（或称不变散射）它是一个低能量的光子冲击到物质的原,光电效应,在诊断X线能量范围内，它是X线与物质相互作用的主要形式之一，它是以光子击脱原子的内层轨道电子而产生。光电效应产生的几率受3个因素影响：光子必须有克服电子结合能的足够能量光子能量

24、与电子结合能必须接近相等轨道电子结合的越紧，越容易产生光电效应在X线诊断能量范围内，光电效应产生的几率约占70。,光电效应在诊断X线能量范围内，它是X线与物质相互作用的主要形,光电效应示意,光电效应示意,光电效应,光电效应在X线摄影中的意义：不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾光电效应增加射线对比度光电效应中，光子能量被全部吸收，病人接受的辐射剂量相对较多。,光电效应光电效应在X线摄影中的意义：,康普顿效应,这是X线诊断能量范围内，X线与物质相互作用的另一种主要形式。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

25、。在X线诊断能量范围内，康普顿散射的几率占25。,康普顿效应 这是X线诊断能量范围内，X线与物质相互作用的另一,康普顿效应示意,康普顿效应示意,电子对效应与光核反应,此两种X线与物质的相互作用形式，在X线诊断能量范围内不发生。 电子对效应是当入射光子能量大于1.02兆电子伏特时，在原子核附近生成正电子和负电子; 光核反应是指X线光子使原子核发生核反应.,电子对效应与光核反应 此两种X线与物质的相互作用形式，在X线,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,在诊断X线能量范围内：相干散射约占5；光电效应约占70；康普顿效应约占25。,相互作用效应产生的几率在诊断X线能量范围内：,X

26、线质、X线量与X线强度,X线质X线量X线强度,X线质、X线量与X线强度 X线质,X线质、X线量,X线质（或称X线硬度）X线质由X线的波长（或频率）决定.波长又取决于管电压的峰值.管电压越高,波长越短,穿透力越强.X线摄影中的X线质在0.008nm0.06nm.X线量X线量是指X线光子的多少,常用mAs表示.,X线质、X线量X线质（或称X线硬度）,X线强度的定义,X线强度：指垂直于X线传播方向的单位面积上，在单位时间内通过的X线光子数量与能量之总和；也即X线束光子数量乘以每个光子的能量；也可以看作是X线质与量的乘积。,X线强度的定义X线强度：,影响X线强度的因素,管电压：X线强度与管电压的平方成

27、正比;管电流：X线强度与管电流成正比;靶物质：在一定的管电压和管电流下，靶物质原子序数越高，X线产生的效率也越高;高压波形：X线光子能量取决于X线的最短波长,即决定于管电压的峰值,整流后的脉动电压越接近峰值,其X线强度越大.,影响X线强度的因素管电压：X线强度与管电压的平方成正比;,X线的吸收与衰减,距离的衰减X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）一般在X线摄影时可将空气对X线的衰减忽略不计，故此法则成立。物质吸收的衰减X线穿过物质时,由于与构成物质的原子、电子或原子核相互作用而被衰减。透过的X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，透过后的射线平均能量提高，将接近它的最高能量。,X线的吸收与衰减距离的衰减,