1、第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理1德國物理學家倫琴1901年諾貝爾物理學獎 第一張人體X光片 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理2第五節 X射線在人體內的衰減 第一節 X射線的產生第二節 X射線輻射場的空間分布第三節 X射線與物質的相互作用第四節 X射線在物質中的衰減 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理3第一節 X射線的產生 一、X射線管(X-ray tube) 二、X射線產生機制第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理4產生條件主要組成一、X射線

2、管(X-ray tube) 陰極陽極電子源高速電子流陽極靶強電場高真空度空間第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理5一、X射線管(X-ray tube) 主要組成陰極陽極電子源高速電子流陽極靶產生條件第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理6一、X射線管(X-ray tube) X射線管( 俗稱球管)照片第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理7早期的放射治療用X線管一、X射線管(X-ray tube) 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理81. 陰極(cath

3、ode)技術指標一、X射線管(X-ray tube) 陰極是X射線管的負極組 成聚焦杯燈絲空間電荷及其效應燈絲電流 管電壓 管電流4.6A4.2A4.4A02001601204024080管電壓管電壓(kV)管電流管電流(mA)4080120160管電壓和燈絲電流對管電流的影響 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理9靶是電子轟擊的區域2. 陽極(anode)類型固定旋轉 傳導電子 機械支撐 熱輻射體功能一、X射線管(X-ray tube) 陽極是X射線管的正極 鎢作為靶材料的原因：鎢原子序數較高，產生X射線的效率高和產生高能X射線；鎢能夠有效散熱的金屬；鎢具

4、有很高的熔點3410第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理10元素元素符號原子序數K特征X射線熔點鎢鉬銠WMORh74424559.0keV17.4keV19.7keV3410OC2600OC3200OCX射線靶的特征 2. 陽極(anode) 靶一、X射線管(X-ray tube) 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理113. X射線管的焦點(focal spot)實際焦點有效焦點實際焦點大小意義測量方法一、X射線管(X-ray tube) 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理12一、X

5、射線管(X-ray tube) 實際焦點有效焦點實際焦點大小意義測量方法3. X射線管的焦點(focal spot)第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理13實際焦點有效焦點實際焦點大小意義測量方法一、X射線管(X-ray tube) 3. X射線管的焦點(focal spot) 靶表面與X射線輸出方向的夾角稱為靶傾角。經過投影后，有效焦點的長度a則變成了 。sinA雙角度靶面能夠產生兩種尺寸的焦點 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理14焦點的一般形狀 理想有效焦點是圓形實際形狀雙香蕉狀一、X射線管(X-ray tube)

6、 3. X射線管的焦點(focal spot)第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理15管電流和管電壓對有效焦點長度的影響 一、X射線管(X-ray tube) 3.13.23.33.53.43.73.63.83.90200400600管電流(mA)焦點大小(mm)50kVp80kVp110kVp3. X射線管的焦點(focal spot)第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理16二、X射線產生機制1. 電子與物質的相互作用ZE816MeVk輻射損失碰撞損失2)高速電子與靶原子核發生相互作用，將能量轉化 為軔致輻射(brems

7、strahlung radiation) 。1)高速電子電離原子的內層電子，將能量轉化 為標識輻 射(characteristic radiation) ；碰撞損失(collision loss)輻射損失(radiation loss)第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理17軔致輻射產生二、X射線產生機制2. 連續X射線第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理182. 連續X射線軔致輻射產生二、X射線產生機制第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理192. 連續X射線存在最短波長( min) X

8、射線強度連續變化每條曲線有一個峰值波長增加方向上無限 延展，強度越來越弱二、X射線產生機制30kV20kV40kV50kV0.10123456780.020.040.060.08波長波長(nm)相對強度相對強度I鎢靶較低管電壓連續X射線發射譜第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理202. 連續X射線 光子能量的最大極限(hmax)等于入射電子在X射線管加速電場中所獲得的能量eU，即eUhmax光子最短波長為： eUhcmin)()(24. 1minnmkvU二、X射線產生機制第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理213. 特征

9、X射線二、X射線產生機制 產生條件iWeU 管電壓U滿足：入射電子動能靶原子某一殼層電子結合能第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理223. 特征X射線二、X射線產生機制 產生條件iWeU 管電壓U滿足：入射電子動能靶原子某一殼層電子結合能第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理233. 特征X射線二、X射線產生機制第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理243. 特征X射線二、X射線產生機制幾種靶材料產生K、L系特征X射線的激發電壓(kV) 靶材料原子序數K系激發電壓L系激發電壓鋁(Al)銅(C

10、u)鉬(MO)鎢(W)鉛(Pb)13294274 821.568.8917.459.088.00.090.952.8712.0915.86第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理254. 影響X射線發射譜的因素主要因素經后的發射譜靶自吸收固有濾過附加濾過電子動能多次作用二、X射線產生機制低能X射線吸收外部濾過1.00.50.01010 20 30 40 50 60 70 80 90 100110光子能量光子能量(keV)相對光子數相對光子數100kV管電壓下鎢靶X射線發射譜第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理264. 影響X射

11、線發射譜的因素二、X射線產生機制因素影響管電流管電壓附加過濾靶材料管電壓波形能譜幅度能譜幅度和位置能譜幅度,在低能時更加有效能譜幅度和特征X射線譜位置能譜幅度,在高能時更加有效影響X射線能譜的大小和相對位置的因素第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理27第二節 X射線輻射場的空間分布 一、X射線強度 二、X射線強度的空間分布 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理282. X射線強度(x-ray intensity)一、X射線強度 單能X射線的強度I為hNI 多種光子組成的線狀譜強度為iiihNI連續X射線能譜的強度為EENE

12、IEd )(max0診斷中連續X射線總強度niZUKI1cK系特征X射線強度nUUiI)(k2k K第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理292. X射線的量與質由管電流與照射時間間接表示通常以毫安秒(mAs)為單位。X射線的質(x-ray quality)X射線的量(x-ray quantity)又稱線質，由管電壓和濾過間接表示通常以千伏數（kV）為單位。 一、X射線強度 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理303. 影響X射線強度的因素構成靶物質的原子序數管電流管電壓 附加濾過 電壓脈動一、X射線強度 第一章第一章 X

13、X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理313. 影響X射線強度的因素各種因素對X射線強度的影響 影響的結果增加增加增加降低降低降低不變增加增加增加不變降低毫安秒管電壓靶原子序數濾過距離電壓脈動X射線的量X射線的質影響因素(增加)一、X射線強度 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理32二、X射線強度的空間分布 管電壓較高時 采用穿透式靶管電壓較低時 利用反射式靶主要取決于入射電子能量靶物質靶厚度1薄靶周圍X射線強度的空間分布X射線輻射強度在空間的分布情況很復雜第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理33二、X射線

14、強度的空間分布 管電壓較高時 采用穿透式靶管電壓較低時 利用反射式靶主要取決于入射電子能量靶物質靶厚度1薄靶周圍X射線強度的空間分布X射線輻射強度在空間的分布情況很復雜第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理342厚靶周圍X射線強度的空間分布“足跟”效應(陽極效應) 焦點的大小和形狀 改變二、X射線強度的空間分布 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理35二、X射線強度的空間分布 2厚靶周圍X射線強度的空間分布第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理36二、X射線強度的空間分布 2厚靶周圍X射線強

15、度的空間分布第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理37二、X射線強度的空間分布 2厚靶周圍X射線強度的空間分布陽極效應對有效焦點大小和形狀的影響 陽極效應的另一個重要的后果就是改變了有效焦點的大小和形狀 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理38第三節 X射線與物質的相互作用 一、X射線與物質相互作用系數 二、光電效應(photoelectric effect) 三、康普頓效應(Compton effect) 五、X射線與物質的其它相互作用過程 四、電子對效應(electric pair effect) 六、各種相互作用的相對

16、重要性 七、X射線基本特性 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理39主要過程次要過程光電效應康普頓效應電子對效應相干散射光核反應第三節 X射線與物質的相互作用 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理40X線光子進入線光子進入生物組織生物組織電子沿徑跡電子沿徑跡 損失能量損失能量康普頓效應康普頓效應電子對效應電子對效應光電效應光電效應高速電子高速電子光子光子軔致輻射軔致輻射電離電離激發激發熱熱物化階段物化階段生化階段生化階段生物階段生物階段 射線與生物組織相互作用的結射線與生物組織相互作用的結果果X第三節 X射線與物質的相互作

17、用 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理41多種相互獨立的作用1. 線性衰減系數與截面 一、X射線與物質相互作用系數 截面jj單能平行X射線光子束水平入射-dN= Nndx= n為線性衰減系數 單位：m2xnxeNeNN00第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理42一、X射線與物質相互作用系數 1. 線性衰減系數與截面 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理43線性衰減系數xNNd/d各種相互作用的總線性衰減系數jjn單位為m-1或cm-1質量衰減系數 單位是m2kg-1或cm2g-1一、X

18、射線與物質相互作用系數 1. 線性衰減系數與截面 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理442. 質能轉移系數和質能吸收系數 線性能量轉移系數hEtrtrh光子的能量Etr轉移給帶電粒子的動能jj ,trtr總轉移系數 一、X射線與物質相互作用系數 單位為m-1或cm-1等于各轉移系數之和 光子在物質中穿行單位距離時，其總能量由于各種相互作用而轉移給帶電粒子動能的份額 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理45質能轉移系數(mass energy transfer coefficient)lNEEd1dtrtr質能吸收系數(m

19、ass energy absorption coefficient)1 (trengg為次級電子的動能因輻射而損失的份額。 一、X射線與物質相互作用系數 2. 質能轉移系數和質能吸收系數 ，式中為物質密度, 是該能量的入射X射線光子穿過“質量厚度”為dl的物質層時，其總能量中因相互作用而轉移給帶電粒子動能的份額，E是入射X射線光子的能量，N是入射X射線光子數 NEEtrd第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理46二、光電效應(photoelectric effect) 1. 作用過程 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理47

20、h : 光子能量Ee: 光電子的動能EB: 原子第i層電子的結合能 h=Ee+EB 2. 作用系數33)(hZ光電線性衰減系數，符號光電質量衰減系數，符號二、光電效應(photoelectric effect) 1. 作用過程 光電效應發生的概率隨光子能量的變化第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理48水鉛LK2. 作用系數水和鉛的光電質量衰減系數與X射線光子能量的關系二、光電效應(photoelectric effect) 5104103102101100101101keV 10keV 100keV 1MeV 10MeV光子能量光電質量衰減系數第一章第一章

21、X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理493. 光電子角分布二、光電效應(photoelectric effect) 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理504. 診斷放射學中的光電效應 影像質量好 1)無散射線，減少了照片灰霧射線通過光電效應可全部被人體吸收，增加 了受檢者的輻射劑量。2)增加吸收差別，對比度高利:弊:二、光電效應(photoelectric effect) 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理51三、康普頓效應(Compton effect) 1.作用過程)cos1 (1hhhhhE

22、)cos1 (1)cos1 ()2()1 (tgctg第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理52三、康普頓效應(Compton effect) 1.作用過程第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理532.作用系數h1康普頓線性衰減系數，用符號“”表示康普頓質量衰減系數與入射光子能量之間的關系康普頓質量衰減系數，用符號“ ”表示三、康普頓效應(Compton effect) 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理543.散射光子和反沖電子的角分布散射光子 0180 三、康普頓效應(Compton

23、effect) 0.1 MeV1.0 MeV10 MeV康普頓散射光子的角分布第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理553.散射光子和反沖電子的角分布1.0 MeV0.1 MeV10 MeV90O60O0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1090O60O0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10反沖電子090三、康普頓效應(Compton effect) 康普頓反沖電子的角分布第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理564. 診斷放射學中的康普頓效應 從受檢者身上產生的散射線能量與原射線相差很少，并且散射線比較對稱地分布在

24、整個空間，醫生和技術人員必須重視，并采取相應的防護措施。(2) 散射線增加了照片的灰霧，降低了影像的對比度， 但與光電效應相比受檢者的劑量較低。 三、康普頓效應(Compton effect) 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理571. 作用過程 22cmEEhe四、電子對效應(electric pair effect) 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理581. 作用過程 22cmEEhe四、電子對效應(electric pair effect) 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物

25、理592. 作用系數Zhp 當h 2mec2時 當h2mec2時)ln(phZ電子對線性衰減系數，用符號“ ”表示；電子對質量衰減系數，用符號“ ”表示。pp四、電子對效應(electric pair effect) 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理60五、X射線與物質的其它相互作用過程 1.相干散射(coherent scattering)2coh)(hZ光子與原子核作用而發生的核反應。光核反應在診斷X射線能量范圍內不可能發生。 相干散射質量衰減系數與原子序數和入射X射線光子能量的關系可表示為： 2.光核反應不產生電離過程第一章第一章 X X射線物理射

26、線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理61六、各種相互作用的相對重要性 1. 總的衰減系數高能端部分電子對效應占優勢 cohpc2. 各種相互作用的相對重要性10keV100MeV能量范圍的低能端部分 光電效應占優勢中間部分康普頓效應占優勢第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理622. 各種相互作用的相對重要性六、各種相互作用的相對重要性 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理63七、X射線的基本特性1.X射線穿透作用 2.X射線熒光作用 3. X射線電離作用 4. X射線熱作用 5. X射線的化學和生物效應 X射線除具有

27、電磁波的共性外，還具有以下的基本特性。易透性組織中等透射性組織不易透射性組織氣體脂肪組織結蒂組織肌肉組織軟骨血液骨骼 人體組織對X射線的穿透性 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理64第四節 X射線在物質中的衰減 擴散衰減距離所致 X射線強度衰減的平方反比定律 X射線攝影、透視及X-CT檢查的基本依據屏蔽防護設計的理論根據吸收衰減 物質所致 強度減弱 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理65一、單能X射線在物質中的衰減規律 二、連續X射線在物質中的衰減規律 三、X射線的濾過 第四節 X射線在物質中的衰減 第一章第一章 X

28、X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理66一、單能X射線在物質中的衰減規律 1. 單能窄束X射線在物質中的衰減規律 xIIe0 半價層(half-value layer,HVL)693. 0HVLxBIIe0寬束X射線:積累因子B nsnsnnNNNNNNNB1寬束 B1；理想窄束 B=1近似計算xB1第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理67二、連續X射線在物質中的衰減規律 連續能譜窄束X射線衰減nIIII21xnxxnIIIeee0020121特點：X射線強度變小，硬度變大（質提高）1. 單能窄束X射線在物質中的衰減規律 第一章第一章 X

29、X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理68二、連續X射線在物質中的衰減規律 1. 單能窄束X射線在物質中的衰減規律 連續能譜窄束X射線衰減第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理69連續能譜X射線與單能X射線通過物質時衰減的比較二、連續X射線在物質中的衰減規律 20012344006008001000光子數水模厚度/cm100kV單能X射線100kV連續能譜X射線1. 單能窄束X射線在物質中的衰減規律 連續能譜窄束X射線衰減第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理70二、連續X射線在物質中的衰減規律 1. 單能窄束

30、X射線在物質中的衰減規律 連續能譜X射線隨吸收物質厚度的變化連續能譜窄束X射線衰減第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理71決定衰減程度的四個因素X射線本身的性質物質密度原子序數每千克物質含有的電子數二、連續X射線在物質中的衰減規律 1. 單能窄束X射線在物質中的衰減規律 單能窄束X射線透過10cm水模的百分數能量（keV） 透過百分數（%）能量（keV） 透過百分數（%）203040500.042.57.010.0608010015013.016.018.022.0連續能譜窄束X射線衰減第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理

31、72三、X射線的濾過 固有濾過附加濾過總濾過 X射線管出口放置一定均勻厚度的金屬，預先把X射線束中的低能成分吸收掉，將X射線的平均能量提高，這種過程就是所謂濾過。 鋁當量（mm Al）是指一定厚度的鋁板與其它濾過材料相比，對X射線具有相同的衰減效果，此鋁板厚度就是該濾過材料的鋁當量。 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理73三、X射線的濾過 實際濾過板可選擇某種物質使它通過光電效應大量吸收低能成分，而高能成分通過時僅有極少量的康普頓散射吸收和光電效應吸收，絕大部分高能射線可通過。 理想濾過板低能成分全部吸收高能成分全部透過銅是很好的濾過物質 低能射線高能射線

32、鋁是很好的濾過物質第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理74 單能X射線由于具有同樣的穿透本領，無需濾過，其線質可用X射線光子的能量或半價層表示。但對連續X射線來說，光子能量不同，當通過濾過物質后，能量分布有不同的變化，要描述它的線質比較困難。在不需嚴格的能譜分析情況下，通常可用半價層、有效能量等表示。 三、X射線的濾過 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理75三、X射線的濾過 單能X射線光子能量與半價層的關系 0.00846 0.0105 0.023 0.071 0.159 0.297 0.485 1.01 1.68 3.

33、48 4.94 224.2 74.1 33.7 10.9 4.88 2.61 1.60 0.768 0.462 0.223 0.157 0.0083 0.326 0.760 2.30 4.56 7.02 9.30 12.8 15.2 18.7 21.1 26.2 7.90 3.39 1.12 0.565 0.367 0.277 0.201 0.170 0.138 0.1221015203040506080100150200 HVL(mm) HVL(mm) 銅 鋁 光子能量（keV）)gcm(12)gcm(12第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理76第五節 X射線在人體內的衰減 一、人體的物質組成 二、混合物和化合物的質量衰減系數 三、化合物的有效原子序數 四、X射線在人體中的衰減 第一章第一章 X X射線物理射線物理第一章第一章 X X射線物理射線物理77一、人體的物質組成 骨骼、軟組織、肺和消化道以及腔體內的氣體組成人體組織中所含元素質量的百分數（%）元素脂肪組織 肌 肉 骨 水HCNONaMgPSKCa 11.2