x射线成像的物理基础
01X射线物理学基础
电磁波的种类：电磁波谱
波长
λ
名称
5×10-3 ～0.1
0.1～10
10～200
200～400
γ 射线
x射线
远紫外光
近紫外光 1.0×109 1.0×1012 ～
波长
λ
名称
400～750
750～ 1.0×106
1.0×106 1.0×109
～
可见光
红外光
微波
无线电波
X射线的物理学基础
射 线
10-2 nm 10 nm
X射线的物理学基础
光电效应
定义：当激发二次特征辐射时，原入射X射 线光量子的能量被激发出来的电子吸收转 变为动能，使电子逸出原子之外，这种电 子称为光电子。 发生光电效应时，物质将大量吸收入射X射 线的能量，使原X射线强度明显减弱。在选 靶时应避免。
X射线的物理学基础
俄歇效应
定义：原子在入射X射线光子或电子的作用下失 掉K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位 时，剩余的能量不是释放，而是促使L层的另一个 电子跳到原子之外。
X射线的物理学基础
试验规律
增加X射线管压，相对强度增高，
λm和短波限λ0变小。
管压恒定，增加管流，相对强 度一致增高，但λ0和λm数值大 小不变。 各种波长的相对强度随靶元素 的原子序数增加而增加。
图 1-2
X射线的物理学基础
短波限λ0
连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为
短波限λ0。它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产
生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素 的影响。 根据量子力学观点：能量为 eV 的电子和阳极靶 碰撞时产生光子，从数值上看光子的能量应不大
X线成像基本原理
X线成像基本原理
第15页
四、X线成像
当X线穿透人体不一样组织结构时, 被吸
收程度就不一样, 所以抵达荧屏或胶片X线量 有差异, 从而在荧屏或胶片上形成明暗或黑白
对比不一样影像。
转
X
X
人 带有些人体信息X线 换
线
线
体
介
影
质
像
X线成像基本原理
第16页
1.形成X线影像三个基本条件
（1）X线含有一定穿透力 （2）被照体存在着密度和厚度差异 （3）经过显像介质取得X线影像
X线成像基本原理
X线成像基本原理
第1页
一、概述
1895年11月8日, 德国物理学家伦琴在进 行阴极管放电试验时偶然发觉了含有很高能 量, 肉眼看不见, 但能穿透不一样物质, 能使 荧光物质发光射线。
因为当初对这种射线性质不了解, 所以称 之为X射线。为纪念发觉者, 以后也称为伦琴 射线, 现简称X线。
组织结构和器官密度及厚度差 异, 是产生影 像对比基础, 是X线成像基本条件。
X线成像基本原理
第17页
X线成像基本原理
第18页Βιβλιοθήκη X线成像基本原理第19页
X线成像基本原理
负像
第20页
2.X线采集和显示
X线成像基本原理
第21页
医用X线胶片分类: a.普通X线摄影胶片 感蓝胶片（盲色片）: 吸收光谱峰值为420nm （包含: 标准感度胶片、大宽容度胶片） 感绿胶片（正色片）: 吸收光谱峰值为550nm （包含: 扁平颗粒胶片、乳腺摄影用正色胶片、
化学效应: 感光作用、着色作用
生物效应
X线成像基本原理
第10页
（1）穿透作用
16第十六章 X射线成像的物理基础介绍
关于X射线的描述： 1.是电磁波,遵从波的规律:折射,反射,干 涉,衍射,….； 2.波长短,小于10nm
频率高,大于 1016 Hz; 3.人眼看不到；
4.可以视为光子；
5.能量强,可达几百KeV。
16.1.1 X射线的产生
X射线的产生条件
1. 有高速运动的电子流； 2. 有适当的障碍物—靶。
就像子弹打在坦克上会发 出声音和火花一样.
X射线的产生装置 X射线管、低压电源、高压电源。
加在两极间的直流高压称为管电压. X射线 管内两极间形成的电流称为管电流.
16.1.2 X射线的基本性质
1.贯穿作用 X射线对各种物质具有不同程度的贯穿作用. 2.电离作用 X射线能使物质的分子和原子电离.
3.荧光作用 一些物质的原子或分子受X射线照射时因
式中 为X射线光子的频率 Ni为频率为 的X射线的光子数 h为普朗克常量
增加X射线强度的方法：
1. 增加管电流，使单位时间内轰击阳极靶 的电子数增多，从而增加所产生的X射线 光子数目N。
2. 增加管电压，使每个光子的能量 增加。
在临床上用管电流的毫安数（mA）来 表示X射线的强度，称为毫安率。
管电流的电流值与辐射时间的乘积表示 X射线的总辐射能量。
布拉格,以表彰他们在1913年用X射线对晶体结构的分
析所作的贡献.
主要贡献: 开创英国固态物理测定晶体构造
提出 Bragg 方程 : 2dsinθ=m 制成第一台X-射线光谱仪 利用X-射线绕射方法研究晶体构造
布拉格父子于1913年借助X射线 成功地测出金刚石的晶体结构, 并提出了“布拉格公式”,为最终 建立现代晶体学打下了基础,于 1915年获奖.当时,小布拉格年 仅25岁,是至今为止最年轻的诺 贝尔奖获得者.
第二章-X射线成像的物理基础
特征辐射
高速电子流轰击阳 极靶，将某些内层电子 击出，转移到外部壳层 或击出原子之外。
轨道电子从外层跃迁 到内层。放出特征X射 线光子。
1. 连续辐射(韧致辐射)：如果被靶阻挡的电子的能量，不越过一 定限度时，只发射连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射。 连续光谱的性质和靶材料无关。
2. 特征辐射(标识辐射)：当电子的能量超过一定的限度时，可以 发射一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，这种发射 线状光谱的辐射叫做特征辐射。 特征光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的特征光谱这就是 为什么称之为“特征”的原因。
在压产生X射 线的时间
X射线的量：管电流×曝光时间（mA×s）
穿透物质 的能力
X射线的质：管电压（kV）
X射线的质/线质一般用于表示X射线的硬度(hardness of X-ray)
X射线的三个参量：
管电压(kVp) 管电流(mA) 曝光时间(s)
名称
极软X射线
X射线谱， 波长大致介于70～0.01 nm范围内的电磁
辐射，X射线谱由连续谱和标识谱两部分组成，标识谱重
叠在连续谱背景上。连续谱是由于高速电子受靶极阻挡而
产生的轫致辐射，其短波极限λ0由加速电压V决定：
0
=
hc eV
为普朗克常数，e为电子电量，c为真空中的光速。 标识谱是由一系列线状谱组成，它们是因靶元素内层
第二章 X线成像物理基础
章节目录
第1节 X线的本质 第2节 X射线的产生和影响因素 第3节 X线的各种作用 第4节 X射线与物体原子间相互作用 第5节 X线的量与质
我们视而不见的光亮，对于我们就是黑 暗。当我们清醒时，曙光才会破晓。来日方 长，太阳只是启明星。
医学影像物理学__复习大纲整理
医学影像物理学__复习⼤纲整理医学影像物理学复习整理(四种成像技术的物理原理，基本思想等)第⼀章：X射线物理第⼀节：X射线的产⽣医学成像⽤的X射线辐射源都是利⽤⾼速运动的电⼦撞击靶物质⽽产⽣的。
1. 产⽣X射线的四个条件：（1）电⼦源（2）⾼速电⼦流（3）阳极靶（4）真空环境2.X射线管结构及其作⽤（阴极，阳极，玻璃壁）（1）阴极：包括灯丝，聚焦杯，灯丝为电⼦源，聚焦杯调节电流束斑⼤⼩和电⼦发射⽅向。
（2）阳极：接收阴极发出的电⼦；为X射线管的靶提供机械⽀撑；是良好的热辐射体。
（3）玻璃壁：提供真空环境。
3.a.实际焦点：灯丝发射的电⼦，经聚焦加速后撞击在阳极靶上的⾯积称为实际焦点。
b.有效焦点：X射线管的实际焦点在垂直于X射线管轴线⽅向上投影的⾯积，称为有效焦点。
c.有效焦点的⾯积为实际焦点⾯积的sinθ倍。
(θ为靶与竖直⽅向的夹⾓)补充：影响焦点⼤⼩的因素有哪些？答：灯丝的形状、⼤⼩及在阴极体中的位置和阳极的靶⾓θ有关。
4.碰撞损失：电⼦与原⼦外层电⼦作⽤⽽损失的能量。
5.辐射损失：电⼦与原⼦内层电⼦或原⼦核作⽤⽽损失的能量。
6.管电流升⾼，焦点变⼤；管电压升⾼，焦点变⼩。
7.a.标识辐射：⾼速电⼦与原⼦内层电⼦发⽣相互作⽤，将能量转化为标识辐射。
b.韧致辐射：⾼速电⼦与靶原⼦核发⽣相互作⽤，将能量转化为韧致辐射。
6.连续X射线的短波极限只与管电压有关。
且与其成反⽐。
7.X射线的产⽣机制：电⼦与物质的相互作⽤，X射线是⾼速运动的电⼦在与物质相互作⽤中产⽣的。
韧致辐射是产⽣连续X射线的机制。
（1）X射线的穿透作⽤（2）荧光作⽤（3）电离作⽤（4）热作⽤（5）化学和⽣物效应*X射线的穿透作⽤是X射线医学影像学的基础。
第⼆节：X射线辐射场的空间分布1.X射线强度：X射线在空间某⼀点的强度是指单位时间内通过垂直于X射线传播⽅向上的单位⾯积上的光⼦数量与能量乘积的总和。
补充：X射线强度是由光⼦数量和光⼦能量两个因素决定。
01-XRD-基础与原理(1-X射线物理基础)
（X-Ray Diffraction ，XRD）
1
概述
1895年，德国物理学家伦琴
1901
发现X射线
1912年，德国物理学家劳厄等人 发现X射线在晶体中的衍射现象 劳厄方程组
1912年，英国物理学家布·拉格父子 布拉格方程 开创X射线分析晶体结构的历史
1914 1915
2
1916年：德拜、谢乐 多晶体试样的“粉末照相法”
15
1、连续X射线谱
包含从某个短波极限开始 的各种波长的X射线谱。
(1)产生原理 ➢ 轫致辐射：高速电子骤然减
速产生辐射 ➢ 到达阳极的电子数目很多，
并且由于绝大多数电子都要经历多次碰撞产能到达阳极。因此撞 向阳极的时间、条件各不相同。 ➢ 电子动能转化为x-ray的能量也有多有少，从而导致产生的xray频率有大有小，形成不同波长的x-ray，构成连续的谱线。
产生强度特别高的X-ray
电动力学：带电粒子作加速运 动时会辐射光波
上海同步辐射光源
13
上海同步辐射光源演示场景
以接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动，改变运动方向时所产生的电磁辐射
14
三、X射线谱
X射线强度与波长的关系曲线， 称之X射线谱,图（a）
从X-ray管中发出的X射线可以 分为：连续X射线谱,图（b） 特征X射线谱,图（c）
晶粒尺寸的计算
晶胞参数的确定……
4
X 射线衍射分析（XRD）
需 分析未知物的物相组成所使用的检测方法？
解 决
XRD物相分析原理？仪器主要结构？样品要求？
的 XRD实验结果如何分析？
问 题 XRD除物相分析外，还能获得材料的哪些信息？
5
x线成像原理
x线成像原理X线成像是一项具有重要意义的医学技术，它为医疗机构提供了完整的解剖结构图像，以帮助医生快速准确地诊断病人。
X线成像技术的出现也使医生可以根据X射线照片的形式改善对病人的治疗方案。
X线的物理基础：X射线是一种高能量的电磁辐射，它有一定的物理含义，特别是与它相关的物理原理，如电磁波的反射、透射和衰减等，其中反射和透射是一个重要特点，将电磁波发射到某一物体之后，这种电磁波可以被反射回向源或被吸收透射到另一物体，它对不同物质具有不同的反射或透射程度。
X射线成像就是利用这种物理原理，让X射线通过不同物质并发射回向源，从而产生不同的成像效果。
X线摄影机的工作原理：X线摄影机的工作原理是建立在X线的物理基础上的。
X线摄影机由X线发射装置、X线探测器和图像分析处理装置等主要部件组成。
X线发射装置通过产生X射线来把X线发射到检查部位；X线探测器则利用X射线反射和吸收过程来分析物体的结构特征；最后，图像分析处理装置将X线探测器获取的数据进行图像转换和处理，以获得最终的X线成像结果。
X线成像的应用：X线成像的主要应用之一是对身体内部器官的检查，例如心脏、肺部和胃肠等等。
它可以帮助医生更好地了解病人的病情，并给出合适的治疗方案。
此外，X线成像也可以用于骨骼系统的检查，可以发现骨骼系统的各种异常、变形和损伤，从而更好地保护人们的身体健康。
除此之外，X线成像也在工业、科学研究等领域中有广泛应用，例如经过X线检测，可以检查机械零件的结构强度；还可以检查金属表面的缺陷，以及电子元器件的内部焊接和结构，等等。
以上就是关于X线成像原理的介绍，它是一项重要的医学技术，在医疗图像诊断和工业、科学研究中有重要的应用。
X线成像技术的出现，为医疗机构提供了一个完整的解剖结构图像，可以帮助医生快速准确地诊断病人，并且为科学研究和工业检测提供了可靠的支持。
射线检测的物理基础
射线检测的物理基础射线检测是一种利用射线在物质中传播的特性进行物质组成分析和缺陷检测的方法。
射线检测常用的射线包括X射线和γ射线。
这两种射线都是电磁波，具有较高的穿透能力和能量，因此可以用于穿透物质并获取内部信息。
射线检测的物理基础主要包括射线的产生、传播以及与物质相互作用的过程。
下面将对这些基础进行详细的介绍。
一、射线的产生射线检测中常用的X射线是通过X射线管产生的。
X射线管由阴极和阳极组成，当阴极上加上一定电压时，会产生一束高速电子，电子在电场作用下加速，并与阳极碰撞。
在碰撞过程中，电子会失去一部分能量，产生X射线。
这些X射线具有较高的能量，可以穿透物质并与物质相互作用。
γ射线则是由放射性核素产生的。
放射性核素的原子核不稳定，会发生衰变，释放出γ射线。
γ射线具有较高的能量和穿透能力，可以用于射线检测。
二、射线的传播射线在物质中的传播是直线传播，具有一定的传播速度。
射线传播的速度取决于射线的能量和介质的密度。
在同一介质中，射线的传播速度是恒定的。
而在不同介质中，射线的传播速度会发生改变，这就是射线折射现象。
三、射线与物质的相互作用射线与物质相互作用的过程是射线检测中最重要的过程。
射线与物质的相互作用包括散射、吸收和衰减三个主要过程。
散射是指射线与物质中的原子或分子碰撞后改变方向的过程。
散射分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指射线与原子或分子碰撞后只改变方向而不改变能量的过程，非弹性散射则是指射线与原子或分子碰撞后既改变方向又改变能量的过程。
散射的发生会改变射线的传播方向，从而影响射线检测的结果。
吸收是指射线在物质中传播过程中被物质吸收的过程。
物质对射线的吸收能力取决于射线的能量和物质的性质。
不同物质对射线的吸收能力有所差异，因此可以通过测量射线的吸收量来判断物质的组成。
衰减是指射线在物质中传播过程中能量逐渐减小的过程。
射线的衰减程度取决于射线的能量和物质的厚度。
较厚的物质会对射线的衰减产生更显著的影响。
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λ2 λ1
θ
∑λ 晶体
X射线摄谱仪原理
已知d,可求波长,分析X射线;
2dsinm 已知波长,求晶面间距,分析
晶体结构 返回
练习题:16--7
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1915年诺贝尔物理学奖 ——X射线晶体结构分析
L.布拉格(1890-1971) H.布拉格(1862-1942)
英国物理学家
劳伦斯·布拉格
亨利.布拉格
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思考题2: (411页 ? 在进行X射线照射时,是否硬度越硬越好?
答:(1) X射线硬度是指X射线对物质的贯 穿本领;
(2)可以通过加大X射线仪中的管电压 来提高X射线的硬度;
(3)不是.要根据具体需要调整X射线的 硬度,否则会造成伤害.
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第二节 X射线衍射 X射线谱
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佩鲁兹（M. Perutz，19142002 ） 和 肯 特 鲁 （ C. Kendrew ， 1917-1997 ） 1953 年通过X射线衍射法完成了 血红蛋白和肌红蛋白的结 构分析
M. Perutz C. Kendrew
1962年诺贝 尔化学奖
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罗莎琳德 ·富兰克林 (Rosalind Franklin)1920 年生于伦敦,15岁就立志要当科学家,但父亲 并 不支持她这样做.她早年毕业于剑桥大学,专业 是物理化学. 1945年,当获得博士学位之后,她 前往法国学习X射线衍射技术.
1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利.布拉格和他 的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯.布拉格,以表彰 他们在1913年用X射线对晶体结构的分析所作的贡献.
主要贡献: 开创英国固态物理测定晶体构造
提出 Bragg 方程 : n2dsinθ
制成第一台X-射线光谱仪
利用X-射线绕射方法研究晶体构造
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一. X射线的产生
(1)装置: X射线管,低压电源,高压电源,
电流表,电压表,冷却装置
阳极
阴极
低压 电源
千伏表
毫安表
高压电源
图1.X射线仪装置图
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(2)X射线产生必要条件有： a.有高速运动的电子流(阴极,钨) b.有适当的障碍物(阳极,钨,钼, 99%转变为热量!)
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就象子弹打在坦克上会发出声音和 火花一样.
(2) X射线谱由强度连续分布的弱背底和 强度断续分布的强谱线组成;
(3) X射线谱中的断续谱线位置与阳极
靶的材料有关，所以也称断续谱线为标
识X射线.
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1. 连续X射线
阴极电子的动能=阳极电子的动能+ 阳极靶中的热能+ X射线的光子能量
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返回
相 对
50kV
强
度
40kV
30kV
20kV
/ nm
当X射线穿过晶体之后,会形成衍射 图样— —一种特定的明暗交替的图形.不同的晶 体产生不同的衍 射图样,仔细分析这种图 形人们就能知道组成晶体的原子是如何 排列的.富兰克林精于此道,她成功的拍摄 了DNA分子是单链结构的螺旋体X射线衍 射照片.这张照片正是发现DNA结构的关 键
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1953年沃森（J.Watson，1928） 和 克 里 克 （ F.Crick ， 1916 ） 在 碱基互补配对原则的基础上， 构建了DNA分子双螺旋结构模 型
I i Nihi
式中 i 表示X射线光子的频率
Ni为频率为的X射线的光子 数
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(2) X射线的硬度----光子能量,管电压
X射线硬度是指X射线对物质的贯穿本领.
举例:不同硬度X射线的医学用途 (397页,表16--1)
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思考题1: (411页 16—1) X射线强度为什么可以用管电流
来表示? 答:因为控制管电流就可以控制阴极发射 电子的数量,发射电子数量的多少决定产 生的X射线光子数量的多少,而光子数量 的多少是X射线强度大小的标志.
频率高,大于 1016 H z
c.人眼看不到
d.是光子,
e.能量强,可达几百KeV 返回
二. X射线的基本性质
1.贯穿作用 2.电离作用 3.荧光作用 4.感光作用 5.生物效应
返回
三. X射线的强度和硬度
(1) X射线的强度-----光子数量,管电流
单位时间内通过与射线方向垂直的单位 面积的辐射能量为X射线的强度.用 I 表示.
J. Watson
F. Crick
返回
返回
第十六章 X射线成像的物理基础
X--ray
(第二讲)
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二. X射线谱
λ2 λ1
θ
∑λ 晶体
图4. X 射线摄谱仪
返回
图5. 钨靶的X射线谱 返回
X射线谱的特点:
(1) X射线谱表示以X射线波长为横轴 物理量, X射线相对强度为纵轴物理量 的变化曲线;
返回
返回
1901年,首届诺 贝尔物理学奖授予 德国物理学伦琴, 以 表彰他在1895年11 月8日偶然发现的X 射线.
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历史上 第一 张人体的X照片: 伦琴妻子的手. 摄于1895年12 月22日
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1896年1月发现X射线后仅几周，芝加哥电气技师 Emil Grubbe（1875-1960）即利用X射线对一名55岁 患乳腺癌的妇女进行了放射治疗
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布拉格父子于1913年借助X射线 成功地测出金刚石的晶体结构, 并提出了“布拉格公式”,为最 终建立现代晶体学打下了基础, 于1915年获奖.当时,小布拉格 年仅25岁,是至今为止最年轻的 诺贝尔奖获得者.
金刚石结构模型
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1914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰 克福大学的劳厄 ( Laue ,1879-1960),以 表彰他在1912年发现了晶体的X射线衍射.
返回
返回
图2. X 射线治疗肿瘤机 返回
例题一: (411页,16--4)
Q 99%Q0 99%IUt 99% 40 103 250 103 60 5.94 105 J
返回
(3)两个主要参量： 管电压(千伏) 管电流(毫安)
返回
(4)关于X射线： a.是电磁波,遵从波的规律:折射,反 射,干涉,衍射,…. b.波长短,小于10nm
返回
一. X射线衍射
θ
图3. X 射线衍射原理
1 2
C
A
B
d
M
相邻两层的波程差是, A B M M 2 A M 2 d sin
返回
由此我们得到X射线衍射波加强的条件为
2dsinm *
式中m是正整数,m =1,2,3, …时,反射束分别为 第一,二,三,级反射线束.
这个公式称为布拉格-乌利夫公式