第十六章 X射线成像的物理基础
第十六章 X 射线成像的物理基础
本章教学要求
1.重点掌握X 射线强度和硬度的概念、X 射线连续谱和标识谱的产生机制及X 射线产生的微观机制、短波极限公式的应用、X 射线的衰减规律。
2.确切理解X 射线的基本性质、X 射线衍射、常规X 射线投影及X 射线电子计算机断层成像（X —CT ）成像原理。
3.了解X 射线机的基本组成、X 射线的医学应用。
习题
16—4.一个连续工作的X 射线管，工作电压是250kV ，电流是40mA ，问靶上每分钟产生的热量是多少？
解：根据 IUt Q =0，则可得
J Q 5
330100.660102501040⨯=⨯⨯⨯⨯=-
总能量的99%转变为热能，因此靶上每分钟产生的热量为
J Q Q 5
01094.5%99⨯==
16—5 .X 射线谱的最短波长分别为0.01nm 、0.1nm 、1nm 的X 射线，求加在X 射线两端的电压有多大？这时电子到达阳极靶时的动能是多少？
解：最短波长 nm U
242
.1min =λ，则 )(242
.1min
kV U λ=
因此 nm 01.0min =λ时，有 )(10242.101
.0242
.121kV U ⨯==
J eU W 14519
111099.110242.110
6.1--⨯=⨯⨯⨯==
同理，可得min λ分别为0.1nm 和1nm ，电子到达阳极靶时的动能为 kV U 42.122= J W 15
210
99.1-⨯=
kV U 242.13= J W 16
31099.1-⨯=
16—6.如果加在X 射线管两端的电压减少23kV ，最短波长就增加一倍，求连续x 射线的谱的最短波长。
解：根据 nm U
242
.1min =λ，则 min 1242.1λ=U min
2242
.1λ=
U
可得
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-
=-=∆min 2min
12111242.1λλU U U 又
2min
2min
1=λλ，则 min 1min 1min
12242.121
1242.1λλλ=⎪⎪⎭⎫
⎝⎛-
=∆U nm U 027.023
2242.12242.1min 1=⨯=∆=
λ 16—7.已知岩盐的晶体点阵是立方体，今有波长为λ的X 射线，以掠射角05100
'投射到晶体表面上。
如果在反射线方向上，恰好发生第一级的加强干涉现象。
若岩盐的晶格常数m d 10
10
8.2-⨯=，求X 射线波长。
解：布拉格—乌利夫公式
λθm d =sin 2 在发生第一级加强干涉时，1=m 则
nm m d 105.01005.1833.10sin 10
8.22sin 210010
=⨯=⨯⨯⨯==--θλ
16—8.厚度为2mm 的铜片，能使单色的X 射线强度减小到原来的1/5，求铜的线性吸收系数和半价层。
解：X 射线的吸收规律为
x
e I I μ-=0
即
x e I
I μ=0
两边同时取自然对数，可得 x I
I μ=0
ln
10
05.82
.05ln ln
-===
cm x I I μ m cm x 42
11061.80861.005
.8693
.02
ln -⨯===
=
μ
16—9 .X 射线被吸收时，要经过多少个半价层后，X 射线的强度才减少到原来的0.1%。
解：X 射线的吸收规律为
x
e I I μ-=0
可得当X 射线强度0%1.0I I =时吸收层的厚度x ，则半价层数n 为 2
1x x n =
由于 x
e I I μ-=0，则
x e I I μ=0
x I I
μ=0ln μ
I I x 0ln =
由于 μ
2
ln 21=
x ，则
102ln 10ln 2ln ln
2ln ln
30
01====
I I I
I x x μ
μ
因此，10=n ，即需要经过10个半价层。
16—10.设密度为3g/cm 3的物质，对于某种X 射线的质量吸收系数为0.03cm 2
/g 。
求这种射线束穿过厚度为1mm 、5mm 和1cm 的吸收层后的强度与原来强度的百分数。
解：依据 x
e I I μ-=0，式中m ρμμ=，则
x
m e I I ρμ-=0
所以
x x e e I I
m 03.030
⨯--==ρμ。
分别代入吸收层的厚度cm mm mm x 1,5,1=的值，可得相应厚度下X 射线强度与原来强度的百分比%0⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛I I 分别为 99.1%，95.6%，91.4%。
16—11.对波长为0.154nm 的X 射线，铝的吸收系数为132cm -1
，铅的吸收系数为
261cm -1。
要得到和1mm 厚度的铅层相同的防护效果，铝板的厚度应为多少？
解：使用铝板要达到同使用1mm 厚度的铅版同样的厚度效果，是指经过一定厚度的铝板后X 射线的强度与经过1mm 厚度的铅版X 射线的强度相同，这种情况下，铝板与
铅版的防护效果相同，21I I = 。
根据 x
e I I μ-=0，有
1
101x e
I I μ-= 2
202x e
I I μ-=
由 21I I = 可以确定铝的厚度1x ，即 221
1x x e e
μμ--=
则 2211x x μμ= 可得
mm x x 977.11132
2612121=⨯==
μμ。
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射线物理基础.完整版PPT
2、特征 X 射线谱(特征谱/标识谱)
它是迭加在连续谱上的分立谱线，在 X 射线 谱中，特别窄，特别高的峰就是特征 X 射 线。
1）产生机理
2）特征谱线的命名
3）特征波长
1）产生机理
4）特征波长及其与z关系： Pt(Z=78)的质量吸收系数 μm 随入射 X 射线波长 λ 的变化 hν=hc/λ≥ev
1879年克鲁克斯曾抱怨放在他的阴极射线管附近的照相底片老出现模糊的阴影。
不同阳极靶材，在有不X同的射特线征谱管线中，波，长当不同阴λ~极z关发系射，由的19电14年子莫束塞萊轰（击MO阳SL极EY）的定过律确程定中。 ，当某个具有足 够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出，于是在低能级上出现空位，原 子的系统能量升高，系统处于激发状态。 这种激发态是不稳定的，随后便有较高能级上的电子向低能级上的空位跃 迁，使原子的系统能量重新降低而趋于稳定。在原子系统中，电子从高能级 向低能级的跃迁过程中多余的能量以光子的形式向外辐射特征 X 射线。
X 射线：波长0.001～10nm的电磁波； 高速电子撞击阳极(Cu、Cr等重金属)：热能(99%)+X射线(1%)
高速电子撞击 使阳极元素的内层 电子激发；产生X 射线辐射；
X 射线谱
X 射线谱是 X 射线强度I-波长λ的关系曲线
X 射线管产生的辐射按射 线谱特征分为连续 X 射线 和特征 X 射线两类。
波长一定而强度很强
与靶材、激发电压有 关，与管电流无管
特征谱的产生与靶材 原子内部结构有关如 Kα，Kβ
hn2n1 En2En1
En2和En1—— 分别为高能级和低能级电子的能量
n1 n2En1 hEn2 cR(Z)2 n2 2 1n1 2
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.
X线成像PPT课件
=
c
c310 8m/s
正比于管电压 KV p 故 KV p
25
2、X线的强度的空间分布
高速电子
0
A BC
阳极效应---足跟效应
26
三、X-射线与物质的相互作用
X-射线与物质的相互作用的过程: 入射X-射线通过物质时，光子渐渐损失掉，在
入射方向，射线愈来愈弱，衰减。 衰减的过程主要有三种：光电效应，康普顿散
a，阳极特性曲线； b，灯丝发射特性曲线。
49
4）X线管的容量
a，决定因素：焦点面积、转速、倾角等。 B，计算公式：P=U×I/1000。其中U、I分
别为有效管电压和有效管电流。 C，标称功率：将一定整流方式和一定照射
条件下X线管的最大负荷，称为X线管的标 称功率。 D，连续负荷和瞬时负荷容量表示方法。
X线的辐射量用X线在空气中产生电离电荷的多 少来间接测量。
在X线诊断中，可用X线管的管电流与照射时间 的乘积来间接反映X线的量。单位：毫安秒 （mA s）。
24
X线的质(X-ray quality) ：表示X线的硬度。
光子能量/个 = h 单位： ev
h = 6.62610 34JS Planck 常数
35
X线光子
Nucleus
光子
自由电子 慢正电子
光子
电子
36
37
四、X射线与人体的相互作用
不变散射：光子与电子碰撞只改变进行方向而 能量不变。
康普顿散射：光子与自由电子或原子中束缚的 不太紧的电子碰撞，将一部份能量传递给电子， 使之脱出原子成为反冲电子，光子则因损失能 量成为能量更小的光子，且改变运动方向。
Bone Muscle Fat
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。
放射成像的基础知识ppt课件
X线成像的基本原理
X线管: 为一高真空的
二极管，杯状的阴 极内装着灯丝；阳 极由呈斜面的钨靶 和附属散热装置组 成。
X线成像的基本原理
高压发生器: 为提供X线管灯丝电
源和高电压而设置。一 般前者仅需12V以下，为 一降压变压器；后者需 40～150kV(常用为45～ 90kV)为一升压变压器。。
放射成像的基础知识
1、X线的发展历程 2、X线成像的基本原理 3、X线成像的特点 4、X线的质量和强度 5、放射产品分类
放射产品分类
主要放射产品分类（按临床应用）： 1、普通诊断X线机 普通摄影X线机、透视机、多功能X线机、手术用X线
机、床边X线机、乳腺X线机、牙科X线机 2、数字减影血管造影 （Digital subtraction
X线的发展历程
20世纪初，医用X线机诞生 20世纪40年代，旋转阳极X线球管诞生 20世纪70年代，中频技术出现，CT诞生 20世纪80年代，X线电视系统用于临床检查，
MR诞生
X线的发展历程
20世纪90年代，光学、电子、物理技术对 传统化学技术发起挑战，数字胃肠机，DSA 及CR依次粉墨登场。
放射产品分类－MRI
磁共振成像的物理学原理：
➢磁场对样体的磁化作用
➢磁共振现象
➢驰豫：
纵向驰豫（T1驰豫），指纵向磁化矢量从最小值恢 复至平衡态的63％所经历的驰豫时间
横向驰豫（T2驰豫），指横向磁化矢量衰减至其最 大值的37％所经历的驰豫时间 ➢MR信号的形成
放射产品分类－MRI
磁共振成像的物理学原理：
➢人体能量代谢研究：如通过波谱分析可研究组织器官的能量代谢情况
X射线物理基础
X射线的性质
瑞典皇家科学院院长奥得纳(C.T.Odher)在伦琴 获诺贝尔奖的致词中说：
对于这种能量辐射的真实组成，目前尚不清楚，然而，伦 琴本人和后来从事这方面研究的其他科学家已发现了它的 若干特殊性质。毫无疑问，当人们充分研究这种奇异的能 量形式并全面探索它的广阔应用领域时，物理科学将取得 许多成就。
X射线产生的几个基本条件
产生自由电子； 使电子作定向的高速运动; 在其运动的路径上设置一个障碍物 使电子突然减速或停止。
X射线管的结构
阴极：又称灯丝(钨丝)，通电加热后便能释放出热辐射电子。 阳极：又称靶，通常由纯金属制成(Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag,W等)， 使电子突然减速并发射X射线。阳极需要水强制冷却。 窗口：是X射线射出的通道，维持管内高真空，对X射线吸收较少， 如金属铍、含铍玻璃、薄云母片。
1.1 X射线的物理学基础
X射线的本质
X射线是一种本质与可见光完全相同的电磁波或电磁辐射，只不过X射线是 由高速带电粒子与物质原子中的内层电子作用而产生的，因此能量大，波 长短（0.1-10 nm），穿透物质的能力强。
无线电波
红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线 宇宙射线
1029
10－4 10－6 10－7 10－8
2） X射线具有粒子性，是具有一定能量光子的粒子 流，反映物质运动的分立性。 现象表现为光电效应和荧光辐射。
证明X射线的波动性
已出现的设想：晶体中呈有规律、周期性排列，组 成三维原子网络，以上未能得到实验证实。
X射线成像基础
第十六章 X 射线成像的物理基础本章教学要求1.重点掌握X 射线强度和硬度的概念、X 射线连续谱和标识谱的产生机制及X 射线产生的微观机制、短波极限公式的应用、X 射线的衰减规律。
2.确切理解X 射线的基本性质、X 射线衍射、常规X 射线投影及X 射线电子计算机断层成像（X —CT ）成像原理。
3.了解X 射线机的基本组成、X 射线的医学应用。
习题16—4.一个连续工作的X 射线管，工作电压是250kV ，电流是40mA ，问靶上每分钟产生的热量是多少？解：根据 IUt Q =0，则可得J Q 5330100.660102501040⨯=⨯⨯⨯⨯=-总能量的99%转变为热能，因此靶上每分钟产生的热量为J Q Q 501094.5%99⨯==16—5 .X 射线谱的最短波长分别为0.01nm 、0.1nm 、1nm 的X 射线，求加在X 射线两端的电压有多大？这时电子到达阳极靶时的动能是多少？解：最短波长 nm U242.1min =λ，则 )(242.1minkV U λ=因此 nm 01.0min =λ时，有 )(10242.101.0242.121kV U ⨯==J eU W 14519111099.110242.1106.1--⨯=⨯⨯⨯==同理，可得min λ分别为0.1nm 和1nm ，电子到达阳极靶时的动能为 kV U 42.122= J W 1521099.1-⨯=kV U 242.13= J W 1631099.1-⨯=16—6.如果加在X 射线管两端的电压减少23kV ，最短波长就增加一倍，求连续x 射线的谱的最短波长。
解：根据 nm U242.1min =λ，则 min 1242.1λ=U min2242.1λ=U可得⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=-=∆min 2min12111242.1λλU U U 又2min2min1=λλ，则 min 1min 1min12242.1211242.1λλλ=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=∆U nm U 027.0232242.12242.1min 1=⨯=∆=λ 16—7.已知岩盐的晶体点阵是立方体，今有波长为λ的X 射线，以掠射角05100'投射到晶体表面上。
X线成像的基本原理-X线成像基础
(一)X线的产生1895年，德国科学家伦琴发现了这种具有很高能量，肉眼看不见，但能穿透不同物质，能使荧光物质发光的射线。
X线是真空管内高速行进的电子流轰击钨靶时产生的。
X线发生装置主要包括X线管、变压器和操作台。
X线管为一高真空的二极管，杯状的阴极内装着灯丝，阳极由呈斜面的钨靶和附属散热装置组成。
降压变压器为向X线管灯丝提供电源。
操作台主要为调节电压、电流和曝光时间而设置的电压表、电流表、时计及其调节旋钮等。
X线的发生过程是向X线管灯丝供电、加热，在阴极附近产生自由电子，当向X线管两极提供高压电时，阴极与阳极问的电势差陡增，电子以高速由阴极向阳极行进，轰击阳极钨靶而发生能量转换，其中1％以下的能量转换为X线，99％以上转换为热能。
X线主要由X线管窗口发射，热能由散热装置散发。
(二)x线的特性X线属于电磁波。
波长范围为0.0006～50nm。
用于X线成像的波长为0.008～0.031nm(相当于40~150kV时)。
在电磁辐射谱中，居7射线与紫外线之间，比可见光的波长短，肉眼看不见。
此外，X线还具有以下几方面与X线成像和X线检查相关的特性：穿透性：X线波长短，具有强穿透力，能穿透可见光不能穿透的物体，在穿透过程中有一定程度的吸收即衰减。
X线的穿透力与X线管电压密切相关，电压愈高，所产生的X线波长愈短，穿透力也愈强；反之其穿透力也弱。
X线穿透物体的程度与物体的密度和厚度相关。
密度高，厚度大的物体吸收的多，通过的少。
X线穿透性是X线成像的基础。
荧光效应：X线激发荧光物质，如硫化锌镉及钨酸钙等，使波长短的X线转换成波长长的可见荧光，这种转换叫做荧光效应。
荧光效应是透视检查的基础。
感光效应：涂有溴化银的胶片，经X线照射后，感光而产生潜影，经显影、定影处理，感光的溴化银中的银离子(A矿)被还原成金属银(Ag)，并沉积于胶片的胶膜内。
此金属银的微粒，在胶片上呈黑色。
而未感光的溴化银，在定影及冲洗过程中，从X线胶片上被洗掉，因而显出胶片片基的透明本色。
x射线的物理学基础ppt课件
x射线衍射分析
晶体结构分析
通过测量晶体对X射线的衍射角度 ，可以推断出晶体的晶格常数、 原子间距等结构信息。
相变研究
利用X射线衍射技术可以研究物质 在相变过程中的晶体结构变化，揭 示相变的本质。
残余应力分析
通过测量材料表面的X射线衍射信息 ，可以计算出材料内部的残余应力 分布。
x射线光谱分析
元素分析
定期的安全检查
对X射线源进行定期的安全检查，确保其处于良好状态。
应急处理措施
制定应急处理预案，对可能发生的事故进行及时、有效的处理。
环境保护法规与标准
相关法规
《中华人民共和国放射性污染防 治法》 《放射性同位素与射线装置安全 和防护条例》
环境保护法规与标准
环境保护标准 《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》 《X射线诊断放射卫生防护标准》 其他相关行业标准及地方标准
性质
X射线具有波粒二象性，既可以表 现为波动性质（如干涉、衍射） ，也可以表现为粒子性质（如光 电效应）。
x射线的发现及历史
发现
1895年，德国物理学家伦琴在研究 阴极射线时意外发现了X射线。
历史
自伦琴发现X射线以来，X射线在医学 、工业、科研等领域得到了广泛应用 ，对现代科学技术的发展产生了深远 影响。
02
增加与X射线源的距离，降低照射强度。
屏蔽防护
03
使用铅板、混凝土等厚重物质遮挡X射线，减少散射线的影响。
x射线源的安全管理
封闭型X射线源
安全性能高，但一旦损坏可能造成严重后果。
开放型X射线源
使用时需特别注意安全，避免射线泄漏。
x射线源的安全管理
严格的操作规程
确保工作人员熟悉操作规程，避免误操作。