2-醫(yī)學(xué)成像技術(shù)課件-x射線的產(chǎn)生-2013秋

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1、Xi’anJiaotongUniversity醫(yī)學(xué)成像X-射線產(chǎn)生白麗君副教授西安交通大學(xué)生命學(xué)院bailj4152615@gmail.com目標(biāo)一、X射線產(chǎn)生的機(jī)制二、理解韌致輻射與標(biāo)識(shí)輻射的產(chǎn)生原理三、了解影響X射線發(fā)射譜的因素2X線的發(fā)現(xiàn)lX線是由德國(guó)物理學(xué)家倫琴于1895年做陰極管實(shí)驗(yàn)時(shí)意外發(fā)現(xiàn)它與放射線和電子并稱為19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)l研究陰極射線管氣體放電時(shí)，附近照相底片被曝光；黑暗中陰極射線管附近涂有鉑氰化鋇的紙屏上發(fā)出熒光，并且不受遮擋影響將手放在紙屏前時(shí)，紙屏上留下了手骨的陰影。3個(gè)月后協(xié)助外科手術(shù)。X線的特性l物理特性1——穿透性（物質(zhì)密度與原子

2、序數(shù)相關(guān)）原子序數(shù)高，密度大的物質(zhì)吸收X線多，穿透性差l物理特性2——熒光作用X線照射物質(zhì)，物質(zhì)原子被激發(fā)或電離，當(dāng)恢復(fù)到基態(tài)時(shí)放射出可見的熒光。具有這種特性的物質(zhì)為熒光物質(zhì)（透視用的熒光屏，熒光玻璃）。l化學(xué)特性——感光作用光化學(xué)作用可使膠片乳劑感光信息載體—電磁輻射lE=hf=hc/λl波長(zhǎng)l能量lc為光速h為普朗克常數(shù)信息載體—電磁輻射光譜X射線是由高速電子撞擊物質(zhì)的原子所產(chǎn)生的一種波長(zhǎng)較短的電磁波，且具有波粒二象性（傳播中具有頻率和波長(zhǎng)；與物質(zhì)作用時(shí)有能量、動(dòng)量與質(zhì)量）.波長(zhǎng)范圍在0.001nm-1nm或更長(zhǎng)波長(zhǎng)<0.01nm硬X射線(波長(zhǎng)小—光子能量大)穿透力強(qiáng)波長(zhǎng)>0

3、.01nm軟X射線（光子能量小）易被其他物質(zhì)吸收X線的產(chǎn)生—原子結(jié)構(gòu)l原子結(jié)構(gòu)：原子是由原子核和核外電子構(gòu)成l原子核(Z質(zhì)子與N中子)?Zorbitalelectronsl原子質(zhì)量數(shù)A=Z+Nl原子序數(shù)（Z）確定原子的化學(xué)性質(zhì)l原子序數(shù)=質(zhì)子數(shù)=核電荷數(shù)=原子的核外電子數(shù)元素nt原子質(zhì)量數(shù)ntAZX原子序數(shù)nt能級(jí)l結(jié)合能（BindingEnergy）鎢（Z=74)l一個(gè)電子的結(jié)合能等于使電子脫離原子所需的能量。l結(jié)合能：隨原子序數(shù)的增加而增加。l注意：只有較高原子序數(shù)元素的K殼層電子所具有的結(jié)合能是在臨床診斷X-射線有用的。K-shell:2個(gè)電子K-shell:69.5keV

4、L-shell:8個(gè)電子L-shell:12keVM-shell:18個(gè)電子M-shell:3keVN-shell:32個(gè)電子N-shell:1keVO-shell:12個(gè)電子O-shell:0.1keV最外層:2個(gè)電子電子輻射電子輻射的兩個(gè)基本原理：?1.要使一個(gè)電子移至更高能級(jí)或脫離原子（電離），必須從某些能源獲得能量?2.如果一個(gè)電子移至更低的能級(jí)，電子必須釋放出能量，通常出現(xiàn)某種形式的輻射(原子在能量相差懸殊的能級(jí)間躍遷)。X射線是由高速電子撞擊物質(zhì)的原子所產(chǎn)生的X射線產(chǎn)生機(jī)制X線產(chǎn)生具備的三個(gè)條件l1.電子源：l能根據(jù)需要隨時(shí)提供足夠數(shù)量的電子l2.高速電子流：l需要兩

5、個(gè)條件：其一是有一個(gè)高電壓產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)，使電子獲得很大的動(dòng)能；其二是有一個(gè)高真空度的空間，使電子在高速運(yùn)動(dòng)中不受氣體分子的阻擋而降低能量，同時(shí)，也能保護(hù)燈絲不致因氧化而被燒毀。l3.產(chǎn)生X-射線的靶面X-射線管X射線管是具有陰極和陽(yáng)極的真空管，陰極用鎢絲制成，通電后可發(fā)射熱電子陽(yáng)極（就稱靶極）用高熔點(diǎn)金屬制成（一般用鎢，用于晶體結(jié)構(gòu)分析的X射線管還可用鐵、銅、鎳等材料）。用幾萬伏至幾十萬伏的高壓加速電子，電子束轟擊靶極，X射線從靶極發(fā)出。電子轟擊靶極時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫，故靶極必須用水冷卻，有時(shí)還將靶極設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)動(dòng)式的。l陽(yáng)極l陰極X-射線管陰極:射線管的陰極，主要由燈絲和聚焦罩兩部分組成

6、。燈絲通常采用高熔點(diǎn)的鎢絲材料繞制而成。陰極的主要作用是從電路中發(fā)射電子，并且把它們會(huì)聚成預(yù)先設(shè)計(jì)好的電子束聚焦在陽(yáng)極靶面上。X-射線管陽(yáng)極:陽(yáng)極是X射線管的正極,與電源中的正端連接.目前有兩種類型陽(yáng)極:固定陽(yáng)極與旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極.X射線管陽(yáng)極的主要功能:(1)把電子的能量轉(zhuǎn)換成X輻射(2)把轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的熱量散掉轉(zhuǎn)化效率:(1)陽(yáng)極材料的原子序數(shù)(Z)(2)電子本身的能量陽(yáng)極靶面:是陽(yáng)極中受電子轟擊的區(qū)域,在固定陽(yáng)極X射線管中,靶為一鑲嵌在銅陽(yáng)極上的鎢合金。而在旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管中,整個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓盤都是靶。目前鎢是作為靶的主要材料主要原因是:(1)鎢原子序數(shù)較大，可以產(chǎn)生高效率的射線(2

7、)鎢的熱傳導(dǎo)性好，是一種有效的散熱金屬(3)鎢材料具有很高的熔點(diǎn)(3410℃)。X-射線管X射線靶的特征元素元素符號(hào)原子序數(shù)K特征X射線熔點(diǎn)鎢W74-59.0keV3410OC鉬MO42-17.4keV2600OC銠Rh45-19.7keV3200OC某些用于乳房射線管,其陽(yáng)極使用鉬制成.它產(chǎn)生的標(biāo)X射線光子所具有的能量很適合這種特殊應(yīng)用X-射線管X-射線的焦點(diǎn):實(shí)際焦點(diǎn)與有效焦點(diǎn)對(duì)X線成像質(zhì)量影響最大的因素之一就是X線管的焦點(diǎn)。l實(shí)際焦點(diǎn)---燈絲輻射的熱電子在靶面上的轟擊面積