第四章 X射线 X射线又称伦琴射线，是一种波长 较短的电磁波。波长为0.00110nm。本章主要 (灯丝)电源。

X射线管是热阴极式的，是高真空(10-610-4Pa)的 硬质玻璃管，管内封有两个电极：阴极----灯丝， X射线管是X射线 发生装置的核心。发 生X射线应具有两个基本条件： 高速电子流和适当的阻挡电子 流运动的障碍物----靶。当高速 电子流轰击靶而受阻时，就有 部分电子动能转变为X射线能量。 + _ 千伏计 毫安表 低压电源 Ｘ射线 阳 < 阴 X射线管是热阴极式的，是高真空(10-610-4Pa)的 硬质玻璃管，管内封有两个电极：阴极----灯丝， 用高熔点的钨丝制成；阳极是铜制圆柱体，柱端 斜面上嵌有一小块钨板作为接受高速电子流轰击 的靶。阴极由低压电源(=10V)单独供电。两极间加

有高压电源，一般为几万到几十万伏。 当阴极有电流流过时，温度升高，电子 因受热从阴极发射出来，阴极电流越大， 温度就越高，单位时间从阴极发射的电子也越多 这些电子受到两极间高压电场的作用而加速，形 成高速电子流飞向阳极并连续不断的轰击阳极靶。 当这些高速电子突然被靶阻止时，就有部分能量 转变为辐射线向四周辐射，辐射出来的射线就是 X射线，同时产生大量的热。 加在两极间的直流高压电称为管电压，用千 伏计测量。X射线管内两极间形成的电流称为管 电流，用毫安计测量。

三、X射线的强度和硬度 在临床医疗上，X射线照射的是人体， 因此，既要考虑疗效，也要考虑防护，所 以，要适当选用X射线的强度和硬度。 1、X射线的强度 X射线的强度是指在单位时间内通过与射线 方向垂直的单位面积的辐射能量，用I表示，单位 为W·m-2。 式中i表示X射线光子的频率，Ni为频率是i的X 射线的光子数。

增加管电流，可以增加电子流的数 量，轰击靶子的的高速电子数目就越多， 由靶发射的X射线光子的数目就越多。即 增加了公式中的N的值。因此，强度I增加，所以 增加管电流，可以使X射线强度增加。通常是在管电压保持一定的条件下，调节管电流来控制X射线的辐射强度。在临床上用管电流的毫安数来表示X射线的强度，称为毫安率。如果要估算在一段时间内X射线的总辐射能量，通常用管电流的毫安数与辐射时间的积来计算总辐射能量，称为毫安秒(mA·s)。它等于X射线管中的电子流总电量的毫库仑数。人体进行X射线诊断和治疗时，必须严格考虑照射量的毫库仑数。

2、X射线的硬度 X射线的硬度是指X射线对物质的贯 穿本领。对一定的吸收物质，X射线被 吸收得越少，贯穿的量越多，X射线就越硬，或 说X射线硬度越大，X射线的硬度只决定于每个 光子能量的大小而和光子的数量无关。增加管电 压，电子到达阳极靶时具有的速度或说动能就越 大，就会有更多的能量转化为X射线光子的能量， 产生X射线的波长也越短，贯穿本领就强，X射线 的硬度就越大，医学上 习惯用管电压来间接表示 X射线的硬度，称为千伏率。

用X射线摄谱仪可获得X射线谱，X射线谱由两 部分构成：一部分是波长连续变化的，称为连 续谱；另一部分是具有个别波长的线状谱，称 为标识谱。 K L L L λ 0.02 0.108 0.128 0.147nm 如图是用钨靶射线管得到的X射 线谱示意图。上面的曲线部分和 下面照片的背景相对应的就是包 括各种不同波长的连续X射线谱， 相应的X射线称为连续X射线。上

面的几条明显的谱线K 、L、L、L就 是标识谱，相应的X射线称为标识X射线 其波长与靶的物质有关。 1、连续X射线 连续X射线是电子在靶上被突然减速而产生的。 由于靶是原子序数较高的物质制成的，所以高速 电子流撞击在靶上时，会受到靶中原子核的强电 场作用而骤然减速，电子的动能转变成辐射能， 放出射线，这种辐射称为轫致辐射。电子一部分 动能转化为一个X光子的能量h辐射出来，即  =h。由于每个电子和靶撞击时，受到靶原子 核强电场的作用不同，电子速度的变化就不一样

X射线。如图是钨靶在四种较低电压下得到的连 续谱强度分布曲线。由图中可以看出，随着波长 向短波方向的变化，X射线的强度逐渐上升。当 因此每个电子失去的动能也各不相 同，所以得到的 X 射线的波长也各不 相同，便产生了连续X射线。 在X射线管的管电压较低时，发射的是连续 X射线。如图是钨靶在四种较低电压下得到的连 续谱强度分布曲线。由图中可以看出，随着波长 向短波方向的变化，X射线的强度逐渐上升。当 波长降到某一值时，强度达到最大值，之后波再 减小时强度很快下降为零，与强 度为零相对应的波长是连续 X谱 中的最短波长，或称为短波极限， 用min表示，在图中还可以看出， 管电压增大时，各个波长的强度 50kV 40kV 30kV 20kV 0 0.02 0.06  (nm) 相 对 强 度

都随之增加(纵向看)，各条曲线均上移， 而且强度最大值所对应的波长和短波极 限都向短波方向移动。 设管电压为U，电子的电量为e，则电子在加 速电场中获得的动能等于电场对它所做的功eU(即 电子到达靶时的动能)。如果电子被阻停时其全部 动能转换成辐射线，则此时发射的一个X射线光子 的能量就等于电子的全部动能，即光子的最大能 量，用hmax表示(max是与min对应的最高频率)， 则有： hmax=eU 由于=c/  (c为光速)，即max=c/ min

上式表明，最短波长与管电压成反比，而与靶的 物质种类无关，管电压U增大，则最短波长min变 短。而当U不变时，不同物质做成的靶产生的X 射线的min均相等。 将h=6.6210-34J·s，e=1.6010-19C，c=3108ms-1代 入，则有 式中管电压U的单位为kV(千伏)。

2、标识X射线 如图，是钨在较高电压下的X射线谱。 当管电压增加到100kV以上时，连续 谱上出现了4个高峰，代表4条不同的谱线。管电 压增高时，X射线的强度增加，最短波长向左移 动，但4条谱线的位置(即波长)始终不变，这样谱 是呈线状谱，具有特定的波长，由靶的材料决定， 每种元素有一套特定波长的线状谱，成为这种元 素特有的标识，故称为标识谱，相应的射线称为 标识X射线。各元素的标识谱有相似的结构：波长 最短的为K线系，可观察到3条谱线K、K、K； 波长长一些，谱线也多的是L线系；波长更多的还 有M和N线系。

物体吸收了。X射线减弱的程度大，则物体的吸收 本领强，或者说X射线的贯穿本领弱。物体的吸收 或说减弱作用是用吸收系数表示的。 一、线性吸收系数及质量吸收系数 实验表明，单色平行X射线通过均匀物质时的 吸收规律与光的吸收规律一样，设X射线通过厚度 为dx的物质时，强度减少了-dI(dI<0) 则X射线强度的吸收率(单位长度强 度的吸收量)-dI/dx与当时物质中X射 线的强度I成正比，则  (nm) 相 对 强 度 200kV 100kV

或 积分得： (吸收定律) 式中I0为入射时的X射线的强度，I是通过厚度为 X的物体后X射线的强度，称为物质的线性吸收 系数。 的大小与X射线的波长和物质的原子序 数有关。 值越大，X射线强度在物质中减弱得越 多。对于同一物质来说，线性吸收系数与它的密 度成正比，这是因为吸收物质的密度越大，则单 位体积中可能与X射线光子发生作用的原子数就越 多，X射线在单位距离的路程中损失能量的几率越 大，物质的线性吸收系数与其密度  的比称为物

质的质量吸收系数，用m表示： 如果x的单位为cm，则的单位为cm-1， m单位为 cm2·g-1。 引入质量吸收系数后，更便于比较各种物质对 X射线的吸收本领， 与物质密度有关，但m却 与物质的密度无关。物质由液态变成固态或气态 时，密度变化很大，但m却不会有明显的改变，有 了m后，则有

式中xm=x称为质量厚度。它等于单位 面积中，厚度为x的吸收层的质量。xm 的常用单位为g·cm-2。 二、半价层 X射线被吸收的快慢，除用吸收系数表示外， 通常还用半价层来表示。半价层是使X射线强度 减弱一半时所需要的吸收体厚度(或质量厚度)。 即I=I0/2时，x=x1/2的大小。 当 时，有

同样，可有 式中x1/2称为吸收体厚度的半价层，xm1/2称为吸收 体质量厚度半价层。半价层和吸收系数成反比。 对于给定的物质和给定波长的单色X射线来说半价 层是一常数，它标志着该射线对物质的贯穿本领。 三、质量吸收系数与波长的关系 实验证明，对于一定的吸收物质，质量吸收系 数m和X射线波长的3次方成正比。因此软X射线远 比硬X射线容易吸收得多。对于一定波长的X射线， 某物质的质量吸收系数m与该物质分子中各原子的

原子序数4次方的总和成正比： 式中k是常数，Z是吸收物质的原子序数，是X射 线的波长。分子的吸收系数，可由组成分子的各 原子吸收系数相加而得．下面比较一下骨骼和肌 肉对Ｘ射线的吸收情况．人体肌肉组织的主要成 分是Ｈ和Ｏ，所以它的质量吸收系数和水差不多． 水(Ｈ2O)对Ｘ射线的质量吸收系数与Z4=214+84 =4098成正比(2个H，１个O), 骨骼的主要成分是 Ca3(PO4)2, 它的质量吸收系数与Z4=3204+2154 +884=614018(3个Ca, 2个P, 8个O)成正比,则骨骼 和肌肉的吸收系数的比为：

由于骨骼的吸收比肌肉组织的吸收大得多，因此 用X射线透视和照射时可以出现骨骼的明显影像。 同样，病人做胃肠透视和照相服用钡餐也是这个 道理。因为钡的Z较高，所以吸收系数较大，防护 上使用铅和铅制品也是基于同样原因。　　

例：X射线被吸收时，要经过多少半 价层后，X射线的强度才减少到原来 的12.5%。 解： 两边取自然对数： (1)

则： (经过3个半价层) 作业：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射线谱的最短 波长。 (0.027nm)