文档介绍：2017/8/29
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医学影像成像理论
第二章 放射物理基础
主要内容
第一节 X线的产生和性质
第二节 X线与物质的相互作用
第三节 X线的衰减规律
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第一节 X线的产生和性质
X线的发现
X线的本质和特性
X线的产生
X线的产生原理
X线的量与质
影响X线量与质的因素
X线产生效率
X线强度空间分布
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一、X线的发现
1895年11月8日,(cathode ray tube,CRT)实验时,出乎意料地发现了一种肉眼看不见的“光线”,它能穿透许多物质,并能使铂***化钡发出荧光。叫X射线,简称X线或X光,又称伦琴射线。
1901年,伦琴为此获得诺贝尔奖。
发现X线三个月后,维也纳一家医院首先用它协助外科手术。使用的是充气X线管,产生的X线量甚微,拍摄一张头颅片需要曝光20 min。是X线在医学中应用的初始阶段。
从伦琴发现X线到现在的100多年里,X线日益广泛地应用在医学诊断和治疗上,而且在物质结构分析、工业探伤、科研等方面都发挥了巨大作用。
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二、 X线的本质和特性
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(一) X线的本质
是一种电磁波。波长很短,大约与晶体内呈周期排列的原子间距同一数量级,在1×10-10m左右。
与可见光、红外线、紫外线、γ射线一样,属于电磁辐射(electro ic radiation),是电磁波;这些电磁波的本质完全相同,波长或频率有差别。
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X线波长很短,介于紫外线和射线之间,约为10-8~10-12 m;频率很高,约在3×1016~3×1020 Hz。
由于光子能量不同,电磁辐射分为电离辐射和非电离辐射。
非电离辐射:微波、红外线、可见光等,由于光子能量小,不能引起物质电离的辐射;
电离辐射:紫外线、X线、γ射线等,于光子能量大,能使物质产生电离的辐射。
1. X线具有波动性 X线与其它电磁波一样具有波动和微粒性;与可见光一样具有衍射、偏振、反射、折射等现象。
波动性表现在以一定的波长和频率在空间传播;是一种横波,传播速度在真空中与光速相同,可以用波长、频率(frequency) 描述。
2. X线具有微粒性波动性不能解释它的光电效应、荧光作用、电离作用等;只能用爱因斯坦的光量子理论,即把X线束看做是由一个个微粒--X光子组成的来解释。
与物质相互作用发生能量交换时,突出表现了它的粒子性。
微粒性主要表现为X线光子在辐射和吸收时具有能量、质量和动量。X线的波长、频率、波速c和能量E、质量m关系:
E=hνλ=c/ν(2-1) h为普朗克常数,h=×10-34 J·s。
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(二)X线的特性
1、物理特性:穿透性、荧光作用、电离作用、热作用
穿透性:X线的能量很大,波长很短,穿透力很强。穿透性与其波长、物质的性质、结构有关。Z高、ρ大的物质,吸收X线多,穿透性差。
不透过性组织:骨骼系统,含有大量的钙质,钙的Z(20)较高,骨吸收X线最多;
中等透过性组织:软组织(结缔组织、肌肉、软骨等)及体液都是由氢、碳、氮、氧等低Z原子组成,ρ与水相近;
可透性组织:脂肪组织成分与软组织相似,但排列稀疏,ρ比软组织小,X线的透过性较好;肺部、胃肠道、副鼻窦及乳突内等均含有气体,也是由氢、氮、氧等组成,但分布非常稀疏,密度很小,透过性能很好。
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荧光作用:X线照射某些物质时,物质的原子被激发或电离;当恢复到基态时,放射出可见荧光的物质,如CaWO4、铂***化钡、银激活的硫化锌等。
***用的荧光屏,摄影用的增感屏,影像增强器中的输入屏和输出屏,测定辐射量的闪烁晶体、荧光玻璃等是利用X线的荧光作用制造的。
电离作用:具有足够能量的X光子能击脱物质原子的轨道电子产生一次电离,脱离原子的电子再与其它原子碰撞,还会产生二次电离。
在固体和液体中,电离后的正、负离子能很快地复合不易收集;气体中的电离电荷却很容易收集起来。
根据电离电荷的多少来测定X线的照射(exposure) 量。多种测定照射量仪器的探头,如电离室、正比计数管、盖革-弥勒计数管等都是利用这个原理制成。
电离作用是X线对于肌体损伤和治疗的基础,但同时对人体也有伤害。
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热作用:物质吸收X线能量,最终绝大部分都便成热能,使物体升温。
物质吸收X线能量,最终绝大部分都将变为热能,使物体产生温升。
测定吸收剂量的量热法是利用X线的热作用。
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