第一章　X线物理学基础与防护

第一节　X线的产生与性质

一、X线的产生

（一）X线的发现

1895年11月8日，当德国物理学家威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm·Conrad·Rontgen）（图1-1）用一个高真空玻璃管和一台能产生高压的小型机器做实验时，发现了X线。为此，伦琴于1901年被授予诺贝尔物理学奖（图1-2）。

当被问及观察到荧光的感想时，伦琴回答说：“我什么也没想，只是去调查研究。”为了区别于其他射线，伦琴提议将自己发现的射线命名为X线，即未知的射线。

伦琴发现X射线后，进一步研究发现，这种新射线能使照相底片感光和产生荧光；能穿透木板、衣服和厚厚的书本，但可被铅板遮挡；它在电场和磁场中不偏转，说明它不带电荷。第一张X线照片是伦琴说服自己的夫人作为志愿者，于1895年12月22日拍摄的手部照片。

1895年12月28日，伦琴向德国医学会递交了第一篇关于X射线的论文《论新的射线》，并公布了他夫人的X射线手骨照片。1896年1月4日，伦琴的论文和这张X射线照片在柏林大学物理系的“柏林物理学会50周年纪念会”上第一次展出。1905年第一届国际放射学会召开，大会正式把X射线命名为伦琴射线，以纪念伦琴为人类进步作出的杰出贡献。

伦琴于1923年2月10日逝世。

（二）X线的产生

X线的产生是能量转换的结果。当X线管两极间加有高电压时，阴极灯丝发散出的电子就获得了能量，以高速运动冲向阳极。由于阳极的阻止，使电子骤然减速，约99%以上的动能产生热量，不到1%的动能转换为X线。

1.X线产生的条件

X线产生必须具备以下三个条件：

（1）电子源：

X线管灯丝通过电流加热后放散出电子，这些电子在灯丝周围形成空间电荷，即电子云（图1-3A）。

（2）高速电子的产生：

灯丝发散出来的电子以高速冲击阳极，其间必须具备两个条件：一是在X线管的阴极和阳极之间施以高电压，两极间的电位差使电子向阳极加速；二是为防止电子与空间分子冲击而衰减，X线管必须是高真空（图1-3B）。

（3）电子的骤然减速：

高速电子的骤然减速是阳极阻止的结果。电子撞击阳极的范围称靶面，靶面一般用高原子序数、高熔点的钨制成。阳极的作用有两个，一是阻止高速电子产生X线；二是形成高压电路的回路（图1-3C）。

普通X线摄影与乳腺X线摄影在X线产生的原理上是完全一样的。但是，乳腺X线摄影所产生的X线具有独特性，即它产生的是低能量X线（15~35keV），以此来扩大乳腺软组织之间的吸收差异，增加射线对比度。

通常，人们把由钼（Mo）或钼/铑（Rh）双靶X线管产生的低能量X线，称为软射线。

在乳腺X线摄影中，高速电子冲击钼靶后产生的是由连续X线和特征X线组成的一束混合射线。通过应用钼靶X线管和钼滤过装置组合（Mo/Mo）所产生的特征X线，要比通常的钨靶和铝滤过装置组合时的相对强度大。因此，可以获取短时间摄影以及提高对比度的效果。

2.X线产生的原理

X线的产生是高速电子和阳极靶物质的原子相互作用中能量转换的结果。X线的产生是利用了靶物质的三个特性：核电场、轨道电子结合能和原子存在于最低能级的需要。

当X线管的电子束和靶物质相互作用时，每一个电子的能量等于它的电荷乘以X线管电压，即E=eV。其中，E=电子能量，e=电子电荷，V=管电压（kVp）。因为电子的电荷不变（e=1.60×10-19库伦），那么增加管电压，将会增加电子的能量。X线管电压用kVp来表示，它是指给电子加速的最大管电压，而用keV表示电子的能量。实际上，当管电压为100kVp时，电子束中只有很少数的电子能得到100keV的能量，而大多数的电子能量都要比100keV小。这是因为X线管电压不是恒定的，而是脉动的。例如：在一个单相全波整流的电路中，电压从0到峰值的变化为100次/s，这就造成冲击靶面的电子能量有所不同。

在X线诊断使用的X线能量范围内，X线有两种不同的放射方式，即连续放射和特征放射，其产生的X线分别称为连续X线和特征X线。

（1）连续放射：

当高速电子接近原子核时，由于受核电场（正电荷）的吸引而偏离原来的方向。在方向改变时，电子因丢失能量而减速，此时，电子所丢失的能量直接以光子的形式放射出去。这种放射形式称为连续放射，其产生的X线称为连续X线，也称轫致X线（图1-4）。

连续放射产生的X线是一束波长不等的混合线，其X线光子的能量取决于电子接近核的情况、电子的能量和核电荷。

假设一个电子与原子核相撞，其全部动能转换为X线光子，其最短波长（λmin）为

λmin=hc/kVp=1.24/kVp（nm）

例如，峰值管电压是100kVp，电子能获得的最大能量是100keV，其产生的最短波长是λmin=1.24/100=0.012 4nm。但是，其余大部分X线波长都比最短波长长得多，连续X线能谱中强度最大处的波长是线束最短波长的1.3~1.5倍。连续X线的波谱随管电压升高而变化，并呈现出以下特点：

1）管电压升高时，最短波长向短波一侧移动。

2）管电压升高时，强度曲线向短波一侧移动。

3）管电压升高时，最强波长向短波一侧移动。

4）管电压升高时，产生的X线总能量将以管电压二次方比例增大。

可见连续X线波长仅与管电压有关，管电压越高，产生的X线波长越短。

阳极靶物质的原子序数增大时，X线总能量增大；X线总能量随着管电流的增大而提高。

（2）特征放射：

高速电子击脱靶原子的内壳层轨道（K层）电子，当外壳层（L或M）电子跃迁填充空位时，多余的能量以X线的形式放出，此即为特征放射或标识放射（characteristic radiation）（图1-5）。电子填充到内层K上的特征X线称为K层特征X线，外层电子跃迁到L壳层则称L层特征X线。

由于特征X线是在原子内层轨道电子跃迁中产生的，因此，无论产生电子空位的原因如何，也无论造成这种空缺的冲击电子的能量大或小，只要能造成空缺，产生的特征X线都是一样的。

“特征”的称谓是指基于特定元素电子在原子中的结合能是唯一的。因此，结合能的差异也是唯一的，这是该元素具有的一个“特征”。

特征X线的波长取决于跃迁的电子能量差，与管电压无直接关系，决定于靶物质的原子序数。

在以钨靶X线球管产生的X线诊断能量范围内，特征X线产生的概率与管电压的关系大致为：

70kVp以下，不产生K特征X线；

80~150kVp，K特征X线占10%~28%；

150kVp以上，特征X线减少。

在钼靶X线管的场合下，可以有Kβ 1、Kβ 2、Kα1、Kα2 4种特征X线产生。但是，这4种特征X线之间的能量差很小（表1-1）。

从X线管发射出来的X线是一束由连续X线和特征X线组成的混合射线（图1-6）。

在乳腺X线摄影中，由于钼靶产生的特征X线与乳腺组织的吸收特性相匹配，因此，如果在拍摄时用滤过装置将连续X线滤去，利用特征X线穿透乳腺组织，则可获得较好的影像效果。同时，也可以减少乳腺对较低能量连续X线的吸收。这就是乳腺X线机采取钼靶/钼滤过（Mo/Mo）或钼靶/铑滤过（Mo/Rh）组合配置的原因。

3.X线的产生效率

产生X线所消耗的总能量与阴极电子能量之比，称作X线发生效率。

η=X线消耗的总能量/阴极电子能量=k·V2ZI/VI= kVZ（%）

式中，V：管电压；Z：靶物质原子序数；I：管电流；k：系数。

在X线诊断领域内，k=1.1×10-9。例如：管电压为100kV，靶物质为钨（W）原子序数是74时，X线产生的效率η=10-9×74×100×103=0.007 4%，即只有0.74%作为X线能量被利用，其余则为产生的热量。

二、X线的本质与特性

（一）X线的本质

X线本质是一种电磁波。它与无线电波、可见光、γ射线一样，具有一定的波长和频率。由于X线光子能量大，可使物质电离，故又属于电磁波中的电离辐射。X线与其他电磁波一样，具有波动和微粒的二重性，这是X线的本质。

1.X线的微粒性

X线是由一个个的微粒——光子组成的，光子具有一定能量和一定动质量，但无静止质量。X线与物质作用时表现出微粒性，每个光子具有一定能量，能产生光电效应，能激发荧光物质发出荧光等。

2.X线的波动性

X线具有波动特有的现象——波的干涉和衍射等，它以波动方式传播，是一种横波。X线在传播时表现出波动性，具有频率和波长，并有干涉、衍射、反射和折射现象。

（二）X线特性

X线特性指的是X线本身的性能，它具有以下特性：

1.物理效应

①穿透作用：X线具有一定穿透能力。波长越短，穿透作用越强。穿透力与被穿透物质的原子序数、密度和厚度呈反比关系。②荧光作用：荧光物质，如钨酸钙、氰化铂钡等，在X线照射下被激发，释放出可见的荧光。③电离作用：物质在足够能量的X线光子照射下，能击脱物质原子轨道的电子，产生电离。电离作用是X线剂量、X线治疗、X线损伤的基础。④干涉、衍射、反射与折射作用：X线与可见光一样具有这些重要的光学特性，可在X线显微镜、波长测定和物质结构分析中得到应用。

2.化学效应

①感光作用：X线具有光化学作用，可使摄影胶片感光。②着色作用：某些物质经X线长期照射后，会结晶脱水变色，如铅玻璃经X线长期照射后着色。

3.生物效应

X线是电离辐射，它对生物细胞，特别是增殖性强的细胞有抑制、损伤，甚至使其坏死的作用，它是放射治疗的基础。

三、X线强度

（一）X线强度的定义

X线强度是指垂直于X线束的单位面积上，在单位时间内通过的光子数和能量的总和，即线束中的光子数乘以每个光子的能量。在实际应用中，常以量与质的乘积表示X线强度。量是线束中的光子数，质则是光子的能量（也称穿透力）。连续X线波谱中每条曲线下的面积表示连续X线的总强度。

（二）影响X线强度的因素

X线强度（或X线产生）受管电压、管电流、靶物质及高压波形的影响。

1.靶物质

在一定的管电压和管电流下，放射量的多少决定于靶物质。靶物质的原子序数越高，产生X线的效率就越高。X线管选用钨或钨合金作为靶物质，即阳极焦点面，是因为它有较高的原子序数（Z=74）和相当高的熔点（3 370℃）。

另外，还要注意区分靶物质的原子序数与两种不同放射的关系。对连续X线来说，原子序数决定X线量的产生；而对特征X线来说，原子序数决定X线质，亦即决定特征X线的波长。例如：钨的K特征X线的变化是57~69keV，而锡（Z=50）的K特征X线是25~29keV，这就说明钨和锡的K特征X线的波长范围不同。

2.管电压（kV）

X线光子的能量取决于冲击电子的能量大小，而电子的能量又由管电压来确定。所以，管电压决定产生X线最大能量的性质。例如：管电压设置为100kV时，只有在管电压为峰值时，才会有100keV或接近100keV的最大（最短波长）X线光子产生。

另外，增加管电压也将增加产生X线的量。所以，X线强度的增加与管电压的平方成正比。

3.管电流（mA）

管电流的大小并不决定X线的质。但是在管电压一定时，X线强度决定于管电流。因为管电流越大，冲击阳极靶面的电子数越多，产生的X线光子数就多。

4.高压波形

X线发生器产生的高压都是脉动式的。由于不同的整流方式，如单相全波、三相六脉冲、三相十二脉冲、变频发生器等所产生的高压波形的脉动率有很大区别，而X线光子能量取决于X线的最短波长，也即决定于管电压的峰值。当整流后的脉动电压越接近峰值，其X线强度越大。

（三）X线质的表示方法

X线质有以下几种表示方法：

1.半值层（HVL）：X线强度衰减到初始值一半时，所需的标准吸收物质的厚度。它反映了X线束的穿透力，表征X线质的软硬程度。

2.电子的加速电压（管电压）。

3.有效能量：在连续X线情况下使用这一概念。

4.软射线与硬射线：将低能量X线称为软射线，高能量X线称为硬射线。

5.X线波谱分布：它表示了X线的波长分布或能量分布。此分布将根据X线管固有滤过、附加滤过、管电压、管电流、整流方式等因素而变化。

（四）X线的不均等性

诊断用X线为连续X线与特征X线的混合，主要为连续X线。连续X线的波长从最短波长（λmin）到最长波长有一个很广的范围，这种X线称为不均等X线。不均等X线由于滤过板的使用，长波X线被吸收，成为近似均等X线，这种均等度以不均等度h或ω表示。

h=H2/H1 （H1：第1半值层，H2：第2半值层）

或ω=λeff/λ0 （λ0：最短波长，λeff：有效波长）

均等X线场合下，h=1，ω=1，不均等X线h>1，w>1。

（1）有效波长：

单一能量波长的半值层等于连续X线的半值层时，此波长称作有效波长（λeff）。

λeff =1.24/Veff （nm）

（2）有效电压：

产生有效波长的最短波长的管电压，称作有效电压（Veff，单位kV）。

（3）有效能量：

将有效电压用能量单位（keV）表示时，此能量为有效能量（或等效能量）。

（五）连续X线强度的空间分布

高速电子碰撞阳极靶面所产生的X线分布与靶面倾斜角度有关。

靶面倾斜20°角时，在通过X线管长轴且垂直于有效焦点平面内，近阳极端X线强度弱，近阴极端强，最大值在10°处，其分布是非对称性的。

在通过X线管短轴且垂直有效焦点平面内测定，在90°处最大，分布基本上是对称的。

靶面出现过热熔解而凹凸不平时，产生的X线强度分布就会改变上述规律，严重影响X线质量。