X线的产生
一、X线的发现
1895年11月8日,德国物理学家威.康.伦琴在实验室内研究阴极射线管放电现象时，发现用黑纸包着的照相底片感光（注意时间、地点、人物、通过感光效应发现）了。用黑纸包着的阴极射线管通电后,发现在其附近的一块除有铂氰化钡的纸屏上发出绿色荧光,关闭电源,荧光消失。根据上述现象,伦琴推测，一定是从阴极射线管发出一种新射线,并发现这种射线具有一定的特性 ,为此，他把这种未知射线起名为X线。1905年第一届国际放射学会大会把X线命名为伦琴射线。1901年伦琴因发现X线而获诺贝尔物理奖。在伦琴的启示下,1895年贝克勒尔发现了钠盐的放射性,接着居里夫妇又发现了放射性元素钋和镭。
二、X线的产生
(一)产生X线的必备条件
三个基本条件包括：电子源、加速电场、撞击阳极靶面。
1.电子源 钨丝通过电流加热至一定温度后,即放出电子,这些电子在灯丝周围形成空间电荷，也称电子云。
2.高速电子流灯丝放出的电子,要高速冲击阳极，还必须具备两个条件:①在X线管的阴极和阳极间加以高电压，通过在两级间产生的强电场使电子向阳极加速;②必须保持高真空度，高真空的作用是：为防止电子与空气分子冲击而减速和灯丝的氧化损坏
3. 撞击阳极靶面 阳极靶面接受高速电子撞击,使高速电子所带的一部分动能转变为X线能;因为阳极需要承受高速电子的冲击,所以靶物质(焦点面)一般都是用高原子序数、高熔点的金属制成;阳极有两个作用:1、接受高速电子的撞击2、完成高压电路的回路。
为满足上述条件,特制作了X线管。诊断和治疗用的X线管的靶面由钨制成,特殊用途，如乳腺X线检查的X线管用钼制成。（注意乳腺是钼靶铍窗，先记住，后面会有介绍）
(二) X线的产生原理
X线的产生是高速电子和靶物质相互作用的结果，在真空条件下高千伏的电场产生的高速电子流与靶物质的原子核作用产生了连续X线和与内层轨道电子作用产生特征X线。高速电 子和靶物质相互作用过程中,将会发生碰撞损失和辐射损失,最终高速电子的动能变为辐射能、电离能和热能。三种能量的比例随人射电子能量的变化和靶物质性质的差别而不同。
三、连续X线与特征X线
(一)连续X线
1.连续X线的产生 当一个带电体在外电场中速度变化时,带电体将向外辐射电磁波。
高速电子进人到原子核附近的强电场区域,然后飞离强电场区域从而完成一次电子与原子核的相互作用时,电子的速度大小和方向必然发生变化。按上述理论.电子向外辐射电磁波而损失能量△E,电磁波的频率由△E=hv确定。电子的这种能量辐射叫轫致辐射,这种辐射所产生的能量为hv的电磁波称为连续X线。
由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同，且每个电子与靶原子作用前具有的能量也不同,所以各次相互作用对应的辐射损失也不同，因而发出的X线光子频率也互不相同。大量的X线光子组成了具有频率连续的X线光谱,即产生了连续X线。连续X线光子的能量取决于:①电子接近核的情况②电子的能量;③核电荷。
2.连续X线的波长 在X线管发射的X线束中X线波长最短的X射线极少,线量最强的波长位于波长稍长处,全部X线的平均波长就更长了。所谓平均波长(Xmea)，是指波长曲线与横坐标所围成面积的重心的垂线与横坐标的交点所代表的波长。最强波长(Xmex )是最短波长的1.5倍，平均波长是最短波长的2.5倍。单光子的最大能量从理论上应等于所用管电压值的电子伏特数。例如:使用80kV管电压所得到的最大光子能量是80keV,其最短波长为0.015nm。其波长计算公式为:
记住e=1.6×10-19
式中:λo表示X线管发射的X线束中X线的最短被长,kV表示所用的管电压值。
（1．24÷80=0.015）这一部分公式、换算关系记熟。
可见,连续X线的最短波长仅与管电压有关,管电压越高,产生的X线最短波长愈短，能量越高，穿透力越强。X线的最短波长,对应最大光子能量;最大光子能量的keV值,对应管电压的kV值。因此若测得X线谱中的最大光子能量的keV值,就可推断管电压的kV值，反之亦然。
(二)特征X线
1.特征X线的产生 特征X线叠加在连续X线谱上出现几个向上突出的尖端,代表一些强度较强、波长为一定数值的x线,它是高速电子与靶原子的内层轨道电子作用电子被击脱,外壳层电子跃迁填充空位时,多余的能量以光子(X线)的形式放出,即为特征X线。特征X线产生示意图
2.特征X线的激发电压 靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合能，只有当入射高速电子的动能大于其结合能时,才有可能被击脱造成电子空位，产生特征X线。人射电子的动能完全由管电压决定，因此,管电压U必须满足下式的关系:eU≥W。式中w为电子在原子中的结合能。当eU=W时,U=W/e称为最低激发电压。
对于给定的靶原子，各线系的最低激发电压大小按其相应的壳层内电子结合能大小顺序排列，即Uk>UL>Um>Un。壳层越接近原子核，最低激发电压越大（k、l、m、n）。若管电压低于某激发电压，则此系特征X线将不会发生。
四、影响X线产生的因素
(一) X线产生的效率
在X线管中产生的X线能与加速电子所消耗电能的比值，叫做X线的产生效率。在X线管中加速阴极电子所消耗的电功率(iU)全部变成高速电子的动能。这些高速电子在与物质复杂的相互作用过程中产生x线，同时也产生大量的热。若将占比例极少的特征X线忽略不计，则X线的辐射功率可视为连续X线的总强度。因此x线产生效率n等于X线功率(即x线的总强度)与高速电子流功率之比，即:
n=KUZ （可以看出x线的产生效率仅与管电压和靶物质有关，与管电流无关）
式中,K,是常数，Z是阳极靶物质的原子序数;U是管电压(V)
X线管产生X线的效率极低，一般不足1% ,而绝大部分的高速电子能都在阳极变为了热能,使阳极靶面产生很高的温升。
(二)影响X线产生的因索
1.影响连续X线产生的因素包括X线管靶面物质、管电压、管电流以及高压波形。
（1）靶物质：连续x线强度与靶物质的原子序数成正比，在管电压和管电流相同的情况下,阳极靶物质的原子序数愈高,产生的X线强度也愈大;不同靶物质的X线谱高能端重合，是因为X线谱的最大光子能量只与管电压有关，与靶物质无关;不同靶物质的X线谱低能端重合,是因为X线管固有滤过和低能成分被管壁吸收的缘故。
（2）管电流:管电流的大小并不影响X线的质，但在一定的管电压下,X线的强度取决于管电流，管电流愈大，说明撞击阳极靶面的电子数愈多.X线强度也愈大,X线强度与管电流成正比。
(3) 管电压X线束中的最大光子能量等于高速电子碰撞靶物质的动能,而电子的最大能量又取决于管电压的峰值,所以改变管电压也就改变了最大光子的能量,整个X线谱的形状也随之发生变化。且连续X线强度I与管电压(kV)的n次方成正比，即;I∞Vn(在诊断能量范围内,n近似为2)。当管电流、靶材料(原子序数Z)固定时，随管电压的升高,连续X线谱的最短波长和最大强度所对应的波长均向短波方向移动。
(4)高压波形:供给X线管的管电压都是脉动电压,有两种形式:单相电原的半波和全被，三相电源的6脉冲和12脉冲。x线的辐射强度由脉动电压产生的要比峰值相当的恒定电压产生的低; X线的平均波长由脉动电压产生的也比峰值等高的恒定电压产生的长;峰值电压相同时,6脉冲和12脉冲产生的X线比半波和全被整流产生的X线硬线成分多,且管电流相同，其X线的辐射强度(或输出量率)也大。
x线的辐射强度脉动电压产生的要比峰值相当的恒定电压产生的低（波长长）
2.影响特征X线产生的因素
K系特征X线的强度与管电流成正比，管电压大于激发电压时才发生K系放射,并随管电压的继续升高K系强度迅速增大。
需要指出,在X线的两种成分中,特征X线只占很少部分 ,并不重要。对钨靶X线管来说，低于K系激发电压将不会产生K系放射，（钨的K系特征X线激发电压是70Kv）管电压在80~150kV时,特征X线只占10%~28%;管电压高于150kV特征X线相对减少;高于300kV时,两种成分相比特征X线可以忽路。可见，医用X线主要使用的是连续辐射,但在物质结构的光增分析中使用的是特征辐射。
五、X线强度的空间分布
(一)照射野内的线量分布
高速电子碰撞阴极靶面（厚靶或反射式靶)所产生的X线分布与阳极倾角有关。阳极倾角是指垂直于X线管长轴的平面与靶面的夹角。
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,最大值约在110°处,其分布是非对称性的，这种现象称为阳极效应。阳极倾角越小，阳极效应越明显。
在通过X线管短轴且垂直于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。
(二)焦点面上的线量分布
利用小孔成像原理,从焦点像上可以看出焦点面上的密度分布是不均匀的:沿焦点宽方向(X线管短轴方向)用密度计扫描得出两端密度高、中间密度低的双峰分布曲线。则证明了焦点宽方向上的线量分布是中间少、两边高的双峰形。也有呈多峰分布,是由于灯丝受聚焦槽深度的影响而出现了主副焦点之原因；沿焦点长方向(X线管长轴方向)用密度计扫描得出两端密度低、中间密度高的单峰分布曲线。由上述可知,焦点面上的线量分布是不均匀的,线量呈单峰分布的焦点成像质量比较好。
长轴上X线分布呈单峰，非对称性，有阳极效应，强度近阳极端弱，阴极强（阴盛阳衰），阳极倾角越小，阳极效应越明显。110°处最大。
短轴上X线分布呈双峰，对称。90°最大。
来源：放射医学技术职称考试
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