第二章　X线的产生及其特性

第一节　X线的产生

X线是德国的物理学家威·康·伦琴（Withelm Conrad Rongtgen）教授于1895年11月8日发现的。

一、X线产生的条件

（一）高速电子与阳极靶面的相互作用

X线是在能量转换中产生的，它根据靶原子的三个性质（核电场、轨道电子的结合能，原子处于最低能态），在轰击原子并与靶原子的轨道电子或核相互作用时，把动能转换为热能和X线形式的电磁能。确切地说，X线是高速电子与阳极靶面相互作用的结果。

高速电子与靶面物质相互作用是很复杂的。一般来说，高速电子在失去其全部动能而变成自由电子之前要穿过很多原子间隙，经过很多次碰撞，发生多种作用的物理过程。例如，一个1兆电子伏特的高速电子在被阻止之前，会遭受一万次碰撞，每一次碰撞后，电子损失部分能量，同时还要改变运动方向。所以，电子在物质中的轨迹是十分曲折的。

从能量转换角度来看，高速电子的能量损失分为碰撞损失和辐射损失两种情况。碰撞损失是高速电子与原子外层电子相“碰撞”，使原子吸收能量处于激发态，这种能量损失将全部变为热，使阴极温度迅速上升。高速电子动能的99%左右都在碰撞损失中转换为热能，辐射损失是高速电子与靶原子内层电子或原子核相互作用的结果，以辐射X线光子的形式而损失能量，这部分能量大约占高速电子总动能的百分之零点几。可见在X线管中，X线能的转换效率是很低的。

从作用的物理过程来说，高速电子与靶原子相互作用存在以下四个物理过程：电离、激发、弹性散射和轫致辐射。

1.电离

原子的外层价电子或内层电子在高速电子作用下完全脱离了原子轨道，使原子变成离子的过程，称为电离。

高速电子的动能转为以下三部分：一部分能量消耗在内、外层电子的脱出功，这部分能量暂时“储存”在原子内，将伴随着发射光学光谱（由外层电子轨道跃迁产生）和标识X射线（由内层电子轨道跃迁产生），以光能的形式释放出来；另一部分转化二次电子（被击出的轨道电子）的动能；第三部分转化为射出电子的动能，射出电子以较低能量，并改变方向射出，然后与其他原子或原子核继续发生作用。

电离过程中向外发射的光谱有两种：一种是由价电子脱离原子轨道，电子处于激发状态，在回到基态过程中发射出光学光谱。由于最外层电子轨道的能级差较小，这些光谱一般在紫外线、可见光和红外线的波长范围，不属于X线。这部分光能几乎全部被周围原子所吸收，转化为热，运动加快（固体中分子热运动主要是在平衡位置附近作无规则的振动），使阳极温度上升；另一种发射光谱是由于内层电子脱离轨道，使原子处于激发态，通过内层电子的能级跃迁而辐射X线，这是构成医用X线的成分之一。

2.激发

高速电子（或二次电子）撞击原子外层电子，作用较弱，不足以使其电离，反将其推入高能级的空壳层，使原子处于激发态，这种作用叫做激发。

入射电子的动能，一部分转化为方向改变和速度变小的出射电子的动能；另一部分是被原子吸收的激发能。处在激发态的原子将发射光学光谱，这部分光能最终导致固体分子热运动加快，温度上升，全部转化为热能。

3.弹性散射

高速电子受原子核电场的作用而改变运动方向，但是能量不变，称为弹性散射。这种作用没有光谱辐射，也没有能量损失。由于阳极靶的物质的密度很高，散射的距离很短，高速电子将很快在已改变的方向与其他原子核或核外电子相遇，发生新的作用。

4.轫致辐射

轫致辐射是由轰击电子与靶原子的原子核相互作用的结果。高速电子在原子核的电场作用下，速度突然变小时，它的一部分能量转变成电磁波发射出来，这种情况叫轫致辐射。

在轫致辐射中，入射电子的能量一部分转化为辐射电磁波的能量，其波长在X线范围内，在医用X线中占有特别重要的地位；另一部分转化为出射电子的动能，出射电子的方向将发生改变。

轫致辐射具有以下两个特点：①轫致辐射是在核电场作用下的一种能量转换形式，不能用经典理论作简单地解释。②轫致辐射所产生的X线是一束波长不等的连续光谱。其原因是：一是加在X线管两端的高压通常是脉动直流电压，使得到达阳极的各个高速电子的动能并不相等；二是高速电子在核电场作用前，通过电离或激发所失去的动能各不相等；三是各个高速电子在原子核电场中被阻止的情形不一样，离核越近，受核电场阻止作用越强，由动能转换为光能的部分能量越多，辐射X线的波长越短，反之，波长就长。此外，核电场强度还随原子序数不同而异。所以，轫致辐射所形成的X线是一束随靶元素不同而异的连续谱线。

从以上四种作用的物理过程看出：高速电子与阳极靶原子“撞击”的结果，产生两种类型的光辐射。一种是波长在可见光、红外线、紫外线附近的光学光谱；另一种是X线。X线依其产生的机制不同，又有两种成分，一种是高速电子与原子内层电子作用所产生的标明元素特性的标识X线；另一种是高速电子与核电场作用所形成的轫致辐射，这是一束连续的X线。X线由于波长短、能量大，穿透作用强，将穿过X线管壁、油层、窗口、滤过板而射向人体，用于治疗和诊断。光学光谱则波长长，光子能量小，全部被周围原子和管壁、油层所吸收，使原子的热运动加快，温度上升。从能量转换角度上看，高速电子总能量的99%将转换为热能，而仅有大约百分之零点几的能量转换为有用的X线。

由于X线束由复杂的线谱组成，不能用量子能量说明，不得不借助等效能量的概念。令X线穿过不同厚度的物质，对于一种给定的材料（如铝），总有一个厚度使射束强度减低到原始强度的一半，即为该材料半价层。然后用单一能量X线重新测定，与射束有相同的半价层的单一能量X线束的量子能量，叫它的等效能量。例如用100keV加在X线管上产生的等效能量大约为60keV。

（二）X线产生的必备条件

自从物理学家伦琴发现X线以来，经过科学家的研究，现已从理论上认识到X线是由于在真空条件下，高速飞驰的电子撞击到金属原子内部，使原子核外轨道电子发生跃迁而放射出的一种能。可见，要产生X线必须具备三个条件：①有电子源，随时提供足够数量的电子；②高速电子流，在强电场作用下，电子作高速、定向运动。原子核外电子与原子核之间有结合能，击入原子内部的电子必须有一定能量传递给轨道电子，才能使内层轨道电子发生跃迁产生X线。若击入原子内部的电子所具备的动能不够大，则只能使原子核外较外层电子产生激发状态，放出可见光或紫外线；③必须有适当的障碍物（靶面）来接受高速电子所带的能量，使高速电子所带的动能部分转变为X线能（图2-1）。

根据计算可知，低原子序数的元素内层电子的结合能小，高速电子撞击原子内层电子所产生的X线的波长长，即能量小。原子序数较高的元素如钨，其原子内层电子的结合能大，当高速电子撞击了钨的内层电子，便产生波长短而能量大的X线，所以用于X诊断和治疗的X线管的靶面是由钨制成的。只有特殊用途的X线管的靶面是用钼制成的，钼（42M0）原子序数比钨低，能产生波长较长的X线，谓之为软X线，用于“软组织”摄影。

二、X线产生的过程

X线的发生过程中接通电源，经过降压变压器供X线管灯丝加热，产生自由电子并云集在阴极附近。当外压变压器向X线管两极提供高压电时，阴极与阳极间的电势差陡增，处于活跃状态的自由电子，受强有力的吸引，成束以高速由阴极向阳极行进，撞击阳极钨靶原子结构。此时发了能量转换，其中约1%以下的能量形成了X线，其余99%以上则转换为热能。前者由X线管窗口发射，后者由散热设施散发。

X线的质决定于电子运行的速度及其撞击钨靶后动能所耗损的程度。改变高压变压器的电压，即可调节电子运行的速度。电压越高，电子的运行速度越快，动能消耗越多，则由X线管发射的X线波长越短，穿透力也越强。通过X线管的电压很高，以kV计算。

X线的量则取决于通过X线管的电流大小，亦即撞击在钨靶上的电子数量。改变灯丝的热度，即调节电子发生的数量（灯丝的热能是由灯丝加热变压器的电流所供应）。电流越大，则灯丝越热，电子越多，撞击在钨靶上的电子数量也越多。通过X线管的电流很小，以毫安计。