第二节　X线的辐射谱线

X线辐射谱线表示了X线光子数量与光子能量之间的函数关系，只有了解了它才能更好地了解电压、电流、时间和滤过变化对影像密度和对比度的影响。X线管发出的X线由两部分组成：一部分为连续射线，它包含不同波长的X线，另一部分为标识射线，它是在连续射线谱上出现的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（图2-2）。

一、轫致放射

（一）产生过程

大多数光子的相互作用是轫致辐射过程。穿透阳极材料的电子经过原子核附近时，受到原子核吸引力的作用发生偏折而速度减慢，在这个冲撞过程中电子所损失的能量以一个X射线光子的形式放出。电子愈接近原子核，失去的能量就越多，所放射出来的X线波长就越短。一般高速电子经过第一次撞击失去一部分能量，再以较低速度继续撞击，直到能量完全消耗为止。显然，X线管放射出的X线是一束波长不等的连续混合线，故称为连续放射或轫致放射。

（二）光谱

轫致辐射的X线谱有一个最大的光子能量，其值与入射电子的能量相对应。超过了这个能量之后，所产生的光子数目随着能量的减少而增加。光子的能量用hv或来表示，h是普朗克常数，为6.62×10-27erg/s；C是光速，为3×108m/s=3×1018Å/s；λ表示发出的X线的波长，其关系式为：

式中m代表电子质量，V代表电子的末速度，e代表电子的电量为4.803×10-10静电单位，V代表加在X线管上的电压。人们把这一求X线管发的最短波长公式称为Duane-Hunt公式。可写成：

可见，X线管产生的X线波长仅与管电压有关，管电压愈高，所产生的X线波长愈短。图2-2是X线管阳极靶面为钨时，加于X线管两极间的管电压分别为65kV、100kV、150kV、200kV时产生的X线强度分布曲线。从曲线可以看出：每一个不同数值的管电压，都有一个最短波长，且管电压愈高，波长愈短；最短波长的X线强度极小，随着波长的增加其强度也增加，在未到最短波长2倍之前，X线强度达最大值，之后X线强度随波长增加而逐渐减小并趋向于零。

此外，由图2-2可知道，强度最大的X线，其波长随电压增加而向短波移动，这种现象称为连续X线谱的位移规则。产生上述曲线的原因，是大部分X线机采用交流电源供电，加给X线管的电压峰值只处于交流波形的瞬时，也就是说峰值电压在整个交流频率中只占一小部分。这样，就可能仅有一小部分电子得到最大动能与阳极靶面撞击，产生波长较短的X线，而其他电子则因得到的动能较小，产生了波长较长的X线。同时高速电子并不一定直接与阳极物质的原子核相撞而只从核旁经过，它们受到核内正电场的作用而失去一部分能量，直接以光子形式放出来。

当X线光子穿过阳极表面，X线管的窗口或其他增设的滤过物质时，大量的低能光子被吸收或滤过掉。被滤过的数量一般与X线束穿过物质的成分和厚度有关，而且它决定光谱分布曲线低能端的形状。这种滤过可减少X线的生物损伤和提高X线影像的清晰度。

（三）kVp

在X线管中，电子撞击阳极靶面的动能，决定于加在X线管上两极间的管电压。管电压越高，阴极电子获得的动能就越大。以keV为单位的光子能的最大能量在数值上就等于以千伏（kV）为单位的外加最大管电压值。在照射时间内，光子的最大能量则由电压的最大值或峰值决定。这个电压值就叫做千伏峰值（kVp），它是X线机的可调参数之一。

（四）X线的强度

计算连续谱的X线强度往往采用以下经验公式：

式中I为管电流，Z为原子序数，V为管电压，K为常数约等于1.1×10-9～1.4×10-9。应该指出，连续X线谱是医用X线中最基本最重要组成部分，连续X线谱总强度I连与X线总强度I总近似相等，即：

此式表明，X线强度分别与靶物质的原子序数和电流呈正比，原子序数越高，核电场作用越强，轫致辐射产生的X线强度也越大，管电流越大，说明单位时间内撞击阳极靶面的电子数愈多，产生的X线强度也就越大（图2-3）。

X线总强度与管电压的平方呈正比，管电压的变化不仅影响X线的量，也明显影响X线的质。从X线强度上讲，管电压增加40%，则X线强度增加一倍。在实际工作中有一个经验规则：kVp增加15%就相当于mAS增加一倍。例如，管电压为50～60kVp时，大约增加7kVp，则mAS就增加一倍；管电压为100kVp时，若增加15kVp，mAS也增加一倍。

管电压的波形也是影响X线强度的一个因素。由于X线机高压发生器送到X线管两端的电压是脉动直流高压，可能是单相电源的半波或全波整流，也可能是三相电源六脉冲或十二脉冲整流。在峰值电压相同的情况下，波形越平滑，X线强度越大。

二、标识放射

标识放射是X线管中阴极产生的电子以很大的动能撞击靶面时，原子内层轨道电子被击出，而产生了电子跃迁现象放出的X线。

（一）产生过程

产生标识放射的相互作用情况如图2-4所示。

标识放射与高速电子和原子轨道电子间的碰撞有关。只有当入射电子的动能比原子里电子的结合能大时，这种作用才发生，轨道电子从原子中被轰出，留下一个空位，由较高能级上的电子来填充。电子填补这个空位时，便以X线光子的形式放出能量，这种由阳极靶面物质所决定的一部分X线称为标识放射。在图（2-2）中，被高速电子轰出的钨的K层电子，其结合能为69.5keV，这个空位是由来自L壳层上的电子填充，该电子的结合能为10.2keV。因此，产生的标识X线光子的能量等于这两个能级之差，即59.3keV。

实际上，一种给定的阳极材料可以产生几种标识X线能量，轰击电子可以从不同的能级（K、L等）上轰击电子，而留下的空位又由不同能级上的电子填充。在原子能级图中，K、L、M、N表示原子核周围不同的轨道，若内层K、L、M等轨道电子被击脱时，就可能出现K系、L系、M系等标识X线。严格来说，K层的标识射线并不是单一的，它包括一组波长几乎相等的射线，称为Kα、Kβ、Kγ等射线，Kα是由L层电子补充时产生的X线，Ks是M层电子来补充时产生的X线，其他类推。

（二）钨标识谱

钨的有效标识放射光谱，其标识放射为几个具有分离能值的线状尖端，而轫致辐射则在一定的范围内形成连续光谱。在每个特征能量上产生的光子数目各不相同，因为从壳层到壳层的电子填充K层上的空位的可能性不同，如图2-5。

（三）kVp

某种元素产生标识射线，它撞击阳极靶面的电子所需的能量，是由加在X线管的电压供给的。高原子序数的元素需要的能量大，其标识射线需要在一定的高压下产生，电压与原子序数的平方呈正比。

X线管产生X线束的光子能谱由几个因素确定。这种X线谱就其轫致辐射和标识放射的相对组成来说，与阳极材料、千伏数以及滤过作用有关。例如用钨作阳极的X线管，当kVp小于69.5时，就不产生标识放射。在诊断X线中，使用较高的千伏值时，标识放射可以达到总辐射量的25%以上。随着管电压升高，连续放射量所占的百分比减少，而标识射线所占的百分比增加（图2-6）。

（四）标识X线的特点

1.任何元素的特征 X线的波长是固定不变的，不受其他因素的影响。不管kV如何变化，每条特征线的波长不变，它只与靶原子的结构有关，不同的靶原子其特征线也不一样。

2.在医用诊断X线中仅K系标识线有用，其他各系，如L、M、N…各系，由于波长较长，能量较低，均被X线管壁和滤过层所吸收。

3.标识线只有在一定的管电压下才能出现，不同靶原子，出现同一标识线所需管电压与原子序数的平方呈正比。高速电子的能量（eV）只有大于或等于K电子的结合能时，才能将K电子击脱，而产生K系标识线。

4.标识线的最高频率与靶元素的原子序数的平方呈正比，故常采用高原子系数的钨做阳极材料，以获得更多有诊断价值的高能X线。

5.特征线的强度I特与管电压V和管电流I有如下关系：

式中：K2和n为常数，n约等于1.5～1.7；Vk为K系的激发电压。在医用X线中，特征X线只占很少一部分，对于钨靶X线管来说，管电压在69.5kV以下不产生K系辐射；在80～150kV之间，K系辐射只占整个辐射量的10%～28%；150kV以上特征辐射呈相对地减少；300kV以上特征X线量与连续X线量相比可以忽略不计。

三、光电效应

光电效应又称光电吸收，它是X线光子被原子全部吸收的作用过程。当一个能量为hv的光子通过物质时，它与原子的某壳层中某个轨道上一个电子发生相互作用，把全部能量传递给这个电子，而光子本身则整个被原子吸收，获得能量的电子摆脱原子的束缚而自由运动，这种电子称为光电子，这种现象称为光电效应。

光电效应的实质是物质吸收X线使其产生电离的过程。在此过程中将产生的次级粒子有：光电子、正离子（产生光电子的原子）、新的光子（特征辐射光子）、俄歇电子。光电效应的发生概率可受以下三方面因素的影响。

1.物质原子序数

光电效应的发生概率与物质的原子序数的4次方呈正比，物质的原子序数愈高，光电效应的发生概率就愈大。对高原子序数物质由于结合能较大，不仅K层，其他壳层电子也较容易发生光电效应。但对低原子序数物质几乎都发生在K层。在满足光电效应的能量条件下，内层比外层电子发生光电效应的概率可高出4～5倍。

2.入射光子能量

因为光电子的动能Ee=hv-EB，所以光电效应发生的能量条件是：入射光子的能量hv必须等于或大于轨道电子的结合能EB，否则就不会发生光电效应。光电效应的发生概率与入射线波长的3次方呈正比，与光子能量的3次方呈反比。

3.原子边界限吸收

如果测出某一种物体对不同波长射线的光电质量衰减系数，就会得到质量衰减系数随入射光子能量hv的变化。钡剂和碘剂都是X线检查中常用的对比剂，其K特征放射都具有较高的能量（钡是37.4keV，碘是33.2keV），它们都能穿过人体组织到达图像使之产生灰雾。

人体软组织中原子的K结合能仅为0.5keV，发生光电效应时，其特征放射光子能量不会超过0.5keV，如此低能光子，在同一细胞内就可被吸收而变为电子运动能。骨骼中钙的K结合能为4keV，发生光电效应时其特征放射光子在发生点几毫米之内就被吸收。由此可见，在人体组织内发生的光电效应，其全部能量都将被组织吸收。

诊断放射学中的光电效应有利有弊，一是不产生散射线，减少了图像灰雾，增加人体不同组织和对比剂对射线的吸收差别，产生高对比度的X线图像。钼靶软组织X线摄影，就是利用低能射线在软组织中，因光电吸收的明显差别而产生高对比度的图像。在放疗中，光电效应可增加肿瘤组织的剂量，提高其疗效；二是入射X线通过光电效应可全部被人体吸收，增加了受检者的X线剂量。

四、康普顿效应

康普顿效应又称康普顿散射，它是射线光子能量部分吸收而产生散射线的过程。康普顿效应是入射光子与原子中的一个外层“自由”电子相互作用时发生的。康普顿效应的发生概率可受以下两个方面因素的影响。

1.物质原子序数

康普顿效应的发生概率与物质的原子序数Z呈正比。

2.入射光子能量

康普顿效应发生概率与入射线波长呈正比，与入射光子能量呈反比。

康普顿效应是光子和“自由”电子之间的相互作用，在K电子结合能以上，随着入射光子能量的增加，由光电效应概率∝I/（hv）3可知，光电效应随能量很快降低，而康普顿效应变得越来越重要。

需要指出，康普顿效应中产生的散射线，是X线检查中最大的散射线来源。从被照射部位和其他被照物体上产生的散射线，充满检查室整个空间。这一事实应引起X线工作者和防护人员的重视，对此应采取相应的防护措施。

五、影响X线辐射谱线的因素

（一）管电流的影响

在管电压一定条件下，X线强度决定管电流。管电流越大，单位时间内轰击阳极面的电子数越多，产生的X线强度也越大，X线辐射谱线变化与X线管电流的变化呈正比。

（二）管电压的影响

X线束中最大光子能量等于轰击电子的最大能量，而电子的最大能量又决定于电压的峰值。所以，改变管电压也就改变了最大光子的能量，整个X线谱线的形式也将随之变化。管电压的改变影响X线谱的幅度和位置，当管电流不变时，随管电压的增高，连续X线谱的最短波长和最强波长的位置均向短波方向（即高能端）移动，但特征X线谱的位置不变。从曲线的面积（代表X线总强度）可知，X线强度与管电压的平方呈正比。

（三）电压波形的影响

X线发生器上所加的电压都是脉动高压，单相全波整流与三相十二脉冲辐射谱线对比，同样的电压和毫安秒，三相的X线谱线明显增强，曲线下的面积也较大，同时谱线向高能量方向偏移。而特征X线的产生不因电压波形的改变而改变。

（四）靶物质的影响

连续X线的强度与靶物质的原子序数呈正比，在管电压和管电流相同情况下，阳极靶面的原子序数越高，X线强度越大。特征X线完全是由靶物质的原子结构特性所决定，靶物质的原子序数越高，则轨道电子的结合能越大，特征X线的能量也越大。