2.3.5.4射线的探测和防护(2)

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1、Chapter11X射线和射线照相§11.1引言1895年德国物理学家威廉·康拉德·伦琴（WilhelmConradRoentgen）发现了X射线。他在做电子放电管的实验期间注意到了：当把涂有氰亚铂酸钡的屏靠近电子放电管时，屏就会发出荧光。经过进一步研究，他断言这种荧光是由一种看不见的射线引起的，这种射线不仅能穿透玻璃，而且还能穿透不透明的材料。他还发现，他能够拍摄到物体内部结构的图像。例如，由于骨骼对X射线造成的衰减比软组的要大些，所以能够拍出骨骼的构造图像。让X射线透过物体而得到物体内部构造图像的方法叫做X射线照相术。这一发现立即轰动了医学界，在几个月内全世界许多地方的

2、医生开始用X射线帮助诊断，后来这些医生就成了放射学家；如第五章所述，其中的许多人因受辐射的过量照射而死去了。如今X射线在医学中已经得到了广泛的应用，不只是用于诊断，而且还用于治疗许多种疾病。此外，X射线在工业和科研工作中也有许多用途。X射线、射线与可见光、无线电波一样，都属于电磁辐射。它们的静止质量和电荷都为零，它们的波长与能量有关。X射线和射线的区别主要有两个方面：第一，射线发自于原子核内，而X射线则来自于电子轨道的改变；第二，给定源发射的射线一般具有确定的能量，但X射线通常具有一个能量分布，其最高能量可以达到某个特征极大值。产生X射线的最主要方法与所谓的轫致辐射过程有关

3、，轫致辐射一词来自德语，以很高速度运动的带电粒子（通常是电子）撞击在靶上而迅速减慢时就会产生轫致X射线。例如，当放射源的辐射撞击在屏蔽材料上时就产生轫致辐射，用这种方法产生X射线的效率与靶的原子序数密切相关。高原子序数材料的X射线产额比低原子序数材料的高很多（这就是用低原子序数材料、如有机玻璃来屏蔽放射源的原因）。不论用什么材料做靶，用粒子来产生X射线对于大多数应用来说其强度都太低。医学和工业应用中产生射线的方法与伦琴所用的方法相似，只是近代的X射线设备更加安全，效率也高得多。§11.2X射线设备§11.2.1概述因为X射线是高速运动的电子突然被高原子序数材料阻止时产生的，

4、所以一台X射线发生器要有一个电子源，把电子加速到很高速度的方法以及对准电子束的靶。每台X射线装置都是由X射线管和多种电子学电路组成，这些电路通常都单独装在控制单元中。§11.2.2热阴极X射线管图12.1中画出了现代的X射线管，它由装在高真空玻璃管内的一个阴极和一个阳极构成。阴极是电子源，是一根钨丝，用电流加热到白炽状态以“烘出”电子，这些电子被加在阳极和阴极之间的高电压不断加速，飞向阳极并撞击到靶上。靶是阳极的一个组成部分，是用高原子序数材料做成的，这样才能得到高的X射线产生效率。然而，即使达到了实际上最高的效率，转化成X射线的能量也不到电子能量的百分之一，其余的能量都转

5、换成了热。因此，靶材料必须具有很高的熔点，而且还要散热好。用导热好的铜做阳极，朝阴极的那一面镶上钨靶就可以达到上述要求。铜阳极有时做成实心的，有一个散热器伸到X射线管外以帮助冷却。大功率X射线装置的阳极都做成空心的，以便用循环油或循环水进行内部冷却。在X射线照相这类应用中，为了能精确地定位，X射线源要做得很小。因此要把细灯丝装在一个凹形杯中，该凹形杯能把电子束聚焦到很小的靶面上。为此，需要采取专门的措施以防止靶的过热，这时（靶）阳极可以做成转盘形。在这种情况下，靶的有效面积仍然很小，但受热面积却增加了许多，因此X射线管可以有很大的负载而不会被熔化。这种管子用在医用X射线装置

6、中，医用X射线装置发出的射线强度很高，而照射时间却很短，从而可以大大地减少由于人体移动造成的图形模糊。§11.2.3电源和控制X射线管所需要的电源包括一台供灯丝加热（以发射电子）用的低压电源和一台提供阳极和阴极之间高压用的高压电源。这些电源的输入干线通常是交流电。为给灯丝供电，要用降压变压器把电源干线的电压变为12伏的交流电，电流是可以调节的，最高可以达到几安培。管子上所加的高压是通过高压变压器把电源干线的电压变到管子工作所需要的水平，根据使用情况的不同，通常这个电压在5000伏左右，最高可达400000伏。由于电压取自交流电源干线，所以阳极和阴极的电压也是交变的。图12.

7、2给出了这种电源的示意图。在热阴极X射线管中，因为阳极上没有电子源，所以电子只能从阴极流向阳极。然而，电子只是在被正电压吸引时（记住，电子带负电）才流向阳极，因此只有当阳极上是正电压时管子才有电流流过并发射X射线。图12.3给出了阳极电压随时间的变化曲线。阴影区代表有电子流向阳极（即有电流流过）的周期，此时在靶上产生X射线。因此，X射线并不是连续产生的，而是以一系列脉冲的方式产生的。如果交流电网电源是每秒50周，则X射线管每秒就发射50个X射线脉冲。在设计X射线监测仪时，由于某些类型探测器给出的读数与X射线脉冲的频