《X线机结构和原理》PPT课件

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1、X线机结构和原理X线发生原理及其基本认识一、高速电子与阳极靶面的相互作用X线是在高度真空的X线管中产生的。更确切地说，是高速电子与阳极靶面相互作用的结果。所以分析这种作用对认识X线产生的原理是十分重要的。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，而且往往还要改变运动方向，所以电子在物质中的径迹是十分曲折的。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

2、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量，使阳极温度迅速上升。高速电子动能的99％左右都在碰撞损失中转换为热能，这是最普遍的情形：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、弹性散射和韧致辐射。具体分析如下。（－）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

3、成离子，称为电离。高速电子的动能转化为以下三部分：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；另一部分转化为二次电子（被击出的轨道电子）的动能；第三部分转化为出射电子的动能，出射电子以较低能量，并改变方向射出。然后与其它原子或原子核发生作用……。电离过程中向外发射的光谱有两种：一种是由于价电子脱离原子轨道，离子结合自由电子变为处于激发态的原子，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

4、光和红外线的波长范围，不属于X线。而且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（固体中分子热运动的主要方式是在平衡位置附近作无规则的振动），伴随着阳极温度上升。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标识X线，这是构成医用X线的成分之一。（二）激发高速电子（或二次电子）撞击原子外层电子，由于作用较弱，不足以使其电离、仅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、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

5、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。（三）弹性散射高速电子受原子核电场的作用而改变运动方，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。由于阳极靶内，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上与其它原子核或核外电子相遇，发生新的作用。（四）韧致辐射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，这种情况叫韧致辐射。在韧致辐射中，人射电子的能量一部分转化为辐射电磁波的能量hυ，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

6、发生改变。韧致辐射具有以下两个特点：l．韧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．韧致辐射所产生的X线是一束波长不等的连续光谱。这是由下面几个原因造成的：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；二是高速电子在进入核电场作用前，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。所以韧致辐射所形成的X线是一束随靶元素不

7、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线依其产生的机理不同，又有两种成份，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韧致辐射，这是一束连续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，用作治疗或诊断。光学光谱则波长长，光子能量小，则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

8、％将转换为