16第十六章 X射线成像的物理基础介绍

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x射线成像的基本原理

x射线成像的基本原理
X射线的波长很短，仅有几个纳米，其强度是可见光的几千倍。

在医学上，X射线可以穿透人体，通过成像技术把人体内部的结构显示出来，从而帮助医生诊断疾病。

在临床医学中，X射线成像是一种常见的医疗技术。

X射线成像有两种主要的类型：线阵探测器和平面探测器。

前者将X射线聚焦在一个非常小的区域内，而后者则将X射线聚焦在一个非常大的区域内。

根据这个原理，如果通过计算机对X射线进行数字处理，就可以得到图像。

当X射线穿过物体时，会引起原子或分子的振动或转动。

原子和分子在x射线上会产生衍射现象，即所谓衍射现象。

利用衍射现象可以得到许多具有不同特点的图像。

X线由电子束激发产生，其波长很短，在穿透物体时会引起电子能级的跃迁，产生一个光子。

电子跃迁到低能级时，电子会发生电离（形成原子或分子）；当它处于高能级时（电子跃迁到高能级），电子会发生激发（形成原子或分子）。

—— 1 —1 —。

X线放射影像基础

– 技术选择，如KV with AEC option；KV/mAs； KV/mA/ms
五、摄影X线机简介
控制台
主要为调节电压、电流和曝光时间而设置，包括电压表、电流表、时计、调节旋钮和开关等。现代数
字X光机还包括曝光控制系统和图像
采集工作站。
旋钮、指针式—简单调节曝光参数
操作台
五、摄影X线机简介
六、有关放射防护
工作状态指示牌
铅窗
辐射警告牌
防护门
六、有关放射防护
X线检查中的防护
• 保护自己： – 避免直接暴露在射线下 – 进入有放射线的环境内，必须有防护措施。 – 尽量远离放射源(放射线与距离成3次方衰减) – 避免一切不必要的曝光
• 保护患者： – 避免不必要检查 – 小儿、妇女注意性腺的防护
靶
靶
低压电源
X射线
高压电源
二、X线的产生
能量转换诊断用X线的产生效率只有0.4％～1.3％。
热容量？
二、X线的产生
X线产生的三个条件: ①要有一个电子源，能根据需要，随时提供足够数
量的电子。 ②高速电子流，两个方面，其一是高压电场，使电
子获得动能；其二是有高真空环境，使电子在运动中不受气体分子的阻挡和电离放电而降低能量，同时也能保护灯丝不致因氧化而被烧毁。 ③要有一个能经受高速电子撞击而产生Ｘ线的靶。
病变位于中叶？下叶？
X线的基础知识
一、什么是X线二、X线的产生三、X线的特性四、X线成像特点五、X线机简介六、放射防护知识
五、摄影X线机简介
X线机的主要发生装置
X线球管
控制台
高压发生器
五、摄影X线机简介
X线球管:
五、摄影X线机简介

1.1X射线物理基础

λ
机理：
高速电子进入核区，由于核区有库仑场存在，其速度发生变化。不同的电子有不同的速度，取连续值。当高速电子与原子核碰撞而骤然减速时，辐射出X-射线，其光子能量呈连续变化，称韧致辐射，或称刹车辐射。
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短波限λº的形成
• 量子理论解释
eV h max hc
0
hc 12.4 1.24 1240 A nm nm eV V (kV) V (kV) V (V)
m wi mi
n
m —吸收体中各元素的质量吸收系数
Wi — 吸收体中各元素质量百分数
36
1
吸收限
m
产生突变。 • 不连续处称为吸收限。 • 相应的波长为吸收限波长λK， λL等。
37
吸收限
• 吸收限是由光电效应引起的。 • X射线的λ ≤λK时，X射线光子被吸收，光子的能量转变为光电子、俄歇电子和荧光 X射线的能量，使 m发生突然↑。 • 吸收限两侧随着λ的变化基本遵循经验公式，只是K值各不相同。
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滤波片
• 利用特征X射线进行物相分析时，只用单色Kα谱线，将 Kβ等滤掉，需使用滤波片。 • 滤波片是利用吸收限两边吸收系数相差悬殊的特点。 • 滤波片的厚度对滤波质量影响很大，应选择适当的厚度。 • 滤波片材料根据阳极靶元素而定，满足下列关系： λKα(靶)＞λK(片)＞λKβ(靶) • Z靶＜40时，Z滤波片=Z靶－1 Z靶＞40时，Z滤波片=Z靶－2
39
X射线与物质相互作用小结
• 宏观效应--X射线强度衰减，是X射线成像（X-CT）分析的物理基础 • 微观机制--X射线被散射,吸收
–散射：无能量损失或损失相对较小，只有相干散射才能产生衍射，相干散射是进行材料 XRD分析的物理基础 –吸收：能量大幅度转换, 带有壳层的特征能量,是揭示材料成分的因素。特征能量是进行材料成分分析的工具（X射线光谱分析，电子能谱等）

X射线物理基础

1，像可见光一样直线传播，经电场不发生偏转。 2，有很强的穿透能力，所有物质多少它都能够透过。 3，使萤光物质发光，使气体电离。 4，使照相底片感光，而人的肉眼无法直接观察到它。
X射线的性质
瑞典皇家科学院院长奥得纳(C.T.Odher)在伦琴获诺贝尔奖的致词中说：
对于这种能量辐射的真实组成，目前尚不清楚，然而，伦琴本人和后来从事这方面研究的其他科学家已发现了它的若干特殊性质。毫无疑问，当人们充分研究这种奇异的能量形式并全面探索它的广阔应用领域时，物理科学将取得许多成就。
X射线产生的几个基本条件
产生自由电子；使电子作定向的高速运动; 在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。
X射线管的结构
阴极：又称灯丝(钨丝)，通电加热后便能释放出热辐射电子。阳极：又称靶，通常由纯金属制成(Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag,W等)，使电子突然减速并发射X射线。阳极需要水强制冷却。窗口：是X射线射出的通道，维持管内高真空，对X射线吸收较少，如金属铍、含铍玻璃、薄云母片。
1.1 X射线的物理学基础
X射线的本质
X射线是一种本质与可见光完全相同的电磁波或电磁辐射，只不过X射线是由高速带电粒子与物质原子中的内层电子作用而产生的，因此能量大，波长短（0.1-10 nm），穿透物质的能力强。
无线电波
红外线可见光紫外线 X射线 γ射线宇宙射线
1029
10－4 10－6 10－7 10－8
2） X射线具有粒子性，是具有一定能量光子的粒子流，反映物质运动的分立性。现象表现为光电效应和荧光辐射。
证明X射线的波动性
已出现的设想：晶体中呈有规律、周期性排列，组成三维原子网络，以上未能得到实验证实。

x射线基础知识

x射线基础知识目录1. 内容概要 (3)1.1 X射线的发现与发展 (3)1.2 X射线的研究意义 (4)2. X射线的基本概念 (5)2.1 X射线的定义 (6)2.2 X射线的特性 (7)2.2.1 波粒二象性 (8)2.2.2 波长和频率 (9)2.2.3 能量和动量 (10)2.3 X射线的产生机制 (10)3. X射线的物理性质 (11)3.1 X射线的波长与能量关系 (12)3.2 X射线的穿透性 (13)3.3 X射线的反射与折射 (13)3.4 X射线的吸收与散射 (15)4. X射线在材料科学中的应用 (16)4.1 X射线衍射 (17)4.1.1 XRD基本原理 (18)4.1.2 XRD应用实例 (19)4.2 X射线荧光光谱 (20)4.2.1 XRF基本原理 (21)4.2.2 XRF应用实例 (22)4.3 X射线计算机断层扫描 (24)5. X射线设备与技术 (25)5.1 X射线发生器 (26)5.1.1 X射线管 (26)5.1.2 X射线发生器的工作原理 (27)5.2 X射线探测器 (28)5.2.1 X射线探测器类型 (29)5.2.2 探测器的工作原理 (30)5.3 X射线防护与安全 (31)6. X射线与其他物理现象的关系 (33)6.1 X射线与物质的相互作用 (34)6.1.1 吸收与散射 (35)6.1.2 激发与荧光 (36)6.2 X射线与其他辐射的关系 (37)7. 总结与展望 (39)7.1 X射线研究的发展趋势 (40)7.2 X射线应用的前景 (41)1. 内容概要本篇文档旨在为读者提供一个全面的x射线基础知识概述。

首先，我们将介绍x射线的起源、本质及其在电磁波谱中的位置。

随后，我们将探讨x射线产生的原因和方式，包括天然放射性和人工产生两种途径。

接着，我们会详细阐述x射线的物理特性，如波长、穿透力、生产和检测方法等。

此外，文档还涵盖了x射线在不同领域的应用，如医学成像、工业检测和安全检查等，并分析其优缺点及潜在风险。

X射线的物理学基础(1)

但是，在X射线荧光光谱分析中，恰好要利用它来分析物质的元素，因此，希望得到尽可能强的荧光X射线。所以，掌握了荧光X射线产生了机理和条件，就可以很好地控制和利用它。
俄歇效应
如果原子在入射X射线光子的作用下失掉一个K层电子（一次电离），它就处于K激发态；当一个L层电子填充这个空位后，会放出(εK -εL)的能量。若能量释放出来的方式不是荧光X射线，而是以产生二次电离的方式，则称此种效应为俄歇效应。（如，当原子处于K激发态时，若εK -εL > εL ，则有可能使L 层的一个电子跃入K层，同时释放出来的能量(εK -εL)使L层的另一个电子脱离原子逸出，产生二次电离。称该二次电子为KLL俄歇电子。）
X射线的强度 I 是由光子能量 h 和它的数目 n 两个因素决定的,即 I = nh。
连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度，也是阳极靶所发射出的X射线的总能量。
3.2. 特征X射线
对于一定元素的靶，当管电压小于某一限度时，只激发连续谱。但当管电压升高到超过某一临界值（如对Mo靶, 其临界值V激＝20kV）后，曲线产生明显的变化，在连续谱的几个特定波长的地方，强度突然显著增大，如图所示。由于它们的波长反映了阳极靶材料的特征，因此称之为特征X射线谱。
X射线是波长在10-8到10-12米范围内的电磁波，因此具有极强
穿透能力。
硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。
软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析。
X射线波长的度量单位常用埃（Å）,或者通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为： 1Å =10-10 m 1nm=10-9 m

X线成像基本原理ppt课件

常见，也较严重。
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❖ 轻度：皮肤潮红，荨麻疹，胸闷，气短，恶心，呕吐。
❖ 中度：意识丧失，喉头水肿，呼吸困难。 ❖ 重度：血压下降，肺水肿，心脏骤停，
休克、死Байду номын сангаас。
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(四)数字化成像技术
CR（计算机X线成像）：
以影像板（IP）代替X线胶片作为介质。 IP上的影像信息经过读取、图像处理显示出数字图像。在荧屏上显示人眼可见的灰阶图像。
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（二）、特殊检查
软线摄影：用于乳腺等软组织摄影放大摄影：用于显示细微病变体层摄影：用于显示重叠较多和处于较深部
位的病变记波摄影：用于观察脏器的运动
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（三）、造影检查
1、对比剂（1）. 高密度对比剂（阳性对比剂）（2）. 低密度对比剂（阴性对比剂） 2、造影方法（1）. 直接引入（2）. 间接引入 3、造影前准备及造影反应处理
病灶的大小、数目、形态、边缘、密度、功能变化、对邻近组织结构影响结合临床资料做出X线诊断肯定性诊断、否定性诊断、可能性诊断
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(三)、造影检查
(1)对比剂
对比剂条件： ①有良好的造影效果 ②无毒无害 ③能在短时间内排出体外
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阳性（高密度）对比剂：
比重大，原子序数高，常用钡剂和碘剂等
❖钡剂
❖ 混悬液：用于食道及胃肠造影。
❖ 钡胶浆：主要用于支气管造影检查。
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❖碘剂
❖ 有机碘制剂：
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X射线物理学基础PPT课件

m K 43Z 3
μm
01—X射线物理学基础
μm
LІ LⅢ
LⅡ K
λ 理想μm随入射波长的变化
（Z一定）
λ 实际μm随入射波长的变化
（Z一定）
每种物质都有本身确定的一系列吸收限，这种带有特征吸收限的吸收系数曲线称为该物质的吸收谱。吸收限的存在暴露了吸收的本质。
敦德励学知行相长
μm
LІ LⅢ
XI’AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY
敦知材料研德究方法第一行章 X射励线的物理特性相学长
敦德励行知行相长
01—X射线物理学基础
1895年，德国物理学家伦琴（Rontgen W.C）在研究阴极射线时发现了X射线。1901年，首届诺贝尔物理学奖授予伦琴，以表彰他发现了对物理学界有重大影响意义的X射线。 X射线、放射性和电子被称为世纪之交的三大发现。
1917 年，英国巴克拉，发现了标识X射线。
1921年，爱因斯坦，光电效应。
1924年，瑞典卡尔·西格班，X射线光谱学。
1937 年，美国戴维森和英国 G.P.汤姆孙，用晶体对电子进行衍射。
敦德励学知行相长
01—X射线物理学基础
劳埃在1912年进行的晶体衍射实验结果证明：X射线是一种波长很短的电磁波，也揭示了物质内部原子规则排列的特性。
卡文迪许在热学理论、计温学、气象学、沉睡了一百年的手稿。
大地磁学等方面都有研究。1798年他完成最后的实验时，已年近七十。
敦德励学知行相长
A eC
U
X射线
i
kV 220V
敦德励学知行相长
01—X射线物理学基础

X线成像基本原理

X线成像基本原理X射线成像是利用X射线的穿透性能和被物体吸收的特点来对物体进行成像的一种技术。

它在医学影像学、检查诊断、安全检查、材料分析等领域有广泛应用。

X射线成像的基本原理可以归纳为三个步骤：X射线的产生、传播和感应。

第一步：X射线的产生X射线的产生是通过高速电子和原子相互作用产生的。

产生X射线的主要设备是X射线发生器，由阴极和阳极组成。

在发生器中，阴极发射出高速电子经过加速后轰击到阳极上，通过电子与阳极原子碰撞而产生的辐射就是X射线。

X射线的产生与电子的速度有关，速度越高，产生的射线能量越大。

第二步：X射线的传播一旦产生，X射线会以直线传播的形式通过物体。

X射线具有穿透性，可以穿透多种材料，但不同材料对X射线的吸收程度有所不同。

密度较大或原子序数较大的材料，如骨骼，对X射线的吸收较高，因此在X射线成像图像中会呈现出明显的阴影。

而密度较小的材料，如肌肉和脂肪，对X射线的吸收较低，呈现出深浅不同的灰阶，被诊断者所使用。

第三步：X射线的感应X射线通过物体后，会被感应器接收，并转化为电信号。

感应器通常是X射线片或数字感应器（CCD）。

X射线片由感光盐晶体构成，当X射线通过后，会对盐晶体产生化学反应，形成图像。

数字感应器则是由一系列密集排列的光电二极管和电容组成，通过感应电荷信号的变化来记录X射线的强度。

这些信号随后可以被转化为数字图像，方便观察和诊断。

X射线成像技术有许多不同的应用。

在医学领域，X射线成像常用于检查骨骼，如发现骨折和骨质疏松。

另外，X射线胸片可以用于诊断肺部疾病，如肺炎和肺结核。

在安全检查中，X射线成像可以用于行李、货物等的检查，以寻找潜在的危险物品。

此外，X射线成像还被广泛应用于工业领域，如材料分析和非破坏性测试，以检测材料内部的缺陷和结构。

X 射线的应用十分广泛，已成为现代科学技术不可或缺的工具之一。

放射成像的基础知识

90年代末，DR技术引发研发竞争，近几年 CR、DR、HIS、RIS、PACS 技术已逼近每一家医院。
X线的发展历程
➢ 1977年数字减影血管造影 ➢ 1980年 CR，荧光成像板 ➢ 1987年非晶硒成像板 ➢ 1990年线性CCD ➢ 1995年非晶硅碘化铯闪烁体平板探测器的DR ➢ 1997年硫氧化钆闪烁体平板探测器的DR ➢ 2001年硫氧化钆闪烁体便携式平板探测器 ➢ 2001年数字透视和摄像的动态平板探测器
计算机X线体层摄影（CT）
最早出现于1971年10月为此，英国科学家Hounsfied G.N获得1979年诺贝尔医学奖 CT值的单位即以其名字命名：HU（亨氏单位）
放射产品分类－CT
发展历程： ➢第一阶段：从CT的产生到20世纪70年代中期扇形束CT
•第一代CT： Hounsfied实验机，线形束，探测器2～3个 •第二代CT：头颅专用CT，小扇形束，探测器几十个 •第三代CT：扇形束全身CT，旋转－旋转扫描方式 •第四代CT：环形探测器CT，探测器数目500～2000个 ➢第二阶段：20世纪80年代中期“滑环技术”实现了螺旋扫描 ➢第三阶段：多排探测器实现了快速容积扫描，即多层扫描
放射成像的基础知识
1、X线的发展历程 2、X线成像的基本原理 3、X线成像的特点 4、X线的质量和强度 5、放射产品分类
什么是x线
X线是电磁波，波长：0.0006~50nm ；X线诊断常用波长：0.008~0.031nm
x线是怎么产生的
x线是怎么产生的
电子高速碰撞原子的结果
x线是怎么产生的
➢人体能量代谢研究：如通过波谱分析可研究组织器官的能量代谢情况
➢无电离辐射：即无创检查
➢无骨伪影干扰

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关于X射线的描述： 1.是电磁波,遵从波的规律:折射,反射,干涉,衍射,….； 2.波长短,小于10nm
频率高,大于 1016 Hz; 3.人眼看不到；
4.可以视为光子；
5.能量强,可达几百KeV。
16.1.1 X射线的产生
X射线的产生条件
1. 有高速运动的电子流； 2. 有适当的障碍物—靶。
就像子弹打在坦克上会发出声音和火花一样.
X射线的产生装置 X射线管、低压电源、高压电源。
加在两极间的直流高压称为管电压. X射线管内两极间形成的电流称为管电流.
16.1.2 X射线的基本性质
1.贯穿作用 X射线对各种物质具有不同程度的贯穿作用. 2.电离作用 X射线能使物质的分子和原子电离.
3.荧光作用一些物质的原子或分子受X射线照射时因
式中为X射线光子的频率 Ni为频率为的X射线的光子数 h为普朗克常量
增加X射线强度的方法：
1. 增加管电流，使单位时间内轰击阳极靶的电子数增多，从而增加所产生的X射线光子数目N。
2. 增加管电压，使每个光子的能量增加。
在临床上用管电流的毫安数（mA）来表示X射线的强度，称为毫安率。
管电流的电流值与辐射时间的乘积表示 X射线的总辐射能量。
布拉格,以表彰他们在1913年用X射线对晶体结构的分
析所作的贡献.
主要贡献: 开创英国固态物理测定晶体构造
提出 Bragg 方程 : 2dsinθ=m 制成第一台X-射线光谱仪利用X-射线绕射方法研究晶体构造
布拉格父子于1913年借助X射线成功地测出金刚石的晶体结构, 并提出了“布拉格公式”,为最终建立现代晶体学打下了基础,于 1915年获奖.当时,小布拉格年仅25岁,是至今为止最年轻的诺贝尔奖获得者.
获得能量而处于激发态,当它们重新回到基态时,将多余的能量释放出来而发出荧光.
4.感光作用
X射线能够使很多物质发生光化学反应.
5.生物效应
X射线照射机体能够在体内产生电离和激发并诱发各种生物效应.
16.1.3 X射线的强度和硬度
X射线的强度单位时间内通过与射线方向垂直的单位
面积的辐射能量为X射线的强度,用 I 表示
1953年沃森（J.Watson，1928）和克里克（ F.Crick ， 1916 ）在碱基互补配对原则的基础上，构建了DNA分子双螺旋结构模型
§16.1 X射线的产生及其基本性质 §16.2 X射线衍射 X射线谱 §16.3 X射线的吸收 §16.4 X射线成像
§16.1 X射线的产生及其基本性质
1901年,首届诺
贝尔物理学奖授予德国物理学家伦琴, 以表彰他在1895年 11月8日偶然发现的 X射线.
伦琴的实验室
历史上第一
张人体的X照片: 伦琴妻子的手. 摄于1895年12 月22日
思考题2: (P402 16—2)
什么是X射线硬度?如何提高X射线硬度? 在进行X射线照射时,是否硬度越硬越好?
答:(1) X射线硬度是指X射线对物质的贯穿本领;
(2)可以通过加大X射线仪中的管电压来提高X射线的硬度;
(3)不是.要根据具体需要调整X射线的硬度,否则会造成伤害.
§16.2 X射线衍射 X射线谱
1896年1月,在发现X射线后仅几周，芝加哥电气技师 Grubbe 即利用X射线对一名55岁患乳腺癌的妇女进行了放射治疗.
1914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福大学的劳厄 ( Laue ,1879-1960),以表彰他在1912年发现了晶体的X射线衍射.
X射线是波长为10-3~10nm的电磁波。它具有光波的一切性质。
金刚石结构模型
罗莎琳德 ·富兰克林 (Rosalind Franklin) 1920年生于伦敦,15岁就立志要当科学家,但父亲并不支持她这样做.她早年毕业于剑桥大学, 专业是物理化学. 1945年,当获得博士学位之后,她前往法国学习X射线衍射技术.
当X射线穿过晶体之后,会形成衍射图样 ——一种特定的明暗交替的图形.不同的晶体产生不同的衍射图样,仔细分析这种图形人们就能知道组成晶体的原子是如何排列的.富兰克林精于此道,她成功的拍摄了DNA分子是单链结构的螺旋体X射线衍射照片.这张照片正是发现DNA结构的关键
16.2.1 X射线衍射
① ②
· ··· · · ··· · · ··· · · ··· ·
相邻两层的波程差是,
由此我们得到X射线衍射波加强的条件为
式中m是正整数,m =1,2,3, ···时,反射束分别为
第一,第二,第三级反射线束. 这个公式称为布拉格-乌利夫公式
λ2 λ1
θ 晶体
X射线摄谱仪简图
已知d,可求波长,分析X射线已知波长,求晶面间距,分析晶体结构
1915年诺贝尔物理学奖 ——X射线晶 Nhomakorabea结构分析
L.布拉格(1890-1971) H.布拉格(1862-1942)
英国物理学家小布拉格
老布拉格
1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利.布拉
格和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯.
X射线的硬度
X射线硬度是指X射线对物质的贯穿本领.
增加X射线硬度的方法：
增加管电压，使每个光子的能量增加。
在医学上通常用管电压的千伏数（kV）来表示X射线的硬度,称为千伏率.
X射线按硬度的分类
名称管电压/kV 最短波长/nm 主要用途
极软X射线 5~20
0.25~0.062 软组织摄影 , 表皮治疗
软X射线 20~100
0.062 ~0.012 透视和摄影
硬X射线 100~250 0.012 ~0.005 较深组织治疗
极硬X射线 250以上
0.005以下较深组织治疗
思考题1: (P402 16—1)
X射线强度为什么可以用管电流来表示?
答:因为控制管电流就可以控制阴极发射电子的数量,发射电子数量的多少决定产生的X射线光子数量的多少,而光子数量的多少是X射线强度大小的标志.
第十六章 X射线成像的物理基础
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教学要求：
1.重点：X射线的产生，X射线强度和硬度的概念，X射线连续谱和标识谱的产生机制， X射线衍射的布拉格公式，X射线连续谱的短波极限公式，物质的吸收系数， X—CT的基本原理，扫描技术，图像重建方法，CT值，窗口技术。
2.理解：X射线的基本性质、半价层，吸收系数与波长的关系，常规X射线投影成像。