第4节X线成像设备的结构与原理
一、X线的产生装置
根据X线的产生原理，人们研制出了一整套将电能转变为X线能的装置，该装置是X线机中最重要 的组成部分。它能根据不同需要产生量和质可以随意控制的X线束。
X线机的结构和形式，随着科学技术的发展和使用要求的不同而有很大差别，但其产生X线的原理 都是一样的。
X线机的基本结构如图2-1所示.
图2-1 X线机基本结构框
现将各部分原理和作用分述如下。
1. X线球管
X线球管可谓X线机的心脏，它是产生X线的关键部件。是一个高真空器件，产生X线的实质是能量转换， 根据产生X线的条件，高速电子所携带的能量，在遭到急剧阻挡后，大部分转变为热能，很小的一部分能 量转变为X线，X线球管是一个转换效率极低的能量转换元件，在此过程中大约有99%左右的能量被转 换成热能而被浪费掉，不仅如此，人们为了解决这大量的热带来的问题又投入了较大的精力去研究如何散 热，尽管如此，X线的作用和影响仍然是非常重要的。
X线球管从结构上分为固定阳极和旋转阳极2种。
⑴固定阳极X线球管 固定阳极X线球管的阳极固定不动，电子由热阴极发射，具有X线量和质 可以任意调节的特点。因其功率小、焦点较大，已满足不了飞速发展的X线影像技术的要求，目前仅用于
小型和部分中型X线机中。
①构造与作用 固定阳极X线球管的结构主要由阳极、阴极和玻璃壁3部分组成，如图2-2所示。 高压电缆 高压发生器
图2-2固定阳极X线球管的结构
阳极由靶面、铜体、阳极罩、阳极柱4部分组成。阳极的作用是产生X线，散热，吸收二次电子和 散射线。靶面受电子轰击，而电子动能的约99%转换为热能，只有1%左右转换为X线，故靶面材料多选用 高熔点且X线发射率较高的金属鸨制成（熔点为3370℃,原子序数Z=7 4）。由于鸨的导热率小，故一 般通过真空熔焊的方法把鸨靶焊接在无氧铜体上，以便具有良好的散热能力。阳极罩在靶外面，也由无氧 铜制成，其作用是吸收二次电子和散射线。高速电子轰击靶面时，会有少量电子从靶面反射回来，称为二 次电子，其能量为原来的9
X线机结构和原理
X线机是一种用于产生和利用X射线的设备。它主要由X射线发生器、X射线探测器和控制系统组成。X线机结构和原理是通过高速电子与物质相互作用，产生X射线，并利用X射线的特性进行成像和检测。
1.X射线发生器：
X射线发生器是整个X线机的关键部分，它能够产生高能量的电子束，使其与物质相互作用产生X射线。
一般而言，X射线发生器主要由高压发生装置、阳极和阴极组成。高压发生装置通过高压电源产生足够高的电压，使电子在强电场的驱动下加速，形成高速电子束。该电子束由阳极和阴极之间的压差加速到足够高的速度。
2.X射线探测器：
X射线探测器是用来接收和检测被物体吸收或散射的X射线，并将其转换为电信号的装置。常用的X射线探测器包括电离室、闪烁晶体、数字平板探测器和CCD等。
电离室是一种利用X射线使空气电离并形成电流的探测器。它主要由两个电极和一个感应装置组成，当X射线通过电离室时，它会使其内部的气体电离，形成电子和离子。这些电子和离子之间的电流被测量，从而获得X射线信号。
闪烁晶体是一种利用X射线激发晶体中的荧光效应来检测X射线的探测器。当X射线通过晶体时，它激发了晶格中的原子或分子，使其转移到激发态。当这些原子或分子返回基态时，会发出特定波长的荧光，该荧光被光电倍增管等装置接收并转化为电信号。
数字平板探测器是一种利用硅探测器或其他半导体材料检测X射线的探测器。它可以将X射线直接转化为电信号，并通过信号处理系统进行数字化和成像处理。
CCD（Charge-Coupled Device）是一种光学传感器，用于接收和转换光信号为电信号。它可以将X射线通过荧光屏、透射装置等转化为可见光信号，然后通过光电转换器将光信号转换为电信号。
3.控制系统：
控制系统用于控制X射线发生器和X射线探测器的工作，实现对X射线的产生和接收过程的控制。它主要包括高压电源、低压电源、控制器、数字信号处理器等。
高压电源用于提供高压，使X射线发生器中产生的电子束加速到足够高的速度。低压电源用于提供控制电路所需要的低压电源。
主量子数n：原子核外的电子云是分层分布的，电子壳层可用主量子数表示。主量子数n取1、2、3.。。。。。值时，相应的电子壳层可用K、L、M、N、O、P等符号来表示。n越大，电子离核越远，能级越高。故主量子数是决定原子能级的主要因素。
例：主量子数n的最小取值是
A、0.5 B、1 C、2 D、3 E、4
如果原子中的某个电子处在主量子数n=3，角量子数L=2的量子态上，则这个电子在M壳层的d亚层上，通常这种状态为3d。相反，若电子所处的状态为4秒，则电子处在N壳层的第s亚层上，这个量子态的主量子数n=4，角量子数L=0。角量子数L确定后，其量子轨道平面可有（2L+1）个不同取向。磁量子数（mL）决定轨道量子数，自旋量子数（ms）决定电子的自旋状态
例：A、9 B、5 C、3 D、2 E、1
物质原子中轨道电子所处的状态为3d，则主量子数n是
物质原子中轨道电子所处的状态为3d，则角量子数L是
物质原子中轨道电子所处的状态为3d，则量子轨道平面取向个数是
原子核中半径最小的壳层叫K层（n=1），最多容纳两个电子；第二层叫L层（n=2），最多容纳8个电子；第三层叫M层，最多容纳18个电子；愈外面的壳层的可容纳的电子数愈多。但最外层电子数不超过8个。
例：原子结构中半径最小的壳层叫
A、 K层 B、L层 C、M层 D 、N层 E、O层
例：原子结构中L层最多容纳的电子数是
A、2个 B、4个 C、8个 D、16个 E、32个
例：在原子中，最外层的电子数最多不超过
A、5个B、6个C、7个D、8个E、9个
例：综合题 关于核外电子排布的叙述，错误的是
A、原子核外的电子云是分层是分层排布的，电子壳层可用主量子数表示 B、主量子数为n的壳层（非最外层）可容纳的电子数为2n^2-1 C、愈外面的壳层可容纳电子数愈多（非最外层） D、最外层电子数最多不超过8个 E、同一电子壳层中电子具有的能量及运动形式不同 每个轨道电子都具有一定的能量（动能和势能的代数和），且电子在各个轨道上的能量是不连续的，这些不连续的能量值，表征原子的能量状态，称原子能级。原子能级以电子伏特表示，1eV=1.6*10^-19J ；原子核对电子的吸引力，靠近原子核的壳层电子结合力强，距核越远的电子结合力越小。结合力还与原子序数Z有关，Z越高，核内正电荷越多，对电子的吸引力越大，要从原子内移走的电子所需的能量就越大；移走原子中某壳层轨道电子所需要的最小能量，称为该壳层电子在原子中的结合能。原子能级是结合能的负值，它们就绝对值相等，符号相反。
X线成像的基本原理-X线成像基础
1 / 3 (一)X线的产生
1895年，德国科学家伦琴发现了这种具有很高能量，肉眼看不见，但能穿透不同物质，能使荧光物质发光的射线。X线是真空管内高速行进的电子流轰击钨靶时产生的。X线发生装置主要包括X线管、变压器和操作台。X线管为一高真空的二极管，杯状的阴极内装着灯丝，阳极由呈斜面的钨靶和附属散热装置组成。降压变压器为向X线管灯丝提供电源。操作台主要为调节电压、电流和曝光时间而设置的电压表、电流表、时计及其调节旋钮等。
X线的发生过程是向X线管灯丝供电、加热，在阴极附近产生自由电子，当向X线管两极提供高压电时，阴极与阳极问的电势差陡增，电子以高速由阴极向阳极行进，轰击阳极钨靶而发生能量转换，其中1％以下的能量转换为X线，99％以上转换为热能。X线主要由X线管窗口发射，热能由散热装置散发。
(二)x线的特性
X线属于电磁波。波长范围为0.0006～50nm。用于X线成像的波长为0.008～0.031nm(相当于40~150kV时)。在电磁辐射谱中，居7射线与紫外线之间，比可见光的波长短，肉眼看不见。此外，X线还具有以下几方面与X线成像和X线检查相关的特性：
穿透性：X线波长短，具有强穿透力，能穿透可见光不能穿透的物体，在穿透过程中有一定程度的吸收即衰减。X线的穿透力与X线管电压密切相关，电压愈高，所产生的X线波长愈短，穿透力也愈强；反之其穿透力也弱。X线穿透物体的程度与物体的密度和厚度相关。密度高，厚度大的物体吸收的多，通过的少。X线穿透性是X线成像的基础。
荧光效应：X线激发荧光物质，如硫化锌镉及钨酸钙等，使波长短的X线转换成波长长的可见荧光，这种转换叫做荧光效应。荧光效应是透视检查的基础。
感光效应：涂有溴化银的胶片，经X线照射后，感光而产生潜影，经显影、定影处理，感光的溴化银中的银离子(A矿)被还原成金属银(Ag)，并沉积于胶片的胶膜内。此金属银的微粒，在胶片上呈黑色。而未感光的溴化银，在定影及冲洗过程中，从X线胶片上被洗掉，因而显出胶片片基的透明本色。依金属银沉积的多少，便产生了黑至白的影像。所以，感光效应是X线摄影的基础。
