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第三章X射线物理基础第三章X射线物理基础§3.1 X射线产⽣及其性质X射线发⽣如图3.1所⽰，当⾼速电⼦冲击在阳极靶上时，则产⽣X射线. 电⼦所具有的能量能够转变为X射线的极其有限，绝⼤部分转变为热能. X射线管效率，可⽤下式表达1.1-=(3.1)10ZVE9E：X 射线产⽣的效率Z：阳极物质的原⼦序数V：X 射线管操作电压例如⼀个具有30kV操作电压的Cu靶阳极X射线管，其消耗的电能只有0.2%左右转变为X射线，绝⼤部分转变为热. 因此要求阳极靶的材料导热良好，同时必须通⼊⾜够量的冷却⽔，以便及时传⾛阳极靶的热量.图3.1 X射线发⽣⽰意图图3.2a是X射线衍射⽤封闭式X射线管⽰意图，靶是由⾼纯度的物质（如Cu）组成，⼯作时由⾼压变压器将30—60kV负⾼压加到阳极上，从灯丝发射出热电⼦束，经聚焦罩聚焦，在⾼电压加速下，形成⼀个极端狭窄的电⼦束，以⾼速度冲击在阳极上，在靶⾯上形成⼀个异常⼩的“焦斑”，此时所产⽣的X射线从焦斑上向各个⽅向发散，其强度分布在与靶⾯约成6°⾓度处最强，故在管壁上按此⾓度开两个或更多窗⼝让X射线透过. 窗⼝必须严格密封，保持真空，且还要对X射线⾼度透过. 因此，⼀般多采⽤铍，铝或云母制造. 按X 射线管结构特征除上述封闭X射线管外，还有⽬前较⼴泛采⽤⾼功率旋转阳极X射线管(图3.2b)，这种管可时刻为⾼速电⼦流提供新鲜的冲击表⾯，有利于产⽣⾼强度X射线. 此外还有可拆式X射线管及细聚焦X射线管等.（c ）图3.2 (a) 封闭式X 射线管⽰意图(b) ⾼功率旋转阳极(c) ⽇本理学18kw 旋转阳极X 射线和光相同，是⼀种电磁波，显⽰波-粒⼆象性，但波长较光更短⼀些. X 射线的波长范围如图3.3所⽰在0.001—10nm. 但在⾼聚物的X 射线衍射⽅法中所使⽤的X 射线波长⼀般在0.05—0.25nm 左右（最有⽤的是CuK =0.1542nm ），因为这个波长与⾼聚物微晶单胞尺⼨0.2—2nm ⼤致相同.图3.3 电磁波的波长范围§3.2 X 射线谱从X 射线管出来的X 射线，可以分为：§3.2.1 具有连续波长成分的连续X 射线（或称“⽩⾊”X 射线）（图3.4）因在X 射线管内，被加速的电⼦冲击在靶⼦上，电⼦运动突然受到制⽌，产⽣极⼤负加速度，这样电⼦周围的电磁场发⽣急剧的变化，必然产⽣⼀个电磁波—X 射线. 由于极⼤数量的电⼦射到阳极时穿透阳极物质深浅程度不同，动能降低多少不⼀，因此产⽣种种波长的X 射线. 波长最短的是那些保持了原来电⼦动能并转为X 射线光⼦时具有的波长λ短波限（或λ0）. 故有：νh eV =上限λ/hc =短波限VeVhc 12400==短波限λ (3.2)e —电⼦电荷，等于1010803.4-?静电单位（⼀个静电单位电压降=300V ）；V —电⼦通过两极的电压降（静电单位）；h —Planck 常数，等于2710625.6-?(erg ·s)(6.625X10-34J.s)；0λ—X 射线短波极限（cm ）；ν—X 射线频率(s -1)；c —X 射线速度=3×1010cm/s.图3.4 钼的X 射线光谱与电压关系§3.2.2 特征X 射线特征X 射线是由阳极物质原⼦序数决定的，具有特定波长的X 射线. 特征X 射线的产⽣是由于⾼速的电⼦流冲击在阳极物质上，把其原⼦内层（如K 层）的电⼦击出，此时原⼦的总能量升⾼. 原⼦外层电⼦跃⼊内层填补空位，由于位能下降⽽发射出X 射线. 图3.5是特征X 射线产⽣的机理，其波长见表3.1. 靶的K 层电⼦被击出后出现空位，L 层电⼦具有最⼤迁⼊⼏率，产⽣的X 射线称为K α. L 层内有三个不同能级，由量⼦⼒学选择定则有两个能级电⼦允许迁⼊K 层,故K α是由K α1和K α2组成，K α1强度系K α2的2倍，波长较K α2短0.004?，当分辨率低时，K α1与K α2分不开. K α线的波长⽤下式表⽰213132αααλλλK K K +=(3.3)由M 层电⼦跃迁⼊K 层空位，发⽣的X 射线称K β线. K β线是由K β1和K β2组成的，K β2因强度太弱常常被忽略. 对⾼聚物X 射线衍射最有⽤的是CuK α线（表3.1）.图3.5 特征X 射线产⽣机理(a) 电⼦跃迁(b) X 射线的原⼦能级及电⼦跃迁图表3.1 常⽤X 射线特征波长数据及滤波条件§3.3 X 射线吸收强度0I 单⾊X 射线，透过厚度为()cm l 的物质，其吸收为µ-=eI I 0，或II l0ln1=µ （3.4）0I —⼊射X 射强度;I —穿透X 射线强度； µ—线吸收系数，单位(cm -1); l —样品厚度(cm).µ的数值随物质的状态⽽变，它可由物质的化学组成，密度(ρ)，质量吸收系数(m µ)算得.ρµµ=m . 表3.2列出了⼀些常见⾼聚物及其元素的质量吸收系数.表3.2 物质对CuK α质量吸收系数，m µ/cm 2g -1对某⾼聚物质量吸收系数的计算可按下式i mi m W µµ∑= (3.5)mi µ:第i 种元素原⼦的质量吸收系数，i W ：第i 种原⼦的重量分率,例如聚⼄烯: 重复单元分⼦量=2×12.01+4×1=28.02 m µ(H)=0.435, m µ(C)=4.60(表3.2) m µ=02.2802.24×4.60+02.284×0.435=4.00(cm 2/g)m µ与X 射线波长及吸收物质的原⼦序数有关，m µ≈33Z k λ，k 为常数. 但物质的这种吸收性质在某⼀定波长时是不连续的，会有突跃式的改变(图3.6). 吸收突变的产⽣可解释为当⼊射X 射线光⼦具有⾜够能量（波长较短）时，可将样品中K 层电⼦击出产⽣荧光X 射线. 当⼊射X 射线波长逐渐增加时，对物质穿透减少，相当于m µ逐渐增加. 由于X 射线C H 2 4 n波长加长，X射线光⼦能量下降；⽽当下降到某⼀数值不⾜使物质产⽣K层电⼦激发时，此时⼊射线光⼦能量除消耗⼀部分激发L，M层电⼦外，⼤部分透过，相当于µ反⽽降低，m这就是图3.6中第⼀个突变产⽣的原因，这个突变称K吸收限，还有L吸收限出现(图3.6). 对Ni⽽⾔K吸收限波长为λ=1.4881(?)(表3.1). 当吸收物质⼀定时，⼀般地说吸收系数随波长的减⼩⽽急剧下降，但减⼩到某⼀波长时吸收突增，这个吸收跃增的波长称为吸收限，它是吸收元素的特征量，不随实验条件⽽变.图3.6 ⽩⾦质量吸收系数与波长的关系利⽤吸收限的性质，选择滤波材料的吸收限刚好在靶材料特征X射线Kα与Kβ辐射波长之间（滤波材料⼀般⽐靶材料元素的原⼦序数⼩1或2），可将⼤部分Kβ辐射滤掉,⽽Kα很少损失，基本上得到Kα单⾊辐射. 有关靶材料及其相应滤波材料选择见表3.1. 图3.7是铜靶X射线光谱经Ni滤波前后的⽐较⽰意图. 这种采⽤对Kβ线质量吸收系数很⼤，⽽对Kα线质量吸收系数较⼩的物质做成的X射线滤波⽚称Kβ滤波⽚. ⽬前⼴泛应⽤单⾊器使X 射线单⾊化，单⾊器是利⽤单晶的某⼀晶⾯（例如⽯墨的(002)晶⾯），将X射线单⾊化装置.图3.7 Cu靶X射线谱⽰意图a）滤波前;b）经Ni滤波后虚线表⽰Ni质量吸收系数§3.4 X射线安全防护衍射⼯作⽤X射线波长⽐医学上⽤的波长要长，易被⼈体组织吸收，危害⼈体健康. ⼈体受过量X 射线照射后，轻者造成局部灼伤、坏死，重者⽩⾎球数⽬下降，⽑发脱落，精神衰退，不孕，甚⾄发⽣射线病等. 但是采⽤适当的安全防护措施，严格按照安全防护条例操作，上述伤害是可以防⽌的. 光路准直时要绝对避免⾝体各部分受射线直接照射，在调整衍射仪或⼩⾓散射仪时应戴上防护⽤具（⾯罩、铅玻璃眼镜、铅胸围裙等），窗⼝附近要⽤1mm以上铅⽪挡好，使X射线限制在⼀个狭窄的范围，防⽌射线散射到整个房间;暂时不操作应⽴即关好窗⼝. 还要定期⽤伦琴计量仪进⾏检查，操作⼈员位置是否在允许的计量范围. 室内通风必须良好，以避免由于⾼压设备或X射线电离作⽤，产⽣有害⼈体的⽓体含量增加. 经常检查X射线衍射仪接地线路是否正常. 专职⼯作⼈员还应定期到医院放射科体检.§3.5 X射线源X射线源有三种：⼀是X射线机源（图3.1），它是X射线实验室最常⽤的设备，是通⽤X射线源. ⼆是电⼦同步加速器源，在同步加速器中电⼦作接近于光速的圆周运动时连续产⽣辐射，称同步辐射，这种辐射在某些需要⾼强度辐射源的特殊研究中应⽤，由于它设备庞⼤,价格昂贵,不是通⽤的X射线源. 三是放射性同位素源，放射性同位素Re55放射MnK 辐射，它体积⼩，可供野外地质⼯作者使⽤，它发射X射线弱，在X射线实验室⼀般不使⽤.习题1. X射线与普通光相⽐有什么特点？这些特点将带来什么重要作⽤和⽤途？2. 简述X射线产⽣的机制？H，He是否有标帜X射线谱？3．计算PE，Nylon1010 ,PP，Nylon66 对CuKα X射线的µm为多少.( µm.C=4.6, µmH=0.435, µmN=7.52 )4. X射线衍射⼯作中，滤波⽚滤波与单⾊器滤波有何不同？5. ⽤Co,Cu,Fe.Mo等靶对聚合物材料进⾏结构分析，为获单⾊辐射，选⽤何种材料滤波？为什么？6. 若使透过X光强度是原来X光强度的50%,问PE样品的厚度是多少?PE: ρs=0.970 g/cm3µm=4.0cm2/g.。
第三章电离辐射吸收剂量的测量X（γ）射线和高能电子束等电离辐射进入人体组织后，通过和人体组织中的原子相互作用，而传递电离辐射的一部分或全部能量。
人体组织吸收电离辐射能量后，会发生系列的物理、化学、生物学变化，最后导致组织的生物学损伤，即生物效应。
生物效应的大小正比于组织中吸收的电离辐射的能量。
因此确切地了解组织中所吸收的电离辐射的能量，对于评估放射治疗的疗效和它的副作用是极其重要的。
单位质量的物质吸收电离辐射的平均能量称为吸收剂量，它的精确确定，是进行放射治疗最基本的物理学要素。
本章将介绍剂量学中所涉及的辐射量及其单位，重点阐述电离室法测量吸收剂量的原理、方法和步骤，并对其它测量方法的原理和应用作相应说明。
第一节剂量学中的辐射量及其单位本节主要根据国际辐射单位和测量委员（ICRU）会第33号报告的内容，重点介绍与放射治疗和辐射防护有关的辐射量及其单位。
一、粒子注量粒子注量Ф（particle fluence）是以入射粒子数目描述辐射场性质的一个量，它等于dN除以da 所得的商。
即辐射场中以某一点为球心的一个小球，进入该小球的粒子数dN与其截面da的比值/Φ=dN da单位m-2。
截面da必须垂直于每个粒子的入射方向，为使来自各个方向的入射粒子都能满足这个要求，采用小球来定义。
粒子注量率：单位时间内粒子注量的增量。
单位。
二、能量注量能量注量Ψ（energy fluence）是以进入辐射场内某点处单位截面积球体的粒子总动能来描述辐射场性质的一个量，它等于dR除以da所得的商。
ψ=/dR da单位。
能量注量率：单位时间内能量注量的增量。
单位J. 。
粒子注量和能量注量都是描述辐射场性质的物理量，它们之间的关系单能 E ψ=Φ⋅非单能 max0E E EdE ψ=Φ⎰E 为粒子能量，E Φ为同一位置粒子注量的能谱分布。
三、照射量照射量X （exposure ）等于dQ 除以dm 所得的商。
即X （γ）辐射在质量为dm 的空气中释放的全部次级电子（正负电子）完全被空气阻止时，在空气中形成的同一种符号的离子总电荷的绝对值（不包括因吸收次级电子发射的轫致辐射而产生的电离）dQ 与dm 的比值，即/X dQ dm =X 的单位为。
