x光機是產生X光的設備,其主要由X光球管和X光機電源以及控制電路等組成,而X光球管又由陰極燈絲 (Cathod)和陽極靶(Anode)以及真空玻璃管組成,X光機電源又可分為高壓電源和燈絲電源兩部分,其中燈絲電源用于為燈絲加熱,高壓電源的高壓輸出端分別夾在陰極燈絲和陽極靶兩端,提供一個高壓電場使燈絲上活躍的電子加速流向陽極靶,形成一個高速的電子流,轟擊陽極靶面后,99%轉化為熱量,1%由于軔致輻射產生X射線。

X射線的發現

1895年德國物理學家倫琴(W.C.RÖntgen)在研究陰極射線管中氣體放電現象時,用一只嵌有兩個金屬電極(一個叫做陽極,一個叫做陰極)的密封玻璃管,在電極兩端加上幾萬伏的高壓電,用抽氣機從玻璃管內抽出空氣。為了遮住高壓放電時的光線(一種弧光)外泄,在玻璃管外面套上一層黑色紙板。他在暗室中進行這項實驗時,偶然發現距離玻璃管兩米遠的地方,一塊用鉑氰化鋇溶液浸洗過的紙板發出明亮的熒光。再進一步試驗,用紙板、木板、衣服及厚約兩千頁的書,都遮擋不住這種熒光。更令人驚奇的是,當用手去拿這塊發熒光的紙板時,竟在紙板上看到了手骨的影像。

當時倫琴認定:這是一種人眼看不見、但能穿透物體的射線。因無法解釋它的原理,不明它的性質,故借用了數學中代表未知數的“X”作為代號,稱為“X”射線(或稱X射線或簡稱X線)。這就是X射線的發現與名稱的由來。此名一直延用至今。后人為紀念倫琴的這一偉大發現,又把它命名為倫琴射線。

X射線的發現在人類歷史上具有極其重要的意義,它為自然科學和醫學開辟了一條嶄新的道路,為此1901年倫琴榮獲物理學第一個諾貝爾獎金。

科學總是在不斷發展的,經倫琴及各國科學家的反復實踐和研究,逐漸揭示了X射線的本質,證實它是一種波長極短,能量很大的電磁波。它的波長比可見光的波長更短(約在0.001～100nm,醫學上應用的X射線波長約在0.001。～0.1nm之間),它的光子能量比可見光的光子能量大幾萬至幾十萬倍。因此,X射線除具有可見光的一般性質外,還具有自身的特性。

X射線的性質

(一)物理效應

1.穿透作用 穿透作用是指X射線通過物質時不被吸收的能力。X射線能穿透一般可見光所不能透過的物質。可見光因其波長較長,光子其有的能量很小,當射到物體上時,一部分被反射,大部分為物質所吸收,不能透過物體;而X射線則不然,因其波長短,能量大,照在物質上時,僅一部分被物質所吸收,大部分經由原子間隙而透過,表現出很強的穿透能力。X射線穿透物質的能力與X射線光子的能量有關,X射線的波長越短,光子的能量越大,穿透力越強。X射線的穿透力也與物質密度有關,密度大的物質,對X射線的吸收多,透過少;密度小者,吸收少,透過多。利用差別吸收這種性質可以把密度不同的骨骼、肌肉、脂肪等軟組織區分開來。這正是X射線透視和攝影的物理基礎。

2.電離作用 物質受X射線照射時,使核外電子脫離原子軌道,這種作用叫電離作用。在光電效應和散射過程中,出現光電子和反沖電子脫離其原子的過程叫一次電離,這些光電子或反沖電子在行進中又和其它原子碰撞,使被擊原子逸出電子叫二次電離。在固體和液體中。電離后的正、負離子將很快復合,不易收集。但在氣體中的忘離電荷卻很容易收集起來,利用電離電荷的多少可測定X射線的照射量:X射線測量儀器正是根據這個原理制成的。由于電離作用,使氣體能夠導電;某些物質可以發生化學反應;在有機體內可以誘發各種生物效應。電離作用是X射線損傷和治療的基礎。

3.熒光作用 由于X射線波長很短,因此是不可見的。但它照射到某些化合物如磷、鉑氰化鋇、硫化鋅鎘、鎢酸鈣等時,由于電離或激發使原子處于激發狀態,原子回到基態過程中,由于價電子的能級躍遷而輻射出可見光或紫外線,這就是熒光。X射線使物質發生熒光的作用叫熒光作用。熒光強弱與X射線量成正比。這種作用是X射線應用于透視的基礎。在X射線診斷工作中利用這種熒光作用可制成熒光屏,增感屏,影像增強器中的輸入屏等。熒光屏用作透視時觀察X射線通過人體組織的影像,增感屏用作攝影時增強膠片的感光量。

4.熱作用物質所吸收的X射線能,大部分被轉變成熱能,使物體溫度升高,這就是熱作用。

5.干涉、衍射、反射、折射作用這些作用與可見光一樣。在X射線顯微鏡、波長測定和物質結構分析中都得到應用。

(二)化學效應

1.感光作用 同可見光一樣,X射線能使膠片感光。當X射線照射到膠片上的溴化銀時,能使銀粒子.沉淀而使膠片產生“感光作用”。膠片感光的強弱與X射線量成正比。當X射線通過人體時,因人體各組織的密度不同,對X射線量的吸收不同,致綻膠片上所獲得的感光度不同,從而獲得X射線的影像。這就是應用X射線作攝片檢查的基礎。

2.著色作用 某些物質如鉑氰化鋇、鉛玻璃、水晶等,經X射線長期照射后,其結晶體脫水而改變顏色,這就叫做著色作用。

(三)生物效應’

當X射線照射到生物機體時,生物細胞受到抑制、破壞甚至壞死,致使機體發生不同程度的生理、病理和生化等方面的改變,稱為X射線的生物效應。不同的生物細胞,對X射線有不同的敏感度。楓X射線可以治療人體的某些疾病,如腫瘤等。另一方面,它對正常機體也有傷害,因此要做好對人體的防護。X射線的生物效應歸根結底是由X射線的電離作用造成的。 由于X射線具有如上種種效應!因而在工業、農業、科學研究等領域,獲得了廣泛 的應用,如工業探傷,晶體分析等。在醫學上,X射線技術已成為對疾病進行診斷和治療的專門學科,在醫療衛生事業中占有重要地位。

X射線在醫學中的應用

(一)X射線診斷

X射線應用于醫學診斷,主要依據X射線的穿透作用、差別吸收、感光作用和熒光作用。由于X射線穿過人體時,受到不同程度的吸收,如骨骼吸收的X射線量比肌肉吸收的量要多,那么通過人體后的X射線量就不一樣,這樣便攜帶了人體各部密度分布的信息,在熒光屏上或攝影膠片上引起的熒光作用或感光作用的強弱就有較大差別,因而在熒光屏上或攝影膠片上(經過顯影、定影)將顯示出不同密度的陰影。根據陰影濃淡的對比,結合臨床 表現、化驗結果和病理診斷,即可判斷人體某一部分是否正常。于是,X射線診斷技術便成了世界上最早應用的非刨傷性的內臟檢查技術。

(二)X射線治療

X射線應用于治療,主要依據其生物效應,應用不同能量的X射線對人體病灶部分的細胞組織進行照射時,即可使被照射的細胞組織受到破壞或抑制,從而達到對某些疾病,特別是腫瘤的治療目的。

(三)X射線防護

在利用X射線的同時,人們發現了導致病人脫發、皮膚燒傷、工作人員視力障礙,白血病等射線傷害的問題,為防止X射線對人體的傷害,必須采取相應的防護措施。以上構成了X射線應用于醫學方面的三大環節——診斷、治療和防護。

醫用X射線設備的發展簡史

自1895年以來,X射線診斷與治療技術有了飛速的發展,主要進展可分為以下幾個階段:

(一)離子X射線管階段(1895～1912)

這是X射線設備的早期階段。當時X射線機的結構非常簡單,使用效率很低的含氣式冷陰極離子X射線管,運用笨重的感應線圈發生高壓,裸露式的高壓機件,更沒有精確的控制裝置。X射線機裝置容量小、效率低、穿透力弱、影像清晰度不高、缺乏防護0據資料記載,當時拍攝一張X射線骨盆像,需長達40～60min的曝光時間,結果照片拍成之后,受檢者的皮膚卻被X射線燒傷。

(二)電子X射線管階段(1913～1928)

隨著電磁學、高真空技術及其他學科的發展,1910年美國物理學家W.D.Coolidge發表了鎢燈絲X射線管制造成功的報告。1913年開始實際使用,它的最大特點是*鎢燈絲加熱到白熾狀態以提供管電流所需的電子,所以調節燈絲的加熱溫度就可以控制管電流,從而使管電壓和管電流可以分別獨立調節,而這正是提高影像質量所需要的。

1913年濾線柵的發明,部分地消除了散射線,提高了影像的質量。1914年制成了鎢酸鎘熒光屏,開始了X射線透視的應用。1923年發明了雙焦點X射線管,解決了X射線攝影的需要。X射線管的功率可達幾千瓦,矩形焦點的邊長僅為幾毫米,X射線影像質量大大提高。同時,造影劑的逐漸應用,使X射線的診斷范圍也不斷擴大。它不再是一件單純拍攝骨骼影像的簡單工具,卻已成為對人體組織器官中那些自然對比差(對X射線吸收差小)的胃腸道、支氣管、血管、腦室、腎、膀胱等也能檢查的重要的醫學診斷設施了。與此同時,X射線在治療方面也開始得到應用。

X光的產生方式

三種方式可產生X光:軔致輻射(Bremsstrahlung)、電子俘獲、內轉換,x光機產生X光的機理屬于軔致輻射。

電子俘獲:

β衰變包括3種方式:β-衰變、β+衰變和電子俘獲(EC).其中電子俘獲(EC)這種衰變可以表示為即母核俘獲1個核外軌道電子使核內1個質子轉變為中子,并放出1個中微子,所以子核的電荷數變為Z-1,而質量數保持不變.在一般情況下,K層上的電子被原子核俘獲的居多,因為K層最靠近原子核,被俘獲的概率最大,但是L層上的電子被俘獲的概率也是存在的.原子核在俘獲了電子之后,子核原子的K層或L層上將出現一個電子空位,當某一外層電子來填補這個空位時,可能會出現下面兩種情況之一:要么以標識X射線的形式將多余的能量釋放,要么將多余的能量交給另一層上的其他電子,此電子獲得能量而脫離原子,成為俄歇電子.伴有X射線或俄歇電子的發射是K俘獲過程的標志.

內轉換:

原子核可以通過某種方式(譬如β衰變)達到激發態,處于激發態的原子核可以通過發射γ射線躍遷到低激發態或基態,這種現象稱為γ衰變或稱γ躍遷.核能級躍遷所發出的光子與原子能級躍遷所發出的光子沒本質的差別,不同的是原子能級躍遷發射的光子能量只有eV~keV數量級,而核能級躍遷發射的光子能量卻有MeV數量級.在不考慮核的反沖時,光子能量Eg可以表示為下面的形式Eg=Es-Ex.有時原子核從激發態到較低能態的躍遷并不放出光子,而是把能量直接交給核外電子,使電子脫離原子,這種現象稱為內轉換(IC),脫離原子的電子稱為內轉換電子.處于激發態的原子核可以通過放射γ光子回到基態,也可以通過產生內轉換電子回到基態,究竟發生的是哪種過程,完全決定于核的能級特性.內轉換電子的動能與殼層電子的電離能之和應是原子核的兩能級間的能量差.也就是等于在兩原子核能級間躍遷所輻射出的γ光子的能量.對于內轉換的研究是獲得有關核能級知識的重要手段.當然通過內轉換方式還可以產生原子的特征X射線.

x光機基本原理

X-ray 是由德國侖琴教授在1895年所發現。這種由真空管發出能穿透物體的輻射線,在電磁光譜上能量較可見光強,波長較短,頻率較高,相類似之輻射線有宇宙射線,X-ray等。

產生X-Ray必須要有X光球管,而X光球管基本構造必須擁有:

陰極燈絲 (Cathod)

陽極靶 (Anode)

真空玻璃管 (Evacuated glass envelope)

當然還要有電源能量供應

X射線特性

能穿透物體 為不可見光 於電磁波光譜內 波長范圍廣 直線散射 光速進行 能使螢光物質發光 能使底片感光 會造成散射線

當X-ray進入物體時,會有三種情形發生:

被物體吸收 (Absorption)

產生散射現(Scatter)

穿透(Penetration)

影響圖像效果之四要素:

Density (黑化度)- mAs

Contrast(對比度)- kVp

Sharpness(清晰度)- motion, 幾何參數

Distortion(失真度)- 位置,角度

X射線波長與影片上對比度之關系

在X-ray穿透過病人,其穿透率主要和病人組織結構及X射線波長有關。

短波長X-ray (high kV)

能量較高,穿透性好,造成在影片上較低之對比度(low contrast)。

長波長X-ray (low kV)

能量較低,較易被人體所吸收,穿透性較差,而在影片上對比度較高(High contrast)。

應用

X光機廣泛應用于醫療衛生,科學教育,工業各個領域,例如X光機可用于醫院協助醫生診斷疾病,用于工業的無損探傷,火車站和機場的安全檢查等等。