X射線的基本原理 (第2部分)

2021-01-15 X射線技術創新研究院

連續譜X射線的強度I與射線管的管電流、管電壓和靶材料的原子序數的關係可用公式表達為：

I = αZiV2

i: 射線管管電流

V：射線管管電壓

Z：靶材料原子序數

α：常數， (1.1~1.4) * 10-6

由圖可見，在連續譜最強波長（圖中虛線）處，圖(a)與圖(b)中的射線強度隨靶材料的原子序數和管電流的增加而線性增加。而圖(c)中的射線強度在只改變射線管電壓的情況下，射線強度並非線性增加，而是與管電壓的平方成正比。

高速運動電子束轟擊陽極靶時產生的連續譜X射線和特徵譜X射線，其能量總和仍不及電子動能的1%，而剩餘的99%以上均轉變為熱能，這使得陽極靶溫度急速升高。因此，陽極靶直接受到電子轟擊的區域，應該選用熔點高的物質，並使用足夠的導熱材料和散熱機制將熱量有效轉移。理論和實驗表明，在管電壓和管電流不變的狀況下，靶材料原子序數Z越大則產生X射線的效率越高。因此，在兼顧熔點高、原子序數大和其他技術要求的情況下，鎢(原子序數74)和它的合金是最適當作為陽極靶的材料。

當X射線穿過物體與物質相互作用時，將與物體內的原子、原子的電子、原子核以及自由電子發生相互作用。這些作用主要表現為：光電效應，康普頓散射，瑞利散射，電子對效應。入射的X射線在這些作用的影響下，一部分被物質吸收，一部分被物質散射，使穿過物體的X射線強度減弱。

 光電效應：射線穿過物質的過程中，當入射光子的能量等於或略大於吸收體原子外層電子與原子核的結合能時，此入射光子的能量就很容易被電子吸收，獲得能量的電子會擺脫原子核的束縛成為自由電子，即光電子，而入射光子會隨之消失。這種原子被入射輻射電離的現象被稱作光電效應。光電效應消耗大量入射輻射的能量，尤其對於高原子序數的物質，光子(射線)能量直到約2MeV時，光電效應仍在射線吸收的過程中起到最主要的作用，即高原子序數的物質會吸收大量的射線。然而對於低原子序數物質，當光子(射線)能量超過100keV時，光電效應已經可以忽略，即在X射線成像應用中，若被照射物體為低原子序數物質，不宜使用高能量的射線。

康普頓散射：入射光子與原子核外受較小束縛力的外層電子或自由電子發生的作用成為康普頓效應，也稱為康普頓散射。與光電效應不同，康普頓散射中的入射光子在於原子外層軌道電子碰撞後沒有完全消失，而是將其一部分能量轉移給了電子，自身能量減少，改變了原先的傳播方向成為散射光子（射線）。而獲得能量的電子掙脫原子核的束縛，成為反衝電子。康普頓散射的發生概率與被射線穿透物質的原子序數成正比，即隨著物體原子序數的升高，射線發生散射的機率越高。對於中等能量的射線來說，康普頓散射對各種物質元素都作用明顯。與此同時，對於低能射線來說，散射線的強度在不同的四周方向上(參照被照射物體)差別很小。但隨著入射射線強度的逐漸增加，與入射方向一致的散射線強度將遠大於與入射方向相反的散射線強度，即可理解射線能量越高，散射發生機率越低。

瑞利散射：入射光子與靠近原子核的內層軌道電子發生碰撞時，該軌道上的電子吸收了入射光子的能量後躍遷至高能級，隨即又釋放一個能量約等於入射光子能量的散射光子，在此過程中，入射光子與再產生的散射光子之間的能量差可以忽略不計，即可以理解為這是入射光子(射線)與原子發生了彈性碰撞。瑞利散射發生的機率隨入射射線光子能量的增大而急劇減少，在總的射線與物質相互作用和衰減的過程中，並不佔大的比例。

電子對效應：高能量的入射光子(射線)與被照射物質的原子核發生碰撞，光子釋放出全部能量並轉化為一對正負電子，正負電子在生成後各自的飛行方向不同。電子對效應發生的前提條件是入射光子的能量不小於1.02MeV。其原因是電子的靜止時的質量具備0.51MeV的能量。一對正負電子的產生，根據能量守恆定律，需要入射光子具有至少1.02MeV的能量，而多餘的能量將轉化為電子的動能。電子對效應的產生主要是由於入射光子與被照射物質的原子核之間的作用，但是入射光子也可與原子核外電子發生此效應，但是可能性很低且要求入射光子的能量不小於2.04MeV。

光電效應：入射光子(射線)與原子核外層電子之間的相互作用，光子能量被完全吸收，產生自由電子，光子消失。光電效應是射線被物體吸收的主要機制。康普頓散射：入射光子(射線)與原子核外受束縛力較小的電子或自由電子發生的相互作用，光子能量被部分吸收，改變了自己的飛行方向，同時也產生自由電子(反衝電子)。康普頓散射是散射線發生的主要機制。瑞利散射：入射光子(射線)與靠近原子核的內層軌道電子發生的相互作用，不產生自由電子，可以理解為入射光子與原子發生了彈性碰撞，並改變了傳播方向(發生散射)。電子對效應：大於或等於1.02MeV的高能入射光子與原子核本身發生的相互作用，光子的全部能量被放出，並產生一對正負電子沿不同方向傳播飛行。

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