第二节　X射线产生的原理

一、原理

X射线的产生是高速电子和阳极靶物质的原子相互作用中能量转换的结果。X射线的产生是利用了靶物质的三个特性：即核电场、轨道电子结合能和原子存在于最低能级的需要。

当X射线管的电子束和钨靶相互作用时，每一个电子的能量等于它的电荷乘以X射线管电压，即E=eV。E=电子能量/e=电子电荷/v=X射线管电压（kVp）。因为，电子的电荷不变（e=1.60×10-19C），那么增加管电压，将会增加电子的能量（E）。X射线管电压用kVp来表示，它是指给电子加速的最大管电压，而用keV表示电子的能量。实际上，当管电压为100kVp时，电子束中只有很少数的电子能得到100keV的能量，而大多数的电子能量都要比100keV小。这是因为，X射线管电压不是恒定的，而是脉动的。例如：在一个单相全波整流的电路中，电压从0到峰值的变化为100次/s，这就造成冲击钨靶的电子能量有所不同。

二、连续辐射

在X射线诊断使用X射线能量范围内，X射线有两种不同的辐射方式，即连续辐射和特征辐射。

连续辐射又称韧致辐射，是高速电子与靶物质原子核作用的结果。当高速电子接近原子核时，受核电场（正电荷）的吸引，偏离原有方向，失去能量而减速。此时电子所丢失的能量直接以光子的形式辐射出来，这种辐射称为连续辐射（图1-1-4）。

连续辐射产生的X射线是一束波长不等的混合线，其X射线光子的能量取决于：电子接近核的情况、电子的能量和核电荷。

如果一个电子与原子核相撞，其全部动能丢失转换为X射线光子，其最短波长（λ_min）为

λ_min=hc/kVp=1.24/kVp（nm）

其中，h为普朗克常数，c为光速。例如，管电压是100kVp，电子能获得的最大能量是100keV，其产生的最短波长是λ_min=1.24/100=0.012 4nm。但是，其余大部分X射线波长都比最短波长长得多。连续X射线的最强波长是最短波长的1.3～1.5倍。连续X射线的波谱将随管电压升高而变化。

管电压升高时，最短波长向短波一侧移动；

管电压升高时，强度曲线向短波一侧移动；

管电压升高时，最强波长向短波一侧移动；

管电压升高时，产生的X射线总能量将以管电压的几次方比例增大，n为2～5的变量值范围；

阳极靶物质的原子序数大时，X射线总能量增大；

X射线总能量将随管电流的增大而提高。

可见连续X射线波长仅与管电压有关，管电压越高，产生的X射线波长越短。

三、特征辐射

特征辐射又称标识辐射，是高速电子击脱靶物质原子的内层轨道电子，而产生的一种辐射方式。一个常态的原子经常处于最低能级状态，它永远保持其内层轨道电子是满员的。当靶物质原子的K层电子被高速电子击脱时，K层电子的空缺将由外层电子跃迁补充，外层电子能级高，内层电子能级低。高能级向低能级跃迁，多余的能量作为X射线光子释放出来，产生K系特征辐射。若是L层发生电子空缺，外层电子跃迁时释放的X射线，称为L系特征放射（图1-1-5）。

特征辐射的X射线光子能量与冲击靶物质的高速电子能量无关，只服从于靶物质的原子特性。同种靶物质的K系特征辐射波长为一定数值。管电压在70kVp以上，钨靶才能产生特征X射线。

由于特征X射线是在原子内层轨道电子跃迁中产生的。因此，无论产生电子空缺的原因如何，也无论造成这种空缺的冲击电子的能量大小，只要能造成空缺，则产生的特征X射线都是一样的。例如，X射线管靶物质钨的K层电子结合能为69.5keV，具有70keV以上能量的冲击电子都可以击脱K层电子，而产生特征X射线。但是，高速电子必须具有能击脱K层电子的最低能量，也即具有一个最低的激发电压，也称限界电压。

在以钨靶X射线管产生的X射线诊断能量范围内，特征线产生的概率与管电压的关系大致为：70kVp以下，不产生K特征X射线；

70～80kVp，K特征X射线很少，忽略；

80～150kVp，K系特征X射线占10%～28%；

150kVp以上，特征X射线减少。

从X射线管发射出来的X射线是一束由连续X射线和特征X射线组成的混合射线，特征X射线是叠加在连续X射线能谱上的（图1-1-6）。