【正文】 X線機(jī)結(jié)構(gòu)和原理 ? X線發(fā)生原理及其基本認(rèn)識 ? 一、高速電子與陽極靶面的相互作用 ? X線是在高度真空的 X線管中產(chǎn)生的。更確切地說，是高速電子與陽極靶面相互作用的結(jié)果。所以分析這種作用對認(rèn)識 X線產(chǎn)生的原理是十分重要的。 ? 高速電子與靶面物質(zhì)相互作用是很復(fù)雜的。一般來說，高速電子在失去其全部動能而變成自由電子之前要穿過很多原子間隙，經(jīng)過很多次碰撞，發(fā)生多種作用的物理過程。例如，一個 1兆電子伏特的高速電子在被阻止之前，會遭受一萬次碰撞，每一次碰撞后，電子損失部分能量，而且往往還要改變運(yùn)動方向，所以電子在物質(zhì)中的徑跡是十分曲折的。 ? 從能量轉(zhuǎn)換角度來看，高速電子的能量損失分為碰撞損失和輻射損失兩種情況。碰撞損失是高速電子與原子外層電子相“ 碰撞 ” ，使原子吸收能量處于激發(fā)態(tài)，這種能量損失將全部變?yōu)闊崃?，使陽極溫度迅速上升。高速電子動能的 99％左右都在碰撞損失中轉(zhuǎn)換為熱能， ? 這是最普遍的情形：輻射損失是高速電子與靶原子內(nèi)層電子或原子核相互作用的結(jié)果，以輻射 X線光子的形式而損失能量，這部分能量大約占高速電子總動能的百分之零點(diǎn)幾?？梢娫?X線管中， X線能的轉(zhuǎn)換效率是很低的。 ? 從作用的物理過程來說，高速電子與靶原子相互作用存在以下四個物理過程，電離、激發(fā)、彈性散射和韌致輻射。具體分析如下。 ? （－）電離 ? 原子的外層價電子或內(nèi)層電子在高速電子作用下完全脫離了原子軌道，使原子變成離子，稱為電離。 ? 高速電子的動能轉(zhuǎn)化為以下三部分：一部分能量消耗在內(nèi)、外層電子的脫出功，這部分能量暫時 “ 儲存 ” 在原子內(nèi)，將伴隨著發(fā)射光學(xué)光譜（由外層電子軌道躍遷產(chǎn)生）和標(biāo)識 X射線（由內(nèi)層電子軌道躍遷產(chǎn)生），以光能的形式釋放出來；另一部分轉(zhuǎn)化為二次電子（被擊出的軌道電子）的動能；第三部分轉(zhuǎn)化為出射電子的動能，出射電子以較低能量，并改變方向射出。然后與其它原子或原子核發(fā)生作用 …… 。 ? 電離過程中向外發(fā)射的光譜有兩種：一種是由于價電子脫離原子軌道，離子結(jié)合自由電子變?yōu)樘幱诩ぐl(fā)態(tài)的原子，在回到基態(tài)過程中發(fā)射出光學(xué)光譜。由于最外層電子軌道的能級差較小，這些光譜一般在紫外線、可見光和紅外線的波長范圍，不屬于 X線。而且這部分光能幾乎全部被周圍原子所吸收， ? 轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動加快（固體中分子熱運(yùn)動的主要方式是在平衡位置附近作無規(guī)則的振動），伴隨著陽極溫度上升。另一種發(fā)射光譜是由于內(nèi)層電子脫離軌道，使原子處于激發(fā)態(tài)，通過內(nèi)層電子的能級躍遷而輻射標(biāo)識 X線，這是構(gòu)成醫(yī)用 X線的成分之一。 ? （二）激發(fā) ? 高速電子（或二次電子）撞擊原子外層電子，由于作用較弱，不足以使其電離、僅將其推入高能級的空殼層，使原子處于激發(fā)態(tài)，這種作用叫做激發(fā)。 入射電子的動能，一部分轉(zhuǎn)化為方向改變、速度變小的出射電子的動能；另一部分是被原子吸收的激發(fā)能。處在激發(fā)態(tài)的原子將發(fā)射光學(xué)光譜。這部分光能最終導(dǎo)致固體分子熱運(yùn)動加快、溫度上升、全部轉(zhuǎn)化為熱能。 ? （三）彈性散射 ? 高速電子受原子核電場的作用而改變運(yùn)動方，但是能量不變，稱為彈性散射。 ? 這種作用沒有光譜輻射，也沒有能量損失。由于陽極靶內(nèi)，物質(zhì)的密度很高，散射的距離很短，高速電子將很快在已改變的方向上與其它原子核或核外電子相遇，發(fā)生新的作用。 ? （四）韌致輻射 ? 高速電子在原子核的電場作用下，速度突然變小時，它的一部分能量轉(zhuǎn)變成電磁波發(fā)射出來，這種情況叫韌致輻射。 ? 在韌致輻射中，人射電子的能量一部分轉(zhuǎn)化為輻射電磁波的能量 hυ，其波長在 X線范圍內(nèi)，在醫(yī)用 X線中占有特別重要的地位；另一部分轉(zhuǎn)化為出射電子的動能，出射電子的方向?qū)l(fā)生改變。 ? 韌致輻射具有以下兩個特點(diǎn)： ? l．韌致輻射是在核電場作用下的一種能量轉(zhuǎn)換形式，不能用經(jīng)典理論作簡單地解釋。 ? 2．韌致輻射所產(chǎn)生的 X線是一束波長不等的連續(xù)光譜。這是由下面幾個原因造成的：一是加在 X線管兩端的高壓通常是脈動直流電壓，使得到達(dá)陽極的各個高速電子的動能并不相等； ? 二是高速電子在進(jìn)入核電場作用前，通過電離或激發(fā)所失去的動能各不相等； ? 三是各個高速電子在原子核電場中被阻止的情形不一樣，離核越近，受核電場阻止作用越強(qiáng)，由動能轉(zhuǎn)換為光能的部分能量越多，輻射 X線的波長越短，反之，波長就長。此外，核電場強(qiáng)度還隨原子序數(shù)不同而異。所以韌致輻射所形成的 X線是一束隨靶元素不同而異的連續(xù)譜線。 ? 從以上四種作用的物理過程看出：高速電子與陽極靶原子 “ 撞擊 ” 的結(jié)果，產(chǎn)生兩種類型的光輻射。一種是波長在可見光、紅外線、紫外線附近的光學(xué)光譜。另一種是 X線。 X線依其產(chǎn)生的機(jī)理不同，又有兩種成份，一種是高速電子與原子內(nèi)層電子作用所產(chǎn)生的標(biāo)明元素特性的標(biāo)識 X線；另一種是高速電子與核電場作用所形成的韌致輻射，這是一束連續(xù) X線。 ? X線由于波長短、能量大，穿透作用強(qiáng)，將穿過 X線管壁、油層、窗口、濾過板而射向人體，用作治療或診斷。光學(xué)光譜則波長長，光子能量小，則全部被周圍原子和管壁、油層所吸收，使原子的熱運(yùn)動加快，溫度上升。從能量轉(zhuǎn)換角度上看，高速電子總能量的 99％將轉(zhuǎn)換為熱能，而僅有大約百分之零點(diǎn)兒的能量轉(zhuǎn)換為有用的 X線。 ? （二） X線的特性 ? X線除了上述的共性以外，由于其波長短，光子能量大，具有其它電磁波不具有的一系列特殊性質(zhì)。醫(yī)學(xué)上正是利用 X線的這些個性來為人類的健康服務(wù)，或作診斷或作治療。 ? 1物理效應(yīng) ? （ 1）穿透作用：穿透作用是指 X線通過物質(zhì)時不被吸收的本領(lǐng)。 X線穿透性固然與 X線波長有關(guān)，即波長越短，光子能量越大， ? 穿透物質(zhì)的能力越強(qiáng)；但在波長一定條件下， X線的穿透性就完全取決于被通過物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。一般高原子系數(shù)物質(zhì)，且結(jié)構(gòu)緊密，密度大時，該物質(zhì)吸收 X線多， X線的穿透性差。所以從 X線穿透物質(zhì)后的強(qiáng)度變化，就反映了物質(zhì)內(nèi)部密度差異，這正是 X線透視和攝影的物理基礎(chǔ)。 ? （ 2）電離作用：物質(zhì)受 X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(yīng)和散射研究中，出現(xiàn)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(jìn)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(fù)離子將很快復(fù)合，不易收集。但在氣體中的電離電荷卻很容易收集起來， ? 利用電離電荷的多少來測定 X線的照射量，多種 X線測量儀器正是根據(jù)這個原理制成的。由于電離作用，使氣體能夠?qū)щ?；某些物質(zhì)可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；在有機(jī)體內(nèi)可以誘發(fā)各種生物效應(yīng)。電離作用是 X線損傷和治療的基礎(chǔ)。 ? （ 3）熒光作用：有些物質(zhì)如磷、鉑氰化鋇、硫化鋅鎘、鎢酸鈣等，受 X線照射后，由于電離或激發(fā)使原子處于激發(fā)狀態(tài)，回到基態(tài)過程中，由價電子的能級躍遷而輻射出可見光或紫外線光譜，這種光譜就是熒光，而 X線使物質(zhì)發(fā)生熒光的作用叫熒光作用。 ? 熒光強(qiáng)弱取決于 X線的強(qiáng)弱。在 X線診斷工作中利用這種熒光作用制成的物品有熒光屏，增感屏，影像增強(qiáng)器中的輸入屏和輸出屏等。熒光屏用作透視時觀察X線通過人體組織的影像，增感屏用作攝影時增強(qiáng)膠片的感光量。 ? （ 4）熱作用：物質(zhì)吸收 X線能最終絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使物體溫度升高，這就是熱作用。吸收劑量的量熱就是依據(jù)這種作用。 ? （ 5）干涉、衍射、反射、折射作用：這些作用與可見光一樣。在 X線顯微鏡、波長測定和物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析中都得到應(yīng)用。 ? 2．化學(xué)效應(yīng) ? （ 1）感光作用：當(dāng) X線照射到膠片的溴化銀上的時侯，由于電離作用，使溴化銀藥膜起化學(xué)變化，出現(xiàn)銀粒沉淀，這就是 X線的感光作用。銀粒沉淀的多少，由膠片受 X線的照射量而定，再經(jīng)化學(xué)顯影，變成黑色的金屬銀，組成 X線影像，未感光的溴化銀則被定影液溶去。 X線攝影就是利用這種 X線化學(xué)感光作用，使組織影像出現(xiàn)在膠片上。 ? （ 2）著色作用：某些物質(zhì)如鉑氰化鋇、鉛玻璃、水晶等，經(jīng) X線長期照射后，其結(jié)晶體脫水而改變顏色，這就叫著色作用。 ? 3．生物效應(yīng)： X線對生物組織細(xì)胞具有破壞、瓦解的作用，稱為 X線的生物效應(yīng)。 ? 根據(jù)國際放射防護(hù)委員會（ ICRP）的最新建議，將輻射的生物效應(yīng)分為隨機(jī)效應(yīng)和非隨機(jī)效應(yīng)。隨機(jī)效應(yīng)是指發(fā)生的幾率（并不達(dá)到嚴(yán)重程度）與劑量的大小有關(guān)的效應(yīng)。對這種效應(yīng)不存在劑量的閥值，任何微小的劑量也可能引起效應(yīng)，只是發(fā)生的幾率極其微小而已。隨機(jī)效應(yīng)主要表現(xiàn)形式是致癌效應(yīng)和遺傳效應(yīng)。非隨機(jī)效應(yīng)的嚴(yán)重程度則隨著劑量的變化而變化， ? 對這種效應(yīng)可能存在著劑量的閥值。如過量或累積性的 X線照射，可以引起某些損傷，比如血液和造血器官的變化。眼晶體的改變、放射性皮膚損傷、性細(xì)胞的損傷引起生育能力的損害、胎內(nèi)