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為什么X線球管發出的射線是多能譜射線?為什么X射線
的發生效率不足1%?

發布時間:2021-8-19     來源:CT技術共享    點擊率:142

前幾天問了實習同學一個問題,X射線是如何產生的,他們都基本回答出來了:陰極燈絲發射電子轟擊陽極靶,產生了X射線。隨后我又追問他們,為什么電子轟擊陽極靶就會產生射線?為什么球管內部要真空環境呢?為什么產生的射線能譜是多能的呢?為什么X射線的發生效率如此低呢?他們就一臉懵逼了,其實有些問題在書上就有介紹,有些則是仔細想一下就能想通,只是大家通常只是為了考試而背的知識點,只知其然不知其所以然,這次嘗試用自己的語言解釋一下其中原理,如有偏頗之處歡迎批評指正。

再回顧下X射線的產生過程:

陰極燈絲在通電情況下被加熱到一定溫度后會在燈絲周圍釋放出電子,此時在球管的陰陽極上施加強電壓后,由于強電場的作用,電子會由陰極撞向陽極,轟擊在陽極靶面上,與陽極靶發生作用,不足1%的能量轉化為X射線,其余能量全部轉化為熱能而散發出去。

而由于空氣中的各種氣體分子和原子會阻擋電子向陽極運動,并產生氣體放電,所以需要將球管內部抽真空。


那電子撞擊到陽極靶上之后發生了什么呢?

這些部分書上有些書上有介紹,有些則略去了,我個人感覺略去并不好,理論需要原理去幫助理解,略去之后就只記得概念,而不知道概念的原理了。

電子撞擊到陽極靶上之后發生的作用比較多,咱們簡化一下,基本分為三種。

大家應該都知道,原子由原子核與核外電子組成,而核外電子又有內層軌道電子和外層軌道電子之分。

這三種作用就分別是與靶原子的外層電子、內層電子和原子核的作用,咱們一一來說:

一、與靶原子外層電子發生的作用:

主要是碰撞損失,電子與靶原子外層電子發生碰撞,電子損失一部分能量,而原子則被激發或電離;

如果能量損失大于外層電子的電離能時,外層電子就會被電離,脫離靶原子的束縛并具有一定的動能;

如果電離出的電子能量較高,那么它其實與入射的電子沒有太大區別了,一樣可以與靶原子發生三種作用。

最終,電子會在不斷的碰撞中能量損失殆盡,這部分的能量損失最終都變成了熱量。

二、與靶原子內層電子發生的作用

此過程會產生X射線,但是是特征X線,也叫標識X線。

這個過程不難理解,如果某些高速電子的能量大于靶原子的內層軌道電子時,電子就有一定的概率將內層電子擊出使之成為自由電子,而外層軌道電子就會躍遷來填補空位,外層軌道電子處于高能級,躍遷就會產生出能量為兩能級之差的電磁波,也就是特征X射線。

那為什么叫它特征X線呢?因為不同的靶材料都有自己特定的X線譜,所以此射線其實表征的是靶物質的原子結構特性,所以通常把這種輻射射線稱為特征X線。

三、與靶原子核發生的作用

這就是連續X線的產生方式,是重點

作用過程我覺得教材上寫的很好懂,這里引用一下:

經典的電磁學理論指出:當一個帶電體在外電場中速度變化時,帶電體將向外輻射電磁波。

高速電子進入原子核附近的強電場區域、然后飛離強電場區域從而完成一次電子與原子核的相互作用時,電子的速度大小和方向必然發生變化。按上述理論,電子將向外輻射電磁波而損失能量,電磁波的頻率由E=hv決定。電子的這種能量輻射叫軔致輻射,這種輻射所產生的能量為hv的電磁波稱為X線光子。”——來源:醫學影像成像理論第2版主編:李月卿Page22

也就是說,當高速電子在經過靶原子核周圍時,電子會受到靶原子核影響而損失能量改變傳播方向,損失的能量以電磁波的形式釋放出來,也就是X線。

但是,由于每個電子在與靶原子核發生相互作用時的能量不同,距離靶原子核的距離也不同,導致被靶原子核的強電場影響的程度也不同,所以造成由此產生的X線的頻率也不相同,也就是X線的能量不同;

大量的電子與靶原子核發生作用產生了大量的不同頻率的X線,共同組成了具有頻率連續性的X線光譜。這就是為什么X線球管發出的射線是多能譜射線的原因了。

那么為什么X線的發生效率這么低呢,只有不到1%呢?

以下是我的個人對此的理解,如有錯誤歡迎指正:

產生X線的作用方式是與內層軌道電子和原子核作用,分別產生特征X線與連續X線。

眾所周知,原子內原子核雖然占了原子的絕大部分質量,但是體積卻非常的小,只占整個原子體積的萬分之一,而內層軌道電子雖然會產生特征X線,但是有發生概率,并不是電子與靶原子的內層電子作用都會產生特征輻射,而且內層電子的所占的整個原子體積空間范圍也沒有那么大;


量子力學的原子模型,中間為原子核。

上面的原子模型需要說一下,中間為原子核,但是實際上原子核比這個小很多很多,原子大小直徑約在10^-10米,原子核的直徑約為10^-15~10^14米,也就是相差1萬到10萬倍;

而原子核外像云一樣的顆粒指的并不是一個一個的電子,因為核外電子的運動與宏觀物體運動不同,它沒有確定的方向和軌跡,只能用電子云描述它在原子核外空間某處出現機會(幾率)的大小。

那么高速電子與原子核和內層電子發生作用的幾率肯定小的可憐,可以說絕大部分都是穿過原子核外的電子云空間與核外外層電子發生了碰撞而損失了能量,只有極少一部分電子經過了原子核或內層軌道電子附近,產生了X射線。

而之前咱們已經說過了,碰撞損失的能量全部轉化成了熱量,所以高速電子的能量基本都轉化成了熱量,只有不到1%的能量轉換成了電磁波,也就是X線。

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