X光机的原理

X射线机原理及构造

一、X射线的发现

1895年德国物理学家伦琴(W．C．RÖntgen)在研究阴极射线管中气体放电现象时，用一只嵌有两个金属电极(一个叫做阳极，一个叫做阴极)的密封玻璃管，在电极两端加上几万伏的高压电，用抽气机从玻璃管内抽出空气。为了遮住高压放电时的光线(一种弧光)外泄，在玻璃管外面套上一层黑色纸板。他在暗室中进行这项实验时，偶然发现距离玻璃管两米远的地方，一块用铂氰化钡溶液浸洗过的纸板发出明亮的荧光。再进一步试验，用纸板、木板、衣服及厚约两千页的书，都遮挡不住这种荧光。更令人惊奇的是，当用手去拿这块发荧光的纸板时，竞在纸板上看到了手骨的影像。

当时伦琴认定：这是一种人眼看不见、但能穿透物体的射线。因无法解释它的原理，不明它的性质，故借用了数学中代表未知数的“X”作为代号，称为“X”射线(或称X射线或简称X线)。这就是X射线的发现与名称的由来。此名一直延用至今。后人为纪念伦琴的这一伟大发现，又把它命名为伦琴射线。

X射线的发现在人类历史上具有极其重要的意义，它为自然科学和医学开辟了一条崭新的道路，为此1901年伦琴荣获物理学第一个诺贝尔奖金。

科学总是在不断发展的，经伦琴及各国科学家的反复实践和研究，逐渐揭示了X射线的本质，证实它是一种波长极短，能量很大的电磁波。它的波长比可见光的波长更短(约在0．001～100nm，医学上应用的X射线波长约在0．001。～0．1nm之间)，它的光子能量比可见光的光子能量大几万至几十万倍。因此，X射线除具有可见光的一般性质外，还具有自身的特性。

二、X射线的性质

(一)物理效应

1．穿透作用 穿透作用是指X射线通过物质时不被吸收的能力。X射线能穿透一般可见光所不能透过的物质。可见光因其波长较长，光子其有的能量很小，当射到物体上时，一部分被反射，大部分为物质所吸收，不能透过物体；而X射线则不然，咽其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关，密度大的物质，对X射线的吸收多，透过少；密度小者，吸收少，透过多。利用差别吸收这种性质可以把密度不同的骨骼、肌肉、脂肪等软组织区分开来。这正是X射线透视和摄影的物理基础。

2．电离作用 物质受X射线照射时，使核外电子脱离原子轨道，这种作用叫电离作用。在光电效应和散射过程中，出现光电子和反冲电子脱离其原子的过程叫一次电离，这些光电子或反冲电子在行进中又和其它原子碰撞，使被击原子逸出电子叫二次电离。在固体和液体中。电离后的正、负离子将很快复合，不易收集。但在气体中的忘离电荷却很容易收集起来，利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量：X射线测量仪器正是根据这个原理制成的。由于电离作用，使气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。电离作用是X射线损伤和治疗的基础。

3．荧光作用 由于X射线波长很短，因此是不可见的。但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，由于电离或激发使原子处于激发状态，原子回到基态过程中，由于价电子的能级跃迁而辐射出可见光或紫外线，这就是荧光。X射线使物质发生荧光的作用叫荧光作用。荧光强弱与X射线量成正比。这种作用是X射线应用于透视的基础。在X射线诊断工作中利用这种荧光作用可制成荧光屏，增感屏，影像增强器中的输入屏等。荧光屏用作透视时观察X射线通过人体组织的影像，增感屏用作摄影时增强胶片的感光量。

4．热作用物质所吸收的X射线能，大部分被转变成热能，使物体温度升高，这就是热作用。

5．干涉、衍射、反射、折射作用这些作用与可见光一样。在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。

(二)化学效应

1．感光作用 同可见光一样，X射线能使胶片感光。当X射线照射到胶片上的溴化银时，能使银粒子．沉淀而使胶片产生“感光作用”。胶片感光的强弱与X射线量成正比。当X射线通过人体时，囡人体各组织的密度不同，对X射线量的吸收不同，致绽胶片上所获得的感光度不同，从而获得X射线的影像。这就是应用X射线作摄片检查的基础。

2．着色作用 某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，经X射线长期照射后，其结晶体脱水而改变颜色，这就叫做着色作用。

(三)生物效应’

当X射线照射到生物机体时，生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变，称为X射线的生物效应。不同的生物细胞，对X射线有不同的敏感度。枫X射线可以治疗人体的某些疾病，如肿瘤等。另一方面，它对正常机体也有伤害，因此要嘞人体的防护。X射线的生物效应『臼根结底是由X射线的电离作用造成的。 由于X射线具有如上种饿!因而在工业、农业、科学研究等客_爪领域，获得了广泛 的应用，如工业探伤，晶体分析等。在医学上，X射线技术已成为对疾病进行诊断和治疗的专门学科，在医疗卫生事业中占有重要地位。

三、X射线在医学中的应用。

(一)X射线诊断

X射线应用于医学诊断，主要依据X射线的穿透作用、差别吸收、感光作用和荧光作用。由于X射线穿过人体时，受到不同程度的吸收，如骨骼吸收的X射线量比肌肉吸收的量要多，那么通过人体后的X射线量就不一样，这样便携带了人体各部密度分布的信息，在荧光屏上或摄影胶片上引起的荧光作用或感光作用的强弱就有较大差别，因而在荧光屏上或摄影胶片上(经过显影、定影)将显示出不同密度的阴影。根据阴影浓淡的对比，结合临床 表现、化验结果和病理诊断，即可判断人体某一部分是否正常。于是，X射线诊断技术便成了世界上最早应用的非刨伤性的内脏检查技术。

(二)X射线治疗

X射线应用于治疗，主要依据其生物效应，应用不同能量的X射线对人体病灶部分的细胞组织进行照射时，即可使被照射的细胞组织受到破坏或抑制，从而达到对某些疾病，特别是肿瘤的治疗目的。

(三)X射线防护

在利用X射线的同时，人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍，白血病等射线伤害的问题，为防止X射线对人体的伤害，必须采取相应的防护措施。以上构成了X射线应用于医学方面的三大环节——诊断、治疗和防护。

四、医用X射线设备的发展简史

自1895年以来，X射线诊断与治疗技术有了飞速的发展，主要进展可分为以下几个阶段：

(一)离子X射线管阶段(1895～1912)

这是X射线设备的早期阶段。当时X射线机的结构非常简单，使用效率很低的含气式冷阴极离子X射线管，运用笨重的感应线圈发生高压，裸露式的高压机件，更没有精确的控制装置。X射线机装置容量小、效率低、穿透力弱、影像清晰度不高、缺乏防护0据资料记载，当时拍摄一张X射线骨盆像，需长达40～60min的曝光时间，结果照片拍成之后，受检者的皮肤却被X射线烧伤。

(二)电子X射线管阶段(1913～1928)

随着电磁学、高真空技术及其他学科的发展，1910年美国物理学家W．D．Coolidge发表了钨灯丝X射线管制造成功的报告。1913年开始实际使用，它的最大特点是钨灯丝加热到白炽状态以提供管电流所需的电子，所以调节灯丝的加热温度就可以控制管电流，从而使管电压和管电流可以分别独立调节，而这正是提高影像质量所需要的。

1913年滤线栅的发明，部分地消除了散射线，提高了影像的质量。1914年制成了钨酸镉荧光屏，开始了X射线透视的应用。1923年发明了双焦点X射线管，解决了X射线摄影的需要。X射线管的功率可达几千瓦，矩形焦点的边长仅为几毫米，X射线影像质量大大提高。同时，造影剂的逐渐应用，使X射线的诊断范围也不断扩大。它不再是一件单纯拍摄骨骼影像的简单工具，却已成为对人体组织器官中那些自然对比差(对X射线吸收差小)的胃肠道、支气管、血管、脑室、肾、膀胱等也能检查的重要的医学诊断设施了。与此同时，X射线在治疗方面也开始得到应用。

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一、优点

1、探测厚度大，穿透力强。2、体积小，质量轻，不需要使用水、电，适合于野外作业。

3、效率高，对于环缝和球罐可以周向曝光和全景曝光。

4、可以连续运行，且不受温度、压力、磁场等外界条件影响。

5、设备故障低。无易损坏部件。

6、与同等穿透力的X射线机相比，价格低。

工业射线照相探伤中使用的低能X射线机，简单地说是由四部分组成：射线发生器（X射线管）、高压发生器、冷却系统、控制系统。当各部分独立时，高压发生器与射线发生器之间应采用高压电缆连接。

按照X射线机的结构，X射线机通常分为三类，便携式X射线机、移动式X射线机、固定式X射线机。

便携式X射线机采用组合式射线发生器，其X射线管、高压发生器、冷却系统共同安装在一个机壳中，也简单地称为射线发生器，在射线发生器中充满绝缘介质。整机由两个单元构成，即控制器和射线发生器，它们之间由低压电缆连接。在射线发生器中所充的绝缘介质，较早时为高抗电强度的变压器油，其抗电强度应不小于30～50kV/25mm。多数充填的绝缘介质是六氟化硫（SF6），以减轻射线发生器的重量。

常见的便携式X射线机如图所示。

X射线机的核心器件是X射线管，普通X射线管主要由阳极、阴极和管壳构成。

对低压X射线机，输入X射线管的能量只有很少部分转换为X射线，大部分转换成热，所以对于X射线机来说要保证良好的散热。 γ射线机用放射性同位素作为γ射线源辐射γ射线，它与X射线机的一个重要不同是γ射线源始终都在不断地辐射γ射线，而X射线机仅仅在开机并加上高压后才产生X射线，这就使γ射线机的结构具有了不同于X射线机的特点。γ射线是由放射性元素激发，能量不变。

将γ射线探伤机分为三种类型：手提式、移动式、固定式。手提式γ射线机轻便，体积小、重量小，便于携带，使用方便。但从辐射防护的角度，其不能装备能量高的γ射线源。

常见的手提式γ射线机如图所示。

γ射线机主要由五部分构成：源组件（密封γ射线源）、源容器（主机体）、输源（导）管、驱动机构和附件。

γ射线机与X射线机比较具有设备简单、便于操作、不用水电等特点，但γ射线机操作错误所引起的后果将是十分严重，因此，必须注意γ射线机的操作和使用。

1、X射线的产生

凡是高速运动着的电子流或其他高能辐射流突然减速时均能产生X射线。实验室用X射线通常是由X射线机产生，X射线机主要由X射线管、高压变压器、电压和电流调节及稳定系统等构成。X射线管实质上就是一个真空二极管，主要由产生电子并将电子束聚焦的电子枪（阴极）和发射X射线的金属靶（阳极）两大部分组成。

2、X射线的本质

X射线本质上与无线电波、紫外线、可见光、γ射线等一样，也是电磁波，具有波粒二象性。其波长范围在0001~100nm之间，介于紫外线和γ射线之间，但没有明显的分界线。

X射线与可见光相比，除具有波粒二象性的共性之外，还因其波长短、能量大而显出某些独特性质：

（1）穿透能力强：可穿透如生物的软组织、木板、玻璃，甚至除重金属外的金属板等可见光不能穿透的物质，还能使气体电离。

（2）折射率几乎为1：X射线穿过不同媒质时几乎不折射、不反射，仍可视为直线传播。

（3）通过晶体时发生衍射：晶体起衍射光栅作用，因而可用X射线研究晶体内部结构。

3、X射线与物质的相互作用

X射线能量高，其透过物质后会变弱，这是由于入射X射线与物质相互作用的结果。X射线与物质的相互作用十分复杂，其作用过程会产生物理、化学和生化变化，并引起各种效应。X射线可使一些物质发出荧光，破坏物质的化学键，促使新键形成，促进物质的合成，引起生物效应，导致新陈代谢发生变化等。

X射线照射到物质上产生的一些现象 X射线照到物质上时，可以观察到絮叨现象：在空间各个方向都可观测到与入射线有相同波长的散射线，且在不同方向上其散射线的强度是不同的，其中的某些方向强度较高；在各个方向上还存在着与入射线波长不同的散射线，其波长在大于入射X射线波长的范围内是连续的。部分波长会出现高强度，且散射线的强度随方向而变化；作用结果会产生许多具有不同能量的电子，射向空间各个方向。此外，还伴随有热量的释放。

周向探伤机有两种，一种是周向平靶探伤机，一种是周向锥靶探伤机。

平靶探伤机是有一细线、一粗线，以细线为中心，粗线为辐射范围（360°×25°）

锥靶探伤机是有一细线、两粗线，以细线为中心，粗线为辐射范围（360°×24°）

实现工业探伤或用于肿瘤癌症的治疗。

铱-192是一种具有放射性的物质，其实就是人工合成的铱的34个同位素中的一种，能实现工业探伤或用于肿瘤癌症的治疗，但很容易通过呼吸和触摸使人体被辐射，就在1996年有工人就误捡一根铱192链子，导致四肢出现溃烂。

一般被铱192元素辐射后，会出现急性的神经和肠胃症状，比如食欲下降，呕吐，晕眩，皮肤出现焦灼感，如果长时间的接触，严重的甚至必须通过截肢来保全性命，所以在国内捡拾不明金属而被辐射的事件并不在少数。

扩展资料：

注意事项：

1、因γ射线机，使用γ射线源，而其都有一定的半衰期，有些半衰期较短，需要经常更换，带来使用不便。

2、辐射能量固定，无法根据工件厚度进行调节，当穿透度与能量不适配时灵敏度下降较严重。

3、放射强度随时间减弱，无法调节。

4、固有不清晰度比X射线大，用同样的器材及透照技术条件下，其灵敏度低于X射线机。

5、对于安全防护要求高，管理严格。

-γ射线探伤机

-铱-192

-放射性物质

根据不同的检查需要，X射线检查机的类型很多，许多已与电子计算机、电视等结合起来，功能也更为完善。

1多用途X射线机：它由计算机控制。它带有多种尺寸的点片装置，能自动切换投照区域的大小，从任何角度做断层、斜位照相，床身可以水平或垂直移动，可做近台操作及遥控。它适用于胃肠造影、直线断层及造影，还可扩充做血管造影。

2各种小型移动式X射线机：种类很多，代表性的有移动式C臂手术用X射线机，它带有数字的影像增强器，图像质量非常清晰，采用最新自动剂量调节及不反光监视器，操作简便，可用于外科及骨科。带有高频发生器的小型移动式X射线机，重量只有85公斤，可用于床边检查。它使用微机控制，虽然重一些，有250公斤，但是使用起来比较方便。

3乳腺诊断X射线机：它有特殊的程序控制高频发生器。

4口腔科专用的各种X射线机：如照全口牙齿的全景X射线机，它对普查有无龋洞很有帮助。还有照一颗牙的牙片X射线机。