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计算机断层扫描中有关X射线的研究

一．X射线的产生原理

X射线是由于原子中的电子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的粒子流，是

波长介于紫外线和γ射线之间的电磁辐射。产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞

击金属靶。撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能(其中的1%)会以光子形式放出，形

成X光光谱的连续部分，称之为制动辐射。通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则

有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同

时放出波长在0.1纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的

光子的波长也集中在某些部分，形成了X光谱中的特征线，此称为特性辐射。

二．X射线的产生工具——X射线管

2.1X射线管的概况

X射线管是工作在高电压下的真空二极管。包含有两个电极:一个是用

于发射电子的灯丝，作为阴极，另一个是用于接受电子轰击的靶材，作为阳

极。两级均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外壳内。X射线管供电部分至少包

含有一个使灯丝加热的低压电源和一个给两极施加高电压的高压发生器。当

钨丝通过足够的电流使其产生电子云，且有足够的电压(千伏等级)加在阳极

和阴极间，使得电子云被拉往阳极。此时电子以高能高速的状态撞击钨靶，

高速电子到达靶面，运动突然受到阻止，其动能的一小部分便转化为辐射能，

以X射线的形式放出，以这种形式产生的辐射称为轫致辐射。

2.2现代技术对X射线管的改进

改变灯丝电流的大小可以改变灯丝的温度和电子的发射量，从而改变管电流和X射线

强度的大小。改变X光管激发电位或选用不同的靶材可以改变入射X射线的能量或在不

同能量处的强度。由于受高能电子轰击，X射线管工作时温度很高，需要对阳极靶材进行

强制冷却。对X射线管的要求是焦点小，强度大,以形成较大的功率密度。因此，在阳极上

须供给比较大的功率,但X射线管的效率很低，99%以上的电子束功率成为阳极热耗，而使

焦斑过热。避免阳极过热的方法是对阳极或管子采取不同方式的冷却，以降低焦斑处的温度，

或使靶面倾斜一定角度，以提供较大的散热面积。后又出现旋转阳极X射线管，因靶面高

速旋转(达10000转/分)，允许功率密度高、焦点小。现代出现一种在阳极靶面与阴极之间

装有控制栅极的X射线管,在控制栅上施加脉冲调制，以控制X射线的输出。改变脉冲宽度

及重复频率,即可调整定时重复曝光。虽然X射线管产生X射线的能量效率十分低下，但

是在目前，X射线管依然是最实用的X射线发生器件，已经广泛应用于X射线类仪器。

目前医疗用途主要分为诊断用X射线管和治疗用X射线管。

三．X射线衰减

3.1研究X射线衰减的原因及衰减规律

由于X射线能谱具有多色性,X射线在透射物质时,能量较低的射线优先被吸收,X射线能

量越高,衰减系数越低。也即较高能量的X射线的衰减系数比较低能量的X射线的衰减系数

小。射线随透射厚度增大,变得更易穿透,也就是发生了能谱硬化现象。由于射线硬化现象

使图像重建时出现伪影,因此必须修正。

按射线能量分为单色射线(单一波长射线)，多色射线（连续波长射线）：按是否考虑

散射线分为窄束射线（一次透射射线），宽束射线（一次透射射线+散射线）

线窄铅准直器铅准直器

获束源

散射光子

取射探测器

吸收体线宽

铅准直器获束

源取射

探测器

吸收体

其中单一均质材