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[专业资源] X-射线

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发表于 2019-5-15 00:04:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
X射线,一种电磁辐射。 大多数X射线的波长范围为0.01至10纳米,对应于30千太赫兹至30 exahertz(3×1016Hz至3×1019Hz)范围内的频率和100eV至100keV范围内的能量。 X射线波长比紫外线波长短,并且通常比伽马射线波长更长。 在许多语言中,X射线被称为Röntgen辐射,在德国科学家WilhelmRöntgen于1895年11月8日发现这些后,[1]通常被认为是其发现者,并将其命名为X射线 表示未知类型的辐射。[2] X射线在英语中的拼写包括X射线,X射线和X射线等变体。[3]


X射线是电磁波谱的一部分,波长比可见光短。 不同的应用使用X射线光谱的不同部分。


人体肺部的X射线

目录
1 历史
1.1 前伦琴观察和研究
1.2 Röntgen的发现
1.3 放射学进展
1.4 发现的危害
1.5 世纪及以后
2 能量范围
2.1 软X射线和硬X射线
2.2 伽玛射线
3 属性
4 与物质的相互作用
4.1 光电吸收
4.2 康普顿散射
4.3 瑞利散射
5 生产
5.1 电子生产
5.2 快速正离子生产
5.3 雷电和实验室放电生产
6 探测器
7 医疗用途
7.1 投影射线照片
7.2 计算机断层扫描
7.3 透视
7.4 放疗
8 不利影响
9 其他用途
10 能见度
11 计量单位和暴露量
12 另见
13 参考资料

历史
前伦琴观察和研究


Crookes Tube的例子,一种发射X射线的放电管
在他们1895年被发现之前,X射线只是一种从实验放电管发出的不明辐射。研究这种管产生的阴极射线的科学家注意到了它们,这些管是1869年首次观察到的高能电子束。许多早期的克鲁克斯管(发明于1875年左右)无疑是辐射X射线,因为早期的研究人员注意到可归因的影响。对他们来说,详情如下。弯曲管通过在几千伏和100千伏之间的任何地方的高DC电压电离管中的残余空气而产生自由电子。这种电压将来自阴极的电子加速到足够高的速度,当它们撞击阳极或管的玻璃壁时,它们产生X射线。[4]

最早的实验者认为(不知不觉)产生X射线的是精算师威廉摩根。 1785年,他向伦敦皇家学会提交了一篇论文,描述了通过部分疏散的玻璃管传递电流的影响,产生了由X射线产生的光。[5]汉弗莱戴维和他的助手迈克尔法拉第进一步探讨了这项工作。

当斯坦福大学物理学教授Fernando Sanford创作他的“电子摄影”时,他也在不知不觉中产生并检测到了X射线。从1886年到1888年,他曾在柏林的Hermann Helmholtz实验室学习,在那里他熟悉真空管中产生的阴极射线,当电压施加在不同的电极上时,正如Heinrich Hertz和Philipp Lenard先前所研究的那样。他在1893年1月6日的一封信(将他的发现描述为“电子摄影”)发表在“物理评论”上,并在旧金山考官中出现了一篇题为“没有镜头或光线,用黑暗中的板块和物体拍摄的照片”的文章。[6 ]

从1888年开始,Heinrich Hertz的学生Philipp Lenard进行了实验,以确定阴极射线是否可以从Crookes管中传出到空气中。他建造了一个带有“窗口”的Crookes管,最后由薄铝制成,面向阴极,因此阴极射线会撞击它(后来被称为“Lenard管”)。他发现有些东西会通过,会曝光照相板并引起荧光。他通过各种材料测量了这些射线的穿透力。有人提出,这些“Lenard射线”中至少有一些实际上是X射线。[7]

1889年出生于乌克兰的Ivan Pulyui,布拉格理工学院实验物理学讲师,自1877年以来一直在构建各种充气管设计以研究其性质,发表了一篇关于密封照相板暴露于发射后如何变暗的论文 从管子里。[8]

Hermann von Helmholtz制定了X射线的数学方程。 在Röntgen发现和宣布之前,他假设了一种色散理论。 它是在光的电磁理论的基础上形成的。[9] 然而,他没有使用实际的X射线。

在1894年,尼古拉·特斯拉注意到他实验室中受损的电影似乎与克鲁克斯管实验有关,并开始研究这种“看不见”的辐射能量。[10] [11] 在Röntgen确定了X射线后,特斯拉开始使用他自己设计的高压和电子管制作他自己的X射线图像,[12]以及Crookes管。

Röntgen发现


WilhelmRöntgen
1895年11月8日,德国物理学教授WilhelmRöntgen在试验Lenard管和Crookes管时偶然发现了X射线并开始研究它们。他写了一篇初步报告“关于一种新的光线:初步沟通”,于1895年12月28日将其提交给维尔茨堡的物理医学学会期刊。[13]这是第一篇用X射线写的论文。伦琴将辐射称为“X”,表明它是一种未知类型的辐射。这个名字被卡住了,虽然(根据伦琴的强烈反对意见),他的许多同事建议称他们为伦琴射线。它们仍被称为多种语言,包括德语,匈牙利语,丹麦语,波兰语,瑞典语,芬兰语,爱沙尼亚语,俄语,日语,荷兰语,格鲁吉亚语,希伯来语和挪威语。伦琴因其发现获得了第一个诺贝尔物理学奖。[14]

关于他的发现存在相互矛盾的说法,因为Röntgen在他去世后烧毁了他的实验室笔记,但这可能是他的传记作者的重建:[15] [16]Röntgen正在调查他用黑色纸板包裹的Crookes管的阴极射线因此,使用涂有钡铂氰化物的荧光屏,来自管的可见光不会干扰。他注意到屏幕上有一丝微弱的绿光,大约1米远。伦琴意识到一些来自管子的不可见光线穿过纸板,使屏幕发光。他发现他们也可以在桌子上翻阅书籍和文件。伦琴全身心投入到系统地研究这些未知光线的过程中。在他最初发现两个月后,他发表了他的论文。 [17]


Hand mit Ringen(Hand with Rings):1895年12月22日拍摄的WilhelmRöntgen第一部“医疗”X射线照片,拍摄于妻子手中,并于1896年1月1日送给弗莱堡大学物理学院的Ludwig Zehnder [ 18] [19]
当Röntgen将他妻子的手放在由于X射线形成的照相底板上时,他发现了他们的医疗用途。他妻子手上的照片是第一张使用X射线的人体部位照片。当她看到这张照片时,她说“我已经看到了我的死亡。”[20]

X射线的发现刺激了真正的感觉。伦琴的传记作家奥托格拉瑟估计,仅在1896年,就发表了多达49篇论文和1044篇关于新射线的文章。[21]这可能是一个保守的估计,如果考虑到全世界几乎每篇论文都广泛报道了这一新发现,那么仅在那一年,像Science这样的杂志就会发表多达23篇文章。[22]对这一新发现的耸人听闻的反应包括将新型光线与神秘和超自然理论联系起来的出版物,如心灵感应。[23] [24]

放射学进展


使用早期克鲁克斯管装置拍摄X射线图像,19世纪末。 克鲁克斯管在中心可见。 站立的人正在用荧光屏观察他的手。 坐着的男子正把手放在一张照片上。 没有采取预防辐射的措施; 它的危害当时并不为人所知。


在1897年手术切除了位置被诊断为X射线(见插图)的子弹
伦琴立即注意到X射线可能有医学应用。随着他在12月28日提交的物理医学会提交的材料,他致函欧洲各地的医生(1896年1月1日)。[25]随着苏格兰电气工​​程师艾伦·阿奇博尔德·坎贝尔 - 斯温顿(Alan Archibald Campbell-Swinton)成为Röntgen创造X射线(一只手)之后的第一个新闻(以及“影子图”的创作)。到2月份,仅北美就有46名实验者采用这种技术。[25]

1896年1月11日,英国伯明翰的约翰·霍尔 - 爱德华兹在临床条件下首次使用X射线,当时他在一名助手的手中拍摄了一根针。 1896年2月14日,Hall-Edwards也是第一个在外科手术中使用X射线的人。[26] 1896年初,在Röntgen被发现几周之后,Ivan Romanovich Tarkhanov用X射线照射了青蛙和昆虫,得出的结论是这些光线“不仅能拍照,还能影响生命功能”。[27]

在美国制造的第一个医用X射线是使用Pulyui设计的放电管获得的。 1896年1月,在阅读伦琴学院的发现后,达特茅斯学院的弗兰克奥斯汀对物理实验室的所有放电管进行了测试,结果发现只有Pulyui管产生了X射线。这是Pulyui在管内包含一个倾斜的云母“目标”,用于保存荧光材料样品的结果。 1896年2月3日,该学院的医学教授吉尔曼弗罗斯特和他的兄弟埃德温弗罗斯特(Edwin Frost)将物理学教授埃德温·麦卡锡(Eddie McCarthy)的手腕暴露在X射线并收集到从当地摄影师霍华德·朗伊尔(Howard Langill)那里获得的明胶照相底板上破碎的骨头图像,这位摄影师也对伦琴的作品感兴趣。[28]


1896年的斑块刊登在医学期刊“Nouvelle Iconographie delaSalpetrière”中。在左侧有手畸形,右手同时用放射线照相。作者将Röntgen摄影技术命名为。
许多实验者,包括伦琴本人在他最初的实验中,提出了使用某种形式的荧光屏来“观看”X射线图像的方法。[25]伦琴使用涂有铂钡的筛网。 1896年2月5日,意大利科学家Enrico Salvioni(他的“密码器”)和普林斯顿大学的McGie教授(他的“Skiascope”)开发了实时成像设备,两者都使用了钡铂。美国发明家托马斯·爱迪生在Röntgen的发现后不久就开始研究,研究了材料暴露于X射线时发出荧光的能力,发现钨酸钙是最有效的物质。 1896年5月,他开发了第一台批量生产的实时成像设备,他的“Vitascope”,后来称为荧光镜,成为医学X射线检查的标准。[25]爱迪生在1903年左右放弃了X射线研究,之后他的一名玻璃吹制工作者克拉伦斯·麦迪逊·达利去世。达利有一种习惯,就是亲自测试X射线管,在他们身上发展出一种癌症,这种癌症非常顽固,以至于两只手臂都被截肢,徒劳无益地挽救了他的生命; 1904年,他成为第一个因X射线曝光而死亡的人。[25]在荧光镜开发期间,塞尔维亚裔美国物理学家Mihajlo Pupin使用爱迪生开发的钨酸钙屏幕,发现使用荧光屏减少了用于医疗成像的X射线从一小时到一小时的曝光时间。几分钟。[29] [25]

1901年,美国总统威廉麦金莱在暗杀事件中被枪杀两次。虽然有一颗子弹只擦伤了骨,但是另一颗子弹留在腹部深处,无法找到。一位担心麦金莱的助手向发明家托马斯爱迪生发出信息,要求将一台X光机送到布法罗寻找流弹。它到了,但没有使用。虽然枪击事件本身并不致命,但是沿着子弹的路径发展了坏疽,麦金利在六天后因细菌感染而死于脓毒性休克。[30]

发现了危险
随着科学家,医生和发明者在1895年发现X射线后广泛的实验,他们发现了很多关于烧伤,脱发的故事,而且在当时的技术期刊中也是如此。 1896年2月,范德比尔特大学的John Daniel教授和William Lofland Dudley博士报告了Dudley博士进行X光检查后脱发。 1896年,一名被枪杀的孩子被带到了范德比尔特实验室。在试图找到子弹之前,他尝试了一项实验,为此,达德利“以他对科学的独特奉献”[31] [32] [33]自愿参加了这项实验。 。丹尼尔报告说,在拍摄了达德利的头骨(暴露时间为1小时)后21天,他发现他的头部最接近X射线管的直径为2英寸(5.1厘米)的秃斑:“A将板朝向颅骨侧面的板固定器固定,并在头骨和头部之间放置一枚硬币。管子固定在距离头发半英寸的另一侧。“[34]

1896年8月,HD医生。 哥伦比亚大学毕业的老鹰队因X射线示范而遭受严重的手部和胸部灼伤。 “电气评论”报道了这一情况,并导致许多其他与X射线相关问题的报告被发送到该出版物。[35] 许多实验者,包括爱迪生实验室的Elihu Thomson,William J. Morton和Nikola Tesla也报告了烧伤。 Elihu Thomson在一段时间内故意将手指暴露在X射线管中,并且疼痛,肿胀和起泡。[36] 其他影响有时归咎于包括紫外线和(根据特斯拉)臭氧在内的损害。[37] 许多医生声称根本没有X射线照射的影响。[36] 1905年8月3日,在美国加利福尼亚州旧金山,美国X光射线先驱伊丽莎白·弗莱希曼因使用X射线而死于并发症。[38] [39] [40]

20世纪及以后


一名患者于1940年接受胸腔镜检查,显示连续运动的图像。该图像用于证明在X射线过程中的辐射暴露可以忽略不计。
X射线的许多应用立即产生了巨大的兴趣。研讨会开始制作专门用于产生X射线的Crookes管,这些第一代冷阴极或Crookes X射线管一直使用到1920年左右。

Crookes管不可靠。它们必须含有少量气体(总是空气),因为如果它们被完全抽空,电流将不会在这种管中流动。然而,随着时间的推移,X射线使玻璃吸收气体,导致管子产生“更硬”的X射线,直到它很快停止运行。更大和更频繁使用的管具有用于恢复空气的装置,称为“软化剂”。这些通常采用小侧管的形式,其中包含一小块云母,这种矿物在其结构内捕获相对大量的空气。一个小型电加热器加热云母,使其释放少量空气,从而恢复管的效率。然而,云母的寿命有限,并且恢复过程难以控制。

1904年,John Ambrose Fleming发明了第一种真空管 - 热电子二极管。这使用了一个热阴极,使电流在真空中流动。这个想法很快应用于X射线管,因此被称为“Coolidge管”的加热阴极X射线管完全取代了麻烦的冷阴极管约1920年。

在大约1906年,物理学家查尔斯巴克拉发现X射线可以被气体散射,并且每个元素都具有特征X射线谱。他因此发现获得了1917年诺贝尔物理学奖。

1912年,Max von Laue,Paul Knipping和Walter Friedrich首先观察到晶体对X射线的衍射。这一发现,以及Paul Peter Ewald,William Henry Bragg和William Lawrence Bragg的早期工作,催生了X射线晶体学领域。

Coolidge X射线管是由William D. Coolidge在次年发明的。它使X射线的连续发射成为可能。现代X射线管基于这种设计,通常采用旋转靶,其允许比静态目标显著更高的散热,进一步允许更高量的X射线输出以用于诸如旋转CT扫描仪的高功率应用。


钱德拉的星系团Abell 2125的图像揭示了在合并过程中几个巨大的数百万摄氏度的气体云的复合体。
X射线用于医疗目的(发展到放射治疗领域)是由英国伯明翰的John Hall-Edwards少校开创的。然后在1908年,由于手臂上X射线皮炎的扩散,他不得不截肢。[41]

1914年玛丽·居里开发了放射性汽车,以支持第一次世界大战中受伤的士兵。这些汽车可以对受伤士兵进行快速X射线成像,因此战场外科医生可以快速,准确地操作。[42]

从20世纪20年代到20世纪50年代,X光机被开发用于协助鞋子的装配,并被出售给商业鞋店。[43] [44] [45] 20世纪50年代,[46] [47]表达了对频繁或控制不当使用的影响的担忧,导致这种做法最终在这十年结束。[48]

X射线显微镜是在20世纪50年代开发的。

钱德拉X射线天文台于1999年7月23日发射,它一直在探索宇宙中产生X射线的非常猛烈的过程。与提供相对稳定的宇宙视野的可见光不同,X射线宇宙是不稳定的。它的特点是被黑洞,星系碰撞和新星撕裂的恒星,以及构成等离子层然后爆炸进入太空的中子星。

20世纪80年代,一种X射线激光装置被提议作为里根政府战略防御计划的一部分,但该装置的唯一测试(一种激光“爆炸”或死亡射线,由热核爆炸提供动力)给出了不确定的结果。出于技术和政治原因,整个项目(包括X射线激光器)被取消资金(虽然后来由布什政府作为使用不同技术的国家导弹防御系统重新启动)。


狗臀部X-射线后部视图


蜘蛛的相衬X射线图像
相位对比X射线成像是指使用相干x射线束的相位信息来对软组织成像的各种技术。它已成为在广泛的生物学和医学研究中可视化细胞和组织结构的重要方法。有几种技术被用于X射线相位对比成像,它们都利用不同的原理将物体出现的X射线的相位变化转换为强度变化。[49] [50]这些包括基于传播的相位对比,[51] talbot干涉测量,[50]折射增强成像,[52]和X射线干涉测量。[53]与正常的吸收 - 对比X射线成像相比,这些方法提供了更高的对比度,使得可以看到更小的细节。缺点是这些方法需要更复杂的设备,例如同步加速器或微焦点x射线源,X射线光学器件和高分辨率x射线探测器。

能量范围
软X射线和硬X射线
具有高光子能量(高于5-10 keV,低于0.2-0.1 nm波长)的X射线称为硬X射线,而具有较低能量(和较长波长)的X射线称为软X射线。[54]由于它们的穿透能力,硬X射线被广泛用于对物体内部成像,例如在医学射线照相和机场安全中。除了方法本身之外,术语X射线用于指代使用该方法产生的放射线图像。由于硬X射线的波长与原子的大小相似,因此它们也可用于通过X射线晶体学确定晶体结构。相比之下,柔软的X射线很容易被空气吸收;水中600 eV(~2 nm)X射线的衰减长度小于1微米。[55]

伽马射线
对于区分X射线和伽马射线的定义没有达成共识。一种常见的做法是根据它们的来源区分两种类型的辐射:X射线是由电子发射的,而伽马射线是由原子核发射的。[56] [57] [58] [59]这个定义有几个问题:其他过程也可以产生这些高能光子,或者有时产生的方法是未知的。一种常见的替代方案是基于波长(或等效地,频率或光子能量)区分X射线和伽马射线,其中辐射短于某些任意波长,例如10-11 m(0.1Å),定义为伽马辐射。[60]该标准将光子分配给明确的类别,但只有在波长已知的情况下才有可能。 (一些测量技术不区分检测到的波长。)然而,这两个定义经常重合,因为X射线管发射的电磁辐射通常比放射性核发射的辐射具有更长的波长和更低的光子能量。[56]偶尔,由于历史先例,基于测量(检测)技术,或基于其预期用途而不是其波长或来源,在特定环境中使用一个术语或另一个术语。因此,在6-20MeV的范围内为医学和工业用途(例如放射疗法)产生的伽马射线在这种情况下也可以称为X射线。

属性


电离辐射危险符号
X射线光子携带足够的能量来电离原子并破坏分子键。 这使其成为一种电离辐射,因此对活组织有害。 短时间内非常高的辐射剂量会引起放射病,而较低剂量会增加辐射诱发癌症的风险。 在医学成像中,这种增加的癌症风险通常被检查的益处大大超过。 X射线的电离能力可用于癌症治疗以使用放射疗法杀死恶性细胞。 它还用于使用X射线光谱法进行材料表征。


水中X射线的衰减长度显示540eV处的氧吸收边缘,光吸收的能量-3依赖性,以及由于康普顿散射导致的更高光子能量的平整。与软X射线(左半部分)相比,硬X射线(右半部分)的衰减长度大约四个数量级。
硬X射线可以穿过相对较厚的物体而不会被太多吸收或散射。出于这个原因,X射线被广泛用于对视觉上不透明的物体的内部成像。最常见的应用是医学射线照相术和机场安全扫描仪,但类似的技术在工业(例如工业射线照相和工业CT扫描)和研究(例如小动物CT)中也很重要。穿透深度在X射线光谱上变化几个数量级。这允许为应用调整光子能量,以便通过物体提供足够的透射,同时在图像中提供良好的对比度。

X射线具有比可见光短得多的波长,这使得探测结构比使用普通显微镜观察到的结构小得多。该特性用于X射线显微镜以获得高分辨率图像,并且还用于X射线晶体学以确定晶体中原子的位置。

与物质的互动
X射线通过光吸收,康普顿散射和瑞利散射三种主要方式与物质相互作用。这些相互作用的强度取决于X射线的能量和材料的元素组成,但对化学性质的影响不大,因为X射线光子能量远高于化学结合能。光吸收或光电吸收是软X射线区域和较低硬X射线能量中的主要相互作用机制。在较高的能量下,康普顿散射占主导地位。

光电吸收
每单位质量光电吸收的概率大致与Z3 / E3成比例,其中Z是原子序数,E是入射光子的能量。[62]该规则在靠近内壳电子结合能的情况下无效,其中相互作用概率发生突变,即所谓的吸收边。然而,低光子能量和高原子序数的高吸收系数和因此短穿透深度的一般趋势非常强烈。对于软组织,光吸收主导高达约26keV的光子能量,其中康普顿散射接管。对于更高原子序数的物质,这个限制更高。骨骼中的大量钙(Z = 20)以及它们的高密度使得它们在医学X射线照片上如此清晰地显示出来。

光吸收光子将其所有能量转移到与其相互作用的电子,从而电离电子所结合的原子并产生可能使其路径中的更多原子电离的光电子。外电子将填充空电子位置并产生特征X射线或俄歇电子。这些效应可用于通过X射线光谱法或俄歇电子能谱法进行元素检测。

康普顿散射
康普顿散射是医学成像中X射线和软组织之间的主要相互作用。[63]康普顿散射是外壳电子对X射线光子的非弹性散射。光子的部分能量被转移到散射电子,从而使原子电离并增加X射线的波长。散射光子可以向任何方向移动,但更可能是与原始方向类似的方向,尤其是对于高能X射线。 Klein-Nishina公式描述了不同散射角的概率。转移的能量可以从能量守恒和动量守恒的散射角直接获得。

瑞利散射
瑞利散射是X射线机制中主要的弹性散射机制。[64]非弹性前向散射产生折射率,对于X射线仅略低于1。[65]

生产
每当有足够能量的带电粒子(电子或离子)撞击材料时,就会产生X射线。

通过电子生产
一些常见阳极材料的特征X射线发射线。[66] [67]



由具有铑靶的X射线管发射的X射线的光谱,在60kV下操作。光滑,连续的曲线是由bre致辐射引起的,而尖峰是铑原子的特征K线。
X射线可以由X射线管产生,X射线管是一种真空管,其使用高电压来加速由热阴极释放的电子到高速。高速电子与金属靶(阳极)碰撞,产生X射线。[68]在医用X射线管中,靶通常是钨或更耐裂的铼(5%)和钨(95%)合金,但有时钼用于更特殊的应用,例如当需要较软的X射线时,如乳房X光检查。在结晶学中,铜靶是最常见的,当样品中铁含量的荧光可能存在问题时,经常使用钴。

产生的X射线光子的最大能量受到入射电子能量的限制,它等于管子上的电压乘以电子电荷,因此80kV的管子不能产生能量大于80的X射线。千电子伏。当电子撞击目标时,X射线由两个不同的原子过程产生:

特征X射线发射(X射线荧光):如果电子具有足够的能量,它可以将轨道电子从金属原子的内部电子壳中撞出,结果来自较高能级的电子填满了空位,发射X射线光子。该过程产生几个离散频率的X射线发射光谱,有时称为谱线。通常这些是从上壳到K壳(称为K线),到L壳(称为L线)等的过渡。如果转换从2p到1s,则称为Kᾳ,而如果从3p到1s,则为kβ。产生的这些线取决于所用阳极的类型,因此它们被称为特征线。 Kά以比Kβ线更强的强度更频繁地发生,并且在衍射实验中更加理想(比Kβ和Bre致辐射X射线更理想)。因此,在衍射实验期间通过使用滤光器滤除其他X射线光谱(Kβ和Bre致辐射X射线)。与金属阳极相比,过滤器通常由具有额外质子的金属构成(例如,用于Cu阳极的Ni过滤器,用于Mo阳极的Nb过滤器)。
Bre致辐射:这是由电子释放的辐射,因为它们被高Z(质子数)核附近的强电场散射。这些X射线具有连续光谱。 X射线的强度随着频率的降低而线性增加,从入射电子的能量为零,X射线管上的电压。
因此,管的最终输出包括连续的bre致辐射光谱在管电压下降到零,加上特征线上的几个尖峰。诊断X射线管中使用的电压范围从大约20kV到150kV,因此X射线光子的最高能量范围从大约20keV到150keV。[69]

这两种X射线生产过程都是低效的,管中使用的电能仅有约百分之一被转换成X射线,因此管消耗的大部分电能作为废热释放。当产生可用的X射线通量时,必须设计X射线管以消散多余的热量。

在研究中广泛使用的专门的X射线源是由粒子加速器产生的同步辐射。其独特的特征是X射线输出比X射线管的数量级大许多个数量级,宽X射线光谱,出色的准直和线性极化。[70]

通过在适度真空中从其背衬上剥离压敏粘合带,可以可靠地产生在15keV能量下达到峰值的短纳秒的X射线脉冲。这可能是摩擦带电产生的电荷重组的结果。 X射线摩擦发光的强度足以使其用作X射线成像的来源。[71]

通过快速正离子生产
X射线也可以由快速质子或其他正离子产生。质子诱导的X射线发射或粒子诱导的X射线发射被广泛用作分析程序。对于高能量,生产截面与Z12Z2-4成比例,其中Z1是指离子的原子序数,Z2是指目标原子的原子序数。[72]在相同的参考文献中给出了这些横截面的概述。

闪电和实验室排放生产
伴随地面伽马射线闪光的闪电也会产生X射线。潜在的机制是闪电相关电场中的电子加速以及随后通过Bre致辐射产生的光子。[73]这产生的能量为几keV和几十MeV的光子。[74]在间隙尺寸约为1米长,峰值电压为1 MV的实验室放电中,观察到特征能量为160 keV的X射线。[75]一个可能的解释是两个拖缆的相遇和高能失控电子的产生; [76]然而,微观模拟显示两个拖缆之间的电场增强的持续时间太短而不能产生大量的运行离开电子。[77]最近,有人提出,拖缆附近的空气扰动可以促进失控电子的产生,从而促进放电产生的X射线。[78] [79]

探测器
主要文章:X射线探测器
X射线探测器的形状和功能根据其用途而不同。诸如用于射线照相术的成像检测器最初基于照相印版和后来的照相胶片,但现在大多数被诸如图像板和平板检测器的各种数字检测器类型所取代。对于辐射防护,通常使用电离室评估直接暴露危险,而剂量计用于测量人暴露的辐射剂量。 X射线光谱可以通过能量色散或波长色散光谱仪测量。

医疗用途


X射线。


一名女性的胸部X光片,显示食管裂孔疝
自从伦琴发现X射线可以识别骨骼结构以来,X射线已被用于医学成像。[80] 第一次医疗用途是在他关于这个问题的论文后不到一个月。[28] 截至2010年,全球已进行了50亿次医学影像检查。[81] 2006年医学成像的辐射暴露约占美国电离辐射总量的50%。[82]

投影射线照片
主要文章:投影放射线照相术


右膝的平片
投影射线照相术是使用X射线辐射产生二维图像的实践。骨骼含有大量的钙,由于其相对较高的原子序数有效地吸收X射线。这减少了在骨骼阴影中到达探测器的X射线量,使其在射线照片上清晰可见。由于与组织相比较低的吸收,肺和被困气体也清楚地显示,而组织类型之间的差异更难以看到。

投影射线照片可用于检测骨骼系统的病理学以及检测软组织中的一些疾病过程。一些值得注意的例子是非常常见的胸部X光检查,可用于识别肺部疾病,如肺炎,肺癌或肺水肿,以及腹部X线检查,可检测肠(或肠)阻塞,自由空气(来自内脏穿孔)和游离液(腹水)。 X射线也可用于检测病理学,例如胆结石(很少是不透射线的)或通常(但不总是)可见的肾结石。传统的普通X射线在软组织(如大脑或肌肉)的成像中不太有用。广泛使用投影射线照片的一个领域是评估整形外科植入物(例如膝盖,髋部或肩部置换物)如何相对于周围骨骼位于体内。这可以从平面X射线照片的二维评估,或者如果使用称为“2D到3D配准”的技术,则可以在三维中评估。据称这种技术可以抵消与从平片上评估种植体位置相关的投影误差。[83] [84]

牙科射线照相术通常用于诊断常见的口腔问题,例如蛀牙。

在医学诊断应用中,低能量(软)X射线是不需要的,因为它们被身体完全吸收,增加了辐射剂量而不会对图像产生影响。因此,通常由铝制成的薄金属片(称为X射线过滤器)通常放置在X射线管的窗口上方,从而吸收光谱中的低能量部分。这被称为硬化光束,因为它将光谱的中心向更高能量(或更硬)的X射线移动。

为了生成心血管系统的图像,包括动脉和静脉(血管造影术),拍摄感兴趣的解剖区域的初始图像。 然后在将碘化造影剂注入该区域内的血管中之后拍摄相同区域的第二图像。 然后以数字方式减去这两个图像,仅留下碘化对比图像勾勒出血管。 然后,放射科医师或外科医生将获得的图像与正常解剖图像进行比较,以确定是否存在任何损伤或阻塞血管。

CT检查


头部CT扫描(横向平面)切片 - 医学放射学的现代应用
计算机断层扫描(CT扫描)是一种医学成像模式,其中断层图像或身体特定区域的切片是从沿不同方向拍摄的大量二维X射线图像中获得的。[85]这些横截面图像可以组合成身体内部的三维图像,并用于各种医学学科的诊断和治疗目的。

透视
荧光镜检查是医生或放射治疗师常用的成像技术,通过使用荧光镜获得患者内部结构的实时运动图像。在其最简单的形式中,荧光镜由X射线源和荧光屏组成,患者放置在荧光屏之间。然而,现代荧光镜将屏幕耦合到X射线图像增强器和CCD视频摄像机,允许在监视器上记录和播放图像。该方法可以使用对比材料。例子包括心脏导管插入术(检查冠状动脉阻塞)和吞咽钡(检查食道疾病和吞咽障碍)。

放射治疗
使用X射线作为治疗被称为放射治疗,主要用于癌症的治疗(包括姑息治疗);它需要比单独成像所接受的辐射剂量更高的辐射剂量。 X射线束用于使用较低能量的X射线束治疗皮肤癌,而较高能量束用于治疗体内癌症,例如脑,肺,前列腺和乳房。[86] [87]

不利影响


孕妇的腹部X光片,只有在对风险与风险进行适当评估后才能进行的手术


由于X射线烧伤导致的手部畸形。这些烧伤是意外事故。 X射线在首次发现和使用时没有被屏蔽,人们接受了辐射灼伤。
诊断性X射线(主要来自使用大剂量的CT扫描)增加了暴露患者的发育问题和癌症的风险。[88] [89] [90] X射线被世界卫生组织的国际癌症研究机构和美国政府列为致癌物。[81] [91]据估计,美国目前有0.4%的癌症是由于过去进行的计算机断层扫描(CT扫描)造成的,并且随着2007年CT使用率的增加,这可能会增加到1.5-2%。[92]

目前,实验和流行病学数据不支持有一个阈值剂量的辐射的命题,低于该阈值剂量的癌症没有增加的风险。[93]但是,这种情况越来越令人怀疑。[94]据估计,诊断性X射线的额外辐射会使75岁以下患者患癌症的累积风险增加0.6-3.0%。[95]吸收的辐射量取决于X射线测试的类型和所涉及的身体部位。[96]与普通X射线相比,CT和荧光透视需要更高剂量的辐射。

为了增加风险,普通的胸部X光片会使人暴露于人们每天10天内接触的背景辐射(取决于位置),同时从牙科X射线照射是大约相当于1天的环境背景辐射。[97]每一次这样的X射线都会使终生癌症风险增加不到1 / 1,000,000。腹部或胸部CT相当于对全身进行2  -  3年的背景辐射,或相当于腹部或胸部的4  -  5年,从而使终身癌症风险增加到每10,000人中1比1到1之间。[97]相比之下,美国公民在其一生中患癌症的概率大约为40%。[98]例如,胸部CT扫描对躯干的有效剂量约为5 mSv,吸收剂量约为14 mGy。[99]头部CT扫描(1.5mSv,64mGy)[100]用造影剂进行一次和一次进行,相当于对头部进行40年的背景辐射。根据所使用的方法,成人头部扫描的估计不确定性范围约为±19%至±32%,因此难以准确估计CT引起的有效剂量。[101]

胎儿的辐射风险更大,因此在怀孕的患者中,调查(X射线)的益处应与对胎儿的潜在危害相平衡。[102] [103]在美国,估计每年进行6200万次CT扫描,其中包括400多万儿童。[96]避免不必要的X射线(特别是CT扫描)可以减少辐射剂量和任何相关的癌症风险。[104]

医用X射线是人造辐射暴露的重要来源。 1987年,他们占美国人造来源的58%。由于人造光源仅占辐射总辐射量的18%,其中大部分来自天然光源(82%),医用X射线仅占美国辐射总量的10%;医疗程序整体(包括核医学)占总辐射照射量的14%。然而,到了2006年,美国的医疗程序比1980年代早期的情况下产生的电离辐射要多得多。 2006年,医疗照射几乎占所有来源的美国人口辐射照射总量的一半。这种增加可追溯到医学成像程序的使用增长,特别是计算机断层扫描(CT),以及核医学使用的增长。[82] [105]

牙科X射线的剂量根据手术和技术(胶片或数字)而有很大差异。根据程序和技术,人的单个牙科X射线导致0.5至4mrem的暴露。全口X射线系列可能导致最多6(数字)至18(电影)mrem的曝光,年平均值高达40 mrem。[106] [107] [108] [109] [ 110] [111] [112]

事实证明,财务激励措施对医生的X射线使用产生了重大影响,医生每次X射线单独支付费用,提供更多的X射线。[113]

其他用途
X射线的其他值得注意的用途包括


在该衍射图案中的每个点(称为反射)由穿过晶体的散射X射线的相长干涉形成。该数据可用于确定晶体结构。
X射线晶体学,其中记录由X射线衍射通过晶体中紧密间隔的原子晶格产生的图案,然后进行分析以揭示该晶格的性质。在20世纪90年代早期,进行了实验,其中两种不同材料的几个原子厚度的层沉积在Thue-Morse序列中。发现所得物体产生X射线衍射图案。[114] Rosalind Franklin使用相关技术纤维衍射来发现DNA的双螺旋结构。[115] X射线天文学是天文学的一个观测分支,它研究天体的X射线发射。 X射线显微分析,其使用软X射线带中的电磁辐射来产生非常小的物体的图像。 X射线荧光,一种在样本中产生X射线并进行检测的技术。 X射线的输出能量可用于识别样品的组成。工业射线照相术使用X射线检查工业零件,特别是焊缝。


使用X射线进行检查和质量控制:芯片和键合线结构的差异表明左侧芯片是伪造的。[116]
认证和质量控制,X射线用于包装物品的认证和质量控制。工业CT(计算机断层扫描)是使用X射线设备在外部和内部产生组件的三维表示的过程。这是通过计算机处理扫描物体在许多方向上的投影图像来实现的。绘画经常进行X光检查,以揭示绘画和笔画,绘画过程中的改变或后来的修复者。许多颜料如铅白在射线照片中表现良好。 X射线光谱显微镜已被用于分析颜料在绘画中的反应。例如,在分析梵高绘画中的色彩退化[117]。机场安全行李扫描仪在装载飞机之前使用X射线检查行李内部是否存在安全威胁。边境控制卡车扫描仪使用X射线检查卡车内部。


由Peter Dazeley拍摄的针鱼的X射线美术摄影
X射线艺术和美术摄影,X射线的艺术用途,例如StaneJagodičX射线脱毛的作品,这种方法在20世纪20年代流行但现在被FDA禁止。[118]鞋型荧光镜在20世纪20年代普及,20世纪60年代在美国被禁止,20世纪70年代在英国被禁止,甚至后来在欧洲大陆被禁止。伦琴立体摄影测量法用于跟踪基于标记植入的骨骼运动X射线光电子能谱是一种依靠光电效应的化学分析技术,通常用于表面科学。辐射内爆是利用裂变爆炸(原子弹)产生的高能X射线将核燃料压缩到聚变点火(氢弹)。

能见度
虽然通常认为人眼看不见,但在特殊情况下可以看到X射线。布兰德斯在Röntgen1895年具有里程碑意义的论文后不久进行的一项实验中,在暗适应并将眼睛靠近X射线管后报告,看到一种微弱的“蓝灰色”光芒,似乎是从眼睛内部发出的。[119 ]听到这个,Röntgen回顾了他的记录簿,发现他也看到了这种效果。当在一扇木门的另一侧放置一个X射线管时,伦琴注意到同样的蓝色光芒,似乎是从眼睛本身发出的,但他认为他的观察是虚假的,因为他只看到了这种效果,当他使用一种类型的管。后来他意识到产生这种效果的管子是唯一一个足以使发光明显可见的管子,此后实验很容易重复。今天,人们基本上已经忘记了X射线实际上对暗适应的肉眼可见的知识。这可能是由于不希望重复现在被视为电离辐射的鲁莽危险且可能有害的实验。目前尚不清楚眼睛中的确切机制是什么产生可见性:可能是由于常规检测(视网膜中视紫红质分子的激发),视网膜神经细胞的直接激发,或通过例如X射线诱导的二次检测用常规视网膜检测二次产生的可见光的眼球中的磷光。

虽然X射线是不可见的,但如果X射线束的强度足够高,则可以看到空气分子的电离。来自欧洲同步辐射装置ID11的摆动器的光束线是如此高强度的一个例子。[120]

度量单位和暴露量
X射线电离能力的测量称为曝光:

库仑每千克(C / kg)是电离辐射暴露的SI单位,它是在一公斤物质中产生每个极性的一个库仑所需的辐射量。
伦琴(R)是一种过时的传统曝光单位,它代表在一立方厘米的干燥空气中产生每个极性的一个静电单位所需的辐射量。 1伦琴= 2.58×10-4 C / kg。
然而,电离辐射对物质(尤其是活组织)的影响与沉积在其中的能量的量而不是产生的电荷更密切相关。这种吸收能量的量度称为吸收剂量:

灰色(Gy),单位为(焦/千克),是吸收剂量的SI单位,是在一公斤的任何物质中沉积一焦耳能量所需的辐射量。
rad是(过时的)相应的传统单位,相当于每公斤沉积10毫焦耳的能量。 100 rad = 1灰色。
等效剂量是辐射对人体组织的生物效应的量度。对于X射线,它等于吸收剂量。

伦琴等效人(rem)是等效剂量的传统单位。 对于X射线,它等于rad,换句话说,每千克沉积10毫焦耳的能量。 100 rem = 1 Sv。
西弗特(Sv)是等效剂量的SI单位,也是有效剂量的SI单位。 对于X射线,“等效剂量”在数值上等于灰度(Gy)。 1 Sv = 1 Gy。 对于X射线的“有效剂量”,它通常不等于灰色(Gy)。
电离辐射相关数量视图‧谈话‧编辑


另见
Medical portal
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Abnormal reflection
Backscatter X-ray
Detective quantum efficiency
High-energy X-rays
N ray
Neutron radiation
NuSTAR
Radiographer
Resonant inelastic X-ray scattering (RIXS)
Small-angle X-ray scattering (SAXS)
X-ray absorption spectroscopy
X-ray marker
X-ray nanoprobe
X-ray reflectivity
X-ray vision
X-ray welding
Macintyre's X-Ray Film – 1896 documentary radiography film
The X-Rays – 1897 British short silent comedy film

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