X 光的製造在 Khan physics 裡面是屬於第三章, 這張其實跟以前高中物理化學的部分有不少重疊, 讀起來其實算相對容易
X光管的結構:
其實就是以前課本會提到的真空管
陰極加熱產生電子, 在真空管中因為電壓而進行加速, 撞擊到陽極上面的靶, 進而產生X光
1. 陽極(anode): 會有Tungsten(鎢)靶跟後來把熱導走的銅, 會選擇Tungsten(鎢)靶是因為Z=74, Z越高, 產生X光的效率越高, 且Tungsten(鎢)的熔點極高, 不容易被燒壞
2. 陰極(cathode): 由wire filament 組成, 會跟電路連接, 加熱會放出電子
產生X光的兩個機轉
1. Bremsstrahlung: 中文翻譯為制動輻射, 其特色為電子接近原子核時, 因為馬克斯威爾的電磁學理論, 電子會轉向, 進而放出制動輻射, 當電子能量增加時, 制動輻射的方向會越來越往前
制動輻射的產生機率跟Z^2 有關
效率(efficiency): 9 * 10^(-10) * ZV => 這個公式是用來看產生X rays的效率, 可以發現跟原子序Z 以及 加速電壓有關, 以鎢靶(tungsten)來舉例:
(1) 100kv x-ray: 9 * 10^(-10) * 74 * 10^5 => 可以發現小於1% => 因此針對低能的X-rays => 大部分的能量(99%)都是以熱能散失
(2) high energy X rays: 效率會提高, 大概30-95%的效率, 從公式裡面可以知道, 這個值跟加速電壓有關!
2. Characteristic X-rays: 中文翻譯為特性輻射, 其原理為原子內層電子被電子打中, 進而游離出去, 游離出的電子洞會被外層電子掉到內層補起來, 中間的能量差就會形成特性輻射! 又由於能階間的差值是定植, 所以特性輻射會有特定能量!
X光的能譜(X-ray energy spectrum)
X 光的能譜會由上面提到的兩個機轉組成, 也就是制動輻射結合特性輻射
如果沒有filtration的話, 則X 光的能譜中的制動輻射部分可以用 Kramer's equation 表示:
$ I_{E}= KZ(E_{m}-E)$
其中$I_{E}$為能量為E的光子強度
$K$ 為常數
$Z$ 為靶的原子序
$E_{m}$為最大光子能量
如果有加上infiltration的話, 會把低能量光子濾掉, 對高能量光子的影像較小, 這個現象稱為射束硬化(beam hardening)
reference:
1. Khan's the physics of radiation therapy 6th edition
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