第2章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1、 第二章 X射線的物理學(xué)基礎(chǔ) 返回目錄 2-1 X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)； 2-2 X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生； 2-3 X射線譜；射線譜； 2-4 X射線與物質(zhì)相互作用；射線與物質(zhì)相互作用； 2-5 X射線的探測與防護(hù)；射線的探測與防護(hù)； 返回2-1 X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì) X射線的本質(zhì)是電磁輻射，與可見光完全相同，僅是波長短而已，因此具有波粒二像性。 (1)波動性; (2)粒子性。 相關(guān)習(xí)題： 波動性 X射線的波長范圍： 0.01100 表現(xiàn)形式：在晶體作衍射光柵觀察到的X射線的衍射現(xiàn)象，即證明了X射線的波動性。 硬X射線：波長較短的硬X射線能量較高，穿透性較強，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物

2、相分析。 軟X射線：波長較長的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析。 X射線波長的度量單位常用埃（）或晶體學(xué)單位（kX）表示；通用的國際計量單位中用納米（nm）表示，它們之間的換 算 關(guān) 系 為 ： 1 n m = 1 0 = m 1kX=1.00207720.000053A (1973年值)。910粒子性 特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時具有的一定的質(zhì)量、能量和動量。 表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。 X射線的頻率、波長以及其光子的能量、動量p之間存在如下關(guān)系： 式中h普朗克常數(shù)，等于6.625 J.s; cX射線的速度，等于2.998 cm/s.

3、 hchhp 34101010相關(guān)習(xí)題： 1.試計算波長試計算波長0.71A（Mo-K）和和1.54A（Cu- K）的的X射線束，其頻率射線束，其頻率和每個量子的能量？和每個量子的能量？ 解答2-2 X射線的產(chǎn)生 (1)產(chǎn)生原理； (2)產(chǎn)生條件； (3)過程演示； (4) X射線管； (5)其它X射線裝置。 產(chǎn)生原理 高速運動的電子與物體碰撞時，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運動受阻失去動能，其中一小部分（1左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。產(chǎn)生條件 1.產(chǎn)生自由電子；產(chǎn)生自由電子； 2.使電子作定向的高速運動使電子作定向的高速運動; 3.在其運動的路徑上設(shè)置

4、一個障礙物在其運動的路徑上設(shè)置一個障礙物使電子突然減速或停止。使電子突然減速或停止。接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X射線X射線X射線管剖面示意圖（回車鍵演示）過程演示 X射線管 1.X射線管的結(jié)構(gòu)；圖1-2； 2.特殊構(gòu)造的X射線管； 3.市場上供應(yīng)的種類。 X射線管的結(jié)構(gòu) 封閉式X射線管實質(zhì)上就是一個大的真空（ ）二極管?；窘M成包括： (1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。 (2)陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。mmHg751010 (3)窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。 (4)焦點：焦點是指陽極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出X射

5、線。 特殊構(gòu)造的X射線管； (1)細(xì)聚焦X射線管； (2)旋轉(zhuǎn)陽極X射線管。 市場上供應(yīng)的種類 (1)密封式燈絲X射線管； (2)可拆式燈絲X射線管.2-3 X射線譜 由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種類型： (1)連續(xù)X射線； (2)標(biāo)識X射線。 連續(xù)X射線 具有連續(xù)波長的X射線，構(gòu)成連續(xù)X射線譜，它和可見光相似，亦稱多色X射線。 產(chǎn)生機理； 演示過程； 短波限； X射線的強度。 產(chǎn)生機理 能量為eV的電子與陽極靶的原子碰撞時，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線射線。單位時間內(nèi)到達(dá)陽極靶面的電子數(shù)目是極大量的，絕大多數(shù)電

6、子要經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，因此出現(xiàn)連連續(xù)續(xù)X射線譜射線譜。K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M(jìn)電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量連續(xù)X射線產(chǎn)生過程電子沖擊陽級靶X射線射出演示過程（ 回車鍵演示）短波限 連續(xù)X射線譜在短波方向有一個波長極限，稱為短波限0.它是由光子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線。它只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。 相互關(guān)系為： 式中e電子電荷，等于 靜電單位； V電子通過兩極時的電壓降（靜電單位）； h普朗克常數(shù)，等于 相關(guān)習(xí)題：相關(guān)習(xí)題：0maxhcheV1010803. 4sj3410625. 6相關(guān)習(xí)題

7、相關(guān)習(xí)題 試計算用試計算用50千伏操作時，千伏操作時，X射線管中的射線管中的電子在撞擊靶時的速度和動能，所發(fā)電子在撞擊靶時的速度和動能，所發(fā)射的射的X射線短波限為多少？射線短波限為多少？X射線的強度 X射線的強度是指行垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時間內(nèi)所通過的光光子數(shù)目子數(shù)目的能量總和。能量總和。 常用的單位是J/cm2.s. X射線的強度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個因素決定的,即I=nhv.連續(xù)X射線強度最大值在1.50,而不在0處。 連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強度。也是陽極靶發(fā)射出的X射線的總能量。圖1-7 實驗證明，I與管電流、管電壓、陽極靶的原子序數(shù)

8、存在如下關(guān)系： 且X射線管的效率為:miZVKI1連ZVKiVZVKXX121電子流功率射線功率射線管效率標(biāo)識X射線 是在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X射線。 1.標(biāo)識X射線的特征 ; 2.產(chǎn)生機理 ; 3.過程演示 ; 4.K系激發(fā)機理 ; 5.莫塞萊定律； 6.標(biāo)識X射線的強度特征。 標(biāo)識X射線的特征 當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時，標(biāo)識譜線的波長不再變，強度隨電壓增加。如鉬靶K系標(biāo)識X射線有兩個強度高峰為K和K，波長分別為0.71A和0.63A.產(chǎn)生機理 標(biāo)識X射線譜的產(chǎn)生相理與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按泡利不相容原理和能量

9、最低原理分布于各個能級。在電子轟擊陽極的過程中，當(dāng)某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時，于是在低能級上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識X射線譜。K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M(jìn)電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量標(biāo)識X射線產(chǎn)生過程K激發(fā)L激發(fā)Ka輻射K輻射L輻射過程演示（任意鍵演示）K系激發(fā)機理 K層電子被擊出時，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級電子向K層空位填充時產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時，產(chǎn)生K輻射；M層電子填充空位時產(chǎn)生K輻射。 由能級可知K

10、輻射的光子能量大于K的能量，但K層與L層為相鄰能級，故L層電子填充幾率大，所以K的強度約為K的5倍。 產(chǎn)生K系激發(fā)要陰極電子的能量eVk至少等于擊出一個K層電子所作的功Wk。Vk就是激發(fā)電壓。莫塞萊定律 標(biāo)識X射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。且存在如下關(guān)系： 莫塞萊定律：標(biāo)識X射線譜的波長與原子序數(shù)Z關(guān)系為：ZC1標(biāo)識X射線的強度特征 K系標(biāo)識X射線的強度與管電壓、管電流的關(guān)系為： 當(dāng)I標(biāo)/I連最大，工作電壓為K系激發(fā)電壓的35倍時，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。nkVViKI2標(biāo)2-4 X射線與物質(zhì)相互作用 X射線與物質(zhì)相互作用時，產(chǎn)生各種不同的和復(fù)雜的過程

11、。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線通過物質(zhì)時，可分為三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透過物質(zhì)繼續(xù)沿原來的方向傳播。 X射線的散射 ； X射線的吸收 ； X射線的衰減規(guī)律； 吸收限的應(yīng)用； X射線的折射； 總結(jié) 。X射線的散射 X射線被物質(zhì)散射時，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象： 相干散射； 非相干散射。相干散射 物質(zhì)中的電子在X射線電場的作用下，產(chǎn)生強迫振動。這樣每個電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發(fā)生的干涉現(xiàn)象稱為相干散射。非相干散射 X射線光子與束縛力不大的外層電子 或自由電子碰撞時電子獲得一部分動能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長增加。 非相干散射是康普

12、頓（A.H.Compton）和我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應(yīng)。非相干散射突出地表現(xiàn)出X射線的微粒特性，只能用量子理論來描述，亦稱量子散射。它會增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。X射線的吸收 物質(zhì)對X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質(zhì)時轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗。物質(zhì)對X射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。這個過程中發(fā)生X射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。 光電效應(yīng)； 俄歇效應(yīng)。 光電效應(yīng) 以X光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程。被擊出的電子稱為光電子光電子，輻射出的次級標(biāo)識X射線稱為熒光熒光X射線射線。 產(chǎn)生光電效應(yīng)，X射線光子波長必須小于

13、吸收限吸收限k。俄歇效應(yīng) 原子在入射X射線光子或電子的作用下失掉K層電子，處于K激發(fā)態(tài)；當(dāng)L層電子填充空位時，放出E-E能量，產(chǎn)生兩種效應(yīng)： (1) 熒光X射線； (2) 產(chǎn)生二次電離，使另一個核外電子成為二次電子俄歇電子。X射線的衰減規(guī)律 當(dāng)一束X射線通過物質(zhì)時，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強度衰減。衰減的程度與所經(jīng)過物質(zhì)中的距離成正比。式HHHxxxdxxxmeIeIIdxIdIIII0/0質(zhì)量衰減系數(shù)m 表示單位重量物質(zhì)對X射線強度的衰減程度。 質(zhì)量衰減系數(shù)與波長和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系： K為常數(shù) m隨的變化是不連續(xù)的其間被尖銳的突變分開。突變對應(yīng)的波長為K吸收限。33ZK

14、m吸收限的應(yīng)用 吸收限主要是由光電效應(yīng)引起的：當(dāng)X射線的波長等于或小于時光子的能量E到擊出一個K層電子的功W，X射線被吸收，激發(fā)光電效應(yīng)。使m突變性增大。 吸收限與原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)對應(yīng)。如L系有三個副層，有三個吸收限。 濾波片的選擇: (1)它的吸收限位于輻射源的K和K 之間，且盡量靠近K 。強烈吸收K，K吸收很??；(2)濾波片的以將K強度降低一半最佳。 Z靶40時 Z濾片=Z靶-2； 陽極靶的選擇:（1）陽極靶K波長稍大于試樣的K吸收限；（2）試樣對X射線的吸收最小。 Z靶Z試樣+1。 X射線的折射 X射線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)產(chǎn)生折射，折射率M非常接近1,M約為0.999990.999999 。 2222222121mcnemcneMX射線與物質(zhì)相互作用的總結(jié)熱能透射X射線衰減后的強度I0散射X射線電子熒光X射線相干的非相干 的反沖電子俄歇電子光電子康普頓效應(yīng)俄歇效應(yīng) 光電效應(yīng)2-5 X射線的探測與防護(hù) （1)X射線的探測； （2）X射線的安全防護(hù)。 X射線的探測 熒光屏法； 照相法； 輻射探測器法：X射線光子對氣體和某些固態(tài)物質(zhì)的電離作用可以用來檢查X射線的存在與否和測量它和強度。按照這種原理制成的探測X射線的儀器電離室和各種計