醫(yī)用物理學：第十四章 X 射線

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5／20／2015第十四章激光X射線固體能帶1895年(德國)倫琴用真空放電管研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象：1.肉眼看不見2.使某些物質(zhì)發(fā)熒光3.穿透能力強§14.1

激光一.光的吸收與輻射1916年，愛因斯坦提出三種躍遷：自發(fā)輻射受激吸收自發(fā)輻射系數(shù)受激吸收系數(shù)E2E1自發(fā)輻射受激輻射光波的頻率相位偏振態(tài)無關(guān)全同受激輻射E2E1E2E1受激輻射系數(shù)一般情況下二.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大

受激吸收受激輻射自發(fā)輻射介質(zhì)中的光強

I-kN1IB+kN2IB忽略光強變化實驗表明，在通常溫度下，原子在能級上的分布是遵守玻耳茲曼分布定律。1.玻耳茲曼分布定律對于氫原子體系粒子數(shù)正常分布說明一般體系中原子幾乎都處于基態(tài)，受激吸收大于受激輻射。若介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)，光在其中傳播時有可能得以放大。2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——產(chǎn)生光放大和激光的前提條件★產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)——激活物質(zhì)(亞穩(wěn)態(tài))激勵激發(fā)態(tài)基態(tài)三能級結(jié)構(gòu)E2和E1間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)亞穩(wěn)態(tài)激勵激發(fā)態(tài)基態(tài)亞穩(wěn)態(tài)四能級結(jié)構(gòu)E3和E2間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激發(fā)態(tài)抽運系統(tǒng)——光激勵，電子碰撞，共振轉(zhuǎn)移3.光在激活物質(zhì)中的增益現(xiàn)象增益介質(zhì)：處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的介質(zhì)。光傳播時被放大。G

--增益系數(shù)增益介質(zhì)II+dIzdz經(jīng)過介質(zhì)薄層,光強增量為I0I0zoI結(jié)論在增益介質(zhì)內(nèi)，光強I隨傳播距離按指數(shù)增加。三.激光器的基本構(gòu)成激勵能源增益介質(zhì)諧振腔部分反射鏡(99)諧振腔，增益介質(zhì)，激勵能源。1.基本構(gòu)成部分全反射鏡2.諧振腔的作用增益介質(zhì)1)限定光的方向沿軸線的光在增益介質(zhì)內(nèi)來回反射，連鎖放大，輸出形成激光。其它方向的光很快逸出諧振腔。2)延長增益介質(zhì)I0eGLr1I0eGLr1I0e2GLr2r1≤I0增益介質(zhì)r1r2I0e2GL介質(zhì)增益←→光的損耗激光：增益大于損耗可能使若閾值增益系數(shù)——產(chǎn)生激光的閾值條件3)選擇光振蕩的頻率（駐波條件）光在諧振腔內(nèi)來回反射，相干疊加，只有形成駐波的光才能振蕩k=1,2,3,…四.縱模和橫模振蕩縱模（振蕩頻率）縱模間隔vkvk+1vk單模線寬vc通常將由整數(shù)k所表征的腔內(nèi)縱向場分布稱為腔的縱模。1.縱?？v模個數(shù)N個縱模輻射線寬(1)使激光按單模輸出，則其單色性由單模線寬決定。討論(2)若輸出光是多模的，其單色性和普通光源一樣由輻射線寬決定。(3)由于每個縱模的間隔比原子發(fā)光的譜線寬度要窄得多，所以，激光具有很好的單色性，即具有很高的時間相干性。2.激光的橫模

激光束在橫截面上光強的分布呈現(xiàn)一系列有規(guī)則的圖樣，稱為激光的橫模。激光束橫截面上幾種光斑圖形五.激光的特性與應用：1.方向性好與普通光源相比，發(fā)散角極小，激光幾乎是平行光束。分散角<可用于定位，準直，導向，測距、激光雷達等。2.能量在空間高度集中激光器的輸出端面上有極高的亮度。紅寶石激光器輸出功率：，是太陽亮度幾百億倍！可用于精密加工，醫(yī)學治療，核聚變控制等。3.單色性好普通光譜中氪同位素86燈的單色性最好，氦－氖激光器的單色性為激光的譜線分辨率高，可用于研究原子、分子、晶體等物質(zhì)的能級和光譜的精細結(jié)構(gòu)，超精細結(jié)構(gòu)等。4.相干性好受激輻射所輸出的是頻率、偏振和傳播方向都相同的全同光子。當全同光束相遇時，就有很好的相干性，所產(chǎn)生的干涉條紋非常清晰。全息照片的拍攝：照相底片反射鏡物參考光物光全息圖象的觀察：全息照片照明光C.H.TownesA.M.Prokhorov

湯斯1954年在量子電子學研究中實現(xiàn)了氨分子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，研制了微波激射器和激光器；普羅霍洛夫和巴索夫1958年幾乎同時在量子電子學的基礎(chǔ)研究中，根據(jù)微波激射器和激光器原理研制了振蕩器和放大器。以上工作導致了激光器的發(fā)明。TheNobelPrizeinPhysics1964B.ZorovN.BloembergenA.L.SchawlowTheNobelPrizeinPhysics1981

肖洛教授將激光應用于光譜學的研究，由此發(fā)展了激光光譜學的新學科，對激光的應用做了許多開拓領(lǐng)域的工作；布洛姆伯根教授開創(chuàng)了非線性光學，在科學研究和實際應用上都具有重要意義。高壓直流電源工作物質(zhì)：氖氣激勵方式：直流氣體放電電子經(jīng)電場加速后，與He

碰撞。處于激發(fā)態(tài)的He

與Ne

碰撞，把能量傳遞給Ne，使它在亞穩(wěn)態(tài)（3s、2s）和激發(fā)態(tài)（3p、2p）之間形成反轉(zhuǎn)分布。氦氖激光器三.幾種常見的激光器1.氣體激光器紅寶石觸發(fā)高壓直流電源限流電阻2.固體激光器工作物質(zhì)：紅寶石中的Cr+3激勵能源：脈沖氙燈脈沖氙燈發(fā)出的光照射紅寶石，使得Cr+3在亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)之間形成反轉(zhuǎn)分布。橢圓柱面脈沖氙燈紅寶石激光器3.半導體激光器4.液體激光器新型激光器還有自由電子激光器、準分子激光器、離子激光器等。激光加工—6KWCO2激光加工機在進行金屬表面涂敷合金粉末的作業(yè)

太陽表面亮度約

103

W·cm-2·sr-1

大功率激光亮度

1010~

1017

W·cm-2·sr-14.高亮度

可用于精密加工，醫(yī)學，核聚變等。實驗中采用大功率(1014KW)釹玻璃激光器核聚變實驗的六路真空靶室mAD1D2D3D4K220VT2T1220VRX射線管整流電路第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及其性質(zhì)一.X射線的產(chǎn)生X射線管、降壓變壓器T1、升壓變壓器T21.組成：a.X射線管：(核心裝置)硬質(zhì)玻璃管中抽真空陰極：鎢絲，成螺旋狀熔點高，不易蒸發(fā)由低壓電源(5～10v)加熱鎢絲發(fā)出電子陰極陽極：銅制圓柱棒，嵌一塊鎢(鉬)陽極阻止高速電子流——靶陰——陽：加高壓幾萬～幾十萬伏直流高壓陰——陽：通過電流（陰極發(fā)射電子流）管電壓（Kv）管電流（mA）

b.降壓變壓器(T1)：管電流大小由陰極發(fā)射電子數(shù)目決定調(diào)節(jié)電阻：控制鎢絲電流c.升壓變壓器(T2)：調(diào)節(jié)變壓器的匝數(shù)：控制管電壓整流電路：直流高壓2.產(chǎn)生：加熱燈絲電子高速電子流X射線靶受阻產(chǎn)生X射線具備的條件：高速電子流靶要求：1.陽極材料熔點高、耐熱2.有散熱裝置4.X射線機工作時間不易過長3.轉(zhuǎn)動環(huán)形靶＜1％轉(zhuǎn)換成X射線＞

99％轉(zhuǎn)換成熱二.X射線的性質(zhì)1.貫穿本領(lǐng)：波長短，能量大，穿透力強穿過脂肪，底片上留下光亮無法穿過骨骼（鈣），底片上留下陰影2.熒光作用：3.感光作用：X熒光感光板感光制作X射線像片增感屏：特制紙板上涂一層鎢酸鈣類物質(zhì)（白色）X射線直接感光板感光（底片）：＜5％有感光作用增感屏感光板感光（底片）：＞

95％有感光作用減少X射線劑量4.電離作用：5.生物作用：三.X射線的強度和硬度1.X射線的強度：單位時間內(nèi)通過垂直射線方向的單位面積的輻射能量單位W/m2頻率為的光子數(shù)目普朗克常數(shù)X射線的頻率改變強度的方法:管電流管電壓2.X射線的硬度：貫穿本領(lǐng)與光子能量有關(guān)取決于管電壓強度:數(shù)量上描述X射線的物理量亮度硬度:質(zhì)量上描述X射線的物理量清晰(表14—1)第二節(jié)X射線譜高速電子靶X射線頻率不同實驗：X射線攝譜儀相對強度波長λnm鎢靶X射線譜│Kα0.02│Lγ0.108│Lβ0.128│Lα0.147組成：連續(xù)X射線譜標識X射線譜一.連續(xù)X射線譜高速電子流靶頻率不同X射線各電子運動軌跡與原子核的距離不等，受力不同各電子損失的能量不同光子的能量不同不同頻率的X射線λ/nm相對強度50kV40kV30kV20kV0.060.040.02鎢靶連續(xù)X射線譜若電子全部能量光子能量有Emaxλmin（短波極限）管電壓U電子電量e電子具有動能:eU極限時:與實驗相符nmKv二.標識X射線譜鎢靶:U為50kV以下，λ為0.02nm附近只有連續(xù)X射線U為70kV以上，λ為0.02nm附近出現(xiàn)四條譜線U繼續(xù)升高，λ為0.02nm附近出現(xiàn)的四條譜線位置不變0.010.020.030.04λ/nm200kV150kV100kV650.0179nm0.0184nm0.0208nm0.0213nm相對強度鎢的k系標識線0鎢靶標識X射線譜高速電子與靶材料內(nèi)層電子作用,一部分能量給內(nèi)層電子使內(nèi)層電子從原子中脫出，內(nèi)層空出一個位置●KLMNO若K層電子被轟出，空一位置會被L、M、N、O等外層電子填充若L層電子被轟出，空一位置

Kα

Kβ

Kγ組成K系會被M，N，O等外層電子填充

Lα

Lβ

Lγ組成L系離核越遠，ΔE越小，K系波長小于L系波長譜線波長位置與靶材料有關(guān)標識X射線譜并發(fā)出一個光子并發(fā)出一個光子標識X射線產(chǎn)生原理圖標識X射線譜:在醫(yī)學上無用、多余、有害，應濾掉。

第三節(jié)物質(zhì)對X射線的吸收一.吸收規(guī)律X射線物質(zhì)X射線強度減弱原因：一部分光子吸收后能量轉(zhuǎn)化為其它形式能量實驗表明：一部分光子改變原方向μ：整理：線性吸收系數(shù)L：物質(zhì)的厚度I：指數(shù)規(guī)律衰減μ越大，X射線在物質(zhì)中被吸收越多，衰減越快μ越小，X射線在物質(zhì)中被吸收越少，衰減越慢μL：物質(zhì)的吸收值人體：μ1μ2μ3μnIoI二.吸收系數(shù)對同一物質(zhì)：質(zhì)量吸收系數(shù)X射線物質(zhì)X射線強度減少一半時的厚度：半價層適用于：單色X射線醫(yī)學應用：討論(1)(2)Z值大，吸收本領(lǐng)大肌肉：碳、氫、氧，μm小，透視時亮骨骼：磷酸鈣，μm大，透視時陰影腸胃：用鋇鹽，μm大（Z=56），透視時陰影移動利于觀察λ長，越易吸收λ短，穿透力強X射線λ長λ短物質(zhì)λ短越來越硬：X射線的硬化三.物質(zhì)吸收X射線的微觀機理1.光電吸收X光子物質(zhì)中原子能量傳給原子的內(nèi)層電子電子脫離原子●hυ●●●●●●●●標識X射線譜

2.散射吸收X光子與原子中束縛較緊的電子碰撞:X光子改變方向，能量不損失X光子與原子中束縛不緊的電子碰撞:X光子改變方向，能量一部分傳給電子●●hυ反沖電子3.電子對吸收X光子能量大于兩個電子靜止能量時X光子與原子核場作用:生成電子對X光子能量：一部分轉(zhuǎn)化成兩個電子靜止質(zhì)量一部分轉(zhuǎn)化成兩個電子的動能正電子：在物質(zhì)中不穩(wěn)定正負電子結(jié)合能量相同，飛行方向相反的兩個光子電子對湮滅

兩個光子將經(jīng)過光電吸收或散射吸收失去能量微觀：與原子碰撞，失去動能后與電子結(jié)合μ=τ+σ+π一維晶體點陣形成的勢能函數(shù)曲線EPr+++++§14.3固體的能帶一.周期性勢場和電子的共有化r以鈉為例，分析價電子在Na+的電場中的勢能特點。E+dE

電子能量E低，穿過勢壘概率小，共有化程度低；

電子能量E高，穿過勢壘概率大，共有化程度高。固體主要指晶體。電子在晶體中作共有化運動，處在三維周期性勢場中二.能帶和能帶中電子的分布1.能帶的形成每個原子具有相同能量的價電子能級因原子間相互作用，原價電子的能級分裂成一系列和原能級很接近的新能級電子共有化晶體中這些能級相距很近，可視為連續(xù)分布，則稱能帶。2.能