1第一章X射线物理学基础-lpf.ppt

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1、 第一章 X射线物理学基础 1-1 X射线的本质射线的本质；1-2 X射线的产生射线的产生；1-3 X射线谱射线谱；1-4 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用；1-5 X射线的探测与防护射线的探测与防护；1-1 X射线的本质射线的本质X射线的本质是电磁辐射，具有波粒二像性。(1)波动性;(2)粒子性。相关习题：波动性X射线的波长范围：0.01100 表现形式：用晶体作衍射光栅观察到了X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性。硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属材料的分析。X射线

2、波长的度量单位常用埃（）或晶体学单位（kX）表示；通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为：1nm=10 =m 1kX=1.00207720.000053 (1973年值)。粒子性特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量。表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应；荧光辐射等。X射线的频率、波长以及其光子的能量、动量p之间存在如下关系：式 中 h普 朗 克 常 数，等 于 6.625 J.s;cX射线的速度，等于2.998 cm/s.相关习题：1.试试计计算算波波长长0.71 （Mo-K）和和1.54 （Cu-K）的的X射射线线束束，其其频频率和每

3、个量子的能量？率和每个量子的能量？解答1-2 X射线的产生(1)产生原理；(2)产生条件；(3)过程演示；(4)X射线管；(5)其它X射线装置。产生原理 高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99左右）能量转变成热能使物体温度升高。产生条件1.产生自由电子；产生自由电子；2.使电子作定向的高速运动使电子作定向的高速运动;3.在在其其运运动动的的路路径径上上设设置置一一个个障障碍碍物物使电子突然减速或停止。使电子突然减速或停止。接变压器玻璃钨灯丝金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X射线管剖面示意图（回车键演

4、示）过程演示 X射线管 1.X射线管的结构；2.特殊构造的X射线管；3.市场上供应的种类。图1-2 X射线管的结构 封闭式X射线管实质上就是一个大的真空（）二极管。基本组成包括：(1)阴极：阴极是发射电子的地方。(2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。(3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。(4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出X射线。特殊构造的X射线管；(1)细聚焦X射线管；(2)旋转阳极X射线管。市场上供应的种类(1)密封式X射线管；(2)可拆式X射线管.1-3 X射线谱 由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：(1)连续X射线谱

5、；(2)特征X射线谱。连续X射谱包含从某一短波限0开始，直到波长等于无穷大的一系列波长与相对强度的关系曲线。亦称多色X射线。产生机理；演示过程；短波限；X射线的强度。（一）实验规律当管电压Kv、管电流mA、阳极靶Z一定时，其强度I与波长的关系如图所示，其中：0:短波限，最短波长；m:X射线强度最大值所对应的波长。当变化其中任何一个量时，则X射线谱发生有规律的变化。1、当阳极靶物质Z一定时，如W，管电流mA一定时，如20mA。增加管电压Kv。各种波长的X射线相对强度一致增高；X射线最大强度所对应的波长m变小（左移）；最短波长0 变小（左移）。即波谱范围增大。2、当阳极靶物质Z一定时，如W，管电压

6、Kv一定时，如35Kv。增加管电流mA。各种波长的X射线相对强度一致增高；m不变；0 不变。3、管电压Kv、管电流mA均保持恒定不变。改变阳极靶物质，如Z增大时，则各种波长的X射线相对强度一致增高；0 、m不变；某些靶会在某一特定波长出现X射线强度猛增的现象，称为特征X射线谱。可见：l管电压Kv影响强度大小及波谱范围，即0 、m是由Kv决定的；l管电流mA只影响强度大小，不影响波谱范围；l特征X射线谱的波长是由制靶元素Z决定的。（二）产生机理能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分或全部能量以光子的形式辐射.碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X射射线线

7、。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续连续X射线谱射线谱。K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（击走N电子）击走价电子中性原子WkWlWmWn0原子的能量连续X射线产生过程电子冲击阳级靶X射线射出演示过程（回车键演示）短波限 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0.它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。相互关系为：式中e电子电荷，等于 静电单位；V电子通过两极时的电压降（静电单位）；h普朗克常数，等于 相关习题：相关习题：短波限0 eV=hc/0

8、 0=hc/eV=12.4/V（）其中V的单位为kV。可见0仅由V决定，即每种管电压下对应一定的短波限0。相关习题相关习题试试计计算算用用50千千伏伏操操作作时时，X射射线线管管中中的的电电子子在在撞撞击击靶靶时时的的速速度度和和动动能能，所所发发射的射的X射线短波限为多少？射线短波限为多少？（三）辐射强度和效率波长是描述X射线性质的物理量;而强度则是描述X射线数量的物理量。1、X射线的强度 定义：X射线强度I指垂直于X射线传播方向的单位面积上在单位时间内通过的光子数目。即单位面积上的光子流率，其常用单位为reg/sec 或J/.s.连续X射线的总强度连续X射线谱曲线下的面积表示连续X射线的总

9、强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。实验证明，其中=（1.1-1.5）*10-9 ，mi 2，i为管电流可见：i、Z、V2，与前述实验规律相同。2、效率若输入X射线管的功率为iV，X射线管的输出功率，即阳极靶发射的连续X射线总强度为 则X射线管的工作效率为：假定当使用钨阳极（Z=74），管电压100kV，=时，则1%。可见X射线管的效率极低。因为X射线管中电子的能量绝大部分转化成热能而损失，因此X射线管必须用良好的导热体Ag、Cu制成，而且必须强力水冷。二、特征X射线谱具有一定波长的若干特强的X射线，由于它反应了靶材的特征，称为特征X射线,亦称单色X射线或标识X射线。1.特征X射线的形成2

10、.产生机理;3.过程演示;4.K系激发机理;5.莫塞莱定律；6.标识X射线的强度特征。（一）特征X射线的形成特征X射线谱是在连续谱的基础上产生的。当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。如钼靶K系标识X射线有两个强度高峰为K和K，波长分别为0.71 和0.63.（二）实验规律1、产生特征X射线所需的最低管电压（称为激发电压）V激，对于不同的阳极靶是不同的，它由阳极靶元素Z决定。2、阳极靶元素Z不同，特征X射线谱的波长不同，Z与的关系由莫塞莱（Moseleys law）定律确定。c:光速光速,K与靶材物质主量子数有关的常数，与靶材物质主量子数有关的常数，屏蔽常数，与电子所屏蔽

11、常数，与电子所在的壳层位置有关在的壳层位置有关 3、管电流、管电压改变时，特征谱波长不变，但其强度I按n次方规律改变，实验表明：I特征=C:常数常数 n=1.5-2 4、特征X射线与连续X射线强度的比率，在X射线管的工作电压V为V激的35倍时最大。这在选择实验参数时是必须考虑的。5、对于同一阳极靶，除了K系特征谱外，还有L、M、N等系谱线，各系都有相应的V激激，且且V激激K V激激LV激激M.。（三）产生机理分析标识X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构紧密相关。原子内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子

12、击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，多余能量以光子的形式辐射出标识X射线谱。K系激发机理 K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生K辐射；M层电子填充空位时产生K辐射。假定K层被激发后由L层迁来一个补充电子，其降低的能量L-K将以一个X射线光子的形式辐射出来，其辐射的频率（波长）由原子的能级差决定：hL-K =L-KK=c/L-K =hc/(L-K)这就是波长一定的特征辐射。由能级可知K辐射的光子能量大于K的能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充几率

13、大，所以K的强度约为K的5倍。产生K系激发要求阴极电子的能量eVk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk就是激发电压。莫塞莱定律 标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。且存在如下关系：莫塞莱定律：标识X射线谱的波长与原子序数Z关系为：1-3 X射线与物质的相互作用X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。X射线的散射；X射线的吸收；X射线的衰减规律；吸收限的应用；X射线的折射；总结。一、X射线的散射X射线的散射射线的散射根据是

14、否有能量损失分为:相干散射-被原子束缚很紧的电子；非相干散射-被原子束缚较松的电子。1、相干散射（经典散射、Thomson.J.J散射）相干散射的概念相干散射的强度相干散射的概念物质对X射线散射的实质是物质中的电子与X光子的相互作用。当入射光子碰撞电子后，若电子能牢固地保持在原来位置上（原子对电子的束缚力很强），则光子将产生刚性碰撞，其作用效果是能量发生转移，被撞电子的振动频率与X光子一致，成为新波源辐射出电磁波-散射波。这种散射波的波长和频率与入射波完全相同，新的散射波之间将可以发生相互干涉-相干散射。X射线的衍射现象正是基于相干散射之上的。散射线与入射线的频率（波长）一致，位相固定，在相同

15、方向上，这些散射线可以相互干涉、加强，称为相干散射。相干散射。相干散射的强度关于相干散射的强度问题，将在第四章中专门介绍，这里先给出结论。如果一束（未经偏振化的）强度为I0的X射线照射到一个电子上时，由这个电子散射到距电子为R的P点处的散射波强度为：2、不相干散射（量子散射、Compton.A.H散射）X射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。非相干散射是康普顿（A.H.Compton）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它

16、会增加连续背影，给衍射图像带来不利的影响，特别对轻元素。散射线波长较入射线波长长，其变化的数值可根据能量守恒和动量守恒定律求得：=f-i=0.0024（1-cos）为散射角。反冲电子可见：1）波长变化的数值完全由散射角决定；2）散射线与入射线之间不存在固定的相位关系，散射线不可能相互干涉，故称为不相干散射；不相干散射不能参与衍射，它只会使衍射图象背景升高，对衍射分析工作不利；射线分布于各个方向，其强度随sin/的增加而增大，即入射线波长越短，散射角越大，散射的强度越大。附图3、荧光辐射（二次特征辐射）1)荧光辐射的概念 当具有足够能量的电子从被照物质中击出内层电子时，将产生特征X射线；同理，当

17、具有足够能量的X射线从被照物质中击出内层电子时，也将产生特征X射线，这种由X射线激发作用而产生的特征辐射称为二二次特征辐射次特征辐射。二次特征辐射在本质上属于光致发光的荧光现象，亦称为荧光辐射荧光辐射。2）产生条件-激发限K 为使被照原子能发射二次特征辐射，入射X射线光子的能量必须大于（至少等于）为击出一个K层电子所需的能量。若击出一个K层电子所需的最小能量为K，则，则 K=hK=hc/K K、K分别为K系激发频率和激发限。4、光电效应激发二次特征辐射时，入射X射线光子的能量被击出的电子所吸收，转变成电子的动能，使电子逸出原子之外，这种电子称为光电子，这一现象称为光电效应光电效应。产生二次特征

18、辐射时，物质大量吸收入射X射线的能量，造成强度的大量衰减，此时的吸收称为真吸收真吸收。5、俄歇效应原子在入射X射线光子或电子的作用下失去K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位时，产生两种效应：(1)荧光X射线；(2)产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子俄歇电子。二、X射线的衰减 X射线穿过物质时，由于产生了相干散射、不相干散射、原子激发等现象而消耗入射X射线的能量，使入射线的强度显著降低，其衰减的程度随所穿过物质的厚度呈指数规律减弱。1、衰减规律2、线衰减（吸收）系数3、质量吸收系数质量衰减系数m 表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度。质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近似关系

19、：K为常数m随的变化是不连续的，其间被尖锐的突变分开。突变对应的波长为K吸收限。各系数的物理意义 1）l线吸收系数的物理意义为：单位体积物质引起的X射线强度的相对衰减量。因为强度I是指单位时间内通过一平方厘米截面的能量（或光子数目），此能量又穿过1厘米厚度的物质后，其相对衰减量 l=-dI/I即1立方厘米物质引起的X射线强度的相对衰减量。2）m质量吸收系数的物理意义为：单位重量物质引起的X射线强度的相对衰减量。m=l/指1立方厘米物质含有克，即每克物质引起的X射线强度的相对衰减量。质量吸收系数主要取决于化学成分及入射X射线波长。对于单质物质，其m3Z3吸收限的应用 滤波片的选择:使滤波片的吸收

20、限k位于特征X射线波长K和K 之间，且尽量靠近K 。强烈吸收K，而对K 吸收很小.当Z靶40时,Z滤片=Z靶 2.阳极靶的选择:3）连续谱的质量吸收系数以上我们讨论了某一特定波长下的m，它可以根据、Z从有关手册直接查到。对于连续谱，由于波长从0到大，波长范围广，X射线强度的衰减将变的复杂。计算m可采用各波长下吸收系数的平均值。实验证明，此平均值相当于（1.31.4）0下所对应的吸收系数。我们采用有效波长有效=1.350=16.7/V。然后根据有效求其吸收系数m。4）复杂物质的质量吸收系数一种物质的质量吸收系数，只与它的化学组成有关，而与它所处的物理状态无关；同时与物质中原子间的结合方式也无关。

21、因此，无论复杂物质是机械混合物还是化合物、固溶体，它们的质量吸收系数均适合于相加法则。即 m=mi wimi为各i元素的质量吸收系数wi为各i元素的重量百分比即复杂物质的质量吸收系数等于各组成元素的质量吸收系数与该元素在此物质中所占百分比的乘积的和。例：计算CuO对MoK(=0.711)的m。查附表mCu=49.7 cm2/gmO=1.50 cm2/g计算重量百分比Cu 占 64/（64+16）=0.8O 占 16/（64+16）=0.2求和m CuO=mi wi =49.7*0.8+1.50*0.2=40.06 cm2/g注意：注意：对于同一种物质、不同波长的对于同一种物质、不同波长的X射线

22、，射线，其质量吸收系数的值是不同的。其质量吸收系数的值是不同的。X射线的折射 X射线从一种介质进入另一种介质产生折射，折射率M非常接近1，M约为0.999990.999999。小结本章我们重点介绍了X射线的产生条件、X射线的特性以及X射线与物质的相互作用，其中介绍了很多名词，如光电效应、荧光辐射等等。而最容易混淆的算是种种了。一、种种0m有效有效kkk二、X射线与物质相互作用康普顿效应热能透射X射线衰减后的强度It散射X射线电子荧光X射线相干的非相干 的反冲电子俄歇电子光电子俄歇效应 光电效应X-Ray1-4 X射线的探测与防护（1)X射线的探测；（2）X射线的安全防护。X射线的探测荧光屏法；

23、照相法；辐射探测器法：X射线光子对气体和某些固态物质的电离作用可以用来检查X射线的存在与否和测量它和强度。按照这种原理制成的探测X射线的仪器电离室和各种计数器。工作原理在以后介绍。X射线的安全防护X射线设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤两种危险。电震的危险在高压仪器的周围是经常地存在的，X射线的阴极端为危险的源泉。在安装时可以把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后等方法加以保证。辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生育等。安全措施有：严格遵守安全条例、配带笔状剂量仪、避免身体直接暴露在X射线下、定期进行身体检查。作业P16.5、6、8、9强调指出：严禁抄袭作业！严禁抄袭作业！