1X射线的产生与本质.ppt
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1、1X射线的产生与本质1X射线的产生与本质 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;1X射线的产生与本质射线的产生与本质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:1X射线的产生与本质1X射线的产生与本质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。硬硬X X射射线线:波波长长较较短短的的硬硬X X射射线线能能量量较较高高,穿穿透透性性较较强强,适适用
2、用于于金金属属部部件件的的无无损损探探伤伤及及金金属属物物相分析。相分析。软软X X射射线线:波波长长较较长长的的软软X X射射线线能能量量较较低低,穿穿透透性弱,可用于非金属材料的分析。性弱,可用于非金属材料的分析。X X射射线线波波长长的的度度量量单单位位常常用用埃埃()或或晶晶体体学学单单位位(kXkX)表表示示;通通用用的的国国际际计计量量单单位位中中用用纳纳米米(nmnm)表表 示示,它它 们们 之之 间间 的的 换换 算算 关关 系系 为为:1 1nm=10 =mnm=10 =m 1kX=1.00207720.000053 (1973 1kX=1.00207720.000053 (
3、1973年值年值)。1X射线的产生与本质特特征征表表现现为为以以光光子子形形式式辐辐射射和和吸吸收收时时具具有有的的一一定的质量、能量和动量。定的质量、能量和动量。表表现现形形式式为为在在与与物物质质相相互互作作用用时时交交换换能能量量。如如光电效应;荧光辐射等。光电效应;荧光辐射等。X X射射线线的的频频率率、波波长长 以以及及其其光光子子的的能能量量、动动量量p p之间存在如下关系:之间存在如下关系:式式 中中 hh普普 朗朗 克克 常常 数数,等等 于于 6.625 6.625 J.s;J.s;cXcX射线的速度,等于射线的速度,等于2.998 2.998 cm/s.cm/s.1X射线的
4、产生与本质(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。1X射线的产生与本质 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。1X射线的产生与本质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使电子突然减速或停止。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(回车键演示)1X射线的产生与本质
5、1X射线的产生与本质1.1.X X射线管的结构射线管的结构;2.2.特殊构造的特殊构造的X X射线管;射线管;3.3.市场上供应的种类。市场上供应的种类。图1-21X射线的产生与本质封闭式封闭式X X射线管实质上就是一个大的真空(射线管实质上就是一个大的真空()二极管。基本组成包括:)二极管。基本组成包括:(1)(1)阴极:阴极是发射电子的地方。阴极:阴极是发射电子的地方。(2)(2)阳极:亦称靶,是使电子突然减速和发射阳极:亦称靶,是使电子突然减速和发射X X射射线的地方。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
6、上发射出X射线。1X射线的产生与本质由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;(2)特征X射线谱(标识谱)。1X射线的产生与本质包包含含从从某某一一短短波波限限00开开始始,直直到到波波长长等等于于无无穷穷大大的的一一系系列列波波长长与与相相对对强强度度的的关关系系曲曲线线。亦称多色X射线。产生机理;演示过程;短波限;X射线的强度。1X射线的产生与本质当管电压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。1X射线的产生与本质各种波长的X射线相
7、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。1X射线的产生与本质各种波长的X射线相对强度一致增高;m不变;0 不变。1X射线的产生与本质各种波长的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。1X射线的产生与本质l l管电压管电压KvKv影响强度大小及波谱范围,即影响强度大小及波谱范围,即0 0 、mm是由是由KvKv决定的;决定的;l l管电流管电流mAmA只影响强度大小,不影响波谱范围;只影响强度大小,不影响波谱范围;l l特征特征X X射线谱的波长是由制靶元素射线谱的波长是由
8、制靶元素Z Z决定的。决定的。1X射线的产生与本质能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时,使电子的振动状态发生改变,产生加速度,根据经典电动力学的观点,当电子的振动状态发生改变、产生加速度时,就会向周围空间辐射球面波,在这里就是X射线。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射线射线。由于单位时间内到达阳极靶面的电子数量巨大,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。1X射线的产生与本质连连续续X X射射线线谱谱在在短短波波方方向向有有一一个个波波长长极极限限,称称为为短短波波限限 0
9、0.它它是是由由光光子子一一次次碰碰撞撞就就耗耗尽尽能能量量所所产产生生的的X X射射线线。它它只只与与管管电电压压有有关关,不不受其它因素的影响。受其它因素的影响。相互关系为:相互关系为:式式中中ee电电子子电电荷荷,等等于于 静静电电单单位位;VV电子通过两极时的电压降(静电单位);电子通过两极时的电压降(静电单位);hh普朗克常数,等于普朗克常数,等于 相关习题:相关习题:相关习题:相关习题:1X射线的产生与本质 eV=hc/0 0 0 0=hc/eV=12.4/V()其中V的单位为KV。可见0 0仅由V决定,即每种管电压下对应一定的短波限0 0。1X射线的产生与本质射线的产生与本质试试
10、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,所所发发射射的的X射线短波限为多少?射线短波限为多少?1X射线的产生与本质波长是描述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。强度等于光子的数量与每个光子能量的乘积。1X射线的产生与本质定义:定义:X X射线强度射线强度I I指垂直于指垂直于X X射线传播方向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。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,其常用单位为即单位面积上的光子流率,其常用单位为reg/secreg/sec 或或J/.s.J/.
11、s.1X1X射线的产生与本质射线的产生与本质连连续续X X射射线线谱谱曲曲线线下下的的面面积积表表示示连连续续X X射射线线的的总总强强度。也是阳极靶发射出的度。也是阳极靶发射出的X X射线的总能量。射线的总能量。实验证明,实验证明,=KiZV=KiZV2 2其中:其中:K=K=(1.1-1.51.1-1.5)1010-6-6可见:可见:I I、Z Z、V V2 2,与前述实验规律相同。,与前述实验规律相同。1X射线的产生与本质若输入若输入X X射线管的功率为射线管的功率为iViV,X X射线管的输出功率,射线管的输出功率,即阳极靶发射的连续即阳极靶发射的连续X X射线总强度为射线总强度为 则
12、则X X射线管的工作效率射线管的工作效率 为:为:1X射线的产生与本质当使用钨阳极(当使用钨阳极(Z=74Z=74),管电压),管电压100KV100KV,=时,则时,则 1%1%。可见可见X X射线管的效率极低。因为射线管的效率极低。因为X X射线管中电子射线管中电子的能量绝大部分转化成热能而损失,因此的能量绝大部分转化成热能而损失,因此X X射线射线管必须用良好的导热体管必须用良好的导热体AgAg、CuCu制成,而且必制成,而且必须强力水冷。须强力水冷。1X射线的产生与本质具有一定波长的若干具有一定波长的若干特强的特强的X X射线,由于射线,由于它反应了靶材的特征,它反应了靶材的特征,称为
13、特征称为特征X X射线射线,亦称亦称单色单色X X射线射线或或标识标识X X射线射线 。1.1.特征特征X X射线的形成射线的形成2.2.产生机理产生机理;3.3.过程演示过程演示;4.4.K K系激发机理系激发机理;5.5.莫塞莱定律;莫塞莱定律;6.6.标识标识X X射线的强度特射线的强度特征。征。1X射线的产生与本质特征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0.63.1X射线的产生与本质1 1、产生特征、产生特征X X射线所需的最低管电压(称为射线所需的最低管电压(称
14、为激发电压)激发电压)V V激,对于不同的阳极靶是不激,对于不同的阳极靶是不同的,它由阳极靶元素同的,它由阳极靶元素Z Z决定。决定。2 2、阳极靶元素、阳极靶元素Z Z不同,特征不同,特征X X射线谱的波长射线谱的波长 不同,不同,Z Z与与 的关系由莫塞莱(的关系由莫塞莱(Moseleys Moseleys lawlaw)定律确定。)定律确定。=K(Z-)=K(Z-)C:C:光速光速光速光速 3 3、管电流、管电压改变时,特征谱波长不变,但其强度、管电流、管电压改变时,特征谱波长不变,但其强度I I按按n n次方规律改变,实验表明:次方规律改变,实验表明:I I 特征特征 =C:C:常数常
15、数常数常数 n=1.5-2n=1.5-2 4 4、特征、特征X X射线与连续射线与连续X X射线强度的比率,在射线强度的比率,在X X射线管的工射线管的工作电压作电压V V为为V V激的激的3535倍时最大。这在选择实验参数时倍时最大。这在选择实验参数时是必须考虑的。是必须考虑的。5 5、对于同一阳极靶,除了、对于同一阳极靶,除了K K系特征谱外,还有系特征谱外,还有L L、MM、NN等系谱线,各系都有相应的等系谱线,各系都有相应的V V激,且激,且激,且激,且V V激激激激K VK V激激激激LVLV激激激激M.M.。1X射线的产生与本质标识标识X X射线的产生机理是能级跃迁的结果射线的产生
16、机理是能级跃迁的结果:原子内原子内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于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,当电子将各个能级。在电子轰击阳极的过程中,当电子将阳极靶原子的内层电子击出时,于是在低能级上阳极靶原子的内层电子击出时,于是在低能级上出现空位,这时系统能量升高,原子处激发态。出现空位,这时系统能量升高,原子处激发态。当高能级上的电子向低能级的空位跃迁当高能级上的电子向低能级的空位跃迁,使原子回使原子回到基态时,多余的能量以光子的形式辐射形成标到基态时,多余的能量以光子的形式辐射形成标识识X X射线。射线。图图2-5 产生标识谱时原子能级跃迁示
17、意图产生标识谱时原子能级跃迁示意图NMLK从从L层层向向K层层跃跃迁迁的的多多余能量辐射出余能量辐射出K从从M层层向向K层层跃跃迁迁的的多多余余能量辐射出能量辐射出KK电子被击出电子被击出1X射线的产生与本质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层空位跃迁时产生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。K层被激发后,由L层跃迁到低能级的科层,多余的能量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 =h c/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
18、能量,但K层与L层为相邻能级,故L层电子填充几率大,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。靶靶靶靶原子原子原子原子序数序数序数序数KK11KK22KK KK V Vk k(kv)(kv)V(kv)V(kv)CrCr24242.289622.289622.293512.293512.29092.29092.084802.084805.985.9820252025FeFe26261.939911.939911.939911.939911.93731.93731.756531.756537.107.1025302530C
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- 射线 产生 本质
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