第1章X射線性質

1、第一章第一章 X-rayX-ray的性質的性質l1.1 X-ray1.1 X-ray的本質的本質l1.2 1.2 X-rayX-ray的產生及的產生及X-rayX-ray譜譜l1.3 1.3 X-rayX-ray與物質的相互作用與物質的相互作用l1.4 1.4 X-rayX-ray的安全防護的安全防護一一 X-rayX-ray的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn) X-ray是由德國物理學家是由德國物理學家倫琴倫琴在在1895年偶爾發(fā)現(xiàn)的。年偶爾發(fā)現(xiàn)的。 因為當時對其特性和本質上無了解，因為當時對其特性和本質上無了解，故取名為故取名為X射線，也叫倫琴射線射線，也叫倫琴射線。 從從18951897年間，倫琴潛心研究年間，

2、倫琴潛心研究X-ray的產生、傳播、穿透力等大部分的產生、傳播、穿透力等大部分特性。從而使他在特性。從而使他在1901年獲得諾貝爾年獲得諾貝爾物理獎。物理獎。1.1 X-ray1.1 X-ray的本質的本質二二 X-rayX-ray的本質的本質 1.屬于電磁波或電磁輻射，同時具有波動性和粒子屬于電磁波或電磁輻射，同時具有波動性和粒子性特征性特征； 傳播時同時具有電場分量傳播時同時具有電場分量E和磁場分量和磁場分量H，但磁，但磁場分量與物質的相互作用很弱，因此在分析應用場分量與物質的相互作用很弱，因此在分析應用中只考慮其電場效應。中只考慮其電場效應。 2.波長較可見光短波長較可見光短，約在，約在

3、0.0110nm左右；左右； 波長單位：波長單位：a.法定波長單位為法定波長單位為 nm b.波長的其余單位波長的其余單位: 波長范圍波長范圍：在在10-2 102 之間。之間。 波長較短的（能量高）稱為硬波長較短的（能量高）稱為硬X-ray；波長較長；波長較長（能量低）稱之為軟（能量低）稱之為軟X-ray.400400到到700700納米納米 。 3. X-ray具有很強的穿透物質的能力具有很強的穿透物質的能力 經過電場和磁場時不發(fā)生偏轉，可經過電場和磁場時不發(fā)生偏轉，可被物質吸收而使強度減弱，它還可使氣被物質吸收而使強度減弱，它還可使氣體電離，激發(fā)熒光效應，能殺死生物細體電離，激發(fā)熒光效應

4、，能殺死生物細胞和組織等，從而可用于晶體結構分析、胞和組織等，從而可用于晶體結構分析、元素分析、醫(yī)療透射照相、工業(yè)探傷等元素分析、醫(yī)療透射照相、工業(yè)探傷等方面。方面。三三 X-ray的波動性和粒子性的波動性和粒子性1.波動性波動性 a. X-ray的波動性表現(xiàn)在以一定的頻率和波的波動性表現(xiàn)在以一定的頻率和波長在空間傳播；長在空間傳播； b. 在傳播過程中發(fā)生干涉、衍射等過程。在傳播過程中發(fā)生干涉、衍射等過程。2.粒子性粒子性 a. X-ray的粒子性表現(xiàn)在它是由大量的不連的粒子性表現(xiàn)在它是由大量的不連續(xù)粒子流構成的，這些粒子流稱為光子。續(xù)粒子流構成的，這些粒子流稱為光子。 b. X-ray以光

5、子的形式輻射和吸收時具有質以光子的形式輻射和吸收時具有質量、能量和動量。量、能量和動量。 c. 與物質相互作用并交換能量。與物質相互作用并交換能量。3.波動性和粒子性之間的關系波動性和粒子性之間的關系X-rayX-ray的能量、動量與波長之間的關系的能量、動量與波長之間的關系 E = hE = h = hc= hcP =hP =h 越短，越短， X-rayX-ray的的能量越大。能量越大。 其中：其中： h h 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) 6.6256.6251010-34 Js Js c c 光速光速 2.9982.99810 10 8 m/s m/s 4.X-ray的強度的強度 用用波動性觀點波

6、動性觀點： X-ray的強度為的強度為單位時單位時間內通過垂直于傳播方向的單位截面上的間內通過垂直于傳播方向的單位截面上的能量的大小。能量的大小。 用用粒子性的觀點粒子性的觀點： X-ray的強度為的強度為單位單位時間內通過單位截面的光量子的數(shù)目。時間內通過單位截面的光量子的數(shù)目。 因此強度的單位是因此強度的單位是J Jm m2.s.s，但強度的絕，但強度的絕對值難以測定，通常用相對值。對值難以測定，通常用相對值。 X-ray是由高速運動著的帶電粒子與某種物質相撞是由高速運動著的帶電粒子與某種物質相撞擊后突然減速，且與該物質中的內層電子相作用而產擊后突然減速，且與該物質中的內層電子相作用而產生

7、的。生的。 X-ray的產生需要有幾個基本條件：的產生需要有幾個基本條件： 1.產生并發(fā)射自由電子；產生并發(fā)射自由電子； 2.迫使自由電子作定向高速運動；迫使自由電子作定向高速運動； 3.在電子運動的路徑上設置使其減速的障礙物。在電子運動的路徑上設置使其減速的障礙物。一一 、 X-ray的產生的產生1.2 X-ray1.2 X-ray的產生及的產生及X-rayX-ray譜譜二、二、 X-ray管管X-ray管管主主要由陰極、陽極、窗口構成，要由陰極、陽極、窗口構成，如圖所示如圖所示a.陰極陰極 陰極的功能是發(fā)射電子陰極的功能是發(fā)射電子.它由鎢絲制成，在通它由鎢絲制成，在通以一定的電流加熱后便能

8、釋放出熱輻射電子。以一定的電流加熱后便能釋放出熱輻射電子。b.陽極陽極 陽極又稱之為靶陽極又稱之為靶(target)。是使電子突然減速。是使電子突然減速并發(fā)射并發(fā)射X射線的地方。常用靶材主要有射線的地方。常用靶材主要有Cr、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Mo、 Ag、 W等，在軟等，在軟X射線裝置中常用射線裝置中常用Al靶。靶。c.窗口窗口 窗口是窗口是X射線射出的通道射線射出的通道。通常窗口有兩個。通常窗口有兩個或四個，窗口材料要求既要有足夠的強度以維持管內或四個，窗口材料要求既要有足夠的強度以維持管內的高真空，又要對的高真空，又要對X射線的吸收較小射線的吸收較小,玻璃對玻璃對X射線的射

9、線的吸收較大，所以不用，窗口常用材料是金屬鈹，有時吸收較大，所以不用，窗口常用材料是金屬鈹，有時也用硼酸鈹鋰構成的林德曼玻璃也用硼酸鈹鋰構成的林德曼玻璃。圖圖 X射射線管剖線管剖面示意面示意圖圖2.對對X-ray管的幾個要求管的幾個要求 a.a.陰極燈絲外加聚焦罩，起到聚焦電子束陰極燈絲外加聚焦罩，起到聚焦電子束的作用的作用； b.b.由于電子束轟擊時只有由于電子束轟擊時只有1%1%能量轉化為能量轉化為X-X-rayray；而；而99%99%轉化為熱能，故轉化為熱能，故陽極靶必須固定在陽極靶必須固定在高導熱性的金屬上（黃銅或紫銅），并通冷卻高導熱性的金屬上（黃銅或紫銅），并通冷卻水防止靶熔化；

10、水防止靶熔化； c.c.焦點的設置：焦點的設置：焦點是陽極靶表面被電子焦點是陽極靶表面被電子束轟擊出的一塊面積，也是束轟擊出的一塊面積，也是X-rayX-ray產生的地方，產生的地方，焦點的尺寸和形狀是焦點的尺寸和形狀是X-rayX-ray管的重要特性之一管的重要特性之一。 圖圖 靶的焦點形靶的焦點形狀及接收方向狀及接收方向 在在X-ray衍射中希望有衍射中希望有較小的焦點較小的焦點和和較強較強的強度的強度，這樣可以，這樣可以提高分辨率提高分辨率和和縮短曝光時縮短曝光時間間。 焦點的形狀取決于燈絲的形狀，通常在焦點的形狀取決于燈絲的形狀，通常在與靶面成與靶面成36度角的方向上接受度角的方向上接

11、受X-ray，可縮，可縮小焦點。小焦點。 X-rayX-ray的強度的強度垂直于垂直于X-rayX-ray傳播方向的單位面積傳播方向的單位面積上在單位時間內光量子數(shù)目的能量總和。上在單位時間內光量子數(shù)目的能量總和。X-rayX-ray譜譜X-rayX-ray的強度隨波長而變化的關系曲線。的強度隨波長而變化的關系曲線。 連續(xù)連續(xù)X-ray譜：具有連續(xù)的波長分布（波長范圍從譜：具有連續(xù)的波長分布（波長范圍從 某一短波限某一短波限SWL開始至波長無窮大）。開始至波長無窮大）。 X-ray譜譜 特征特征X-ray譜：一定波長的若干特強的譜：一定波長的若干特強的X-ray， 迭加在連續(xù)迭加在連續(xù)X-ra

12、y譜上構成的。譜上構成的。三、三、X-rayX-ray譜譜一）連續(xù)一）連續(xù)X-ray譜譜 1.1.連續(xù)連續(xù)X-rayX-ray譜：譜：在管壓很低，小于在管壓很低，小于20kv20kv時強度時強度- -波長曲線是連續(xù)變化的，故稱為波長曲線是連續(xù)變化的，故稱為連續(xù)連續(xù)X-rayX-ray譜。譜。 2 2 連續(xù)連續(xù)X-rayX-ray譜的產生：譜的產生：高速運動的電子高速運動的電子達到靶面，能量為達到靶面，能量為eUeU的電子與靶的原子的電子與靶的原子整體碰撞時，電子失去能量，一部分以整體碰撞時，電子失去能量，一部分以光子的形式輻射出去，每碰撞一次產生光子的形式輻射出去，每碰撞一次產生一個能量為一個

13、能量為h h 的光子，的光子，多數(shù)電子要經過多數(shù)電子要經過多次碰撞，逐步釋放能量。產生的光子多次碰撞，逐步釋放能量。產生的光子的能量會形成一個序列，即形成連續(xù)譜。的能量會形成一個序列，即形成連續(xù)譜。圖圖 連續(xù)連續(xù)X射譜射譜X-ray譜圖譜圖連續(xù)譜的特點連續(xù)譜的特點: 1) x-ray 的強度在的強度在m處有一最大值；處有一最大值； 2) 存在短波限存在短波限SWL：在連續(xù)譜上有一：在連續(xù)譜上有一最短波長最短波長SWL，為短波限。，為短波限。 產生原因產生原因：能量為：能量為eU的電子經一次的電子經一次碰撞，將其能量全部轉化為碰撞，將其能量全部轉化為X-ray光量子，此光子的能量最大，故波光量子

14、，此光子的能量最大，故波長最短。長最短。 eU=hc SWL SWL =1240U 3)3)連續(xù)譜受管電壓連續(xù)譜受管電壓U U、管電流、管電流i i、陽、陽極靶材原子序數(shù)極靶材原子序數(shù)Z Z的影響；的影響；a. U (ia. U (i、Z Z不變），連續(xù)譜各波長強度不變），連續(xù)譜各波長強度，曲，曲線最大值對應的線最大值對應的m和和SWL都向短波方向移動。都向短波方向移動。 原因：原因： 管壓管壓UU，發(fā)射電子能量，發(fā)射電子能量eUeU，電子碰撞傳，電子碰撞傳遞能量遞能量,光子能光子能h h =hc/, =hc/,故故； 連續(xù)譜的峰值代表該峰值對應的波長的連續(xù)譜的峰值代表該峰值對應的波長的X-X

15、-rayray光量子的數(shù)目最多，也就是產生該波長的光量子的數(shù)目最多，也就是產生該波長的X-rayX-ray光量子的幾率最大，峰值在光量子的幾率最大，峰值在 m=1.5m=1.5SWL處；處；b. i (U b. i (U 、Z Z不變），連續(xù)譜各不變），連續(xù)譜各波長強度波長強度，但，但m和和SWL不變。不變。c. Z (U c. Z (U 、 i i不變不變) )，連續(xù)譜強，連續(xù)譜強度度，但，但m和和SWL不變。不變。4 4、一定條件下發(fā)射的、一定條件下發(fā)射的X-rayX-ray連續(xù)譜總強度決連續(xù)譜總強度決定管于電流定管于電流i i、管電壓、管電壓U U、靶原子數(shù)、靶原子數(shù)Z Z，它，它們之間

16、有下述經驗公式：們之間有下述經驗公式： I連連=K1i iZUZU2 2 K1為常數(shù)為常數(shù)5 5、X-rayX-ray管發(fā)射管發(fā)射X-rayX-ray效率效率 = 連續(xù)連續(xù)X-ray總強度（總強度（I連連)/ X-ray管功率管功率(iUiU) )= K1ZUZU 當當Z=74（鎢）（鎢）V=100kv時，時， =1%（其余（其余99%為熱量）為熱量） 由于由于K1是很小的數(shù)，所以是很小的數(shù)，所以X-ray的效率很低，的效率很低，應盡量選用重靶（應盡量選用重靶（Z大），及高電壓。大），及高電壓。 二）、特征二）、特征X-ray譜譜 1.特征特征X-ray：在連續(xù)譜上，當管電壓大于在連續(xù)譜上，當

17、管電壓大于某個臨界值某個臨界值Uk，連續(xù)譜線上會出現(xiàn)尖銳的，連續(xù)譜線上會出現(xiàn)尖銳的強度峰，該峰值對應波長只與靶的原子序強度峰，該峰值對應波長只與靶的原子序數(shù)有關，而與管電壓無關，因這種強度峰數(shù)有關，而與管電壓無關，因這種強度峰的波長反映了物質的原子序數(shù)特征，故稱的波長反映了物質的原子序數(shù)特征，故稱特征特征X-ray。 由特征由特征X-ray構成的譜線稱之為構成的譜線稱之為特征特征X-ray譜。譜。 產生特征產生特征X-ray的最低電壓稱之的最低電壓稱之激發(fā)電壓激發(fā)電壓。 2.特征特征X-ray產生機理：產生機理： a.原子核外電子遵從包利不相容原理和能量最小原原子核外電子遵從包利不相容原理和能

18、量最小原理，最先填充能量最低軌道，依次向外排（理，最先填充能量最低軌道，依次向外排（K、L、M、N、O、P、Q）；）； b.當外來電子能量大到將原子核外某殼層電子擊出當外來電子能量大到將原子核外某殼層電子擊出去，或內層電子獲得能量填充到未滿的高能級上；去，或內層電子獲得能量填充到未滿的高能級上； c.此時原子處于激發(fā)態(tài)（不穩(wěn)定態(tài)），外層電子向內此時原子處于激發(fā)態(tài)（不穩(wěn)定態(tài)），外層電子向內層躍遷，多余的能量便以層躍遷，多余的能量便以X-ray光量子的形式輻射出；光量子的形式輻射出； d.由于不同由于不同Z值的物質，各原子能級所具有的能量是值的物質，各原子能級所具有的能量是固定的，所以固定的，所以

19、 EkL=EL-Ek=hc/是定值是定值 所以所以只與只與EL-Ek, 即只與即只與Z有關有關 3. .臨界激發(fā)電壓存在的原因：臨界激發(fā)電壓存在的原因： 外來電子要激發(fā)出原子核外電子，必須使該外來電子要激發(fā)出原子核外電子，必須使該核外電子獲得足夠能量掙脫原子核對其束縛力，核外電子獲得足夠能量掙脫原子核對其束縛力，即外來電子的能量必須即外來電子的能量必須大于或等于該核外電子大于或等于該核外電子的逸出功的逸出功W Wk k, ,或該電子與原子核的結合能或該電子與原子核的結合能E Ek k 對對k k層電子：即層電子：即eU -EeU -Ek k=W=Wk k 臨界條件臨界條件eUeUk k=-E=

20、-Ek k=W=Wk k U Uk k便為將便為將K K層電子激發(fā)出所需的最小電壓，即層電子激發(fā)出所需的最小電壓，即激激發(fā)電壓。發(fā)電壓。同理同理 U UL LLL Um M Um M 4.K線與線與K線線 K系激發(fā)系激發(fā)K層電子被擊出的過程。同理有層電子被擊出的過程。同理有L系激發(fā)，系激發(fā)，M、N系激發(fā)；系激發(fā)； K系輻射系輻射外層電子向外層電子向K層躍遷引起的輻射。層躍遷引起的輻射。（還有（還有L、M、N系等輻射）系等輻射） K L層電子向層電子向K層躍遷輻射出的射線（跨層躍遷輻射出的射線（跨越一個能級）；越一個能級）； K M層電子向層電子向K層躍遷輻射出的射線（跨層躍遷輻射出的射線（跨越

21、兩個能級）；越兩個能級）； 即：下標即：下標、分別指跨越了一個能級、兩個分別指跨越了一個能級、兩個能級。能級。 由于由于:K為為L K輻射，輻射，K為為MK輻射，輻射， 故故 K k,Ik/Ik5? 答：由于原子系統(tǒng)中不僅各能級的能量不同（答：由于原子系統(tǒng)中不僅各能級的能量不同（EKEL20)的成分的成分分析分析.二次特征輻射產生條件二次特征輻射產生條件: 入射入射X-ray的能量必須大于（或等于）將此的能量必須大于（或等于）將此原子某一殼層的電子激發(fā)出來所需要的逸出功原子某一殼層的電子激發(fā)出來所需要的逸出功W。例如：例如： 激發(fā)激發(fā)k系輻射的入射系輻射的入射X-ray光量子的光量子的能量最小值為能量最小值為 hk eUk wk k其中：其中：Ukk系輻射激發(fā)電壓系輻射激發(fā)電壓 k產生產生k系激發(fā)的最長波長，系激發(fā)的最長波長，k系激發(fā)限系激發(fā)限k1 . 2 4Uk的意義：的意義： k為產生為產生k系激發(fā)的最長波長，每一物質都系激發(fā)的最長波長，每一物質都有特定的有特定的k ，即要激發(fā)出此物質的，即要激發(fā)出此物質的k系熒光輻射，系熒光輻射，入射入射X-ray的波長必須要小于等于此物質的的波長必須要小于等于此物質的激發(fā)激發(fā)限的限的k ； 當當k時，入射時，入射X-ray被物質全部吸收。被物質全部吸收。對于同一元素：對于同一元素： k K K， 即