第一章 X射線的性質(zhì)

1、第一章第一章 X-ray的物理學(xué)基礎(chǔ)l1.1 X-ray1.1 X-ray的本質(zhì)的本質(zhì)l1.2 X-ray1.2 X-ray的產(chǎn)生及的產(chǎn)生及X-rayX-ray譜譜l l1.3 X-ray1.3 X-ray與物質(zhì)的相互作用與物質(zhì)的相互作用一一 X-rayX-ray的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn) X-ray是由德國物理學(xué)家倫琴在1895年偶爾發(fā)現(xiàn)的。 因為當(dāng)時對其特性和本質(zhì)上無了解，故取名為X射線，也叫倫琴射線。 從18951897年間，倫琴潛心研究X-ray的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分特性。從而使他在1901年獲得諾貝爾物理獎。二二 X-rayX-ray的本質(zhì)的本質(zhì) 1.屬于電磁波或電磁輻射，同時具有波動 性和

2、粒子性特征； 傳播時同時具有電場分量E和磁場分量H，但磁場分量與物質(zhì)的相互作用很弱，因此在分析應(yīng)用中只考慮其電場效應(yīng)。 2.波長較可見光短，約在0.0110nm左右； 波長單位：a.法定波長單位為 nm b.波長的其余單位:x單位或kx單位 1kx=103 x=1.0020560.000005 波長范圍：在10-2 102 之間。 波長較短的（能量高）稱為硬X-ray；波長較長（能量低）稱之為軟X-ray. 。 3. X-ray具有很強的穿透物質(zhì)的能力具有很強的穿透物質(zhì)的能力，經(jīng)過電場和磁場時不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，可被物質(zhì)吸收而使強度減弱，它還可使氣體電離，激發(fā)熒光效應(yīng)，能殺死生物細(xì)胞和組織等，從而可用

3、于晶體結(jié)構(gòu)分析、元素分析、醫(yī)療透射照相、工業(yè)探傷等方面。三 X-ray的波動性和粒子性1.波動性 a. X-ray的波動性表現(xiàn)在以一定的頻率和波長在空間傳播； b. 在傳播過程中發(fā)生干涉、衍射等過程。2.粒子性 a. X-ray的粒子性表現(xiàn)在它是由大量的不連續(xù)粒子流構(gòu)成的，這些粒子流稱為光子。 b. X-ray以光子的形式輻射和吸收時具有質(zhì)量、能量和動量。 c. 與物質(zhì)相互作用并交換能量。3.波動性和粒子性之間的關(guān)系X-ray的能量、動量與波長之間的關(guān)系 = h=hcp=h 越短， X-ray的能量越大。 其中： h h 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) 6.6256.6251010-34 Js Js c

4、 c 光速光速 2.9982.99810 10 8 m/s m/s 4.X-ray的強度 用波動性觀點： X-ray的強度為單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位截面上的能量的大小。 用粒子性的觀點： X-ray的強度為單位時間內(nèi)通過單位截面的光量子的數(shù)目。 因此強度的單位是Jm2.s，但強度的絕對值難以測定，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(zhì)相撞是由高速運動著的帶電粒子與某種物質(zhì)相撞擊后突然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相作用而產(chǎn)擊后突然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相作用而產(chǎn)生的。生的。 X-ray的產(chǎn)生需要有幾個基本條件：的產(chǎn)生需要有幾個基本條件： 1.產(chǎn)生并發(fā)射自由電

5、子；產(chǎn)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(shè)置使其減速的障礙物。在電子運動的路徑上設(shè)置使其減速的障礙物。 一一 、 X-ray的產(chǎn)生的產(chǎn)生1.2 X-ray1.2 X-ray的產(chǎn)生及的產(chǎn)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(gòu)成，要由陰極、陽極、窗口構(gòu)成，如圖所如圖所示示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

6、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(nèi)或四個，窗口材料要求既要有足夠的強度以維持管內(nèi)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

7、時也用硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃也用硼酸鈹鋰構(gòu)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X-ray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(zhuǎn)化為能量轉(zhuǎn)化為X-X-rayray；而；而99%99%轉(zhuǎn)化為熱能，故轉(zhuǎn)化為熱能，故陽極靶必須固定在陽極靶必須固定在高導(dǎo)熱性的金屬上（黃銅或紫銅），并通冷卻高導(dǎo)熱性的金屬上（黃銅或紫銅），并通冷卻水防止靶熔化；水防止靶熔化； c.c.焦點的設(shè)置：焦點的設(shè)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

8、積，也是束轟擊出的一塊面積，也是X-rayX-ray產(chǎn)生的地方，產(chǎn)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X-ray衍射中希望有較小的焦點和較強的強度，這樣可以提高分辨率和縮短曝光時間。 焦點的形狀取決于燈絲的形狀，通常在與靶面成36度角的方向上接受X-ray，可縮小焦點。 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(nèi)光量子數(shù)目的能量總和。上在單位時間內(nèi)光量子數(shù)目的能量總和。X-rayX-ray譜譜X-rayX

9、-ray的強度隨波長而變化的關(guān)系曲線。的強度隨波長而變化的關(guān)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-ray譜上構(gòu)成的。譜上構(gòu)成的。三、三、X-rayX-ray譜譜一）連續(xù)X-ray譜 1.連續(xù)X-ray譜：在管壓很低，小于20kv時強度-波長曲線是連續(xù)變化的，故稱為連續(xù)X-ray譜。 2 連續(xù)X-ray譜的產(chǎn)生：高速運動的電子達(dá)到靶面，能量為eU的電子

10、與靶的原子整體碰撞時，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(chǎn)生一個能量為h的光子，多數(shù)電子要經(jīng)過多次碰撞，逐步釋放能量。產(chǎn)生的光子的能量會形成一個序列，即形成連續(xù)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m處有一最大值； 2) 存在短波限SWL：在連續(xù)譜上有一最短波長SWL，為短波限。 產(chǎn)生原因：能量為eU的電子經(jīng)一次碰撞，將其能量全部轉(zhuǎn)化為X-ray光量子，此光子的能量最大，故波長最短。 eU=hc SWL SWL =1.24U（m） 3)連續(xù)譜受管電壓U、管電流i、陽極靶材原子序數(shù)Z的作用；a. U (i、Z不變），連續(xù)譜各波長強度，各曲線

11、最大值對應(yīng)的m和SWL都向短波方向移動。 原因： 管壓U，發(fā)射電子能量eU，電子碰撞傳遞能量,光子能h =hc/,故； 連續(xù)譜的峰值代表該峰值對應(yīng)的波長的X-ray光量子的數(shù)目最多，也就是產(chǎn)生該波長的X-ray光量子的幾率最大，峰值在=1.5SWL處；b. i (U 、Z不變），連續(xù)譜各波長強度，但m和SWL不變。c. Z (U 、 i不變)，連續(xù)譜強度，但m和SWL不變。4、一定條件下發(fā)射的X-ray連續(xù)譜總強度決定管于電流i、管電壓U、靶原子數(shù)Z，它們之間有下述經(jīng)驗公式： I連=K1iZU2 K1為常數(shù)5、X-ray管發(fā)射X-ray效率 = 連續(xù)X-ray總強度（I連)/ X-ray管功率

12、(iU)= K1ZU 當(dāng)Z=74（鎢）V=100kv時， =1%（其余99%為熱量） 由于K1是很小的數(shù)，所以X-ray的效率很低，應(yīng)盡量選用重靶（z大），及高電壓。 二）、特征X-ray譜 1.特征X-ray：在連續(xù)譜上，當(dāng)管電壓大于某個臨界值Uk，連續(xù)譜線上會出現(xiàn)尖銳的強度峰，該峰值對應(yīng)波長只與靶的原子序數(shù)有關(guān)，而與管電壓無關(guān)，因這種強度峰的波長反映了物質(zhì)的原子序數(shù)特征，故稱特征X-ray。 由特征X-ray構(gòu)成的譜線稱之為特征X-ray譜。 產(chǎn)生特征X-ray的最低電壓稱之激發(fā)電壓。 2.特征X-ray產(chǎn)生機(jī)理： a.原子核外電子遵從包利不相容原理和能量 最小原理，最先填充能量最低軌道，

13、依次向外排（K、L、M、N、O、P、Q）； b.當(dāng)外來電子能量大到將原子核外某殼層電子擊出去，或內(nèi)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(nèi)層躍遷，多余的能量便以X-ray光量子的形式輻射出來； d.由于不同Z值的物質(zhì)，各原子能級所具有的能量是固定的，所以 EkL=EL-Ek=hc/是定值 所以只與L-k, 即只于Z有關(guān) 3.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大于或等于該核外電子的逸出功Wk,或該電子與原子核的結(jié)合能Ek 對k層電子：即eU -Ek=Wk 臨界

14、條件eUk=-Ek=Wk Uk便為將K層電子激發(fā)出所需的最小電壓，即激發(fā)電壓。同理 ULL Um M 4.K線與K線 K系激發(fā)K層電子被擊出的過程，同理有L系激發(fā)，M、N系激發(fā)； K系輻射外層電子向K層躍遷引起的輻射。（還有L、M、N系等輻射） K L層電子向K層躍遷輻射出的射線（跨越一個能級）； K M層電子向K層躍遷輻射出的射線（跨越兩個能級）； 即：下標(biāo)、分別指跨越了一個能級、兩個能級。 由于:K為L K輻射，K為MK輻射， 故 K k,Ik/Ik5/1? 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（KL20)的成分的成分分析分析.二次特征輻射產(chǎn)生條件

15、二次特征輻射產(chǎn)生條件: 入射入射X-ray的能量必須大于（或等于）將此原的能量必須大于（或等于）將此原子某一殼層的電子激發(fā)出來所需要的脫出功（逸子某一殼層的電子激發(fā)出來所需要的脫出功（逸出功）。出功）。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 k其中：其中：Ukk系輻射激發(fā)電壓系輻射激發(fā)電壓 k產(chǎn)生產(chǎn)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 4Vk的意義：的意義： k為產(chǎn)生為產(chǎn)生k系激發(fā)的最長波長，每一物質(zhì)都系激發(fā)的最長波長，每一物質(zhì)都有特定的有特定的k ，即要激發(fā)出此物質(zhì)的，即要激發(fā)出此物質(zhì)

16、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(zhì)的的波長必須要小于等于此物質(zhì)的激發(fā)激發(fā)限的限的k ； 當(dāng)討論當(dāng)討論X-ray被物質(zhì)所吸收時：被物質(zhì)所吸收時：k為吸收限對為吸收限對應(yīng)的入射應(yīng)的入射X-ray的波長的波長當(dāng)當(dāng)k時，入射時，入射X-ray被物質(zhì)全部吸收。被物質(zhì)全部吸收。對于同一元素：對于同一元素： k K K， 即即KK，則，則K被吸收掉；被吸收掉； 而而kk，則濾波片對，則濾波片對K吸收吸收較?。ㄒ驗檩^?。ㄒ驗镵不能激發(fā)出濾波片的熒光輻射）。不能激發(fā)出濾波片的熒光輻射）。圖圖 銅輻射在通過鎳銅輻射在通過鎳濾波片以前濾波片以前(a)和以和以后后(b)的強度比較的強度比較(虛線所示為鎳的質(zhì)虛線所示為鎳的質(zhì)量吸收系數(shù)量吸收系數(shù))濾波片選用原則濾波片選用原則：（根據(jù)靶材決定，因為根據(jù)靶材決定，因為X-ray是由靶材中是由靶材中激發(fā)出來的）激發(fā)出來的）當(dāng)當(dāng)z靶靶40時，時， z濾濾=z靶靶-1當(dāng)當(dāng)z靶靶40時，時， z濾濾=z靶靶-2 2.陽極靶的選擇陽極靶的選擇 a. 選擇原則選擇原則：陽極靶產(chǎn)生的：陽極靶產(chǎn)生的X-ra