理學類X射線的物理學基礎

關于理學類X射線的物理學基礎第1頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五

2-1X射線的本質；

2-2X射線的產生；

2-3X射線譜；

2-4X射線與物質相互作用；

2-5X射線的探測與防護；

返回第2頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五2-1X射線的本質X射線的本質是電磁輻射，與可見光完全相同，僅是波長短而已，因此具有波粒二像性。(1)波動性;(2)粒子性。相關習題：第3頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五波動性X射線的波長范圍：

0.01~100?表現形式：在晶體作衍射光柵觀察到的X射線的衍射現象，即證明了X射線的波動性。第4頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五硬X射線：波長較短的硬X射線能量較高，穿透性較強，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。軟X射線：波長較長的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析。X射線波長的度量單位常用埃（?）或晶體學單位（kX）表示；通用的國際計量單位中用納米（nm）表示，它們之間的換算關系為：1nm=10?=m1kX=1.0020772±0.000053A(1973年值)。第5頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五粒子性特征表現為以光子形式輻射和吸收時具有的一定的質量、能量和動量。表現形式為在與物質相互作用時交換能量。如光電效應；二次電子等。X射線的頻率ν、波長λ以及其光子的能量ε、動量p之間存在如下關系：

式中h——普朗克常數，等于6.625×J.s;c——X射線的速度，等于2.998×cm/s.

第6頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五相關習題：

1.試計算波長0.71A（Mo-Kα）和1.54A（Cu-Kα）的X射線束，其頻率和每個量子的能量？

解答第7頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五2-2X射線的產生(1)產生原理；(2)產生條件；

(3)過程演示；

(4)X射線管；

(5)其它X射線裝置。

第8頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五產生原理高速運動的電子與物體碰撞時，發(fā)生能量轉換，電子的運動受阻失去動能，其中一小部分（1％左右）能量轉變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉變成熱能使物體溫度升高。第9頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五產生條件1.產生自由電子；2.使電子作定向的高速運動;3.在其運動的路徑上設置一個障礙物使電子突然減速或停止。第10頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X射線X射線X射線管剖面示意圖（回車鍵演示）過程演示第11頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五

X射線管

1.X射線管的結構；圖1-2；

2.特殊構造的X射線管；

3.市場上供應的種類。

第12頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五

X射線管的結構封閉式X射線管實質上就是一個大的真空（）二極管。基本組成包括：

(1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。

(2)陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。第13頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五(3)窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。(4)焦點：焦點是指陽極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出X射線。

第14頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五特殊構造的X射線管；

(1)細聚焦X射線管；

(2)旋轉陽極X射線管。

第15頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五市場上供應的種類

(1)密封式燈絲X射線管；

(2)可拆式燈絲X射線管.第16頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五2-3X射線譜

由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種類型：(1)連續(xù)X射線；

(2)標識X射線。

第17頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五連續(xù)X射線具有連續(xù)波長的X射線，構成連續(xù)X射線譜，它和可見光相似，亦稱多色X射線。產生機理；

演示過程；

短波限；

X射線的強度。

第18頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五產生機理

能量為eV的電子與陽極靶的原子碰撞時，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產生一個能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。單位時間內到達陽極靶面的電子數目是極大量的，絕大多數電子要經歷多次碰撞，產生能量各不相同的輻射，因此出現連續(xù)X射線譜。第19頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量連續(xù)X射線產生過程電子沖擊陽級靶X射線射出演示過程（回車鍵演示）第20頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五短波限

連續(xù)X射線譜在短波方向有一個波長極限，稱為短波限λ0.它是由光子一次碰撞就耗盡能量所產生的X射線。它只與管電壓有關，不受其它因素的影響。相互關系為：式中e——電子電荷，等于靜電單位；V——電子通過兩極時的電壓降（靜電單位）；h——普朗克常數，等于相關習題：第21頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五相關習題試計算用50千伏操作時，X射線管中的電子在撞擊靶時的速度和動能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？第22頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五X射線的強度

X射線的強度是指行垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時間內所通過的光子數目的能量總和。常用的單位是J/cm2.s.X射線的強度I是由光子能量hv和它的數目n兩個因素決定的,即I=nhv.連續(xù)X射線強度最大值在1.5λ0,而不在λ0處。第23頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強度。也是陽極靶發(fā)射出的X射線的總能量。圖1-7實驗證明，I與管電流、管電壓、陽極靶的原子序數存在如下關系：且X射線管的效率為:第24頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五標識X射線

是在連續(xù)譜的基礎上疊加若干條具有一定波長的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X射線。

1.標識X射線的特征

;2.產生機理

;3.過程演示

;4.K系激發(fā)機理

;5.莫塞萊定律；

6.標識X射線的強度特征。

第25頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五標識X射線的特征

當電壓達到臨界電壓時，標識譜線的波長不再變，強度隨電壓增加。如鉬靶K系標識X射線有兩個強度高峰為Kα和Kβ，波長分別為0.71A和0.63A.第26頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五產生機理

標識X射線譜的產生相理與陽極物質的原子內部結構緊密相關的。原子系統(tǒng)內的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個能級。在電子轟擊陽極的過程中，當某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內層電子擊出時，于是在低能級上出現空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標識X射線譜。第27頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量標識X射線產生過程K激發(fā)L激發(fā)Ka輻射K輻射L輻射過程演示（任意鍵演示）第28頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五K系激發(fā)機理

K層電子被擊出時，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級電子向K層空位填充時產生K系輻射。L層電子填充空位時，產生Kα輻射；M層電子填充空位時產生Kβ輻射。第29頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五由能級可知Kβ輻射的光子能量大于Kα的能量，但K層與L層為相鄰能級，故L層電子填充幾率大，所以Kα的強度約為Kβ的5倍。產生K系激發(fā)要陰極電子的能量eVk至少等于擊出一個K層電子所作的功Wk。Vk就是激發(fā)電壓。第30頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五莫塞萊定律

標識X射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質的原子能級結構，是物質的固有特性。且存在如下關系：莫塞萊定律：標識X射線譜的波長λ與原子序數Z關系為：第31頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五標識X射線的強度特征

K系標識X射線的強度與管電壓、管電流的關系為：當I標/I連最大，工作電壓為K系激發(fā)電壓的3~5倍時，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。第32頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五2-4X射線與物質相互作用

X射線與物質相互作用時，產生各種不同的和復雜的過程。就其能量轉換而言，一束X射線通過物質時，可分為三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透過物質繼續(xù)沿原來的方向傳播。X射線的散射

；X射線的吸收；X射線的衰減規(guī)律；

吸收限的應用；

X射線的折射；總結。第33頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五X射線的散射

X射線被物質散射時，產生兩種現象：相干散射；非相干散射。第34頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五相干散射物質中的電子在X射線電場的作用下，產生強迫振動。這樣每個電子在各方向產生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發(fā)生的干涉現象稱為相干散射。第35頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五非相干散射

X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時電子獲得一部分動能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長增加。非相干散射是康普頓（A.H.Compton）和我國物理學家吳有訓等人發(fā)現的，亦稱康普頓效應。非相干散射突出地表現出X射線的微粒特性，只能用量子理論來描述，亦稱量子散射。它會增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。第36頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五X射線的吸收

物質對X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質時轉變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗。物質對X射線的吸收主要是由原子內部的電子躍遷而引起的。這個過程中發(fā)生X射線的光電效應和俄歇效應。光電效應；

俄歇效應。

第37頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五光電效應以X光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程。被擊出的電子稱為光電子，輻射出的次級標識X射線稱為熒光X射線。產生光電效應，X射線光子波長必須小于吸收限λk。第38頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五俄歇效應原子在入射X射線光子或電子的作用下失掉K層電子，處于K激發(fā)態(tài)；當L層電子填充空位時，放出E-E能量，產生兩種效應：(1)熒光X射線；(2)產生二次電離，使另一個核外電子成為二次電子——俄歇電子。第39頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五X射線的衰減規(guī)律

當一束X射線通過物質時，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強度衰減。衰減的程度與所經過物質中的距離成正比。式第40頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五質量衰減系數μm

表示單位重量物質對X射線強度的衰減程度。質量衰減系數與波長和原子序數Z存在如下近似關系：K為常數μm隨λ的變化是不連續(xù)的其間被尖銳的突變分開。突變對應的波長為K吸收限。第41頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五吸收限的應用

吸收限主要是由光電效應引起的：當X射線的波長等于或小于λ時光子的能量E到擊出一個K層電子的功W，X射線被吸收，激發(fā)光電效應。使μm突變性增大。吸收限與原子能級的精細結構對應。如L系有三個副層，有三個吸收限。第42頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五濾波片的選擇:(1)它的吸收限位于輻射源的Kα和Kβ之間，且盡量靠近Kα。強烈吸收Kβ，K吸收很?。?2)濾波片的以將Kα強度降低一半最佳。

Z靶<40時Z濾片=Z靶-1；Z靶>40時Z濾片=Z靶-2；陽極靶的選擇:（1）陽極靶K波長稍大于試樣的K吸收限；（2）試樣對X射線的吸收最小。Z靶≤Z試樣+1。第43頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五

X射線的折射

X射線從一種介質進入另一種介質產生折射，折射率M非常接近1,M約為0.99999~0.999999

。

第44頁，共50頁，2022年，5月20日，8點34分，星期五X射線與物質相互作用的總結熱能透射X射線衰減后的強度