第一章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1-1X射線的本質(zhì)；

1-2X射線的產(chǎn)生；

1-3X射線譜；

1-4X射線與物質(zhì)相互作用；

1-5X射線的探測與防護(hù)；

第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

偉大的物理學(xué)家,X射線發(fā)明者------倫琴1895年德國物理學(xué)家---“倫琴”發(fā)現(xiàn)X射線1895-1897年倫琴搞清楚了X射線的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分性質(zhì)1901年倫琴獲諾貝爾獎(jiǎng)1912年勞埃進(jìn)行了晶體的X射線衍射實(shí)驗(yàn)1.1X射線的本質(zhì)X射線最早的應(yīng)用在X射線發(fā)現(xiàn)后幾個(gè)月醫(yī)生就用它來為病人服務(wù)右圖是紀(jì)念倫琴發(fā)現(xiàn)X射線100周年發(fā)行的紀(jì)念封X射線的性質(zhì)

人的肉眼看不見X射線，但X射線能使氣體電離，使照相底片感光，能穿過不透明的物體，還能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光。X射線呈直線傳播，在電場和磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)穿過物體時(shí)僅部分被散射。X射線對動(dòng)物有機(jī)體（其中包括對人體）能產(chǎn)生巨大的生理上的影響，能殺傷生物細(xì)胞。1912年，德國物理學(xué)家勞厄（M.vonLaue）以其創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體上的衍射（X-raydiffraction），從而證明了X射線是光的一種，有其波動(dòng)性；同時(shí)又證實(shí)了晶體結(jié)構(gòu)的周期性。

X射線的本質(zhì)

X射線也是電磁波的一種，波長在10－8cm左右

1912年、勞厄(M．V．Laue)

X射線的本質(zhì)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。波動(dòng)性

X射線的波長范圍：0.001~10nm

在X射線金屬學(xué)中，常用的波長約0.25—0.05nm之間用于材料探傷的X射線波長在0.1-0.005nm之間表現(xiàn)形式：在晶體作衍射光柵觀察到的X射線的衍射現(xiàn)象，即證明了X射線的波動(dòng)性。硬X射線：波長較短的硬X射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，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(xué)單位（kX）表示；通用的國際計(jì)量單位中用納米（nm）表示，它們之間的換算關(guān)系為：1nm=10?=10-9m1kX=1.002056±0.000005?。粒子性特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時(shí)具有的一定的質(zhì)量、能量和動(dòng)量。表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時(shí)交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。光電效應(yīng)的解釋（1905年）EinsteinX射線的頻率ν、波長λ以及其光子的能量ε、動(dòng)量p之間存在如下關(guān)系：

式中h——普朗克常數(shù)，等于6.625×10-34

J.s;c——X射線的速度，等于2.998×1010cm/s.波粒二象性是x射線的客觀屬性德普羅依提出，世界上所有運(yùn)動(dòng)物質(zhì)都具有波粒二象性X射線是載有能量的，在單位時(shí)間內(nèi)，通過垂直于其傳播方向的單位截面的能量大小稱為強(qiáng)度，以波動(dòng)形式描述，強(qiáng)度與波的振幅平方成正比，常用的單位是Jcm－2s－1。按粒子形式表示，強(qiáng)度是通過截面的光量子流率?？臻g任意一點(diǎn)，波的強(qiáng)度與粒子在該點(diǎn)出現(xiàn)的幾率成正比，因而波粒二象性在強(qiáng)度這一點(diǎn)上是統(tǒng)一的。1-2X射線的產(chǎn)生(1)產(chǎn)生原理；(2)產(chǎn)生條件；

(3)過程演示；

(4)X射線管；

(5)其它X射線裝置。

產(chǎn)生原理

高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)能，其中一小部分（1％左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。X射線管是直接發(fā)射X射線的裝置，按其獲得電子的方式分為兩種基本類型：一種是借助于高壓電場內(nèi)少量的氣體發(fā)生的電離產(chǎn)生電子，稱為離子式X射管（又叫冷陰極）；另一種是借助于加熱陰極燈絲發(fā)射電子，稱為電子式X射線管，又叫熱陰極X射線管，前者較原始，現(xiàn)已經(jīng)基本淘汰，現(xiàn)在普遍使用的幾乎全是電子式X射線管，電子式分為封閉式和可拆式兩種，一般用封閉式。產(chǎn)生條件1．產(chǎn)生自由電子的電子源，如加熱鎢絲發(fā)射熱電子；2．使電子作高速定向運(yùn)動(dòng)，施加在陰極和陽極之間的高壓，用以加速自由電子朝陽極靶方向加速運(yùn)動(dòng)，如高壓發(fā)生器3．在電子運(yùn)動(dòng)路徑上設(shè)置自由電子撞擊靶子，如陽極靶，用以產(chǎn)生X射線；4．將陰陽極封閉在的高真空中，保持兩極潔凈。

X射線管的結(jié)構(gòu)

封閉式X射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大的真空

二極管?；窘M成包括：

(1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。2000℃～2500℃Cr,Fe,Co,Ni,Cu，Mo，Zr，陰極電壓U幾十千伏；管電流i:幾十毫安；功率一般為4KW，利用轉(zhuǎn)靶技術(shù)可以達(dá)到12KW，18KW。

聚焦罩100－400伏(2)陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。(3)窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。鈹片，硼酸玻璃構(gòu)成的林德曼玻璃(4)焦點(diǎn)：焦點(diǎn)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。（1mm×10mm）

（0.08mm×10mm）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射線管剖面示意圖過程演示

X射線管

1.X射線管的結(jié)構(gòu)；如圖；

2.特殊構(gòu)造的X射線管；

3.市場上供應(yīng)的種類。

特殊構(gòu)造的X射線管

(1)細(xì)聚焦X射線管；（0.3mm×3mm）

（0.2mm×2mm）,（0.1mm×1mm）,5.4kW,3kW,1.2kW.

(2)旋轉(zhuǎn)陽極X射線管。旋轉(zhuǎn)陽極

上述常用X射線管的功率為500～3000W。目前還有旋轉(zhuǎn)陽極X射線管、細(xì)聚焦X射線管等。因陽極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束轟擊部位不斷改變，故提高功率也不會燒熔靶面。目前有100kW的旋轉(zhuǎn)陽極，其功率比普通X射線管大數(shù)十倍。

旋轉(zhuǎn)陽極市場上供應(yīng)的種類

(1)密封式燈絲X射線管；(2)可拆式燈絲X射線管。壽命：W沉積在陽極，管子漏氣，陰極燈絲燒壞1.可拆式管——這種X射線管在動(dòng)真空下工作，配有真空系統(tǒng)，使用時(shí)需抽真空使管內(nèi)真空度達(dá)到10－5毫帕或更佳的真空度。不同元素的靶可以隨時(shí)更換，燈絲損壞后也可以更換，這種管的壽命可以說是無限的。2.密封式管——這是最常使用的X射線管，它的靶和燈絲密封在高真空的殼體內(nèi)。殼體上有對X射線“透明”的X射線出射“窗孔”。靶和燈絲不能更換，如果需要使用另一種靶，就需要換用另一只相應(yīng)靶材的管子。這種管子使用方便，但若燈絲燒斷后它的壽命也就完全終結(jié)了。密封式X射線管的壽命一般為1000—2000小時(shí)，它的報(bào)廢往往并不是與因燈絲損壞，而是由于靶面被熔毀或因受到鎢蒸氣及管內(nèi)受熱部分金屬的污染，致使發(fā)射的X射線譜線“不純”而被廢用。加速器中可以引出X射線加速器中可以引出X射線

加速器中可以引出X射線美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（ArgonneNationalLaboratory）

1-3X射線譜

X射線譜指的是X射線的強(qiáng)度I隨波長λ變化的關(guān)系曲線由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：

連續(xù)x射線譜的強(qiáng)度是隨波長的變化而連續(xù)變化。

(2)特征標(biāo)識X射線：在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上產(chǎn)生波長一定，強(qiáng)度很高的譜線。連續(xù)X射線具有連續(xù)波長的X射線，構(gòu)成連續(xù)X射線譜，它和可見光相似，亦稱多色X射線。產(chǎn)生機(jī)理；管流，管壓；短波限；X射線的強(qiáng)度。產(chǎn)生機(jī)理

能量為eU的電子與陽極靶的原子碰撞時(shí)，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(chǎn)生一個(gè)能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽極靶面的電子數(shù)目是極大量的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，因此出現(xiàn)連續(xù)X射線譜。短波限

連續(xù)X射線譜在短波方向有一個(gè)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(chǎn)生的X射線。它只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。相互關(guān)系為：式中e——電子電荷，1.602x10-19

庫侖；U——電子通過兩極時(shí)的電壓降；h——普朗克常數(shù)，等于6.626X10-34J.SX射線的強(qiáng)度

X射線的強(qiáng)度是指垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)所通過的光子數(shù)的能量總和。常用的單位是J/cm2.s.X射線的強(qiáng)度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個(gè)因素決定的,即I=nhv.連續(xù)X射線強(qiáng)度最大值在1.5λ0,而不在λ0處。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(qiáng)度。也是陽極靶發(fā)射出的X射線的總能量。實(shí)驗(yàn)證明，I與管電流、管電壓、陽極靶的原子序數(shù)存在如下關(guān)系：且X射線管的效率為:式中，Z為陽極靶原子序數(shù)，i為管電流（mA），U為管電壓（KV）α=1.1～1.4x10-9

。例如：鎢靶：Z＝74U＝100KV

＝1％X射線譜--------特征X射線譜當(dāng)管電壓超過某臨界值時(shí)，特征譜才會出現(xiàn)，該臨界電壓稱激發(fā)電壓。當(dāng)管電壓增加時(shí)，連續(xù)譜和特征譜強(qiáng)度都增加，而特征譜對應(yīng)的波長保持不變。鉬靶X射線管當(dāng)管電壓等于或高于20KV時(shí)，則除連續(xù)X射線譜外，位于一定波長處還疊加有少數(shù)強(qiáng)譜線。在連續(xù)譜的基礎(chǔ)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。

鉬靶X射線管在35KV電壓下的譜線，其特征x射線分別位于0.63?和0.71?處，后者的強(qiáng)度約為前者強(qiáng)度的五倍。這兩條譜線稱鉬的K系

標(biāo)識X射線的特征

當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時(shí)，標(biāo)識譜線的波長不再變，強(qiáng)度隨電壓增加。如鉬靶K系標(biāo)識X射線有兩個(gè)強(qiáng)度高峰為Kα和Kβ，波長分別為0.71A和0.63A.產(chǎn)生機(jī)理

標(biāo)識X射線譜的產(chǎn)生機(jī)理與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個(gè)能級。在電子轟擊陽極的過程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時(shí)，于是在低能級上出現(xiàn)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(biāo)識X射線譜。元素特征X射線的激發(fā)機(jī)理圖0中性原子高速電子原子核M殼層L殼層K殼層K殼層電子L殼層電子Lα1Kα1Kα2KβWKWLWMWNKα2Kα1LIIIIIIK態(tài)(K電子去除)L態(tài)(L電子去除)M態(tài)(M電子去除)N態(tài)(N電子去除)價(jià)電子去除Kβ輻射Kα原子能量K激發(fā)L激發(fā)MNMαLα(a)(b)產(chǎn)生機(jī)理：與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)是緊密相關(guān)的,從原子物理學(xué)知道：原子中的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個(gè)能級。各能級中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由四個(gè)量子數(shù)所確定。泡利不相容原理：在一個(gè)原子中不能有兩個(gè)或更多的電子處在完全相同的狀態(tài)（即它們四量數(shù)完全相同）（電子都盡量向能量低的能級上分布，但每個(gè)能級都容納的電子數(shù)有限，泡利不相容）所謂量子數(shù)：表征微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一些特定數(shù)字，電子在原子中的運(yùn)動(dòng)可用四個(gè)量子數(shù)表示：主量子數(shù)：n＝1、2、3……正整數(shù)，它是確定電子能量的主要量子數(shù)。KLMNOPQ角量子數(shù)：L＝0、1、2……n－1正整數(shù)，它表示電子的軌道動(dòng)量矩。SPDF軌道方向量子數(shù)ml＝l、l-1、…..0….-l磁量子數(shù)：正負(fù)整數(shù)，它表示電子軌道動(dòng)量矩在空間某一方向上的分量。自旋量子數(shù)ms：只能取1/2,-1/2,它表示電子自旋動(dòng)量矩在這一空間方向上的分量。具有不同量子數(shù)就具有不同能量K系激發(fā)機(jī)理

K層電子被擊出時(shí)，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(shí)產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時(shí)，產(chǎn)生Kα輻射；M層電子填充空位時(shí)產(chǎn)生Kβ輻射。躍遷還要遵守選擇定則。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(qiáng)度約為Kβ的5倍。K1和K2射線的強(qiáng)度比約為2：1，當(dāng)用原子序數(shù)較高的金屬作陽極靶時(shí)，除去K系射線外，還可得到L，M等系的特征X射線。產(chǎn)生K系激發(fā)要陰極電子的能量eUk至少等于擊出一個(gè)K層電子所作的功Wk。Uk就是激發(fā)電壓。特征X射線譜

n=1234567(KLMNOPQ),LK,MKK譜線.ML,NLL譜線.

等角標(biāo),LKMKNK標(biāo)以KKK

K

<

K<

K.能級差并不均勻分布,愈靠近原子核相鄰能級間的能量差愈大.所以同一靶材K系譜線波長最短由不同外層上的電子躍遷到同一內(nèi)層上來而輻射出來的特征譜線屬于同一線系,以內(nèi)層的標(biāo)號作為譜線的標(biāo)號,并按電子所跨越的電子能級數(shù)目為順序.分別標(biāo)以

。電子具有的能量n主量子數(shù)、h普朗克常數(shù)Z原子序數(shù)m電子質(zhì)量e電子電量屏蔽常數(shù)

在原子中，電子從高能級向低能級躍遷時(shí)釋放能量，這種能量就是以標(biāo)識X射線譜線出現(xiàn)。

由愛因斯坦公式:＝h＝hc/1/=/hc里德伯常數(shù)令莫塞萊定律

標(biāo)識X射線譜的波長λ與原子序數(shù)Z關(guān)系為：令標(biāo)識X射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。且存在如下關(guān)系：莫塞萊定律：標(biāo)識X射線的強(qiáng)度特征

K系標(biāo)識X射線的強(qiáng)度與管電壓、管電流的關(guān)系為：K2,n為常數(shù)，n=1.5~1.7，當(dāng)I標(biāo)/I連最大，工作電壓為K系激發(fā)電壓的3~5倍時(shí)，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。幾種常用陽極靶材料的特征譜參數(shù)

陽極靶元素

原子序數(shù)ZK系特征譜波長（埃）

U（KV）≈(3-5)UK

Kα1Kα2Kα＊

KβCr242.289702.293062.291002.0848720-25Fe261.9360421.9399801.9373551.7566125-30Co271.7889651.7928501.7902621.6207930Ni281.6579101.6617471.6591891.50013530-35Cu291.5405421.5443901.5418381.39221835-40Mo420.7093000.7135900.7107300.63228850-551-4X射線與物質(zhì)相互作用

X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，產(chǎn)生各種不同的和復(fù)雜的過程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線通過物質(zhì)時(shí)，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(zhì)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(yīng)用；

X射線的折射；總結(jié)

。X射線的散射

X射線被物質(zhì)散射時(shí)，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：相干散射；非相干散射。相干散射物質(zhì)對X射線的彈性散射主要是物質(zhì)中原子核束縛力很大的電子（如原子內(nèi)層電子）與X射線的光子相碰撞而產(chǎn)生彈性衍射時(shí)光子的方向改變了，但所具有的能量沒有改變。于是產(chǎn)生了波長不變的散射。電子在X射線電場的作用下，產(chǎn)生了強(qiáng)迫震動(dòng)。每個(gè)受迫振動(dòng)的電子便成為新的電磁波源向空間各方向輻射電磁波。如果散射波的波長和頻率與入射波相同，這些新的電磁波之間可發(fā)生干涉作用，所以把這種散射現(xiàn)象稱為相干散射。相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)，這一點(diǎn)以后還要討論。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(shí)電子獲得一部分動(dòng)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。

當(dāng)X射線光與受束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時(shí)，電子獲得一部分動(dòng)能而成為反沖電子，光子也偏離原來的方向，碰撞后的光子能量減少，即：由于這兩種X射線，故它們是不相干的，叫做非相干衍射。波長的改變與傳播方向存在如下的關(guān)系：

h普朗克常數(shù)；cX射線速度；me電子靜止質(zhì)量，2散射線與入射線間的夾角。非相干散射是康普頓（A.H.Compton）和我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應(yīng)。非相干散射突出地表現(xiàn)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（sin/）。給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。非相干散射X射線的吸收

物質(zhì)對X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質(zhì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗。物質(zhì)對X射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。這個(gè)過程中發(fā)生X射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。光電效應(yīng)；

俄歇效應(yīng)。

光電效應(yīng)當(dāng)一個(gè)由足夠能量的光子從原子內(nèi)部擊出電子時(shí)，同樣會發(fā)生電子激發(fā)原子時(shí)類似的輻射過程，產(chǎn)生標(biāo)識X射線。這種以光子激發(fā)原子所發(fā)生的電子被擊出和輻射過程稱為光電效應(yīng)。被擊出的電子稱為光電子。所輻射的X射線稱為熒光射線（或二次標(biāo)識X射線）。激發(fā)K系熒光輻射時(shí)，X射線光電子的能量必須大于或等于擊出一個(gè)K層電子所作的功W：從激發(fā)光電效應(yīng)的角度講，稱k為激發(fā)限，從X射線吸收角度講，可以把稱k為吸收極限。而只有當(dāng)X射線的波長達(dá)到或小于k時(shí)才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，使X射線的能量被吸收。在一般的衍射工作中，熒光X射線增加衍射花樣的背影。是有害的因素。因此不希望它出現(xiàn)。而在X射線熒光光譜分析中。則要利用熒光X射線進(jìn)行分析工作。因此希望得到盡可能多強(qiáng)的熒光射線。俄歇效應(yīng)如果原子在入射的X射線光子的作用下，失去一個(gè)K層電子。當(dāng)外層電子如一個(gè)L2層電子填充這個(gè)空位后存在一個(gè)能量差。這個(gè)能量可以兩種方式釋放出來：一種是產(chǎn)生熒光輻射；另一種是這個(gè)能量使另一個(gè)核外電子脫離原子成為自由電子，產(chǎn)生二次電離，這就是俄歇效應(yīng)。X射線的衰減規(guī)律

當(dāng)一束X射線通過物質(zhì)時(shí)，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強(qiáng)度衰減。衰減的程度與所經(jīng)過物質(zhì)中的距離成正比。式為比例常數(shù)與入射線波長及吸收物質(zhì)和其狀態(tài)有關(guān)，稱為該物體對入射線的線衰減系數(shù)。μm稱為質(zhì)量衰減系數(shù)，表示單位質(zhì)量物質(zhì)對入射線強(qiáng)度的衰減程度。

質(zhì)量衰減系數(shù)μm

表示單位重量物質(zhì)對X射線強(qiáng)度的衰減程度。質(zhì)量衰減系數(shù)與波長和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系：K為常數(shù)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(yīng)的波長為λK吸收限。

波長減小到時(shí)、質(zhì)量吸收系數(shù)產(chǎn)生一個(gè)突變(增大)，這是由于入射線光子能量k達(dá)到了激發(fā)該元素K層電子的數(shù)值，從而大量地被吸收或消耗在這種激發(fā)上面，并同時(shí)引起特征輻射。發(fā)生突變吸收的波長k為吸收限，其值由k＝1．24／V