第2章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ).ppt

1、第二章 X射線的物理學(xué)基礎(chǔ),2-1 X射線的本質(zhì)； 2-2 X射線的產(chǎn)生； 2-3 X射線譜； 2-4 X射線與物質(zhì)相互作用； 2-5 X射線的探測(cè)與防護(hù)；,返回,2-1 X射線的本質(zhì),X射線的本質(zhì)是電磁輻射，與可見(jiàn)光完全相同，僅是波長(zhǎng)短而已，因此具有波粒二象性。,(1)波動(dòng)性; (2)粒子性。,使照相底片感光； 使氣體電離； 沿直線傳播，經(jīng)過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)； 有很強(qiáng)的穿透能力； 通過(guò)物質(zhì)時(shí)可以被吸收使其強(qiáng)度衰減； 可殺傷生物細(xì)胞； 在介質(zhì)中的折射率略小于1，與1相差約為10-5-10-6 波長(zhǎng)與晶體中原子間距相近，能發(fā)生衍射現(xiàn)象。,X射線的性質(zhì),波動(dòng)性,X射線的波長(zhǎng)范圍： 0.011

2、00 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(zhǎng)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(wú)損探傷及金屬物相分析。 軟X射線：波長(zhǎng)較長(zhǎng)的軟X射線, 能量較低，穿透性弱，可用于非金屬的分析及成像和顯微技術(shù)。 X射線波長(zhǎng)的度量單位常用埃（）表示；通用的國(guó)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 = m。,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。 X射線的頻率、波長(zhǎng)以及其光子的能量、動(dòng)量p之間存在如下關(guān)系： 式中h普

3、朗克常數(shù)，等于6.625 J.s; cX射線的速度，等于2.998 cm/s.,相關(guān)習(xí)題：,1.試計(jì)算波長(zhǎng)0.71（Mo-K）和1.54 （Cu- K）的X射線束，其頻率和每個(gè)量子的能量？,2-2 X射線的產(chǎn)生,(1) 產(chǎn)生原理； (2) 產(chǎn)生條件； (3) 過(guò)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。,產(chǎn)生條件,1.產(chǎn)生自由電子； 2.使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng); 3.在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物使電子突然減速或停

4、止。,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(chē)鍵演示）,過(guò)程演示,X射線管,1.X射線管的結(jié)構(gòu)； 2.常用的X射線源；,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。基本組成包括： (1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。 (2)陽(yáng)極：亦稱(chēng)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(yáng)極靶向外射出的地方。 (4)焦點(diǎn)：焦點(diǎn)是指陽(yáng)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。,常用的X射線源包括： 1 密封式X射線管 精密陶瓷X射線管 一般玻璃管（目前已經(jīng)基本被淘汰） 細(xì)聚焦X射線

5、管 準(zhǔn)單色X射線管 2 旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極（轉(zhuǎn)靶）X射線管：提高X射線管的發(fā)射強(qiáng)度 3 同步輻射光源,2-3 X射線譜,由X射線管發(fā)射出來(lái)的X射線可以分為兩種類(lèi)型： (1)連續(xù)X射線； (2)標(biāo)識(shí)X射線。,連續(xù)X射線,具有連續(xù)波長(zhǎng)的X射線，構(gòu)成連續(xù)X射線譜，它和可見(jiàn)光相似，亦稱(chēng)多色X射線。,產(chǎn)生機(jī)理； 演示過(guò)程； 短波限； X射線的強(qiáng)度。,產(chǎn)生機(jī)理,能量為eV的電子與陽(yáng)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(yáng)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

6、。,短波限,連續(xù)X射線譜在短波方向有一個(gè)波長(zhǎng)極限，稱(chēng)為短波限0.它是由電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，等于 靜電單位； V電子通過(guò)兩極時(shí)的電壓降（靜電單位）； h普朗克常數(shù)，等于,相關(guān)習(xí)題,試計(jì)算用50千伏操作時(shí)，X射線管中的電子在撞擊靶時(shí)的速度和動(dòng)能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？,X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(guò)的光子能量的總和。 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1.50,而不在0

7、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(yáng)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(yáng)極靶的原子序數(shù)存在如下關(guān)系： 且X射線管的效率為:,標(biāo)識(shí)X射線,是在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長(zhǎng)的譜線，它和可見(jiàn)光中的單色光相似，亦稱(chēng)單色X射線。,1.標(biāo)識(shí)X射線的特征 ; 2.產(chǎn)生機(jī)理 ; 3.過(guò)程演示 ; 4.K系激發(fā)機(jī)理 ; 5.莫塞萊定律； 6.標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度特征。,標(biāo)識(shí)X射線的特征,當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時(shí)，標(biāo)識(shí)譜線的波長(zhǎng)不再變，強(qiáng)度隨電壓增加。如鉬靶K系標(biāo)識(shí)X射線有兩個(gè)強(qiáng)度高峰為K和K，波長(zhǎng)分別為0.71和0.63.,產(chǎn)生機(jī)理,標(biāo)識(shí)X射線譜的產(chǎn)生機(jī)理

8、與陽(yáng)極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。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(jí)。在電子轟擊陽(yáng)極的過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽(yáng)極靶原子的內(nèi)層電子擊出時(shí)，于是在低能級(jí)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(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)X射線譜。,K態(tài)（擊走K電子）,L態(tài)（擊走L電子）,M態(tài)（擊走M(jìn)電子）,N態(tài)（擊走N電子）,擊走價(jià)電子,中性原子,WK,WL,WM,WN,0,原子的能量,標(biāo)識(shí)X射線產(chǎn)生過(guò)程,K激發(fā),L激發(fā),Ka輻射,K輻射,L輻射,過(guò)程演示,（任意鍵演示）,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

9、能級(jí)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K輻射；M層電子填充空位時(shí)產(chǎn)生K輻射。,由能級(jí)可知K輻射的光子能量大于K的能量，但L層電子填充幾率大，所以K的強(qiáng)度約為K的5倍。 產(chǎn)生K系激發(fā)要陰極電子的能量eVk至少等于擊出一個(gè)K層電子所作的功Wk。Vk就是激發(fā)電壓。,莫塞萊定律,標(biāo)識(shí)X射線譜的頻率和波長(zhǎng)只取決于陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子能級(jí)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(shí)X射線譜的波長(zhǎng)與原子序數(shù)Z關(guān)系為：,標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度特征,K系標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度與管電壓、管電流的關(guān)系為： 當(dāng)工作電壓為K系激發(fā)電壓Vk的35倍時(shí)， I標(biāo)/I連最大, 連續(xù)譜造成的衍射背景最小。,

10、n1.5-1.7,2-4 X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(guò)程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線通過(guò)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(guò)物質(zhì)繼續(xù)沿原來(lái)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)中的電子在X射線電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。這樣每個(gè)電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間可以發(fā)生干涉現(xiàn)象。,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)

11、電子獲得一部分動(dòng)能成為反沖電子，X射線光子離開(kāi)原來(lái)方向，能量減小，波長(zhǎng)增加。 非相干散射是康普頓（A.H.Compton）和我國(guó)物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱(chēng)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(lái)描述，亦稱(chēng)量子散射。它會(huì)增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來(lái)不利的影響，特別是對(duì)輕元素,這種影響更顯著。,X射線的吸收,物質(zhì)對(duì)X射線的吸收指的是X射線能量在通過(guò)物質(zhì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚琗射線發(fā)生了能量損耗。物質(zhì)對(duì)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(guò)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),以X光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過(guò)程。

12、被擊出的電子稱(chēng)為光電子，輻射出的次級(jí)標(biāo)識(shí)X射線稱(chēng)為熒光X射線。 產(chǎn)生光電效應(yīng)，X射線光子波長(zhǎng)必須小于吸收限k。,激發(fā)k系光電效應(yīng)的光子臨界能量為:,稱(chēng)為吸收限（激發(fā)限）波長(zhǎng),俄歇效應(yīng),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(dāng)L2層電子填充空位時(shí)，放出EK-EL2能量，產(chǎn)生兩種效應(yīng)： (1) 熒光X射線； (2) 產(chǎn)生二次電離，使另一個(gè)核外電子(比如L2, L3, M, N層電子)成為二次電子俄歇電子。,俄歇電子（二次電子）的能量是元素的固有特性，而且能量很低，平均自由程很小，故常利用俄歇效應(yīng)來(lái)進(jìn)行表層成分分析。,X射線的衰減規(guī)律,當(dāng)一束X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于散射和吸收的

13、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(guò)物質(zhì)中的距離成正比。,式中：,為入射X射線強(qiáng)度。,為線衰減系數(shù)，表示單位體積物質(zhì)對(duì)X射線強(qiáng)度的衰減程度。,H為X射線穿過(guò)的距離。,質(zhì)量衰減系數(shù),表示單位重量物質(zhì)對(duì)X射線強(qiáng)度的衰減程度,在物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)， 保持不變。 質(zhì)量衰減系數(shù)與波長(zhǎng)和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系： K為常數(shù) m隨的變化是不連續(xù)的, 其間被尖銳的突變分開(kāi)。突變對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為K吸收限。,吸收限的應(yīng)用,吸收限主要是由光電效應(yīng)引起的：當(dāng)X射線的波長(zhǎng)等于或小于時(shí),光子的能量E大于擊出一個(gè)K層電子的功W，X射線被吸收，激發(fā)光電效應(yīng),從而使m突變性增大。 吸收限與原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。如L

14、系有三個(gè)副層，有三個(gè)吸收限。,濾波片的選擇: (1)它的吸收限位于輻射源的K和K 之間，且盡量靠近K 。強(qiáng)烈吸收K，K吸收很?。?2)濾波片的厚度以將K強(qiáng)度降低一半最佳; (3)選取原則: Z靶40時(shí), Z濾片=Z靶-2； 陽(yáng)極靶的選擇:（1）陽(yáng)極靶K波長(zhǎng)稍大于試樣的K吸收限；（2）試樣對(duì)X射線的吸收最小。 Z靶Z試樣+1。,X射線的折射,X射線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)產(chǎn)生折射，折射率n非常接近1, n約為0.999990.999999 。,X射線與物質(zhì)相互作用的總結(jié),熱能,透射X射線衰減后的強(qiáng)度,散射X射線,電子,熒光X射線,相干的,非相干的,反沖電子,俄歇電子,光電子,康普頓效應(yīng),俄歇效應(yīng)

15、,光電效應(yīng),2-5 X射線的探測(cè)與防護(hù),（1) X射線的探測(cè)； （2）X射線的安全防護(hù)。,X射線的探測(cè),熒光屏法； 照相法； 輻射探測(cè)器法：X射線光子對(duì)氣體和某些固態(tài)物質(zhì)的電離作用可以用來(lái)檢查X射線的存在與否和測(cè)量它的強(qiáng)度。按照這種原理制成的探測(cè)X射線的儀器包括電離室和各種計(jì)數(shù)器。 成像板:Image Plate,X射線的安全防護(hù),X射線設(shè)備的操作人員可能遭受電震和輻射損傷兩種危險(xiǎn)。 電震的危險(xiǎn)在高壓儀器的周?chē)墙?jīng)常存在的，X射線的陰極端為危險(xiǎn)的源泉。在安裝時(shí)可以把陰極端裝在儀器臺(tái)面之下或箱子里、屏后等方法加以保證。 輻射損傷是過(guò)量的X射線對(duì)人體產(chǎn)生有害影響?？墒咕植拷M織灼傷，可使人的精神衰頹

16、、頭暈、毛發(fā)脫落、血液的組成和性能改變以及影響生育等。安全措施有：嚴(yán)格遵守安全條例、配帶筆狀劑量?jī)x、避免身體直接暴露在X射線下、定期進(jìn)行身體檢查和驗(yàn)血。,Exercise 2-1 Show that there exists relation KKK for the same material. 2-2 Can the characteristic emission excite the same set of fluorescent radiation for the same element? For example, characteristic emission Cu-K to exc

17、ite fluorescent radiation Cu-K, or characteristic emission Cu-K to excite fluorescent radiation Cu-K? Why? And how about for characteristic emission Cu-K to excite fluorescent radiation Cu-L?,2-3 Leed screens for the protection of personnel in X-ray diffraction laboratories are usually at least 1 mm thick. Calculate the “transmission factor”(Itrans./Iin