1.x射线的产生与本质

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1、第一章 X射线的产生与本质,1-1 X射线的本质； 1-2 X射线的产生； 1-3 X射线谱； 1-4 X射线与物质相互作用； 1-5 X射线的探测与防护；,1-1 X射线的本质,X射线的本质是电磁辐射，具有波粒二像性。,(1)波动性; (2)粒子性。 相关习题：,电磁波谱,波动性,X射线的波长范围： 0.01100 表现形式：用晶体作衍射光栅观察到了X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性。,硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。 软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属材料的分析。 X射线波长的度量单位常用埃（）或晶体

2、学单位（kX）表示；通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为： 1nm=10 = m 1kX=1.00207720.000053 (1973年值)。,粒子性,特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量。 表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应；荧光辐射等。 X射线的频率、波长以及其光子的能量、动量p之间存在如下关系： 式中h普朗克常数，等于6.625 J.s; cX射线的速度，等于2.998 cm/s.,1-2 X射线的产生,(1)产生原理； (2)产生条件； (3)过程演示； (4) X射线管； (5)其它X射线装置。,产生原理,高速运动的电子

3、与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99左右）能量转变成热能使物体温度升高。,产生条件,1.产生自由电子； 2.使电子作定向的高速运动; 3.在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。,接变压器,玻璃,钨灯丝,金属聚灯罩,铍窗口,金属靶,冷却水,电子,X射线,X射线,X射线管剖面示意图,（回车键演示）,过程演示,X射线管,1.X射线管的结构； 2.特殊构造的X射线管； 3.市场上供应的种类。,图1-2,X射线管的结构,封闭式X射线管实质上就是一个大的真空（ ）二极管。基本组成包括： (1)阴极：阴极是发射电子的地方。

4、 (2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。,(3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。 (4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出X射线。,1-3 X射线谱,由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型： (1)连续X射线谱； (2)特征X射线谱（标识谱）。,连续X射谱,包含从某一短波限0开始，直到波长等于无穷大的一系列波长与相对强度的关系曲线。亦称多色X射线。,产生机理； 演示过程； 短波限； X射线的强度。,（一）实验规律,当管电压Kv、管电流mA、阳极靶Z一定时，其强度I与波长的关系如图所示，其中： 0: 短波限，最短波长； m: X射线强

5、度最大值所对应的波长。 当变化其中任何一个量时，则X射线谱发生有规律的变化。,1、当阳极靶物质Z一定时，如W，管电流mA一定时，如20mA。增加管电压Kv。,各种波长的X射线相对强度一致增高； X射线最大强度所对应的波长m变小（左移）； 最短波长0 变小（左移）。即波谱范围增大。,2、当阳极靶物质Z一定时，如W，管电压Kv一定时，如35Kv。增加管电流mA。,各种波长的X射线相对强度一致增高； m不变； 0 不变。,3、管电压Kv、管电流mA均保持恒定不变。改变阳极靶物质，如Z增大时，则,各种波长的X射线相对强度一致增高； 0 、m不变； 某些靶会在某一特定波长出现X射线强度猛增的现象，称为特

6、征X射线谱。,可见：,管电压Kv影响强度大小及波谱范围，即0 、m是由Kv决定的； 管电流mA只影响强度大小，不影响波谱范围； 特征X射线谱的波长是由制靶元素Z决定的。,（二）产生机理,能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，使电子的振动状态发生改变，产生加速度，根据经典电动力学的观点，当电子的振动状态发生改变、产生加速度时，就会向周围空间辐射球面波，在这里就是X射线。电子失去自己的能量，其中部分或全部能量以光子的形式辐射. 碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X射线。由于单位时间内到达阳极靶面的电子数量巨大，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱

7、。,短波限,连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0.它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。 相互关系为： 式中e电子电荷，等于 静电单位； V电子通过两极时的电压降（静电单位）； h普朗克常数，等于 相关习题：,短波限0, eV= hc/ 0 0 = hc/ eV=12.4/V （ ） 其中V的单位为KV。 可见0仅由V决定，即每种管电压下对应一定的短波限0 。,相关习题,试计算用50千伏操作时，X射线管中的电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的X射线短波限为多少？,（三）辐射强度和效率,波长是描述X射线性质的物理量; 而强度则是描述X射线

8、数量的物理量。强度等于光子的数量与每个光子能量的乘积。,1、 X射线的强度,定义：X射线强度I指垂直于X射线传播方向的单位面积上在单位时间内通过的光子数目。即单位面积上的光子流率，其常用单位为reg/sec 或J/ .s.,连续X射线的总强度,连续X射线谱曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。 实验证明， =KiZV2 其中： K=（1.1-1.5）10-6 可见： I、Z、V2，与前述实验规律相同。,2、效率,若输入X射线管的功率为iV， X射线管的输出功率，即阳极靶发射的连续X射线总强度为 则X射线管的工作效率为：,假定,当使用钨阳极（Z=74），管电压10

9、0KV， = 时，则1%。 可见X射线管的效率极低。因为X射线管中电子的能量绝大部分转化成热能而损失，因此X射线管必须用良好的导热体Ag、Cu制成，而且必须强力水冷。,二、特征X射线谱,具有一定波长的若干特强的X射线，由于它反应了靶材的特征，称为特征X射线,亦称单色X射线或标识X射线 。,1.特征X射线的形成 2.产生机理 ; 3.过程演示 ; 4.K系激发机理 ; 5.莫塞莱定律； 6.标识X射线的强度特征。,（一）特征X射线的形成,特征X射线谱是在连续谱的基础上产生的。 当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。如钼靶K系标识X射线有两个强度高峰为K和K，波长分别为0.7

10、1 和0.63 .,（二）实验规律,1 、产生特征X射线所需的最低管电压（称为激发电压）V激，对于不同的阳极靶是不同的，它由阳极靶元素Z决定。 2、阳极靶元素Z不同，特征X射线谱的波长不同，Z与的关系由莫塞莱（Moseleys law）定律确定。 =K(Z-) C:光速,3、管电流、管电压改变时，特征谱波长不变，但其强度I按n次方规律改变，实验表明： I 特征 = C:常数 n=1.5-2 4、特征X射线与连续X射线强度的比率，在X射线管的工作电压V为V激的35倍时最大。这在选择实验参数时是必须考虑的。 5、对于同一阳极靶，除了K系特征谱外，还有L、M、N等系谱线，各系都有相应的V激，且V激K

11、 V激LV激M.。,（三）产生机理分析,标识X射线的产生机理是能级跃迁的结果:原子内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，这时系统能量升高，原子处激发态。当高能级上的电子向低能级的空位跃迁,使原子回到基态时，多余的能量以光子的形式辐射形成标识X射线。,K态（击走K电子）,L态（击走L电子）,M态（击走M电子）,N态（击走N电子）,击走价电子,中性原子,Wk,Wl,Wm,Wn,0,原子的能量,标识X射线产生过程,K激发,L激发,Ka辐射,K辐射,L辐射,过程演示,（任意键演示）,K系激发机理,K层电

12、子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位跃迁时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生K辐射；M层电子填充空位时产生K辐射。,K层被激发后，由L层跃迁到低能级的科层，多余的能量L-K将以一个X射线光子的形式辐射出来，其辐射的频率（波长）由原子的能级差决定： hL- K =L-K K = c/L- K = h c/L-K 这就是波长一定的特征辐射。,由能级可知K辐射的光子能量大于K的能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充几率大，所以K的强度约为K的5倍。 产生K系激发要求阴极电子的能量eVk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk就是激发电压。,莫塞莱定律,标识X射

13、线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。且存在如下关系： 莫塞莱定律：标识X射线谱的波长与原子序数Z关系为：,1-3 X射线与物质的相互作用,X射线与物质相互作用时，产生各种复杂的作用。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。,X射线的散射 ； X射线的吸收 ； X射线的衰减规律； 吸收限的应用； X射线的折射； 总结 。,一、X射线的散射,X射线的散射 根据是否有能量损失,分为: 相干散射； 非相干散射。,1、相干散射 （经典散射、Thomson.J.J散射）,相干散射的概念 相干散射的

14、强度,相干散射的概念,散射线与入射线的频率相同，相差恒定，在相同方向上，这些散射线可以相互干涉、加强，称为相干散射。,相干散射的强度,关于相干散射的强度问题，将在第四章中专门介绍，这里先给出结论。 如果一束（未经偏振化的）强度为I0的X射线照射到一个电子上时，由这个电子散射到距电子距离为R的P点处的散射波强度为：,2、非相干散射 （量子散射、Compton.A.H散射）,X射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。 非相干散射是康普顿（A.H.Compton）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干

15、散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它会增加连续谱背底，给衍射成像带来不利的影响，特别是对轻元素。,不相干散射不能参与衍射，它只会使衍射图象背底升高，对衍射分析工作不利；,3、荧光辐射（二次特征辐射）,1)荧光辐射的概念 当具有足够能量的电子从被照物质中击出内层电子时，将产生特征X射线；同理， 当具有足够能量的X射线从被照物质中击出内层电子时，也将产生特征X射线，这种由X射线激发作用而产生的特征辐射称为二次特征辐射。 二次特征辐射在本质上属于光致发光的荧光现象，亦称为荧光辐射。,2）产生条件-激发限 K 为使被照原子能发射二次特征辐射，入射X射线光子的能量必须大于（至少等于）为击出一个K层电子所做的功Wk。 则： Wk = h K=h c / K K、 K分别为K系激发频率和激发限。,4、光电效应,激发二次特征辐射时，入射X射线光子的能量击出K电子, 这种电子称为光电子，这一现象称为光电效应。 产生二次特征辐射时，物质大量吸收入射X射线的能量，宏观上造成强度的大量衰减，此时的吸收称为真吸收。,5、俄歇效应,原子在入射X射线光子或电子的作用下失去K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位时，产生两种效应： (1) 荧光X射线（能级跃迁能量以Xray