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1、,3.1 射线的分类 3.2 X射线 3.3r射线 3.4两种射线的比较 3.5 中子射线,3.工业射线检测中的射线,3.1 射线的分类,射线（辐射）种类,辐射，即通常所称的射线 从它与物质互作用引起的电离情况可分为两类： （致）电离辐射 非（致）电离辐射 电离辐射 任何与物质作用，直接作用或间接作用可引起物质电离的辐射称为电离辐射，不能引起物质电离的辐射称为非电离辐射。 电离辐射包括直接致电离粒子、间接致电离粒子,射线（辐射）种类,直接致电离粒子如电子、射线、质子、粒子等带电粒子 间接致电离辐射如X射线和射线，它们与物质作用时能释放直接致电离粒子或引起原子核变化。 非电离辐射 非（致）电离辐
2、射：红外线、微波等，能量较低,射线（辐射）种类,按带电性质 射线可分为带电粒子和中性辐射， 带电粒子又可分为快电子和重带电粒子（如质子、粒子以及其他重带电离子，他们都具有一个或多个原子质量单位并具有一定能量）。 中性辐射又可分为电磁辐射和中子辐射（通常在自发裂变和核反应中产生）。,射线（辐射）种类,其它叫法: 电磁辐射 能量子为光子。电磁辐射与物质的相互作用是光子与物质的相互作用。 粒子辐射 各种粒子射线，如粒子、质子、中子、电子等。 粒子与物质的相互作用，不同粒子特性不同，作用机制、过程不同。 光子与一般基本粒子的本质区别：光子的静止质量为0，运动时才有质量，速度越大质量越大。,3.2 X射
3、线,主要内容,X射线的发现及其性质 X射线的产生 X射线的量和质 X射线谱 连续谱的产生及特点 特征谱的产生及特点 莫色莱定律 X射线与伽马射线性质比较,3.2.1 X射线的发现,1895年德国物理学家-“伦琴”发现X射线 1895-1897年伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分性质 1901年伦琴获诺贝尔物理奖,首位诺贝尔物理奖获得者,X、射线是电磁波，与其它电磁波的区别在于波长不同及产生方法不同。 X射线波长在108cm左右，射线波长更短。 波长越短，频率越高。,X、射线的波长,=c/,波粒二象性,波动特性 衍射 干涉 反射 粒子特性 劳厄衍射实验 特征表现为以光子形式辐射和吸收
4、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；二次电子等。,其他性质,本身不带电，不受电场和磁场的影响 穿透性：射线光子的能量大，贯穿本领强。穿透程度与射线的波长，吸收物质的性质有关。波长一定的射线对不同的物质有不同的穿透能量。 电离作用：当射线照射到物质后，构成物质的原子的最外层电子被光子冲击而脱离原子，使原子成为阳离子。 感光作用：射线能引起化学反应，使照相底片感光。 荧光作用：射线照射某些化学物质，如硫化锌等，可以发出黄绿色或蓝紫色光，停止照射，荧光消失。 生物效应：生物体在射线照射下，能损害组织细胞，抑制细胞生长，甚至使细胞坏死。,X射线的本质,X
5、射线是电磁波。 量子理论认为X射线是一种量子和光子组成的粒子流。爱因斯坦认为光是光量子流，简称光子。,能量,动量,3.2.2 X射线产生,X射线的产生过程,X射线管的阴极灯丝通过电流，被加热到2000。C以上后发射电子，这些电子聚集在灯丝附近。当X射线管的阳极和阴极之间的空间后撞击到阳极靶上。通过韧致辐射，电子的一部分动能转化为X射线，从X射线窗口辐射出来。电子的大部分动能传给了阳极靶(99左右, 1左右能量转变为X射线) ，使它迅速升温。,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,3.2.3 X射线的量和质
6、,X射线的强度 单位时间内，通过垂直于射线传播方向上单位面积的X射线光子的能量。 常用管电流大小代表X射线的强度；用管电流毫安数与辐射时间的乘积来衡量总辐射的能量。单位：mA.s X射线的硬度 X射线的穿透本领，表示X射线的质。它取决于X射线光子能量的大小。对于一定的吸收物质，X射线被吸收越少则穿透量越多，X射线就越硬。 常用管电压的kV数来衡量X射线的硬度。,3.2.4 X射线光谱,X射线谱 描述X射线强度与波长的关系曲线 X射线光谱由二部分构成： 连续谱(韧致辐射,刹车辐射）是由波长连续变化的谱线构成。连续谱所构成的X射线称为白色X射线(与电压有关)，是由电子的动能直接转化而来。 线状谱(
7、标识谱、特征谱)是由谱线分立的线状谱线构成。分立谱所构成的X射线称为特征X射线(与靶金属材料有关)是由电子的动能间接转化而来。,典型光谱图,（钨靶） （钼靶） 钨靶与钼靶射线管的射线谱,典型光谱图,钼靶射线谱,(1 )连续X射线谱,根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。,量子力学解释,韧致辐射 带电粒子与原子(原子核的库仑场)相碰撞发生骤然减速时伴随产生的辐射 X射线光谱呈连续分布的原因 当大量
8、高速运动的电子撞击靶时，电子撞击前速度各不相同，相撞时减速过程也各不相同。有些电子经一次撞击就失去全部动能，而大部分电子经过多次制动逐步丧失动能，使能量转换过程中所发生的电磁辐射可以具有各种波长。,连续谱的特点,连续谱线的强度随波长变化而变化，在某波长上有一强度极大值。 存在短波波长极限，它与靶物质种类无关，仅与加速电压有关。 当电压增大时各种波长的强度随之增大，曲线的极大值向短波方向移动。(碰撞次数和辐射光子能量增高) 管电压相同时，不同材料金属靶的连续谱线的强度随其原子序数的增加而增强。 最大强度对应的波长,量子极限,假设高速电子撞击靶时，电子能量中有p部分消耗于阳极各种不同过程的激发作用
9、。,(量子极限),意义：解决了经典理论无法解释最短波长的困难。,连续X射线谱的总强度,总强度的计算 库伦坎普弗（Kulenkampff）经验公式 代入积分 其中 i-管电流，mA Z-靶物质的原子序数 V-管电压，kV Ki-系数 (1.11.4)10-6,强度最大波长,最大强度X射线的波长，对经验公式微分，并令其等于0，即令，得到,所以连续X射线谱中的强度最大值并不在 光子能量最大的,处，而是在大约1.5,射线强度平方反比定律,结论：空间任意一点的射线强度与该点到射线源的 距离平方成反比。 空间距离射线源F处的射线强度为,平方反比定律：,实测剂量与管电流关系,实测剂量与管电流关系,实测剂量与
10、管电压关系,实测剂量与管电压关系,提高总强度方法,提高管电流-单位时间撞击靶的电子数增多 提高管电压-电子加速后能量增大，碰撞时能量转换过程增多 靶材料原子序数越高，核库仑场越强，韧致辐射作用越强,强度与管电压、管电流和靶物质原子序数关系,X射线管的转换效率,X射线管的效率，是指电子流能量中用于产生X射线的百分数， 即 随着原子序数Z的增加，X射线管的效率提高，但即使用原子序数大的钨靶，在管压高达100kv的情况下，X射线管的效率也仅有1左右，99的能量都转变为热能。,连续X射线强度的空间分布,薄靶周围X射线强度的角分布 当管电压升高时，X射线最大强度方向逐渐趋向电子束的入射方向，X射线的强度
11、分布趋于集中。 厚靶的X射线空间分布 “足跟”效应(阳极效应)：愈靠近阳极，沿管长轴分布的X射线强度下降得愈多。,连续X射线强度的空间分布,阳极效应（侧倾效应） 从左图可以看出，30辐射角强度最大，阴极侧比阳极侧强度高，但由于阴极侧射线中包含着较多的软射线成分，所以对具有一定厚度的试件照相，阴极侧部位的底片并不比阳极侧更黑，利用阴极侧射线照相也并不能缩短多少时间。,(2) 特征X射线,也称为标识谱、荧光辐射 在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的强度很大的线状谱线。 特征X射线谱的产生只依赖于阳极靶材料，与管电压、管电流无关。,特征谱的产生机理解释,原子的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分
12、布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的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，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识 X射线谱。,如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出L层，称L激发，其余依此类推。 产生K激发的能量为WKhK，阴极电子的能量必须满足eVWKhK，才能产生K激发。其临界值为eVKWK，VK称之临界激发电压。 当管电压(大于临界激发电压)增加时，连续谱和特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长保持不变。,特征谱的产生机理解释,特征辐射的激发机理,特征谱产生条件,产生空穴，使原子电离
13、 产生空穴的方法：高能电子束，质子束，离子束： e-x 用电子产生空穴，电子x荧光分析。 p-x 用质子产生空穴，质子x荧光分析。 I-x 用离子产生空穴，离子x荧光分析。 X-x 用x射线产生空穴， x荧光分析。 外层电子跃入空穴 发射x射线,特征谱波长,按量子理论所释放的能量以光量子(X射线或可见光)的形式辐射出去。若有一N轨道电子跃迁到K轨道，则辐射波长 若 比较小 辐射可见光(原子外层电子跃迁时发生) 较大 辐射X射线(原子内层电子跃迁时发生),特征谱线的标记方法,不同系射线 K系X射线：任何电子跳到K层时产生的X射线。 L系X射线：任何电子(外层)跳到L层时产生的X射线。 在每一系(
14、如K系)X射线里 谱线(即 线)：凡从相邻层(L到K层)跳来的。 谱线(即 线)：凡从隔层(M到K层)跳来的。 原子轨道能级不连续，产生的特征X射线也是不连续。,特征谱线的标记方法,图3-6 Cd(Z=48) X射线能级图,特征谱线的标记方法,X射线谱-特征X射线谱,钼靶X射线管当管电压等于或高于20KV时，则除连续X射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱线，它们即特征X射线谱。 钼靶X射线管在35KV电压下的谱线，其特征x射线分别位于0.63和0.71处，后者的强度约为前者强度的五倍。这两条谱线称钼的K系。,特征谱的特点,特征谱所对应的波长与外加电压无关。 各元素的特征X射线谱有相似的结构
15、，但各元素的特征X射线的能量值(或波长)各不相同。 每一谱线都有特定的波长，电子撞击的物质不同，这些特定波长的值也不同。特征谱只与靶元素有关，不同元素制成的靶具有不同的线状谱。 特征x射线也被用来作为元素的标识。,特征谱的特点,特征谱可分为若干组，称为系，每一系的谱线都有自己的特定结构和激发电压，只有电子的加速电压超过激发电压时才能产生该系的特征谱线。 当管电压小于K系激发电压而大于L系激发电压时，不产生K系X射线而产生L系X射线，同时伴随M系、N系等系X射线。 产生KX射线的阈能大于KX射线本身的能量,特征X射线的强度,特征X射线的强度随管电流和管电压变化，K系X射线强度为 谱线强度在某一电
16、压下达到最大，然后下降。当管电压高于激发电压10-20倍时，电子深入阳极内部，产生的射线被阳极大量吸收，特征谱强度下降。,N取值在1.5-2内，管电压不超过激发电压3-4倍。,特征谱的作用,注意：在工业射线检测中，标识谱不起作用。 用途： 特征X射线可用来作为元素的标识，材料成分分析，如X射线荧光光谱分析。,3.2.5 莫色莱定律,特征X射线谱的频率(或波长)只与阳极靶物质的原子结构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固有特性。19131914年莫色莱发现物质发出的特征谱的相似谱线波长与它本身的原子序数间存在以下关系 对K线，莫塞莱得到经验方式,莫色莱定律,b与Z相比很小，可以认为它只随谱线系而定即K系(无论K,K),b1，L系：b7.4 原子实的概念：可认为莫塞莱定律的来源。外
