X射线的性质及其应用

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1、X射线的性质及其应用摘要 X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1896年、放射线1896 年、电子1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生X射线的发现为诸多科学领域 提供了一种行之有效的研究手段.X射线的发现和研究，对20世纪以来的物理学以至整个科 学技术的发展产生了巨大而深远的影响，对人们的生活长生巨大的影响，在今后也有极广泛 的应用.关键词X射线1. X射线的发现在早期，人们对X射线还没有一个准确的认识，大多数科学家也没有注意到 他们的发现，物理学家希托夫观察到真空管中的阴极发出的射线，当这些射 线遇到玻璃管壁会产生荧光.1876年这种射线被命名为阴极射线随后

2、， 英国物理学家克鲁克斯研究稀有气体里的能量释放，并且制造了克鲁克斯管， 即早期的X射线管.这是一种玻璃真空管，内有可以产生高电压的电极他还 发现，当将未曝光的相片底片靠近这种管时，一些部分被感光了，但是他没 有继续研究这一现象.1887年4月，尼古拉特斯拉开始使用自己设计的高 电压真空管与克鲁克斯管研究X光.他发明了单电极X光管，在其中电子穿过 物质，发生了现在叫做韧致辐射的效应，生成高能X光射线.1892年特斯拉 完成了这些实验，但是他并没有使用X光这个名字，而只是笼统成为放射 能.1892年赫兹进行实验，提出阴极射线可以穿透非常薄的金属箔.赫兹的学 生伦纳德进一步研究这一效应，对很多金属

3、进行了实验亥姆霍兹则对光的电 磁本性进行了数学推导.1895年11月8日德国科学家伦琴开始进行阴极射线的研究.1895年12 月28日他完成了初步的实验报告“一种新的射线” 他把这项成果发布在 维尔茨堡s Physical-Medical Society 杂志上.为了表明这是一种新的射线，伦 琴采用表示未知数的X来命名.很多科学家主张命名为伦琴射线，伦琴自己坚 决反对，但是这一名称仍然有人使用.1901年伦琴获得诺贝尔物理学奖1895年爱迪生研究了材料在X光照射下发出荧光的能力，发现钨酸钙最 为明显.1896年3月爱迪生发明了荧光观察管，后来被用于医用X光的检验.然而1903年爱迪生终止了自己

4、对X光的研究.因为他公司的一名玻璃工人喜 欢将X光管放在手上检验，得上了癌症，尽管进行了截肢手术仍然没能挽回 生命.1906年物理学家贝克勒耳发现X射线能够被气体散射，并且每一种元 素有其特征X谱线.2. X射线的产生及性质产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶撞击过程中，电 子突然减速，其损失的动能会以光子形式放出，形成 X光光谱的连续部分， 称之为制动辐射通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属 原子的内层电子撞出于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同 时放出波长在0.1纳米左右的光子由于外层电子跃迁放出的能量是量子化 的，所以放出的光子的波长也集中在某些部

5、分，形成了 X光谱中的特征线， 此称为特性辐射此外，高强度的X射线亦可由同步加速器或自由电子雷射产生同步辐射 光源，具有高强度、连续波长、光束准直、极小的光束截面积并具有时间脉 波性与偏振性，因而成为科学研究最佳之X光光源产生X射线的方法很多，主要有产生X射线的方式主要有以下四种：X射 线管、激光等离子体、同步辐射和X射线激光2.1 X射线管X射线管是利用高速电子撞击金属靶面产生X射线的电子器件，分为充 气管和真空管两类.1895年伦琴发现X射线时使用的克鲁克斯管就是最早的 充气X射线管2.2激光等离子体光源激光等离子体光属于价格便宜、易于操作的光源，可以用于X射线显微术， 象电子扫描显微镜一

6、样作为实验室的常规分析工具其基本原理是：当高强度 （10141015 W/cm2）激光脉冲聚焦打在固体靶上时，靶的表面迅速离化形成 高温高密度的等离子体，进而发射X射线它是一种具有足够辐射强度的独立 点光源，所用泵浦激光器主要有Nd:YAG，钕玻璃和KrF等.X射线发射与靶材 料有关，由于溅射残屑可能损伤和污染光学系统和样品，若用气体靶代替固 体靶可以避免残屑问题因此，需要进一步研究开发有效的、高重复频率工作 的、不产生残屑的激光等离子体X射线光源 2.3同步辐射当速度接近光速的带电粒子在磁场中作圆周运动时，会沿着偏转轨道切 线方向发射连续谱的电磁波.1947年人类在电子同步加速器上首次观测到

7、这 种电磁波，并称其为同步辐射，后来又称为同步辐射光同步辐射最初是作为 电子同步加速器的有害物而加以研究的，后来成为一种从红外到硬 X射线范 围内有着广泛应用的高性能光源同步辐射光源是开展凝聚态物理、材料科 学、生命科学、资源环境及微电子技术等多学科交叉前沿研究的重要平台同步辐射光源的主体是电子储存环，30多年来已经历了三代的发展第一 代同步辐射光源的电子储存环是为高能物理实验而设计的，只是“寄生”地 利用从偏转磁铁引出的同步辐射光，故又称“兼用光源”；第二代同步辐射 光源的电子储存环则是专门为使用同步辐射光而设计的，主要从偏转磁铁引 出同步辐射光；第三代同步辐射光源的电子储存环对电子束发射度

8、和大量使 用插入件进行了优化设计，使电子束发射度比第二代小得多，同步辐射光的 亮度大大提咼，如加入波荡器等插入件可引出咼亮度、部分相干的准单色光 同步辐射光具有频谱宽且连续可调（具有从远红外、可见光、紫外直到X射线范围内的连续光谱）、亮度高（第三代同步辐射光源的 X射线亮度是X光机的上亿倍）、高准直度、高偏振性、高纯净性、窄脉冲、精确度高以及高稳定性、高通量、微束径、准相干等独特的性能Diamond Straw PlanCtiiiSlide red for y&ar 1Surface x-ray|gdiffraction # # X F jrjF| X-ray p-scopyI07 /XSW,

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11、1994年，美国利弗莫 尔实验室用世界上功率最大的激光器的3000焦激光能量泵浦钇靶，产生了波 长15.5纳米的饱和X射线激光.1996年底，中国旅英青年学者张杰领导的联 合研究组，在英国卢瑟福实验室利用多路激光器轰击钐靶，在泵浦能量仅为 150焦的情况下，成功地获得了波长为7.3纳米的X射线激光饱和增益输出， 为在“水窗”波段实现增益饱和输出的X射线激光带来了巨大的希望X射线的性质:(1) 物理性质. 穿透作用：X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸 收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力.X射线穿透物质的能 力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的

12、能量越大，穿透力越强.X 射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来. 电离作用：物质受X射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电离利用 电离电荷的多少可测定X射线的照射量，根据这个原理制成了 X射线测量仪器. 在电离作用下，气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应. 荧光作用:X射线波长很短不可见，但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，可使物质发生荧光(可见光或紫外线)，荧光的强弱与 X射线量成正比.这种作用是X射线应用于透视的基础，利用这种荧光作用可制 成荧光屏，用作透视时观察X射线通过人体组织的影像，

13、也可制成增感屏，用作 摄影时增强胶片的感光量. 热作用.物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能，使物体温度升高.干涉、衍射、反射、折射作用.这些作用在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用.(2) .X射线的化学效应感光作用.X射线同可见光一样能使胶片感光.胶片感光的强弱与X射线量成正 比，当X射线通过人体时，因人体各组织的密度不同，对X射线量的吸收不同， 胶片上所获得的感光度不同，从而获得X射线的影像.着色作用.X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，可使其结 晶体脱水而改变颜色.(3) .X射线的生物效应X射线照射到生物机体时，可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机

14、 体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变不同的生物细胞，对X射线 有不同的敏感度，可用于治疗人体的某些疾病，特别是肿瘤的治疗（右图为治疗 肿瘤的X刀）.在利用X射线的同时，人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工 作人员视力障碍，白血病等射线伤害的问题，在应用X射线的同时，也应注意其 对正常机体的伤害，注意采取防护措施.X射线的特征是波长非常短，频率很高，其波长约为（200.06 ）X10-10 米之间具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、 木料等由公式E=hV及E二-hcZ2/n2，电磁波的波长越短，即频率越高，其能n量越高，因此X射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两

15、个能级之间的跃迁 而产生的，X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光 谱则是外层的电子跃迁时发射出来的X射线与光的性质差不多，在一定条件下能产生干涉与衍射效应，X射线 的干涉原理如图所示，三片等厚的单晶硅等距离排列，X射线以角0入射单 晶硅，n入=2dsin0，d为晶格间距，入为射线波长当晶体A相对于其他两 块晶体移动时，输出光的强度会按照周期性正弦规律变化，且晶体每移动一 个晶格间距，输出光强变化一个周期通过计算接收信号的周期数，乘以相应 的晶面间距即可得到晶体移动的微位移的大小3.X射线的应用X射线可激发荧光、使气体电离、使感光乳胶感光，故X射线可用电离计、 闪烁计数器和感光乳胶片等检测晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍 射作用，X射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段.X 射线具有很强的穿透力，医学上常用作透视检查，工业中用来探伤医学上常用作辅助检查方法之一医用诊断X线机，X射线成像是基于待成 像物体各组成部分组织的密度不同，因而对X射线的衰减不同，从而形成透射X 射线强度差异，导致在乳胶片上成像的。作为接受器的平板荧光屏，将出射的X 射线能量转换为可见光。由于屏