1、理學類射線的物理學基礎第1頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四 2-1 X射線的本質； 2-2 X射線的產生； 2-3 X射線譜； 2-4 X射線與物質相互作用； 2-5 X射線的探測與防護； 返回第2頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四2-1 X射線的本質X射線的本質是電磁輻射，與可見光完全相同，僅是波長短而已，因此具有波粒二像性。(1)波動性;(2)粒子性。相關習題： 第3頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四波動性X射線的波長范圍： 0.01100 表現形式：在晶體作衍射光柵觀察到的X射線的衍射現象，即證明了X射線的波動性。

2、第4頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四硬X射線：波長較短的硬X射線能量較高，穿透性較強，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（）或晶體學單位（kX）表示；通用的國際計量單位中用納米（nm）表示，它們之間的換算關系為： 1nm=10 = m 1kX=1.00207720.000053A (1973年值)。第5頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四粒子性特征表現為以光子形式輻射和吸收時具有的一定的質量、能量和動量。表現形式為在與物質相互作用時交換能量

3、。如光電效應；二次電子等。X射線的頻率、波長以及其光子的能量、動量p之間存在如下關系： 式中h普朗克常數，等于6.625 J.s; cX射線的速度，等于2.998 cm/s. 第6頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四相關習題： 1.試計算波長0.71A（Mo-K）和1.54A（Cu- K）的X射線束，其頻率和每個量子的能量？ 解答第7頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四2-2 X射線的產生(1)產生原理；(2)產生條件； (3)過程演示； (4) X射線管； (5)其它X射線裝置。 第8頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四產生原

4、理 高速運動的電子與物體碰撞時，發生能量轉換，電子的運動受阻失去動能，其中一小部分（1左右）能量轉變為X射線，而絕大部分（99左右）能量轉變成熱能使物體溫度升高。第9頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四產生條件1.產生自由電子；2.使電子作定向的高速運動;3.在其運動的路徑上設置一個障礙物使電子突然減速或停止。第10頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四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（回車鍵演示）過程演示第11頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四 X射線管 1.X射線管的結構；圖1

5、-2； 2.特殊構造的X射線管； 3.市場上供應的種類。 第12頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四 X射線管的結構 封閉式X射線管實質上就是一個大的真空（ ）二極管。基本組成包括： (1)陰極：陰極是發射電子的地方。 (2)陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發射X射線的地方。第13頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四(3)窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。 (4)焦點：焦點是指陽極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發射出X射線。 第14頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四特殊構造的X射線管； (1)細聚焦X射線管；

6、 (2)旋轉陽極X射線管。 第15頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四市場上供應的種類 (1)密封式燈絲X射線管； (2)可拆式燈絲X射線管.第16頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四2-3 X射線譜 由X射線管發射出來的X射線可以分為兩種類型：(1)連續X射線； (2)標識X射線。 第17頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四連續X射線具有連續波長的X射線，構成連續X射線譜，它和可見光相似，亦稱多色X射線。產生機理； 演示過程； 短波限； X射線的強度。 第18頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四產生機理

7、能量為eV的電子與陽極靶的原子碰撞時，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產生一個能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。單位時間內到達陽極靶面的電子數目是極大量的，絕大多數電子要經歷多次碰撞，產生能量各不相同的輻射，因此出現連續X射線譜。第19頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四K態（擊走K電子）L態（擊走L電子）M態（擊走M電子）N態（擊走N電子）擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量連續X射線產生過程電子沖擊陽級靶X射線射出演示過程（ 回車鍵演示）第20頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四短波限 連續X射線譜在短波方

8、向有一個波長極限，稱為短波限0.它是由光子一次碰撞就耗盡能量所產生的X射線。它只與管電壓有關，不受其它因素的影響。相互關系為： 式中e電子電荷，等于 靜電單位； V電子通過兩極時的電壓降（靜電單位）； h普朗克常數，等于 相關習題：第21頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四相關習題試計算用50千伏操作時，X射線管中的電子在撞擊靶時的速度和動能，所發射的X射線短波限為多少？第22頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四X射線的強度 X射線的強度是指行垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時間內所通過的光子數目的能量總和。 常用的單位是J/cm2.s.X射線的

9、強度I是由光子能量hv和它的數目n兩個因素決定的,即I=nhv.連續X射線強度最大值在1.50,而不在0處。第23頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四連續X射線譜中每條曲線下的面積表示連續X射線的總強度。也是陽極靶發射出的X射線的總能量。圖1-7實驗證明，I與管電流、管電壓、陽極靶的原子序數存在如下關系： 且X射線管的效率為:第24頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四標識X射線 是在連續譜的基礎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。 1.標識X射線的特征 ;2.產生機理 ;3.過程演示 ;4.K系激發機理 ;5.莫塞

10、萊定律； 6.標識X射線的強度特征。 第25頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四標識X射線的特征 當電壓達到臨界電壓時，標識譜線的波長不再變，強度隨電壓增加。如鉬靶K系標識X射線有兩個強度高峰為K和K，波長分別為0.71A和0.63A.第26頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四產生機理 標識X射線譜的產生相理與陽極物質的原子內部結構緊密相關的。原子系統內的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個能級。在電子轟擊陽極的過程中，當某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內層電子擊出時，于是在低能級上出現空位，系統能量升高，處于不穩定激發態。較高能級上的電

11、子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標識X射線譜。第27頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四K態（擊走K電子）L態（擊走L電子）M態（擊走M電子）N態（擊走N電子）擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量標識X射線產生過程K激發L激發Ka輻射K輻射L輻射過程演示（任意鍵演示）第28頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四K系激發機理 K層電子被擊出時，原子系統能量由基態升到K激發態，高能級電子向K層空位填充時產生K系輻射。L層電子填充空位時，產生K輻射；M層電子填充空位時產生K輻射。第29頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，

12、星期四由能級可知K輻射的光子能量大于K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K的強度約為K的5倍。產生K系激發要陰極電子的能量eVk至少等于擊出一個K層電子所作的功Wk。Vk就是激發電壓。第30頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四莫塞萊定律 標識X射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質的原子能級結構，是物質的固有特性。且存在如下關系：莫塞萊定律：標識X射線譜的波長與原子序數Z關系為：第31頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四標識X射線的強度特征 K系標識X射線的強度與管電壓、管電流的關系為：當I標/I連最大，工作電壓為K系激發電壓的

13、35倍時，連續譜造成的衍射背影最小。第32頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四2-4 X射線與物質相互作用 X射線與物質相互作用時，產生各種不同的和復雜的過程。就其能量轉換而言，一束X射線通過物質時，可分為三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透過物質繼續沿原來的方向傳播。X射線的散射 ；X射線的吸收 ；X射線的衰減規律； 吸收限的應用； X射線的折射；總結 。第33頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四X射線的散射 X射線被物質散射時，產生兩種現象：相干散射；非相干散射。第34頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四相干散射物質

14、中的電子在X射線電場的作用下，產生強迫振動。這樣每個電子在各方向產生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發生的干涉現象稱為相干散射。第35頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四非相干散射 X射線光子與束縛力不大的外層電子 或自由電子碰撞時電子獲得一部分動能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長增加。非相干散射是康普頓（）和我國物理學家吳有訓等人發現的，亦稱康普頓效應。非相干散射突出地表現出X射線的微粒特性，只能用量子理論來描述，亦稱量子散射。它會增加連續背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。第36頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分

15、，星期四X射線的吸收 物質對X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質時轉變為其它形式的能量，X射線發生了能量損耗。物質對X射線的吸收主要是由原子內部的電子躍遷而引起的。這個過程中發生X射線的光電效應和俄歇效應。光電效應； 俄歇效應。 第37頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四光電效應以X光子激發原子所發生的激發和輻射過程。被擊出的電子稱為光電子，輻射出的次級標識X射線稱為熒光X射線。產生光電效應，X射線光子波長必須小于吸收限k。第38頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四俄歇效應原子在入射X射線光子或電子的作用下失掉K層電子，處于K激發態；當L層電子填充

16、空位時，放出E-E能量，產生兩種效應：(1) 熒光X射線；(2) 產生二次電離，使另一個核外電子成為二次電子俄歇電子。第39頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四X射線的衰減規律 當一束X射線通過物質時，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強度衰減。衰減的程度與所經過物質中的距離成正比。式第40頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四質量衰減系數m 表示單位重量物質對X射線強度的衰減程度。質量衰減系數與波長和原子序數Z存在如下近似關系： K為常數m隨的變化是不連續的其間被尖銳的突變分開。突變對應的波長為K吸收限。第41頁，共49頁，2022年，5月20日，

17、16點44分，星期四吸收限的應用 吸收限主要是由光電效應引起的：當X射線的波長等于或小于時光子的能量E到擊出一個K層電子的功W，X射線被吸收，激發光電效應。使m突變性增大。吸收限與原子能級的精細結構對應。如L系有三個副層，有三個吸收限。第42頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四濾波片的選擇: (1)它的吸收限位于輻射源的K和K 之間，且盡量靠近K 。強烈吸收K，K吸收很小；(2)濾波片的以將K強度降低一半最佳。 Z靶40時 Z濾片=Z靶-2；陽極靶的選擇:（1）陽極靶K波長稍大于試樣的K吸收限；（2）試樣對X射線的吸收最小。 Z靶Z試樣+1。第43頁，共49頁，2022年

18、，5月20日，16點44分，星期四 X射線的折射 X射線從一種介質進入另一種介質產生折射，折射率M非常接近1,M約為0.999990.999999 。 第44頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四X射線與物質相互作用的總結熱能透射X射線衰減后的強度I0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俄歇效應 光電效應第45頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四2-5 X射線的探測與防護 （1)X射線的探測；（2）X射線的安全防護。 第46頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四X射線的探測熒光屏法； 照相法； 輻射探測器法：X射線光子對氣體和某些固態物質的電離作用可以用來檢查X射線的存在與否和測量它和強度。按照這種原理制成的探測X射線的儀器電離室和各種計數器。工作原理在第7章介紹。第47頁，共49頁，2022年，5月20日，16點44分，星期四X射線的安全防護X射線設備的操作人員可能遭受電震和輻射損