醫(yī)用物理學(xué)：第十四章 X 射線

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5／20／2015第十四章激光X射線固體能帶1895年(德國)倫琴用真空放電管研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象：1.肉眼看不見2.使某些物質(zhì)發(fā)熒光3.穿透能力強(qiáng)§14.1

激光一.光的吸收與輻射1916年，愛因斯坦提出三種躍遷：自發(fā)輻射受激吸收自發(fā)輻射系數(shù)受激吸收系數(shù)E2E1自發(fā)輻射受激輻射光波的頻率相位偏振態(tài)無關(guān)全同受激輻射E2E1E2E1受激輻射系數(shù)一般情況下二.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大

受激吸收受激輻射自發(fā)輻射介質(zhì)中的光強(qiáng)

I-kN1IB+kN2IB忽略光強(qiáng)變化實(shí)驗(yàn)表明，在通常溫度下，原子在能級(jí)上的分布是遵守玻耳茲曼分布定律。1.玻耳茲曼分布定律對(duì)于氫原子體系粒子數(shù)正常分布說明一般體系中原子幾乎都處于基態(tài)，受激吸收大于受激輻射。若介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)，光在其中傳播時(shí)有可能得以放大。2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——產(chǎn)生光放大和激光的前提條件★產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)——激活物質(zhì)(亞穩(wěn)態(tài))激勵(lì)激發(fā)態(tài)基態(tài)三能級(jí)結(jié)構(gòu)E2和E1間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)亞穩(wěn)態(tài)激勵(lì)激發(fā)態(tài)基態(tài)亞穩(wěn)態(tài)四能級(jí)結(jié)構(gòu)E3和E2間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激發(fā)態(tài)抽運(yùn)系統(tǒng)——光激勵(lì)，電子碰撞，共振轉(zhuǎn)移3.光在激活物質(zhì)中的增益現(xiàn)象增益介質(zhì)：處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的介質(zhì)。光傳播時(shí)被放大。G

--增益系數(shù)增益介質(zhì)II+dIzdz經(jīng)過介質(zhì)薄層,光強(qiáng)增量為I0I0zoI結(jié)論在增益介質(zhì)內(nèi)，光強(qiáng)I隨傳播距離按指數(shù)增加。三.激光器的基本構(gòu)成激勵(lì)能源增益介質(zhì)諧振腔部分反射鏡(99)諧振腔，增益介質(zhì)，激勵(lì)能源。1.基本構(gòu)成部分全反射鏡2.諧振腔的作用增益介質(zhì)1)限定光的方向沿軸線的光在增益介質(zhì)內(nèi)來回反射，連鎖放大，輸出形成激光。其它方向的光很快逸出諧振腔。2)延長(zhǎng)增益介質(zhì)I0eGLr1I0eGLr1I0e2GLr2r1≤I0增益介質(zhì)r1r2I0e2GL介質(zhì)增益←→光的損耗激光：增益大于損耗可能使若閾值增益系數(shù)——產(chǎn)生激光的閾值條件3)選擇光振蕩的頻率（駐波條件）光在諧振腔內(nèi)來回反射，相干疊加，只有形成駐波的光才能振蕩k=1,2,3,…四.縱模和橫模振蕩縱模（振蕩頻率）縱模間隔vkvk+1vk單模線寬vc通常將由整數(shù)k所表征的腔內(nèi)縱向場(chǎng)分布稱為腔的縱模。1.縱?？v模個(gè)數(shù)N個(gè)縱模輻射線寬(1)使激光按單模輸出，則其單色性由單模線寬決定。討論(2)若輸出光是多模的，其單色性和普通光源一樣由輻射線寬決定。(3)由于每個(gè)縱模的間隔比原子發(fā)光的譜線寬度要窄得多，所以，激光具有很好的單色性，即具有很高的時(shí)間相干性。2.激光的橫模

激光束在橫截面上光強(qiáng)的分布呈現(xiàn)一系列有規(guī)則的圖樣，稱為激光的橫模。激光束橫截面上幾種光斑圖形五.激光的特性與應(yīng)用：1.方向性好與普通光源相比，發(fā)散角極小，激光幾乎是平行光束。分散角<可用于定位，準(zhǔn)直，導(dǎo)向，測(cè)距、激光雷達(dá)等。2.能量在空間高度集中激光器的輸出端面上有極高的亮度。紅寶石激光器輸出功率：，是太陽亮度幾百億倍！可用于精密加工，醫(yī)學(xué)治療，核聚變控制等。3.單色性好普通光譜中氪同位素86燈的單色性最好，氦－氖激光器的單色性為激光的譜線分辨率高，可用于研究原子、分子、晶體等物質(zhì)的能級(jí)和光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)，超精細(xì)結(jié)構(gòu)等。4.相干性好受激輻射所輸出的是頻率、偏振和傳播方向都相同的全同光子。當(dāng)全同光束相遇時(shí)，就有很好的相干性，所產(chǎn)生的干涉條紋非常清晰。全息照片的拍攝：照相底片反射鏡物參考光物光全息圖象的觀察：全息照片照明光C.H.TownesA.M.Prokhorov

湯斯1954年在量子電子學(xué)研究中實(shí)現(xiàn)了氨分子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，研制了微波激射器和激光器；普羅霍洛夫和巴索夫1958年幾乎同時(shí)在量子電子學(xué)的基礎(chǔ)研究中，根據(jù)微波激射器和激光器原理研制了振蕩器和放大器。以上工作導(dǎo)致了激光器的發(fā)明。TheNobelPrizeinPhysics1964B.ZorovN.BloembergenA.L.SchawlowTheNobelPrizeinPhysics1981

肖洛教授將激光應(yīng)用于光譜學(xué)的研究，由此發(fā)展了激光光譜學(xué)的新學(xué)科，對(duì)激光的應(yīng)用做了許多開拓領(lǐng)域的工作；布洛姆伯根教授開創(chuàng)了非線性光學(xué)，在科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用上都具有重要意義。高壓直流電源工作物質(zhì)：氖氣激勵(lì)方式：直流氣體放電電子經(jīng)電場(chǎng)加速后，與He

碰撞。處于激發(fā)態(tài)的He

與Ne

碰撞，把能量傳遞給Ne，使它在亞穩(wěn)態(tài)（3s、2s）和激發(fā)態(tài)（3p、2p）之間形成反轉(zhuǎn)分布。氦氖激光器三.幾種常見的激光器1.氣體激光器紅寶石觸發(fā)高壓直流電源限流電阻2.固體激光器工作物質(zhì)：紅寶石中的Cr+3激勵(lì)能源：脈沖氙燈脈沖氙燈發(fā)出的光照射紅寶石，使得Cr+3在亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)之間形成反轉(zhuǎn)分布。橢圓柱面脈沖氙燈紅寶石激光器3.半導(dǎo)體激光器4.液體激光器新型激光器還有自由電子激光器、準(zhǔn)分子激光器、離子激光器等。激光加工—6KWCO2激光加工機(jī)在進(jìn)行金屬表面涂敷合金粉末的作業(yè)

太陽表面亮度約

103

W·cm-2·sr-1

大功率激光亮度

1010~

1017

W·cm-2·sr-14.高亮度

可用于精密加工，醫(yī)學(xué)，核聚變等。實(shí)驗(yàn)中采用大功率(1014KW)釹玻璃激光器核聚變實(shí)驗(yàn)的六路真空靶室mAD1D2D3D4K220VT2T1220VRX射線管整流電路第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及其性質(zhì)一.X射線的產(chǎn)生X射線管、降壓變壓器T1、升壓變壓器T21.組成：a.X射線管：(核心裝置)硬質(zhì)玻璃管中抽真空陰極：鎢絲，成螺旋狀熔點(diǎn)高，不易蒸發(fā)由低壓電源(5～10v)加熱鎢絲發(fā)出電子陰極陽極：銅制圓柱棒，嵌一塊鎢(鉬)陽極阻止高速電子流——靶陰——陽：加高壓幾萬～幾十萬伏直流高壓陰——陽：通過電流（陰極發(fā)射電子流）管電壓（Kv）管電流（mA）

b.降壓變壓器(T1)：管電流大小由陰極發(fā)射電子數(shù)目決定調(diào)節(jié)電阻：控制鎢絲電流c.升壓變壓器(T2)：調(diào)節(jié)變壓器的匝數(shù)：控制管電壓整流電路：直流高壓2.產(chǎn)生：加熱燈絲電子高速電子流X射線靶受阻產(chǎn)生X射線具備的條件：高速電子流靶要求：1.陽極材料熔點(diǎn)高、耐熱2.有散熱裝置4.X射線機(jī)工作時(shí)間不易過長(zhǎng)3.轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形靶＜1％轉(zhuǎn)換成X射線＞

99％轉(zhuǎn)換成熱二.X射線的性質(zhì)1.貫穿本領(lǐng)：波長(zhǎng)短，能量大，穿透力強(qiáng)穿過脂肪，底片上留下光亮無法穿過骨骼（鈣），底片上留下陰影2.熒光作用：3.感光作用：X熒光感光板感光制作X射線像片增感屏：特制紙板上涂一層鎢酸鈣類物質(zhì)（白色）X射線直接感光板感光（底片）：＜5％有感光作用增感屏感光板感光（底片）：＞

95％有感光作用減少X射線劑量4.電離作用：5.生物作用：三.X射線的強(qiáng)度和硬度1.X射線的強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過垂直射線方向的單位面積的輻射能量單位W/m2頻率為的光子數(shù)目普朗克常數(shù)X射線的頻率改變強(qiáng)度的方法:管電流管電壓2.X射線的硬度：貫穿本領(lǐng)與光子能量有關(guān)取決于管電壓強(qiáng)度:數(shù)量上描述X射線的物理量亮度硬度:質(zhì)量上描述X射線的物理量清晰(表14—1)第二節(jié)X射線譜高速電子靶X射線頻率不同實(shí)驗(yàn)：X射線攝譜儀相對(duì)強(qiáng)度波長(zhǎng)λnm鎢靶X射線譜│Kα0.02│Lγ0.108│Lβ0.128│Lα0.147組成：連續(xù)X射線譜標(biāo)識(shí)X射線譜一.連續(xù)X射線譜高速電子流靶頻率不同X射線各電子運(yùn)動(dòng)軌跡與原子核的距離不等，受力不同各電子損失的能量不同光子的能量不同不同頻率的X射線λ/nm相對(duì)強(qiáng)度50kV40kV30kV20kV0.060.040.02鎢靶連續(xù)X射線譜若電子全部能量光子能量有Emaxλmin（短波極限）管電壓U電子電量e電子具有動(dòng)能:eU極限時(shí):與實(shí)驗(yàn)相符nmKv二.標(biāo)識(shí)X射線譜鎢靶:U為50kV以下，λ為0.02nm附近只有連續(xù)X射線U為70kV以上，λ為0.02nm附近出現(xiàn)四條譜線U繼續(xù)升高，λ為0.02nm附近出現(xiàn)的四條譜線位置不變0.010.020.030.04λ/nm200kV150kV100kV650.0179nm0.0184nm0.0208nm0.0213nm相對(duì)強(qiáng)度鎢的k系標(biāo)識(shí)線0鎢靶標(biāo)識(shí)X射線譜高速電子與靶材料內(nèi)層電子作用,一部分能量給內(nèi)層電子使內(nèi)層電子從原子中脫出，內(nèi)層空出一個(gè)位置●KLMNO若K層電子被轟出，空一位置會(huì)被L、M、N、O等外層電子填充若L層電子被轟出，空一位置

Kα

Kβ

Kγ組成K系會(huì)被M，N，O等外層電子填充

Lα

Lβ

Lγ組成L系離核越遠(yuǎn)，ΔE越小，K系波長(zhǎng)小于L系波長(zhǎng)譜線波長(zhǎng)位置與靶材料有關(guān)標(biāo)識(shí)X射線譜并發(fā)出一個(gè)光子并發(fā)出一個(gè)光子標(biāo)識(shí)X射線產(chǎn)生原理圖標(biāo)識(shí)X射線譜:在醫(yī)學(xué)上無用、多余、有害，應(yīng)濾掉。

第三節(jié)物質(zhì)對(duì)X射線的吸收一.吸收規(guī)律X射線物質(zhì)X射線強(qiáng)度減弱原因：一部分光子吸收后能量轉(zhuǎn)化為其它形式能量實(shí)驗(yàn)表明：一部分光子改變?cè)较颚蹋赫恚壕€性吸收系數(shù)L：物質(zhì)的厚度I：指數(shù)規(guī)律衰減μ越大，X射線在物質(zhì)中被吸收越多，衰減越快μ越小，X射線在物質(zhì)中被吸收越少，衰減越慢μL：物質(zhì)的吸收值人體：μ1μ2μ3μnIoI二.吸收系數(shù)對(duì)同一物質(zhì)：質(zhì)量吸收系數(shù)X射線物質(zhì)X射線強(qiáng)度減少一半時(shí)的厚度：半價(jià)層適用于：?jiǎn)紊玐射線醫(yī)學(xué)應(yīng)用：討論(1)(2)Z值大，吸收本領(lǐng)大肌肉：碳、氫、氧，μm小，透視時(shí)亮骨骼：磷酸鈣，μm大，透視時(shí)陰影腸胃：用鋇鹽，μm大（Z=56），透視時(shí)陰影移動(dòng)利于觀察λ長(zhǎng)，越易吸收λ短，穿透力強(qiáng)X射線λ長(zhǎng)λ短物質(zhì)λ短越來越硬：X射線的硬化三.物質(zhì)吸收X射線的微觀機(jī)理1.光電吸收X光子物質(zhì)中原子能量傳給原子的內(nèi)層電子電子脫離原子●hυ●●●●●●●●標(biāo)識(shí)X射線譜

2.散射吸收X光子與原子中束縛較緊的電子碰撞:X光子改變方向，能量不損失X光子與原子中束縛不緊的電子碰撞:X光子改變方向，能量一部分傳給電子●●hυ反沖電子3.電子對(duì)吸收X光子能量大于兩個(gè)電子靜止能量時(shí)X光子與原子核場(chǎng)作用:生成電子對(duì)X光子能量：一部分轉(zhuǎn)化成兩個(gè)電子靜止質(zhì)量一部分轉(zhuǎn)化成兩個(gè)電子的動(dòng)能正電子：在物質(zhì)中不穩(wěn)定正負(fù)電子結(jié)合能量相同，飛行方向相反的兩個(gè)光子電子對(duì)湮滅

兩個(gè)光子將經(jīng)過光電吸收或散射吸收失去能量微觀：與原子碰撞，失去動(dòng)能后與電子結(jié)合μ=τ+σ+π一維晶體點(diǎn)陣形成的勢(shì)能函數(shù)曲線EPr+++++§14.3固體的能帶一.周期性勢(shì)場(chǎng)和電子的共有化r以鈉為例，分析價(jià)電子在Na+的電場(chǎng)中的勢(shì)能特點(diǎn)。E+dE

電子能量E低，穿過勢(shì)壘概率小，共有化程度低；

電子能量E高，穿過勢(shì)壘概率大，共有化程度高。固體主要指晶體。電子在晶體中作共有化運(yùn)動(dòng)，處在三維周期性勢(shì)場(chǎng)中二.能帶和能帶中電子的分布1.能帶的形成每個(gè)原子具有相同能量的價(jià)電子能級(jí)因原子間相互作用，原價(jià)電子的能級(jí)分裂成一系列和原能級(jí)很接近的新能級(jí)電子共有化晶體中這些能級(jí)相距很近，可視為連續(xù)分布，則稱能帶。2.能