第一章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1-1X射線的本質(zhì)；

1-2X射線的產(chǎn)生；

1-3X射線譜；

1-4X射線與物質(zhì)相互作用；

1-5X射線的探測與防護；

第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

偉大的物理學(xué)家,X射線發(fā)明者------倫琴1895年德國物理學(xué)家---“倫琴”發(fā)現(xiàn)X射線1895-1897年倫琴搞清楚了X射線的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分性質(zhì)1901年倫琴獲諾貝爾獎1912年勞埃進行了晶體的X射線衍射實驗1.1X射線的本質(zhì)X射線最早的應(yīng)用在X射線發(fā)現(xiàn)后幾個月醫(yī)生就用它來為病人服務(wù)右圖是紀(jì)念倫琴發(fā)現(xiàn)X射線100周年發(fā)行的紀(jì)念封X射線的性質(zhì)

人的肉眼看不見X射線，但X射線能使氣體電離，使照相底片感光，能穿過不透明的物體，還能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光。X射線呈直線傳播，在電場和磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)穿過物體時僅部分被散射。X射線對動物有機體（其中包括對人體）能產(chǎn)生巨大的生理上的影響，能殺傷生物細胞。1912年，德國物理學(xué)家勞厄（M.vonLaue）以其創(chuàng)造性的實驗發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體上的衍射（X-raydiffraction），從而證明了X射線是光的一種，有其波動性；同時又證實了晶體結(jié)構(gòu)的周期性。

X射線的本質(zhì)

X射線也是電磁波的一種，波長在10－8cm左右

1912年、勞厄(M．V．Laue)

X射線的本質(zhì)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。波動性

X射線的波長范圍：0.001~10nm

在X射線金屬學(xué)中，常用的波長約0.25—0.05nm之間用于材料探傷的X射線波長在0.1-0.005nm之間表現(xiàn)形式：在晶體作衍射光柵觀察到的X射線的衍射現(xiàn)象，即證明了X射線的波動性。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(xué)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(guān)系為：1nm=10?=10-9m1kX=1.002056±0.000005?。粒子性特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時具有的一定的質(zhì)量、能量和動量。表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。光電效應(yīng)的解釋（1905年）EinsteinX射線的頻率ν、波長λ以及其光子的能量ε、動量p之間存在如下關(guān)系：

式中h——普朗克常數(shù)，等于6.625×10-34

J.s;c——X射線的速度，等于2.998×1010cm/s.波粒二象性是x射線的客觀屬性德普羅依提出，世界上所有運動物質(zhì)都具有波粒二象性X射線是載有能量的，在單位時間內(nèi)，通過垂直于其傳播方向的單位截面的能量大小稱為強度，以波動形式描述，強度與波的振幅平方成正比，常用的單位是Jcm－2s－1。按粒子形式表示，強度是通過截面的光量子流率?？臻g任意一點，波的強度與粒子在該點出現(xiàn)的幾率成正比，因而波粒二象性在強度這一點上是統(tǒng)一的。1-2X射線的產(chǎn)生(1)產(chǎn)生原理；(2)產(chǎn)生條件；

(3)過程演示；

(4)X射線管；

(5)其它X射線裝置。

產(chǎn)生原理

高速運動的電子與物體碰撞時，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運動受阻失去動能，其中一小部分（1％左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。X射線管是直接發(fā)射X射線的裝置，按其獲得電子的方式分為兩種基本類型：一種是借助于高壓電場內(nèi)少量的氣體發(fā)生的電離產(chǎn)生電子，稱為離子式X射管（又叫冷陰極）；另一種是借助于加熱陰極燈絲發(fā)射電子，稱為電子式X射線管，又叫熱陰極X射線管，前者較原始，現(xiàn)已經(jīng)基本淘汰，現(xiàn)在普遍使用的幾乎全是電子式X射線管，電子式分為封閉式和可拆式兩種，一般用封閉式。產(chǎn)生條件1．產(chǎn)生自由電子的電子源，如加熱鎢絲發(fā)射熱電子；2．使電子作高速定向運動，施加在陰極和陽極之間的高壓，用以加速自由電子朝陽極靶方向加速運動，如高壓發(fā)生器3．在電子運動路徑上設(shè)置自由電子撞擊靶子，如陽極靶，用以產(chǎn)生X射線；4．將陰陽極封閉在的高真空中，保持兩極潔凈。

X射線管的結(jié)構(gòu)

封閉式X射線管實質(zhì)上就是一個大的真空

二極管?；窘M成包括：

(1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。2000℃～2500℃Cr,Fe,Co,Ni,Cu，Mo，Zr，陰極電壓U幾十千伏；管電流i:幾十毫安；功率一般為4KW，利用轉(zhuǎn)靶技術(shù)可以達到12KW，18KW。

聚焦罩100－400伏(2)陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。(3)窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。鈹片，硼酸玻璃構(gòu)成的林德曼玻璃(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(fā)射出X射線。（1mm×10mm）

（0.08mm×10mm）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射線管剖面示意圖過程演示

X射線管

1.X射線管的結(jié)構(gòu)；如圖；

2.特殊構(gòu)造的X射線管；

3.市場上供應(yīng)的種類。

特殊構(gòu)造的X射線管

(1)細聚焦X射線管；（0.3mm×3mm）

（0.2mm×2mm）,（0.1mm×1mm）,5.4kW,3kW,1.2kW.

(2)旋轉(zhuǎn)陽極X射線管。旋轉(zhuǎn)陽極

上述常用X射線管的功率為500～3000W。目前還有旋轉(zhuǎn)陽極X射線管、細聚焦X射線管等。因陽極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束轟擊部位不斷改變，故提高功率也不會燒熔靶面。目前有100kW的旋轉(zhuǎn)陽極，其功率比普通X射線管大數(shù)十倍。

旋轉(zhuǎn)陽極市場上供應(yīng)的種類

(1)密封式燈絲X射線管；(2)可拆式燈絲X射線管。壽命：W沉積在陽極，管子漏氣，陰極燈絲燒壞1.可拆式管——這種X射線管在動真空下工作，配有真空系統(tǒng)，使用時需抽真空使管內(nèi)真空度達到10－5毫帕或更佳的真空度。不同元素的靶可以隨時更換，燈絲損壞后也可以更換，這種管的壽命可以說是無限的。2.密封式管——這是最常使用的X射線管，它的靶和燈絲密封在高真空的殼體內(nèi)。殼體上有對X射線“透明”的X射線出射“窗孔”。靶和燈絲不能更換，如果需要使用另一種靶，就需要換用另一只相應(yīng)靶材的管子。這種管子使用方便，但若燈絲燒斷后它的壽命也就完全終結(jié)了。密封式X射線管的壽命一般為1000—2000小時，它的報廢往往并不是與因燈絲損壞，而是由于靶面被熔毀或因受到鎢蒸氣及管內(nèi)受熱部分金屬的污染，致使發(fā)射的X射線譜線“不純”而被廢用。加速器中可以引出X射線加速器中可以引出X射線

加速器中可以引出X射線美國阿貢國家實驗室（ArgonneNationalLaboratory）

1-3X射線譜

X射線譜指的是X射線的強度I隨波長λ變化的關(guān)系曲線由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種類型：(1)連續(xù)X射線：

連續(xù)x射線譜的強度是隨波長的變化而連續(xù)變化。

(2)特征標(biāo)識X射線：在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上產(chǎn)生波長一定，強度很高的譜線。連續(xù)X射線具有連續(xù)波長的X射線，構(gòu)成連續(xù)X射線譜，它和可見光相似，亦稱多色X射線。產(chǎn)生機理；管流，管壓；短波限；X射線的強度。產(chǎn)生機理

能量為eU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(chǎn)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(nèi)到達陽極靶面的電子數(shù)目是極大量的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，因此出現(xiàn)連續(xù)X射線譜。短波限

連續(xù)X射線譜在短波方向有一個波長極限，稱為短波限λ0.它是由光子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線。它只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。相互關(guān)系為：式中e——電子電荷，1.602x10-19

庫侖；U——電子通過兩極時的電壓降；h——普朗克常數(shù)，等于6.626X10-34J.SX射線的強度

X射線的強度是指垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時間內(nèi)所通過的光子數(shù)的能量總和。常用的單位是J/cm2.s.X射線的強度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個因素決定的,即I=nhv.連續(xù)X射線強度最大值在1.5λ0,而不在λ0處。連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強度。也是陽極靶發(fā)射出的X射線的總能量。實驗證明，I與管電流、管電壓、陽極靶的原子序數(shù)存在如下關(guān)系：且X射線管的效率為:式中，Z為陽極靶原子序數(shù)，i為管電流（mA），U為管電壓（KV）α=1.1～1.4x10-9

。例如：鎢靶：Z＝74U＝100KV

＝1％X射線譜--------特征X射線譜當(dāng)管電壓超過某臨界值時，特征譜才會出現(xiàn)，該臨界電壓稱激發(fā)電壓。當(dāng)管電壓增加時，連續(xù)譜和特征譜強度都增加，而特征譜對應(yīng)的波長保持不變。鉬靶X射線管當(dāng)管電壓等于或高于20KV時，則除連續(xù)X射線譜外，位于一定波長處還疊加有少數(shù)強譜線。在連續(xù)譜的基礎(chǔ)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。

鉬靶X射線管在35KV電壓下的譜線，其特征x射線分別位于0.63?和0.71?處，后者的強度約為前者強度的五倍。這兩條譜線稱鉬的K系

標(biāo)識X射線的特征

當(dāng)電壓達到臨界電壓時，標(biāo)識譜線的波長不再變，強度隨電壓增加。如鉬靶K系標(biāo)識X射線有兩個強度高峰為Kα和Kβ，波長分別為0.71A和0.63A.產(chǎn)生機理

標(biāo)識X射線譜的產(chǎn)生機理與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。原子系統(tǒng)內(nèi)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(dāng)某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時，于是在低能級上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識X射線譜。元素特征X射線的激發(fā)機理圖0中性原子高速電子原子核M殼層L殼層K殼層K殼層電子L殼層電子Lα1Kα1Kα2KβWKWLWMWNKα2Kα1LIIIIIIK態(tài)(K電子去除)L態(tài)(L電子去除)M態(tài)(M電子去除)N態(tài)(N電子去除)價電子去除Kβ輻射Kα原子能量K激發(fā)L激發(fā)MNMαLα(a)(b)產(chǎn)生機理：與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)是緊密相關(guān)的,從原子物理學(xué)知道：原子中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。各能級中電子的運動狀態(tài)由四個量子數(shù)所確定。泡利不相容原理：在一個原子中不能有兩個或更多的電子處在完全相同的狀態(tài)（即它們四量數(shù)完全相同）（電子都盡量向能量低的能級上分布，但每個能級都容納的電子數(shù)有限，泡利不相容）所謂量子數(shù)：表征微觀粒子運動狀態(tài)的一些特定數(shù)字，電子在原子中的運動可用四個量子數(shù)表示：主量子數(shù)：n＝1、2、3……正整數(shù)，它是確定電子能量的主要量子數(shù)。KLMNOPQ角量子數(shù)：L＝0、1、2……n－1正整數(shù)，它表示電子的軌道動量矩。SPDF軌道方向量子數(shù)ml＝l、l-1、…..0….-l磁量子數(shù)：正負整數(shù)，它表示電子軌道動量矩在空間某一方向上的分量。自旋量子數(shù)ms：只能取1/2,-1/2,它表示電子自旋動量矩在這一空間方向上的分量。具有不同量子數(shù)就具有不同能量K系激發(fā)機理

K層電子被擊出時，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級電子向K層空位填充時產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時，產(chǎn)生Kα輻射；M層電子填充空位時產(chǎn)生Kβ輻射。躍遷還要遵守選擇定則。由能級可知Kβ輻射的光子能量大于Kα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Kα的強度約為Kβ的5倍。K1和K2射線的強度比約為2：1，當(dāng)用原子序數(shù)較高的金屬作陽極靶時，除去K系射線外，還可得到L，M等系的特征X射線。產(chǎn)生K系激發(fā)要陰極電子的能量eUk至少等于擊出一個K層電子所作的功Wk。Uk就是激發(fā)電壓。特征X射線譜

n=1234567(KLMNOPQ),LK,MKK譜線.ML,NLL譜線.

等角標(biāo),LKMKNK標(biāo)以KKK

K

<

K<

K.能級差并不均勻分布,愈靠近原子核相鄰能級間的能量差愈大.所以同一靶材K系譜線波長最短由不同外層上的電子躍遷到同一內(nèi)層上來而輻射出來的特征譜線屬于同一線系,以內(nèi)層的標(biāo)號作為譜線的標(biāo)號,并按電子所跨越的電子能級數(shù)目為順序.分別標(biāo)以

。電子具有的能量n主量子數(shù)、h普朗克常數(shù)Z原子序數(shù)m電子質(zhì)量e電子電量屏蔽常數(shù)

在原子中，電子從高能級向低能級躍遷時釋放能量，這種能量就是以標(biāo)識X射線譜線出現(xiàn)。

由愛因斯坦公式:＝h＝hc/1/=/hc里德伯常數(shù)令莫塞萊定律

標(biāo)識X射線譜的波長λ與原子序數(shù)Z關(guān)系為：令標(biāo)識X射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。且存在如下關(guān)系：莫塞萊定律：標(biāo)識X射線的強度特征

K系標(biāo)識X射線的強度與管電壓、管電流的關(guān)系為：K2,n為常數(shù)，n=1.5~1.7，當(dāng)I標(biāo)/I連最大，工作電壓為K系激發(fā)電壓的3~5倍時，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。幾種常用陽極靶材料的特征譜參數(shù)

陽極靶元素

原子序數(shù)ZK系特征譜波長（埃）

U（KV）≈(3-5)UK

Kα1Kα2Kα＊

KβCr242.289702.293062.291002.0848720-25Fe261.9360421.9399801.9373551.7566125-30Co271.7889651.7928501.7902621.6207930Ni281.6579101.6617471.6591891.50013530-35Cu291.5405421.5443901.5418381.39221835-40Mo420.7093000.7135900.7107300.63228850-551-4X射線與物質(zhì)相互作用

X射線與物質(zhì)相互作用時，產(chǎn)生各種不同的和復(fù)雜的過程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線通過物質(zhì)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(zhì)繼續(xù)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(guī)律；

吸收限的應(yīng)用；

X射線的折射；總結(jié)

。X射線的散射

X射線被物質(zhì)散射時，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：相干散射；非相干散射。相干散射物質(zhì)對X射線的彈性散射主要是物質(zhì)中原子核束縛力很大的電子（如原子內(nèi)層電子）與X射線的光子相碰撞而產(chǎn)生彈性衍射時光子的方向改變了，但所具有的能量沒有改變。于是產(chǎn)生了波長不變的散射。電子在X射線電場的作用下，產(chǎn)生了強迫震動。每個受迫振動的電子便成為新的電磁波源向空間各方向輻射電磁波。如果散射波的波長和頻率與入射波相同，這些新的電磁波之間可發(fā)生干涉作用，所以把這種散射現(xiàn)象稱為相干散射。相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)，這一點以后還要討論。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。

當(dāng)X射線光與受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而成為反沖電子，光子也偏離原來的方向，碰撞后的光子能量減少，即：由于這兩種X射線，故它們是不相干的，叫做非相干衍射。波長的改變與傳播方向存在如下的關(guān)系：

h普朗克常數(shù)；cX射線速度；me電子靜止質(zhì)量，2散射線與入射線間的夾角。非相干散射是康普頓（A.H.Compton）和我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應(yīng)。非相干散射突出地表現(xiàn)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(xù)背影（sin/）。給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。非相干散射X射線的吸收

物質(zhì)對X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質(zhì)時轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗。物質(zhì)對X射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。這個過程中發(fā)生X射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。光電效應(yīng)；

俄歇效應(yīng)。

光電效應(yīng)當(dāng)一個由足夠能量的光子從原子內(nèi)部擊出電子時，同樣會發(fā)生電子激發(fā)原子時類似的輻射過程，產(chǎn)生標(biāo)識X射線。這種以光子激發(fā)原子所發(fā)生的電子被擊出和輻射過程稱為光電效應(yīng)。被擊出的電子稱為光電子。所輻射的X射線稱為熒光射線（或二次標(biāo)識X射線）。激發(fā)K系熒光輻射時，X射線光電子的能量必須大于或等于擊出一個K層電子所作的功W：從激發(fā)光電效應(yīng)的角度講，稱k為激發(fā)限，從X射線吸收角度講，可以把稱k為吸收極限。而只有當(dāng)X射線的波長達到或小于k時才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，使X射線的能量被吸收。在一般的衍射工作中，熒光X射線增加衍射花樣的背影。是有害的因素。因此不希望它出現(xiàn)。而在X射線熒光光譜分析中。則要利用熒光X射線進行分析工作。因此希望得到盡可能多強的熒光射線。俄歇效應(yīng)如果原子在入射的X射線光子的作用下，失去一個K層電子。當(dāng)外層電子如一個L2層電子填充這個空位后存在一個能量差。這個能量可以兩種方式釋放出來：一種是產(chǎn)生熒光輻射；另一種是這個能量使另一個核外電子脫離原子成為自由電子，產(chǎn)生二次電離，這就是俄歇效應(yīng)。X射線的衰減規(guī)律

當(dāng)一束X射線通過物質(zhì)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(jīng)過物質(zhì)中的距離成正比。式為比例常數(shù)與入射線波長及吸收物質(zhì)和其狀態(tài)有關(guān)，稱為該物體對入射線的線衰減系數(shù)。μm稱為質(zhì)量衰減系數(shù)，表示單位質(zhì)量物質(zhì)對入射線強度的衰減程度。

質(zhì)量衰減系數(shù)μm

表示單位重量物質(zhì)對X射線強度的衰減程度。質(zhì)量衰減系數(shù)與波長和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系：K為常數(shù)μm隨λ的變化是不連續(xù)的，其間被尖銳的突變分開。突變對應(yīng)的波長為λK吸收限。

波長減小到時、質(zhì)量吸收系數(shù)產(chǎn)生一個突變(增大)，這是由于入射線光子能量k達到了激發(fā)該元素K層電子的數(shù)值，從而大量地被吸收或消耗在這種激發(fā)上面，并同時引起特征輻射。發(fā)生突變吸收的波長k為吸收限，其值由k＝1．24／V