演示文稿射線的性質(zhì)

演示文稿射線的性質(zhì)當(dāng)前第1頁\共有42頁\編于星期四\8點2023/6/4（優(yōu)選）射線的性質(zhì)當(dāng)前第2頁\共有42頁\編于星期四\8點1.1引言

1895年德國物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了一種新型的輻射，肉眼看不見，可使照相底片感光，并有很強的穿透力。X射線的本質(zhì)、它與物質(zhì)相互作用的基木原理己被深人研究，并在科學(xué)研究、醫(yī)療與技術(shù)工程上獲得廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的設(shè)備和方法也在不斷的發(fā)展中。當(dāng)前第3頁\共有42頁\編于星期四\8點4兩個重要人物：倫琴（W.C.R?ntgen）勞埃（M.vonLaue）1895年倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了X射線。1912年勞埃發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象。當(dāng)前第4頁\共有42頁\編于星期四\8點當(dāng)前第5頁\共有42頁\編于星期四\8點1.2X射線的本質(zhì)X射線屬于電磁波或電磁輻射具有粒子性和波動性特點波長為10-8cm，與晶體的晶格常數(shù)同一數(shù)量級當(dāng)前第6頁\共有42頁\編于星期四\8點X射線和可見光相比，其波長比可見光短，介于紫外線與γ射線之間，約為10－2到102埃的范圍。頻率大約是可見光的103倍，所以它的光子能量比可見光的光子能量大得多，表現(xiàn)明顯的粒子性。由于X射線波長短，光子能量大的兩個基本特性。當(dāng)前第7頁\共有42頁\編于星期四\8點X射線以光子的形式輻射和吸收時具有質(zhì)量、能量、動量波長短，能量和動量大，穿透能力強X射線的波動性表現(xiàn)在干涉和衍射X射線的粒子性表現(xiàn)與物質(zhì)相互作用交換能量當(dāng)前第8頁\共有42頁\編于星期四\8點9

用于晶體結(jié)構(gòu)分析的X射線波長：

0.25~0.05nm（硬X射線）

金屬零件的無損探傷：

0.1~0.005nm

用于醫(yī)學(xué)透視及安檢的X射線波長則很長：

1~100nm（軟X射線）當(dāng)前第9頁\共有42頁\編于星期四\8點1.3X射線的產(chǎn)生及X射線管X射線是由高速運動著的帶電（或不帶電）粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的產(chǎn)生自由電子；電子定向高速運動；設(shè)置使其突然減速的障礙物X射線管——帶冷卻水的大燈泡當(dāng)前第10頁\共有42頁\編于星期四\8點X射線管實際上是一只真空二極管，它有兩個電極：作為陰極的用于發(fā)射電子的燈絲（鎢絲）和作為陽極的用于接受電子轟擊的靶（又稱對陰極）。X射線管供電部分至少包含有一個使燈絲加熱的低壓電源和一個給兩極施加高電壓的高壓發(fā)生器。由于總是受到高能量電子的轟擊，陽極還需要強制冷卻。當(dāng)燈絲被通電加熱至高溫時（達(dá)2000℃），大量的熱電子產(chǎn)生，在極間的高壓作用下被加速，高速轟擊到靶面上。高速電子到達(dá)靶面，運動突然受阻，其動能部分轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，以X射線的形式放出，這種形式產(chǎn)生的輻射稱為軔致輻射。當(dāng)前第11頁\共有42頁\編于星期四\8點轟擊到靶面上電子束的總能量只有極小一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線能，靶面發(fā)射的X射線能量與電子束總能量的比率ε可用下面的近似公式表示：ε=1.1×10－9ZV式中Z為靶材組成元素的原子序數(shù)，V為X射線管的極間電壓（又稱管電壓），以伏特為單位。例如對于一只銅靶的X射線管，在30KV工作時，ε=0.1%，而一只鎢靶的X射線管在100KV條件下工作時，也不過ε=0.8%?？梢奨射線管產(chǎn)生X射線的能量效率是十分低的，但是，目前X射線管仍是最實用的發(fā)生X射線的器件。

因為轟擊靶面電子束的絕大部分能量都轉(zhuǎn)化為熱能，所以，在工作時X射線管的靶必須采取水冷（或其他手段）進(jìn)行強制冷卻，以免對陰極被加熱至熔化，受到損壞。也是由于這個原故，X射線管的最大功率受到一定限制，決定于陽極材料的熔點、導(dǎo)熱系數(shù)和靶面冷卻手段的效果等因素。同一種冷卻結(jié)構(gòu)的X射線管的額定功率，因靶材的不同是大不相同的。例如，銅靶（銅有極佳的導(dǎo)熱性）和鉬靶（鉬的熔點很高）的功率常為相同結(jié)構(gòu)的鐵、鈷、鉻靶的兩倍。當(dāng)前第12頁\共有42頁\編于星期四\8點當(dāng)前第13頁\共有42頁\編于星期四\8點在晶體衍射實驗中，常用的X射線管按其結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點可分為三種類型：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(dá)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。3.轉(zhuǎn)靶式管——這種管采用一種特殊的運動結(jié)構(gòu)以大大增強靶面的冷卻，即所謂旋轉(zhuǎn)陽極X射線管，是目前最實用的高強度X射線發(fā)生裝置。管子的陽極設(shè)計成圓柱體形，柱面作為靶面，陽極需要用水冷卻。工作時陽極圓柱以高速旋轉(zhuǎn)，這樣靶面受電子束轟擊的部位不再是一個點或一條線段而是被延展成陽極柱體上的一段柱面，使受熱面積展開，從而有效地加強了熱量的散發(fā)。所以，這種管的功率能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過前兩種管子。對于銅或鉬靶管，密封式管的額定功率，目前只能達(dá)到2KW左右，而轉(zhuǎn)靶式管最高可達(dá)90KW。當(dāng)前第14頁\共有42頁\編于星期四\8點1.4X射線譜由X射線管所得到的X射線，按其特征可以分成兩部分：連續(xù)光譜和特征光譜，后者只與靶的組成元素有關(guān)。當(dāng)前第15頁\共有42頁\編于星期四\8點16連續(xù)X射線譜

●

X射線強度隨波長連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)X射線譜。●

連續(xù)譜受管電壓U，管電流i和陽極靶材的原子序數(shù)Z的作用，其相互關(guān)系見圖：●

連續(xù)譜的總強度決定于上述U、i、Z三因素：圖1圖2●X射線波長從一最小值短波限λSWL向長波方向伸展當(dāng)前第16頁\共有42頁\編于星期四\8點17●連續(xù)譜的形成及存在短波限的量子力學(xué)解釋：在管電壓U作用下，電子到達(dá)陽極靶時動能為eU，若一個電子在與陽極靶碰撞時，把全部能量都給予一個光子，這就是一個光子所可能獲得的最大能量，即hνmax=eU，此光量子的波長即為短波限λSWL，如果一個電子射入物質(zhì)后在發(fā)生有效碰撞（產(chǎn)生光量子）之前速度有所降低，則碰撞產(chǎn)生光量子的能量就會減小。由于多種因素使得發(fā)生有效碰撞的電子速度可以從零到初速連續(xù)的取值，因而出現(xiàn)了連續(xù)光譜，其波長自λm開始向長波方向伸展。連續(xù)光譜的短波限λSWL只決定于X射線管的工作高壓。當(dāng)前第17頁\共有42頁\編于星期四\8點X射線的強度是指垂直于X射線傳播方向的單位面積上單位時間內(nèi)光量子數(shù)目能量的總和。強度由光子的能量和光子的數(shù)目決定最大值不在λm，而在1.5λm選用重金屬靶并施以高電壓

當(dāng)前第18頁\共有42頁\編于星期四\8點19當(dāng)加于X射線管兩端的電壓增高到與陽極靶材相應(yīng)的某一特定值UK時，在連續(xù)譜的某些特定的波長位置會出現(xiàn)一系列強度峰，峰窄而尖銳。它們的波長對一定材料的陽極靶有嚴(yán)格恒定的數(shù)值，此波長可作為陽極靶材的標(biāo)志或特征。故稱為特征譜或標(biāo)識譜。特征譜的波長不受管電壓、管電流的影響，只決定于陽極靶材元素的原子序數(shù)。Mo靶35kV1.4.2特征X射線譜

當(dāng)前第19頁\共有42頁\編于星期四\8點20

特征X射線產(chǎn)生的機理經(jīng)典原子模型原子內(nèi)的電子分布在一系列量子化的殼層上。最內(nèi)層（K層）能量最低。圖陰極射出的電子流轟擊到靶面，如果能量足夠高，靶內(nèi)一些原子的內(nèi)層電子會被轟出，使原子處于能級較高的激發(fā)態(tài)當(dāng)前第20頁\共有42頁\編于星期四\8點K層電子被擊出稱為K激發(fā)態(tài)，L層電子被擊出稱為L激發(fā)態(tài)，依次類推。圖1.6b表示的是原子的基態(tài)和K、L、M、N等激發(fā)態(tài)的能級圖，原子的激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，壽命不超過10-8秒，此時內(nèi)層軌道上的空位將被離核更遠(yuǎn)軌道上的電子所補充，從而使原子能級降低，這時，多余的能量便以光量子的形式輻射出來。當(dāng)前第21頁\共有42頁\編于星期四\8點圖1.6a描述了上述激發(fā)機理。處于K激發(fā)態(tài)的原子，當(dāng)不同外層的電子（L、M、N…層）向K層躍遷時放出的能量各不相同，產(chǎn)生的一系列輻射統(tǒng)稱為K系輻射。基于上述機制產(chǎn)生的X射線，其波長只與原子處于不同能級時發(fā)生電子躍遷的能級差有關(guān)，而原子的能級是由原子結(jié)構(gòu)決定的，因此，這些有特征波長的輻射將能夠反映出原子的結(jié)構(gòu)特點，我們稱之為特征光譜。

當(dāng)前第22頁\共有42頁\編于星期四\8點23X射線輻射過程.swf當(dāng)前第23頁\共有42頁\編于星期四\8點莫塞萊定律

K——與靶材物質(zhì)主量子數(shù)有關(guān)的常數(shù)

α——屏蔽常數(shù)，與電子所在的殼層位置有關(guān)

當(dāng)前第24頁\共有42頁\編于星期四\8點25●

原子內(nèi)層電子被擊出而造成空位是產(chǎn)生特征輻射的前提。●

而欲擊出靶材原子內(nèi)層電子，比如K層電子，由陰極射來的電子的動能就必須大于（至少等于）K層電子與原子核的結(jié)合能EK，或K電子逸出所做的功WK，即eUK=-EK=WK，這個UK便是陰極電子擊出靶材原子K電子所需的臨界激發(fā)電壓。MgKLM入射電子二次電子（自由電子）MgKβ光子MgKα光子★特征X射線的產(chǎn)生條件中為什么存在一個臨界激發(fā)電壓UK？當(dāng)前第25頁\共有42頁\編于星期四\8點26★特征譜的強度隨管電壓（U）和管電流（i）的提高而增大，其關(guān)系的實驗公式如下：I特＝K3i(U-Un)m★另外，X射線連續(xù)譜只增加衍射花樣的背底，不利于衍射花樣分析，因此總希望特征譜線強度與連續(xù)譜線強度之比越大越好。實踐和計算表明，當(dāng)工作電壓為K系激發(fā)電壓的3～5倍時，I特/I連最大。U≈(3~5)

UK當(dāng)前第26頁\共有42頁\編于星期四\8點當(dāng)X射線與物質(zhì)相遇時，會產(chǎn)生一系列效應(yīng)，這是X射線應(yīng)用的基礎(chǔ)。德國物理學(xué)家倫琴在發(fā)現(xiàn)X射線時就觀察到它有可見光與其無法比擬的穿透力，可使熒光物質(zhì)發(fā)光，可使氣體或其它物質(zhì)電離。能量轉(zhuǎn)化：散射能量E1，吸收能量E2，透過物質(zhì)E31.5X射線與物質(zhì)的相互作用當(dāng)前第27頁\共有42頁\編于星期四\8點28

照射到物質(zhì)上的X射線，除一部分可能沿原入射線束方向透過物質(zhì)繼續(xù)向前傳播外，其余的，在與物質(zhì)相互作用的復(fù)雜物理過程中被衰減吸收，其能量轉(zhuǎn)換和產(chǎn)物可歸納于后圖。1.5X射線與物質(zhì)的相互作用圖當(dāng)前第28頁\共有42頁\編于星期四\8點29

物質(zhì)對X射線的散射主要是電子與X射線相互作用的結(jié)果。物質(zhì)中的核外電子有兩大類，相應(yīng)產(chǎn)生兩種散射效應(yīng)。

●相干散射coherentscattering（彈性散射或湯姆遜散射）

——經(jīng)典散射當(dāng)X射線與原子中受核束縛較緊的內(nèi)層電子相撞時，電子受X射線電磁波的影響而繞其平衡位置發(fā)生受迫振動，于是變加速振動著的電子便以自身為中心，向四周輻射新的電磁波，其波長與入射X射線波長相同，且彼此間有確定的周相關(guān)系?？梢园l(fā)生相互干涉，故稱相干散射。

相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)。1.5.1X射線的散射當(dāng)前第29頁\共有42頁\編于星期四\8點30●

非相干散射incoherentscattering

（康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)）

——量子散射當(dāng)X射線光子與原子中受束縛力弱的電子（如原子中的外層電子、自由電子等）發(fā)生碰撞時，電子被撞離原子并帶走光子的一部分能量而成為反沖電子。光子損失了能量波長變長并改變了2θ角，不能產(chǎn)生干涉效應(yīng)，故叫非相干散射。根據(jù)能量和動量守恒定律，推出Δλ=λ’-λ=0.00243(1-cos2θ)=0.00486sin2θ當(dāng)前第30頁\共有42頁\編于星期四\8點當(dāng)前第31頁\共有42頁\編于星期四\8點1.5.2X射線的吸收射線穿過物質(zhì)之后，強度會衰減。前面已經(jīng)指出，這是因為X射線同物質(zhì)相互作用時經(jīng)歷各種復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，從而引起各種效應(yīng)轉(zhuǎn)化了入射線的部分能量。如下圖所示：

當(dāng)前第32頁\共有42頁\編于星期四\8點實驗證明，X射線穿透物質(zhì)后的強度衰減與射線在物質(zhì)中經(jīng)過的距離成正比。假設(shè)入射線的強度為I0，進(jìn)入一塊密度均勻的吸收體，在x處時其強度為Ix，當(dāng)通過厚度dx時強度的衰減為dI，定義μl為X射線通過單位厚度時被吸收的比率，則有：-dI/Ix=μldx考慮邊界條件并進(jìn)行積分，則得：Ix=I0e-μx式中μl稱為線衰減系數(shù)，x為試樣厚度。當(dāng)前第33頁\共有42頁\編于星期四\8點衰減至少應(yīng)被視為物質(zhì)對入射線的散射和吸收的結(jié)果，系數(shù)μ應(yīng)該是這兩部分作用之和。但由于因散射而引起的衰減遠(yuǎn)小于因吸收而引起的衰減，故通常直接稱μ為線吸收系數(shù)，而忽略散射的部分。當(dāng)前第34頁\共有42頁\編于星期四\8點352.質(zhì)量吸收系數(shù)

為了避開線吸收系數(shù)隨吸收體物理狀態(tài)不同而改變的困難，可以用μl/ρ代替μl，ρ為吸收物質(zhì)的密度，這樣：μm

=μl/ρ稱質(zhì)量吸收系數(shù)（單位為cm2·g-1），表示單位重量物質(zhì)對X射線的吸收程度。質(zhì)量吸收系數(shù)與波長λ和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z存在函數(shù)關(guān)系：當(dāng)前第35頁\共有42頁\編于星期四\8點

對于非單質(zhì)元素組成的復(fù)雜物質(zhì)，如固溶體、金屬間化合物等，其質(zhì)量吸收系數(shù)決定于各組元的質(zhì)量吸收系數(shù)mi及各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)i

。當(dāng)前第36頁\共有42頁\編于星期四\8點37注意，隨波長的降低，μm并非呈連續(xù)的變化，而是在某些波長位置上突然升高，出現(xiàn)了吸收限。（右圖）這種帶有特征吸收限的吸收系數(shù)曲線稱為該物質(zhì)的吸收譜。二、X射線的真吸收1.光電效應(yīng)

當(dāng)入射X射線光量子的能量等于或略大于吸收體原子某殼層電子的結(jié)合能時，此光量子就很容易被電子吸收，獲得能量的電子從內(nèi)層逸出成為自由電子，稱光電子，原子則處于相應(yīng)的激發(fā)態(tài)。這種光子擊出電子的現(xiàn)象即為光電效應(yīng)。此效應(yīng)消耗大量入射能量，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突增，對應(yīng)的入射波長即為吸收限。當(dāng)前第37頁\共有42頁\編于星期四\8點382.熒光X射線（二次特征X射線）3.俄歇（Auger）效應(yīng)一次特征X射線的一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗丈湮镔|(zhì)的二次特征輻射，體現(xiàn)出物質(zhì)對入射X射線的吸收。該吸收非常強烈，吸收系數(shù)變化參見后圖。010.swf當(dāng)前第38頁\共有42頁\編于星期四\8點當(dāng)前第39頁\共有42頁\編于星期四\8點40熒光輻射：當(dāng)入射X射線（光量子）的能量等于或略大于被