理學(xué)類X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1、關(guān)于理學(xué)類X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)第一張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 2-1 X射線的本質(zhì)； 2-2 X射線的產(chǎn)生； 2-3 X射線譜； 2-4 X射線與物質(zhì)相互作用； 2-5 X射線的探測(cè)與防護(hù)； 返回第二張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2-1 X射線的本質(zhì)X射線的本質(zhì)是電磁輻射，與可見光完全相同，僅是波長(zhǎng)短而已，因此具有波粒二像性。(1)波動(dòng)性;(2)粒子性。相關(guān)習(xí)題： 第三張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月波動(dòng)性X射線的波長(zhǎng)范圍： 0.01100 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(dòng)性。第四張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月硬X

2、射線：波長(zhǎng)較短的硬X射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，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(zhǎng)較長(zhǎng)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(zhǎng)的度量單位常用埃（）或晶體學(xué)單位（kX）表示；通用的國(guó)際計(jì)量單位中用納米（nm）表示，它們之間的換算關(guān)系為： 1nm=10 = m 1kX=1.00207720.000053A (1973年值)。第五張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月粒子性特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時(shí)具有的一定的質(zhì)量、能量和動(dòng)量。表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時(shí)交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。X射線的頻率、波長(zhǎng)以及其光子的能量、動(dòng)量p之間存在如下關(guān)系

3、： 式中h普朗克常數(shù)，等于6.625 J.s; cX射線的速度，等于2.998 cm/s. 第六張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月相關(guān)習(xí)題： 1.試計(jì)算波長(zhǎng)0.71A（Mo-K）和1.54A（Cu- K）的X射線束，其頻率和每個(gè)量子的能量？ 解答第七張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2-2 X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。 第八張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月產(chǎn)生原理 高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)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)

4、變成熱能使物體溫度升高。第九張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月產(chǎn)生條件1.產(chǎn)生自由電子；2.使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng);3.在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物使電子突然減速或停止。第十張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月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）過程演示第十一張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 X射線管 1.X射線管的結(jié)構(gòu)；圖1-2； 2.特殊構(gòu)造的X射線管； 3.市場(chǎng)上供應(yīng)的種類。 第十二張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 X射線管的結(jié)構(gòu) 封閉式X射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大的真空（ ）二極管。基本組成包括： (1)

5、陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。 (2)陽(yáng)極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。第十三張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(3)窗口：窗口是X射線從陽(yáng)極靶向外射出的地方。 (4)焦點(diǎn)：焦點(diǎn)是指陽(yáng)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。 第十四張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月特殊構(gòu)造的X射線管； (1)細(xì)聚焦X射線管； (2)旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管。 第十五張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月市場(chǎng)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.第十六張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2-3 X射線譜 由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種

6、類型：(1)連續(xù)X射線； (2)標(biāo)識(shí)X射線。 第十七張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)X射線具有連續(xù)波長(zhǎng)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(jī)理； 演示過程； 短波限； X射線的強(qiáng)度。 第十八張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月產(chǎn)生機(jī)理 能量為eV的電子與陽(yáng)極靶的原子碰撞時(shí)，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(gè)能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽(yáng)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。第十九張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月K態(tài)（擊走K電

7、子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M(jìn)電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價(jià)電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量連續(xù)X射線產(chǎn)生過程電子沖擊陽(yáng)級(jí)靶X射線射出演示過程（ 回車鍵演示）第二十張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月短波限 連續(xù)X射線譜在短波方向有一個(gè)波長(zhǎng)極限，稱為短波限0.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，等于 靜電單位； V電子通過兩極時(shí)的電壓降（靜電單位）； h普朗克常數(shù)，等于 相關(guān)習(xí)題：第二十一張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月相關(guān)習(xí)題試計(jì)算用50千伏操作時(shí)，X射線管中的電子在撞擊靶時(shí)的速度和動(dòng)能，所發(fā)

8、射的X射線短波限為多少？第二十二張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月X射線的強(qiáng)度 X射線的強(qiáng)度是指行垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。 常用的單位是J/cm2.s.X射線的強(qiáng)度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個(gè)因素決定的,即I=nhv.連續(xù)X射線強(qiáng)度最大值在1.50,而不在0處。第二十三張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月連續(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(qiáng)度。也是陽(yáng)極靶發(fā)射出的X射線的總能量。圖1-7實(shí)驗(yàn)證明，I與管電流、管電壓、陽(yáng)極靶的原子序數(shù)存在如下關(guān)系： 且X射線管的效率為:第二十四張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月標(biāo)識(shí)X

9、射線 是在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長(zhǎng)的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X射線。 1.標(biāo)識(shí)X射線的特征 ;2.產(chǎn)生機(jī)理 ;3.過程演示 ;4.K系激發(fā)機(jī)理 ;5.莫塞萊定律； 6.標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度特征。 第二十五張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月標(biāo)識(shí)X射線的特征 當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時(shí)，標(biāo)識(shí)譜線的波長(zhǎng)不再變，強(qiáng)度隨電壓增加。如鉬靶K系標(biāo)識(shí)X射線有兩個(gè)強(qiáng)度高峰為K和K，波長(zhǎng)分別為0.71A和0.63A.第二十六張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月產(chǎn)生機(jī)理 標(biāo)識(shí)X射線譜的產(chǎn)生相理與陽(yáng)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(gè)能級(jí)。

10、在電子轟擊陽(yáng)極的過程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽(yáng)極靶原子的內(nèi)層電子擊出時(shí)，于是在低能級(jí)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(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)X射線譜。第二十七張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M(jìn)電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價(jià)電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量標(biāo)識(shí)X射線產(chǎn)生過程K激發(fā)L激發(fā)Ka輻射K輻射L輻射過程演示（任意鍵演示）第二十八張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月K系激發(fā)機(jī)理 K層電子被擊出時(shí)，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級(jí)電子向K層空位填充時(shí)產(chǎn)生K系輻射。L層

11、電子填充空位時(shí)，產(chǎn)生K輻射；M層電子填充空位時(shí)產(chǎn)生K輻射。第二十九張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月由能級(jí)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(jí)，故L層電子填充幾率大，所以K的強(qiáng)度約為K的5倍。產(chǎn)生K系激發(fā)要陰極電子的能量eVk至少等于擊出一個(gè)K層電子所作的功Wk。Vk就是激發(fā)電壓。第三十張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月莫塞萊定律 標(biāo)識(shí)X射線譜的頻率和波長(zhǎng)只取決于陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子能級(jí)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(shí)X射線譜的波長(zhǎng)與原子序數(shù)Z關(guān)系為：第三十一張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度特征 K系標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度與

12、管電壓、管電流的關(guān)系為：當(dāng)I標(biāo)/I連最大，工作電壓為K系激發(fā)電壓的35倍時(shí)，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。第三十二張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2-4 X射線與物質(zhì)相互作用 X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，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(shí)，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) 。第三十三張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月X射線的散射 X射線被物質(zhì)散射時(shí)，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：相干散射；非相干散射。第三十四張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022

13、年6月相干散射物質(zhì)中的電子在X射線電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。這樣每個(gè)電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發(fā)生的干涉現(xiàn)象稱為相干散射。第三十五張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月非相干散射 X射線光子與束縛力不大的外層電子 或自由電子碰撞時(shí)電子獲得一部分動(dòng)能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長(zhǎng)增加。非相干散射是康普頓（A.H.Compton）和我國(guó)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(huì)增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對(duì)輕元素。第三十六張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作

14、于2022年6月X射線的吸收 物質(zhì)對(duì)X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質(zhì)時(shí)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(duì)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(gè)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)。 第三十七張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光電效應(yīng)以X光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程。被擊出的電子稱為光電子，輻射出的次級(jí)標(biāo)識(shí)X射線稱為熒光X射線。產(chǎn)生光電效應(yīng)，X射線光子波長(zhǎng)必須小于吸收限k。第三十八張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月俄歇效應(yīng)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(fā)態(tài)；當(dāng)L層電子填充空位時(shí)，放出E-E能量，

15、產(chǎn)生兩種效應(yīng)：(1) 熒光X射線；(2) 產(chǎn)生二次電離，使另一個(gè)核外電子成為二次電子俄歇電子。第三十九張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月X射線的衰減規(guī)律 當(dāng)一束X射線通過物質(zhì)時(shí)，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強(qiáng)度衰減。衰減的程度與所經(jīng)過物質(zhì)中的距離成正比。式第四十張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月質(zhì)量衰減系數(shù)m 表示單位重量物質(zhì)對(duì)X射線強(qiáng)度的衰減程度。質(zhì)量衰減系數(shù)與波長(zhǎng)和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系： K為常數(shù)m隨的變化是不連續(xù)的其間被尖銳的突變分開。突變對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為K吸收限。第四十一張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月吸收限的應(yīng)用 吸收限主要是由光電效應(yīng)引起的：當(dāng)X射線的

16、波長(zhǎng)等于或小于時(shí)光子的能量E到擊出一個(gè)K層電子的功W，X射線被吸收，激發(fā)光電效應(yīng)。使m突變性增大。吸收限與原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。如L系有三個(gè)副層，有三個(gè)吸收限。第四十二張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月濾波片的選擇: (1)它的吸收限位于輻射源的K和K 之間，且盡量靠近K 。強(qiáng)烈吸收K，K吸收很小；(2)濾波片的以將K強(qiáng)度降低一半最佳。 Z靶40時(shí) Z濾片=Z靶-2；陽(yáng)極靶的選擇:（1）陽(yáng)極靶K波長(zhǎng)稍大于試樣的K吸收限；（2）試樣對(duì)X射線的吸收最小。 Z靶Z試樣+1。第四十三張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 X射線的折射 X射線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)產(chǎn)生折射，折射率M非常接近

17、1,M約為0.999990.999999 。 第四十四張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月X射線與物質(zhì)相互作用的總結(jié)熱能透射X射線衰減后的強(qiáng)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(yīng)俄歇效應(yīng) 光電效應(yīng)第四十五張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2-5 X射線的探測(cè)與防護(hù) （1)X射線的探測(cè)；（2）X射線的安全防護(hù)。 第四十六張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月X射線的探測(cè)熒光屏法； 照相法； 輻射探測(cè)器法：X射線光子對(duì)氣體和某些固態(tài)物質(zhì)的電離作用可以用來檢查X射線的存在與否和測(cè)量它和強(qiáng)度。按照這種原理制成的探測(cè)X射線的儀器電離室和各種計(jì)數(shù)器。工作原理在第7章介紹。第四十七張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月X射線的安全防護(hù)X射線設(shè)備的操作人員可能遭受電震和輻射損傷兩種危險(xiǎn)。電震的危險(xiǎn)在高壓儀器的周圍是經(jīng)常地存在的，X射線的