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文档简介
1、1,第六章 X射线物理学基础,2,第一节 X射线的性质 第二节 X射线的产生与X射线谱 第三节 X射线与物质的相互作用,第六章 X射线物理学基础,3,第一节 X射线的性质,1. X射线的发现: X射线是1895年11月8日由德国物理学家伦琴(W.C.Rontgen)在研究真空管高压放电现象时偶然发现的。 当时,他用黑纸把真空放电管严实包裹,以防透光。实验时,发现凳子上涂有氰亚铂酸钡硬纸板发出浅绿色荧光,试着木块、硬橡胶等挡也挡不住,甚至可透过人的骨骸! 当时对此射线本质尚无了解,故取名X射线(伦琴射线)。 这一伟大发现,伦琴于1901年第一位诺贝尔奖获得者。,4,2. 威廉康拉德伦琴(Wilh
2、elmKonradRntgen )摄于1896年,1845年3月27日生于德国莱茵州雷内普 (Lennep)镇。 1869年获苏黎世大学理学博士学位 1870年回德国维尔茨堡大学工作。1894年任维尔茨堡大学校长。 1895年11月8日发现了X射线。 1900年任慕尼黑大学物理研究所教授,主任。 1901年,获首届诺贝尔物理学奖。 1923年2月10日,在慕尼黑去世。,威廉康拉德伦琴(18451923),5,3. 伦琴夫人的手 摄于1895年12月22日,六个星期后,伦琴确认是一种新射线,才告诉自己夫人。 1895年12月22日,他邀请夫人来到实验室,用光电管照射了15分钟,拍下了第一张人手X
3、射线照片。,6,4. X射线在医学界应用 X射线透视学,伦琴发现X射线后,一个月内发表了一种新射线的文章,引起社会各界强烈的反应。 消息传遍全球,各国竞相开展试验研究。虽未了解此现象本质,因其有强大穿透力,能透过人体显示骨骼,迅速被医学界广泛利用,成为透视人体、检查伤病的有力工具,产生了X射线透视学。 后来又用于金属探伤,对工业技术也有很大促进作用。,7,5. X射线最初医疗诊断1896.2.3美国Dr. Edwin Frost (1866-1935),8,6. X射线本质的认识,18951897年间,通过一系列实验,搞清了X射线产生、传播、穿透力等特性: 1. X射线虽人眼看不见,但能使某些
4、物质发出荧光。使照相底片感光,使气体、原子电离。 2. X射线沿直线传播,经电场或磁场不发生偏转。 3. X射线有很强穿透力,通过物质时可被吸收而强度衰减。 4. X射线还能杀伤生物细胞等特性。 但对X射线本质的认识,是对晶体结构的研究,即与X射线在晶体中发生衍射现象是分不开的。,9,7. X射线衍射现象的发现(一),1912年,德国物理学家劳埃(M. Von Laue)利用晶体作为天然光栅成功观察到了X射线衍射现象。 他用CuSO45H2O进行了实验,获得了第一张X射线衍射照片。 1914年获诺贝尔物理学奖,Max von Laue 马克斯 冯 劳埃(1879-1960),10,8. X射线
5、衍射现象的发现(二),X射线衍射现象发现: 1. 肯定了X射线的本质。即是一种电磁波,有波动性。 2. 证实了晶体结构的周期性。为晶体微观结构研究提供了崭新的方法。 晶体结构认识:从微米纳米级,有更接近本质的认识。 用X射线研究晶体结构的工作称X射线晶体学或X射线衍射学。,CuSO45H2O衍射照片 世界上第一张 X射线衍射照片,11,9.布拉格定律的建立和莫塞莱定律的发现,英国布拉格父子(W.H.Bragg和W.L.bragg)对此进行开创性工作。 1912年,W.L.布拉格进行了劳埃实验后认为:衍射斑点的产生是射线受到类似镜面“反射”的结果。并从劳埃方程式导出布拉格方程,推算出KCl及Na
6、Cl原子排列方式,并真正测量了X射线波长。 后一工作导致1913-1914年莫塞莱(H.G.J.Moseley)定律的发现。,12,10、莫塞菜定律,1913年,英国物理学家莫塞莱 (18871915 )在研究X射线光谱时发现:特征X射线频率或波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构(原子序数),此规律称莫塞莱定律。,式中: K与靶材物质主量子数有关的常数; 屏蔽常数,与电子所在的壳层位置有关。,成为X射线荧光分析和电子探针微区成分分析的理论基础。,或,13,第一节、X射线的性质,一、 X射线的波动性 1. X射线与可见光、红外线、紫外线等相同,均属电磁波,它是由高速带电粒子与物质原子中的内层电子
7、作用而产生的,它同时具有波动性和粒子性。 2. X射线波长比可见光短得多,约与晶体晶格常数同一数量级,在0.1nm左右。因此,其能量大、穿透能力强。 3. X射线与可见光一样,以光速呈直线传播,在真空中传播速度 2.998108m/s。,14,一、 X射线的波动性,4. X射线波长法定单位为:nm,以前也常用埃()。,(1nm=10-9m10 ),X 射线波长:100.001nm,两边与紫外线及射线 重叠。 晶体结构分析:波长在0.25 0.05nm, 金属探伤:波长约为0.10.005nm或更短, 波长较短的X 射线,习惯上称为“硬X射线”。 波长较长的X射线称为“软X射线。,15,常见的各
8、种电磁波的波长与频率,可见光,紫外线,红外线,微波,X射线,波长, 射线,频率,标准无线电波,长波,TV/FM,短波,长波,16,X射线波动性的表现(1),1. X射线波动性:以一定频率和波长在空间传播,具有干涉与衍射现象;描述参量:频率和波长 。 2. 电磁波(横波),具有电场矢量E和磁场矢量H,以相同周相,在两相互垂直平面内作周期振动,且与传播方向垂直,传播速度光速。 3、X射线分析:主要考虑电场矢量E引起的物理效应。,17,X射线波动性的表现(2),4. 电场矢量E 随传播时间或传播距离变化呈周期性波动,波振幅为 A(或E0)。 一束沿 y 轴方向传播的波长为的X射线波方程为:,图1-2
9、 E 的变化 (a) x一定时E 随t 的变化;(b) t一定时E 随x 的变化,18,X射线波方程,一束沿 y 轴方向传播波长为的X射线波方程为: 若以表示相位,即 令 则 当 t = 0 ,A = A0 ei,ei称为“相位因子”。,19,二、 X射线的粒子性,1. 实验证实X射线是波长极短的电磁波,有干涉与衍射现象。但波动性无法解释X射线的光电效应、荧光辐射等现象。 2. 按波动理论:物质中电子吸收X射线能量是连续的,当能量积累到一定程度就能放出电子。即:不论X射线频率如何低,只要入射强度大,时间长,总会发生光电效应的。 但实验结果,产生光电效应条件:不在于X射线强度与照射时间,而在于其
10、频率(或)。这与波动理论相矛盾性。 表明:X射线还有粒子性。,20,二、 X射线的粒子性,3. 粒子性表现:以光速运动的大量微观粒子组成不连续粒子流。称为“光子”或“光量子”。描述参量为能量E、动量P。 4. 波动性与粒子性描述参量间的关系:,X射线频率; h普朗克常数(6.62610-34 Js ) c X射线传播速度(2.998108m/s),21,二、 X射线的粒子性,5. 粒子性突出表现: X射线在与物质(原子或电子)相互作用时,有交换能量,光子能量能被原子或电子吸收或被散射。 光电效应、荧光辐射等正是X射线粒子性的明显表现。,22,三、 X射线的强度,1. X射线强度用波动性观点描述
11、: 单位时间内通过垂直于传播方向的单位截面上的能量大小,强度与波振幅 A2 成正比。,2. X射线强度用粒子性观点描述: 单位时间内通过与传播方向相垂直的单位截面的光量子数目。 3. 绝对强度单位是J(m2s),但难以测定,常用相对强度,如:底片相对黑度、探测器(计数管)计数值等。,23,X射线波粒二相性,1. X射线波动性:反映物质运动的连续性; X射线粒子性:反映物质运动分立性。 2. 对同一辐射所具有的波动性与粒子性的描述: 可用时间和空间展开的数学形式来描述; 可用统计学法确定某时间、位置粒子出现概率来描述。 因此,须同时接受波动和粒子两种模型。 3. X射线上述特性,成为研究晶体结构
12、、进行元素分析、医疗透视和工业探伤等方面的有力工具。,24,第二节 X射线的产生与X射线谱,一、X射线产生: 1. X射线:高速运动带电粒子(电子)与某物质相撞击后突然减速或被阻止,与该物质中内层电子相互作用而产生的。 2. X射线产生条件: 1)产生并发射自由电子(加热W灯丝发射热电子); 2)在真空中迫使电子作定向的高速运动(加速电子); 3)在电子运动路经上设障碍,使其突然减速或停止(靶) 据此,就可理解X射线发生器的构造原理了。,25,二、X射线管的结构(1),1. 阴极:发射电子。由钨丝制成,通以一定电流加热后便能释放出大量的热激发电子。 2. 阳极: “靶” (target) 。使
13、电子突然减速并发射X射线的地方。由不同的金属组成,常用靶材有Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W 等,根据不同需要选用。,阴极,阳极,26,二、X射线管的结构(2),3. 窗口:X射线射出通道,常有两个或四个。 窗口材料:既有足够强度以维持管内高真空,又对X射线吸收较小。常用对X射线穿透性好的轻金属铍(Be)。 4. 聚焦罩:加在阴极灯丝外,使灯丝与聚焦罩保持约400V电位差,可聚焦电子束。,窗口,27,二、X射线管的结构(3),5. 冷却系统:X射线发射向四周发散,大部分被管壳吸收,少量通过窗口得以利用。只有1能量转化为X射线,99转变为热能,故靶须水冷,以防止阳极过热的熔化。,冷却
14、水,28,荷兰Philips公司第二代陶瓷X射线管,焦点三维精确定位 (预校准模块化的基础) 陶瓷灯体 绝缘度高 重量轻 超长寿命 无需校准,29,美国热电瑞士ARL公司,新型陶瓷X光管 X-ray Tubes,Ceramic Tube(陶瓷光管),Glass Tube(玻璃光管),Possible targets are Cu, Cr, Fe, Co or Mo 可有的靶材为: Cu,Cr,Fe,Co 或Mo,30,三、 X射线光管的分类,a. 按制造材料可分:玻璃光管和金属陶瓷光管。 b. 按阳极靶可动与否:固定靶 X 光管;自转靶 X 光管。,日本理学公司 自转铜靶阳极,31,四、X射线
15、焦点 (1),1. 焦点:阳极靶面被电子束轰击并发出X射线的区域。 尺寸和形状:取决于灯丝,螺线形灯丝产生长方形焦点。,靶的焦点形状及接收方向,2. 衍射工作,希望X光有: 较小焦点(分辨本领高) 较高强度(曝光时间短) X射线出射角: 常与靶面成3o8o(常为6o),32,四、X射线管的焦点 (2),3. 焦点形状:1l0mm长方形。表观焦点:在出射方向上X射线束的截面积,缩小。,靶的焦点形状及接收方向,4. 窗口 在与焦点长边和短边相对位置。 短边:表观焦点正方,强度高。 长边:表观焦点线状,强度弱。,33,五、X 射线谱,(一)连续X射线谱 1. 对X光管施不同电压,再测X射线强度和波长
16、,得强度与波长关系曲线,称为X射线谱。,Mo阳极靶不同管压下连续X光谱,2. 如:Mo靶V20kV时,曲线连续变化,称连续X射线谱(或白色X射线)。,34,(二)连续X射线谱实验规律,1. 不同管压下,各连续谱均有强度最大值;随管压V 强度;最高强度波长m (移向短波端)。 2. 在短波端均有最短极限波长称短波限SWL ,随管压 短波限SWL(移向短波端)。,a)管压影响 b)管流影响 c)靶材影响,35,3. X光最高强度约在1.5SWL处。 4. 管压不变,管流强度,但SWL 、m不变。 5.管压和管流相同,靶材Z强度,但SWL、m不变。,a)管压影响 b)管流影响 c)靶材影响,36,(
17、三)量子理论解释连续谱形成机理(1),1. 量子理论观点: 能量 e V 电子与靶原子碰撞,电子失去部分能量,并辐射出光子。每次碰撞产生一个能量为 h的光子,称此辐射为“韧致辐射”。 如:当管流 I =10mA时,电子数目 n 6.241016个/秒。 如此多电子到达靶上时间和条件都不相同,且大多数电子须经多次碰撞,逐步把能量释放直到零,这样产生一系列能量为 hi 的光子序列,即形成连续谱。,37,何以存在短波限SWL?,极限情况:极少数电子一次碰撞将全部能量一次性转化为一个光子,此光子具最高能量和最短波长(短波限SWL)。 一般情况:光子能量电子能量。 极限情况:光子能量电子能量,即,将V和
18、以kV和nm为单位,其它常数代入上式,则有:,38,(四)连续X射线辐射强度和发射效率(1),1. 连续X射线总强度(靶发出X光总能量)与连续谱强度分布曲线下所包络的面积成正比。,式中:Z阳极靶的原子序数;,i管电流(mA);,V管压(KV);,K1常数约为1.11.610-9。,39,2. X射线管效率:若X射线管仅产生连续谱时,若输入功率为iV,则产生连续X射线效率或X射线管效率:,可见,管压,靶材Z,管效率; 因常数K1(1.11.4)10-9,很小,即使用W靶(Z=74),管压为100kV时,1(Cu:0.1),效率是很低的。 为提高光管发射连续X射线的效率: 选用重金属靶, 施以高电
19、压,就是这个道理。,40,(五)特征(标识)X射线谱,一、特征X射线谱的形成 1. 当管电压V增高到大于阳极靶材相应的某个临界值VK时,即,则在连续谱的某特定波长处出现一些强度高峰,峰窄而尖锐的线形光谱。 如:Mo靶35kV (0.063nm和0.071nm )的谱线示于图。,41,一、特征X射线谱的形成,2. 改变管流、管压,这些谱线只改变强度,而峰位所对应的波长不变。 即特征波长只与靶原子序数Z有关,而与电压等无关,故称特征X射线。 3. 产生特征X射线的最低电压叫激发电压。,特征X射线,42,二、实验规律,1. 激发电压:取决于阳极靶的原子序数Z。对不同阳极靶临界激发电压是不同的。 2.
20、 阳极靶(Z)不同,所产生的特征X射线的波长也不同。 3. 当管压超过激发电压时,特征X射线波长不变,而强度按n次方的规律增大。,式中:i 管流,V管压,n常数(1.52), C比例常数,与特征X射线波长有关。,4. X光管压V(35)V激时,特征X射线与连续X射线的比率为最大。(有利于衍射),43,三、产生机理的分析(1),特征X射线产生机理与连续X射线不同,它与阳极靶物质的原子结构紧密相关的。,内层电子跃迁辐射X射线示意图,1. 若高速电子的动能足够大,将K壳层中某个电子击出。临界激发电压:产生K激发的能量为Wk=E-EK,阴极电子的能量必须满足eVWk,才能产生K激发,称为临界激发电压。
21、 2. 则在被击出电子的位置出现空位,原子系统能量升高,处于 “激发态” 。若L壳层电子 K壳层后,能量降低。,44,三、产生机理的分析(2),3. 这多余能量以一个X射线光量子的形式辐射出来, 则光子能量:,4. 对原子序数 Z 的物质,各原子能级的能量是固有的,所以,EKL便为固有值,也是固有的。这也就解释了特征X射线波长为一定值(特征值)的原因。,内层电子跃迁辐射X射线示意图,45,Balmer线系,,K 激发态,L 激发态,M 激发态,N 激发态,L K K谱线 (跨越 1个能级 ) M K K谱线 (跨越 2个能级 ) N K K谱线 (跨越 3个能级 ),ML L谱线 (跨越 1个
22、能级 ) NL L谱线 (跨越 2个能级 ) 依次类推还有M线系 。,原子能级示意图,即n = 2 时称为巴耳末线,46,三、产生机理的分析(3),5. K线比K线 波长长而强度高,在原子系统中,各能级能量不同,且各能级间能量差也不均布,愈靠近原子核的相邻能级间的能量差愈大。,另外,因由LK层电子跃迁几率比由MK层约大5倍左右,故K线强度要比K线高5倍左右。,47,三、产生机理的分析(4),6. 同一壳层还有若干个亚能级,电子所处能量不同,其能量差也固定。如: L 层:8个电子分属于L,L,L三个亚能级; 不同亚能级上电子跃迁会引起特征波长的微小差别。实验证明:,K由Kl 和 K2 双线组成的
23、。 Kl:L K 壳层; K2: L K 壳层;,K双重线,48,三、产生机理的分析(5),7. 又因 LK (Kl)的跃迁几率较 LK (K2)的大一倍,故组成 K 两条线的强度比为:,如:W靶:Kl0.0709nm,K20.0714nm,一般情况下是分不开的,K线波长取其双线波长的加权平均值:,49,几种常见阳极靶材和特征谱参数,50,用X射线产生机理解释: 1)不同阳极靶有其固定的临界激发电压。 2)K空后,空位由L层电子占据的几率比M层大45倍。K强度是K的45倍。K的强度更小。 3)K波长比K更短。 4)V升高时,特征X射线波长不变。,51,(六)特征X射线的应用,莫塞来定律 特征X
24、射线谱是由布拉格发现,并经莫塞来加以系统化的。同系特征X射线的波长,随阳极靶的原子序数的增加而变短,在射线频率v的平方根和原子序数Z之间存在线性关系,即: 这个关系式称为莫塞来定律。(K和都是常数) 是X射线荧光分析和电子探针微区成分分析的理论基础。,52,第三节 X射线与物质的相互作用,X射线与物质相互作用是个复杂过程。 一束X射线通过物体后,其强度将被衰减,这是被散射和吸收的结果,且吸收是造成强度衰减的主要原因。,53,一、X射线的散射,一、X射线的散射 X射线照射物质上时,偏离了原来方向的现象。主要是核外电子与X射线的相互作用,会产生两种散射效应。 1. 相干散射(coherent sc
25、attering) 入射X射线与物质原子中内层电子作用,当X光子能量不足以使电子激发时,把能量转给电子,电子则绕其平衡位置发生受迫振动,成为发射源向四周辐射与入射X光波长(振动频率)相同电磁波(散射波)。 各电子散射波振动频率相同、位相差恒定,符合干涉条件,发生相互干涉,称为相干散射。,54,2非相干散射(康普顿吴有训效应),2. 非相干散射:(incoherent scattering) X光子与外层价电子相碰撞时的散射。可用一个光子与一个电子的弹性碰撞来描述。, 电子:将被撞离原方向并带走光子部分动能成为反冲电子; X光量子:因碰撞而损失部分能量,其波长增加,并与原方向偏离2角。,X射线非
26、相干散射,55, 能量守恒定律:散射光子和反冲电子能量之和等于入射光子能量。可导出散射波长的增大值为:,2:为入射光与散射光 的传播方向间夹角。,X射线非相干散射, 可见,散射光波长变化与入射光波长 无关,只与散射角 2 有关。,56, 经典电磁理论:不能解释存在及随2而改变现象,此散射现象和定量关系遵守量子理论规律,也叫量子散射。,X射线非相干散射, 此空间各方向散射波与入射波波长不同,位相关系也不确定,不产生干涉效应,称非相干散射。 非相干散射:不参与对晶体的衍射,只会增加衍射背底,对衍射不利。 入射波长越短、被照射物质元素越轻,此现象越显著。,57, 非相干散射效应:由美国物理学家康普顿
27、(A.H.Compton)在1923年发现的,也称康普顿散射。 我国物理学家吴有训参加了实验工作,故称康吴效应。 因此,康普顿于1927年获诺贝尔物理学奖。,1927年的A.H.康普顿,中国物理学家吴有训,58,(一)X射线的真吸收 1、光电效应与荧光X射线: 1)光电效应:当入射X光子能量足够大,将内层电子击出,成为自由电子(称光电子),原子则为激发态,外层电子向内层空位跃迁,并辐射出一定波长的特征X射线。被打出的电子称为光电子,所辐射出的次级特征X射线称二次特征X射线或荧光X射线。 为区别入射X射线,称其为二次特征X射线或荧光X射线。,以入射X射线激发原子所发生的激发和辐射的现象称为“光电
28、效应”。,入射X射线,二、X射线的吸收,59,2)光电效应使入射X射线消耗大量的能量,表现为物质对入射X射线的强烈吸收。,图1-10 X光量子能量及质量吸收系数随波长的关系,在质量吸收系数曲线(m- )上,表现为吸收系数的突变,此对应波长称吸收限。(如图),60,3)产生K系荧光辐射条件(激发限 ) 入射光子能量h须大于或等于K层电子的逸出功WK,即:,VK把原子中K层电子击出所需的最小激发电压。 K把K层电子击出所需的入射光最长波长。 表明:只当入射X光波长K1.24VK 时,才能产生K系荧光辐射。,61,4.)讨论光电效应产生的条件时,K称K系激发限; 讨论X射线被物质吸收时,K称为吸收限
29、。,a. 当入射线波长光子能量 ,易穿过吸收体,则质量吸收系数m ;,b. 当K时,入射光子能量刚好击出吸收体的电子,形成大量光电子及二次荧光,光电效应最强烈,使m突然上升;,c. 当进一步 ,K,光电效应饱和,多余能量穿透过吸收体;穿透,。,62,5)注意: 吸收限:K1.24VK (nm); 连续X射线谱中短波限:0=1.24V (nm) 两者形式完全相同,但意义决然不同: 1. 连续谱的短波限0随V的升高而变小; 2. 后者,说明每种物质的K激发限波长都有它特定的值。,63,应用与避免: X射线衍射分析,荧光X射线造成衍射花样的的背底比非相干散射要严重的多,因此应设法避免它,如选靶时,应
30、使靶的特征X射线波长不短于试样物质的激发限等等。 避免 X射线荧光光谱分析,要利用荧光X射线进行成分分析。 应用,64,2、俄歇(Auger)效应,1)当K层电子被击出后,原子处K激发态,能量为EK。若L层电子跃入K层填补空位。能量由EK EL,同时将有多余能量释放出来。,光电子、俄歇电子和荧光x射线三种过程示意图,能量释放会产生两种效应: A. 产生KX射线辐射; B. 产生俄歇电子:即能量被邻近电子或较外层电子(另一LII电子)所吸收,该电子受激发逸出变为二次电子。,65,2)该俄歇电子能量有固定值,按上例近似为,光电子、俄歇电子和荧光X射线三种过程示意图,此具有特征能量的电子是俄歇(M.
31、 P .Auger)于1925年发现的,称为俄歇电子。,从L层逃出的叫 KLL 俄歇电子;也可存在 KMM 俄歇电子。,66,俄歇效应的特点和应用: 1) 俄歇电子能量:只取决于该物质的原子能级结构,是一种元素的固有特征。 2)俄歇电子能量很低:只有几百eV,深处信号测量不到。 俄歇电子能谱仪最合适对固体表面23层原子层的成分分析,并还可进行逐层分析。 3)实验表明:轻元素俄歇电子的发射几率比荧光X射线发射几率大。所以,俄歇谱仪适合于对轻元素的成分分析。,67,1. X光通过物质而强度衰减X射线与物质作用主要是X射线被散射和吸收使得X射线被减弱。 当强度为 I0 的X射线照射到厚度 t 的均匀
32、物质上,在通过深度为 x 处的dx厚度的物质时,强度衰减与dx成正比。,对0t积分,l为常数,称为线吸收系数。,称为透射系数。,(二)透射系数与吸收系数,t,68,2. 线吸收系数l:表征X射线通过单位厚度物质的相对衰减量,与物质种类、密度、X光波长有关。 为了消除吸收系数对物理状态的依赖性,特别是单位体积内所含的物质数量及物质的组成,使用质量吸收系数m cm2g替代L:,吸收体密度,物质固有值;,物质固有值,可查表。,69,3. m 物理意义:X射线通过单位面积上单位质量物质后强度相对衰减量。 m与物质密度和状态(温度、压力等)无关;而与物质原子序数 Z 和X射线波长有关。其经验公式为:,对一定的吸收体,波长越短,穿透能力越强,吸收系数下降; 但随波长降低,并非呈连续变化,而在某波长突然升高,出现吸收限。,70,与K层电子对应的吸收称为K吸收限(K),吸收限两侧m的变化基本上遵循上式。只是比例系数K不同。,机理分析: A当很短时,能打出K电子,形成K吸收但因波长太短,不易倍K电子吸收,因此吸收系数小。 B波长增加,K电子越来越容易吸收这样的光子能量,直到K吸收限。 C当比K稍稍大一点,无法打出K电子,不能形成K吸收。可以
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