第1章X射线性质

1、第一章第一章 X-rayX-ray的性质的性质l1.1 X-ray1.1 X-ray的本质的本质l1.2 1.2 X-rayX-ray的产生及的产生及X-rayX-ray谱谱l1.3 1.3 X-rayX-ray与物质的相互作用与物质的相互作用l1.4 1.4 X-rayX-ray的安全防护的安全防护一一 X-rayX-ray的发现的发现 X-ray是由德国物理学家是由德国物理学家伦琴伦琴在在1895年偶尔发现的。年偶尔发现的。 因为当时对其特性和本质上无了解，因为当时对其特性和本质上无了解，故取名为故取名为X射线，也叫伦琴射线射线，也叫伦琴射线。 从从18951897年间，伦琴潜心研究年间，

2、伦琴潜心研究X-ray的产生、传播、穿透力等大部分的产生、传播、穿透力等大部分特性。从而使他在特性。从而使他在1901年获得诺贝尔年获得诺贝尔物理奖。物理奖。1.1 X-ray1.1 X-ray的本质的本质二二 X-rayX-ray的本质的本质 1.属于电磁波或电磁辐射，同时具有波动性和粒子属于电磁波或电磁辐射，同时具有波动性和粒子性特征性特征； 传播时同时具有电场分量传播时同时具有电场分量E和磁场分量和磁场分量H，但磁，但磁场分量与物质的相互作用很弱，因此在分析应用场分量与物质的相互作用很弱，因此在分析应用中只考虑其电场效应。中只考虑其电场效应。 2.波长较可见光短波长较可见光短，约在，约在

3、0.0110nm左右；左右； 波长单位：波长单位：a.法定波长单位为法定波长单位为 nm b.波长的其余单位波长的其余单位: 波长范围波长范围：在在10-2 102 之间。之间。 波长较短的（能量高）称为硬波长较短的（能量高）称为硬X-ray；波长较长；波长较长（能量低）称之为软（能量低）称之为软X-ray.400400到到700700纳米纳米 。 3. X-ray具有很强的穿透物质的能力具有很强的穿透物质的能力 经过电场和磁场时不发生偏转，可经过电场和磁场时不发生偏转，可被物质吸收而使强度减弱，它还可使气被物质吸收而使强度减弱，它还可使气体电离，激发荧光效应，能杀死生物细体电离，激发荧光效应

4、，能杀死生物细胞和组织等，从而可用于晶体结构分析、胞和组织等，从而可用于晶体结构分析、元素分析、医疗透射照相、工业探伤等元素分析、医疗透射照相、工业探伤等方面。方面。三三 X-ray的波动性和粒子性的波动性和粒子性1.波动性波动性 a. X-ray的波动性表现在以一定的频率和波的波动性表现在以一定的频率和波长在空间传播；长在空间传播； b. 在传播过程中发生干涉、衍射等过程。在传播过程中发生干涉、衍射等过程。2.粒子性粒子性 a. X-ray的粒子性表现在它是由大量的不连的粒子性表现在它是由大量的不连续粒子流构成的，这些粒子流称为光子。续粒子流构成的，这些粒子流称为光子。 b. X-ray以光

5、子的形式辐射和吸收时具有质以光子的形式辐射和吸收时具有质量、能量和动量。量、能量和动量。 c. 与物质相互作用并交换能量。与物质相互作用并交换能量。3.波动性和粒子性之间的关系波动性和粒子性之间的关系X-rayX-ray的能量、动量与波长之间的关系的能量、动量与波长之间的关系 E = hE = h = hc= hcP =hP =h 越短，越短， X-rayX-ray的的能量越大。能量越大。 其中：其中： h h 普朗克常数普朗克常数 6.6256.6251010-34 Js Js c c 光速光速 2.9982.99810 10 8 m/s m/s 4.X-ray的强度的强度 用用波动性观点波

6、动性观点： X-ray的强度为的强度为单位时单位时间内通过垂直于传播方向的单位截面上的间内通过垂直于传播方向的单位截面上的能量的大小。能量的大小。 用用粒子性的观点粒子性的观点： X-ray的强度为的强度为单位单位时间内通过单位截面的光量子的数目。时间内通过单位截面的光量子的数目。 因此强度的单位是因此强度的单位是J Jm m2.s.s，但强度的绝，但强度的绝对值难以测定，通常用相对值。对值难以测定，通常用相对值。 X-ray是由高速运动着的带电粒子与某种物质相撞是由高速运动着的带电粒子与某种物质相撞击后突然减速，且与该物质中的内层电子相作用而产击后突然减速，且与该物质中的内层电子相作用而产生

7、的。生的。 X-ray的产生需要有几个基本条件：的产生需要有几个基本条件： 1.产生并发射自由电子；产生并发射自由电子； 2.迫使自由电子作定向高速运动；迫使自由电子作定向高速运动； 3.在电子运动的路径上设置使其减速的障碍物。在电子运动的路径上设置使其减速的障碍物。一一 、 X-ray的产生的产生1.2 X-ray1.2 X-ray的产生及的产生及X-rayX-ray谱谱二、二、 X-ray管管X-ray管管主主要由阴极、阳极、窗口构成，要由阴极、阳极、窗口构成，如图所示如图所示a.阴极阴极 阴极的功能是发射电子阴极的功能是发射电子.它由钨丝制成，在通它由钨丝制成，在通以一定的电流加热后便能

8、释放出热辐射电子。以一定的电流加热后便能释放出热辐射电子。b.阳极阳极 阳极又称之为靶阳极又称之为靶(target)。是使电子突然减速。是使电子突然减速并发射并发射X射线的地方。常用靶材主要有射线的地方。常用靶材主要有Cr、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Mo、 Ag、 W等，在软等，在软X射线装置中常用射线装置中常用Al靶。靶。c.窗口窗口 窗口是窗口是X射线射出的通道射线射出的通道。通常窗口有两个。通常窗口有两个或四个，窗口材料要求既要有足够的强度以维持管内或四个，窗口材料要求既要有足够的强度以维持管内的高真空，又要对的高真空，又要对X射线的吸收较小射线的吸收较小,玻璃对玻璃对X射线的射

9、线的吸收较大，所以不用，窗口常用材料是金属铍，有时吸收较大，所以不用，窗口常用材料是金属铍，有时也用硼酸铍锂构成的林德曼玻璃也用硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。图图 X射射线管剖线管剖面示意面示意图图2.对对X-ray管的几个要求管的几个要求 a.a.阴极灯丝外加聚焦罩，起到聚焦电子束阴极灯丝外加聚焦罩，起到聚焦电子束的作用的作用； b.b.由于电子束轰击时只有由于电子束轰击时只有1%1%能量转化为能量转化为X-X-rayray；而；而99%99%转化为热能，故转化为热能，故阳极靶必须固定在阳极靶必须固定在高导热性的金属上（黄铜或紫铜），并通冷却高导热性的金属上（黄铜或紫铜），并通冷却水防止靶熔化；

10、水防止靶熔化； c.c.焦点的设置：焦点的设置：焦点是阳极靶表面被电子焦点是阳极靶表面被电子束轰击出的一块面积，也是束轰击出的一块面积，也是X-rayX-ray产生的地方，产生的地方，焦点的尺寸和形状是焦点的尺寸和形状是X-rayX-ray管的重要特性之一管的重要特性之一。 图图 靶的焦点形靶的焦点形状及接收方向状及接收方向 在在X-ray衍射中希望有衍射中希望有较小的焦点较小的焦点和和较强较强的强度的强度，这样可以，这样可以提高分辨率提高分辨率和和缩短曝光时缩短曝光时间间。 焦点的形状取决于灯丝的形状，通常在焦点的形状取决于灯丝的形状，通常在与靶面成与靶面成36度角的方向上接受度角的方向上接

11、受X-ray，可缩，可缩小焦点。小焦点。 X-rayX-ray的强度的强度垂直于垂直于X-rayX-ray传播方向的单位面积传播方向的单位面积上在单位时间内光量子数目的能量总和。上在单位时间内光量子数目的能量总和。X-rayX-ray谱谱X-rayX-ray的强度随波长而变化的关系曲线。的强度随波长而变化的关系曲线。 连续连续X-ray谱：具有连续的波长分布（波长范围从谱：具有连续的波长分布（波长范围从 某一短波限某一短波限SWL开始至波长无穷大）。开始至波长无穷大）。 X-ray谱谱 特征特征X-ray谱：一定波长的若干特强的谱：一定波长的若干特强的X-ray， 迭加在连续迭加在连续X-ra

12、y谱上构成的。谱上构成的。三、三、X-rayX-ray谱谱一）连续一）连续X-ray谱谱 1.1.连续连续X-rayX-ray谱：谱：在管压很低，小于在管压很低，小于20kv20kv时强度时强度- -波长曲线是连续变化的，故称为波长曲线是连续变化的，故称为连续连续X-rayX-ray谱。谱。 2 2 连续连续X-rayX-ray谱的产生：谱的产生：高速运动的电子高速运动的电子达到靶面，能量为达到靶面，能量为eUeU的电子与靶的原子的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去能量，一部分以整体碰撞时，电子失去能量，一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次产生光子的形式辐射出去，每碰撞一次产生一个能量为一个

13、能量为h h 的光子，的光子，多数电子要经过多数电子要经过多次碰撞，逐步释放能量。产生的光子多次碰撞，逐步释放能量。产生的光子的能量会形成一个序列，即形成连续谱。的能量会形成一个序列，即形成连续谱。图图 连续连续X射谱射谱X-ray谱图谱图连续谱的特点连续谱的特点: 1) x-ray 的强度在的强度在m处有一最大值；处有一最大值； 2) 存在短波限存在短波限SWL：在连续谱上有一：在连续谱上有一最短波长最短波长SWL，为短波限。，为短波限。 产生原因产生原因：能量为：能量为eU的电子经一次的电子经一次碰撞，将其能量全部转化为碰撞，将其能量全部转化为X-ray光量子，此光子的能量最大，故波光量子

14、，此光子的能量最大，故波长最短。长最短。 eU=hc SWL SWL =1240U 3)3)连续谱受管电压连续谱受管电压U U、管电流、管电流i i、阳、阳极靶材原子序数极靶材原子序数Z Z的影响；的影响；a. U (ia. U (i、Z Z不变），连续谱各波长强度不变），连续谱各波长强度，曲，曲线最大值对应的线最大值对应的m和和SWL都向短波方向移动。都向短波方向移动。 原因：原因： 管压管压UU，发射电子能量，发射电子能量eUeU，电子碰撞传，电子碰撞传递能量递能量,光子能光子能h h =hc/, =hc/,故故； 连续谱的峰值代表该峰值对应的波长的连续谱的峰值代表该峰值对应的波长的X-X

15、-rayray光量子的数目最多，也就是产生该波长的光量子的数目最多，也就是产生该波长的X-rayX-ray光量子的几率最大，峰值在光量子的几率最大，峰值在 m=1.5m=1.5SWL处；处；b. i (U b. i (U 、Z Z不变），连续谱各不变），连续谱各波长强度波长强度，但，但m和和SWL不变。不变。c. Z (U c. Z (U 、 i i不变不变) )，连续谱强，连续谱强度度，但，但m和和SWL不变。不变。4 4、一定条件下发射的、一定条件下发射的X-rayX-ray连续谱总强度决连续谱总强度决定管于电流定管于电流i i、管电压、管电压U U、靶原子数、靶原子数Z Z，它，它们之间

16、有下述经验公式：们之间有下述经验公式： I连连=K1i iZUZU2 2 K1为常数为常数5 5、X-rayX-ray管发射管发射X-rayX-ray效率效率 = 连续连续X-ray总强度（总强度（I连连)/ X-ray管功率管功率(iUiU) )= K1ZUZU 当当Z=74（钨）（钨）V=100kv时，时， =1%（其余（其余99%为热量）为热量） 由于由于K1是很小的数，所以是很小的数，所以X-ray的效率很低，的效率很低，应尽量选用重靶（应尽量选用重靶（Z大），及高电压。大），及高电压。 二）、特征二）、特征X-ray谱谱 1.特征特征X-ray：在连续谱上，当管电压大于在连续谱上，当

17、管电压大于某个临界值某个临界值Uk，连续谱线上会出现尖锐的，连续谱线上会出现尖锐的强度峰，该峰值对应波长只与靶的原子序强度峰，该峰值对应波长只与靶的原子序数有关，而与管电压无关，因这种强度峰数有关，而与管电压无关，因这种强度峰的波长反映了物质的原子序数特征，故称的波长反映了物质的原子序数特征，故称特征特征X-ray。 由特征由特征X-ray构成的谱线称之为构成的谱线称之为特征特征X-ray谱。谱。 产生特征产生特征X-ray的最低电压称之的最低电压称之激发电压激发电压。 2.特征特征X-ray产生机理：产生机理： a.原子核外电子遵从包利不相容原理和能量最小原原子核外电子遵从包利不相容原理和能

18、量最小原理，最先填充能量最低轨道，依次向外排（理，最先填充能量最低轨道，依次向外排（K、L、M、N、O、P、Q）；）； b.当外来电子能量大到将原子核外某壳层电子击出当外来电子能量大到将原子核外某壳层电子击出去，或内层电子获得能量填充到未满的高能级上；去，或内层电子获得能量填充到未满的高能级上； c.此时原子处于激发态（不稳定态），外层电子向内此时原子处于激发态（不稳定态），外层电子向内层跃迁，多余的能量便以层跃迁，多余的能量便以X-ray光量子的形式辐射出；光量子的形式辐射出； d.由于不同由于不同Z值的物质，各原子能级所具有的能量是值的物质，各原子能级所具有的能量是固定的，所以固定的，所以

19、 EkL=EL-Ek=hc/是定值是定值 所以所以只与只与EL-Ek, 即只与即只与Z有关有关 3. .临界激发电压存在的原因：临界激发电压存在的原因： 外来电子要激发出原子核外电子，必须使该外来电子要激发出原子核外电子，必须使该核外电子获得足够能量挣脱原子核对其束缚力，核外电子获得足够能量挣脱原子核对其束缚力，即外来电子的能量必须即外来电子的能量必须大于或等于该核外电子大于或等于该核外电子的逸出功的逸出功W Wk k, ,或该电子与原子核的结合能或该电子与原子核的结合能E Ek k 对对k k层电子：即层电子：即eU -EeU -Ek k=W=Wk k 临界条件临界条件eUeUk k=-E=

20、-Ek k=W=Wk k U Uk k便为将便为将K K层电子激发出所需的最小电压，即层电子激发出所需的最小电压，即激激发电压。发电压。同理同理 U UL LLL Um M Um M 4.K线与线与K线线 K系激发系激发K层电子被击出的过程。同理有层电子被击出的过程。同理有L系激发，系激发，M、N系激发；系激发； K系辐射系辐射外层电子向外层电子向K层跃迁引起的辐射。层跃迁引起的辐射。（还有（还有L、M、N系等辐射）系等辐射） K L层电子向层电子向K层跃迁辐射出的射线（跨层跃迁辐射出的射线（跨越一个能级）；越一个能级）； K M层电子向层电子向K层跃迁辐射出的射线（跨层跃迁辐射出的射线（跨越

21、两个能级）；越两个能级）； 即：下标即：下标、分别指跨越了一个能级、两个分别指跨越了一个能级、两个能级。能级。 由于由于:K为为L K辐射，辐射，K为为MK辐射，辐射， 故故 K k,Ik/Ik5? 答：由于原子系统中不仅各能级的能量不同（答：由于原子系统中不仅各能级的能量不同（EKEL20)的成分的成分分析分析.二次特征辐射产生条件二次特征辐射产生条件: 入射入射X-ray的能量必须大于（或等于）将此的能量必须大于（或等于）将此原子某一壳层的电子激发出来所需要的逸出功原子某一壳层的电子激发出来所需要的逸出功W。例如：例如： 激发激发k系辐射的入射系辐射的入射X-ray光量子的光量子的能量最小值为能量最小值为 hk eUk wk k其中：其中：Ukk系辐射激发电压系辐射激发电压 k产生产生k系激发的最长波长，系激发的最长波长，k系激发限系激发限k1 . 2 4Uk的意义：的意义： k为产生为产生k系激发的最长波长，每一物质都系激发的最长波长，每一物质都有特定的有特定的k ，即要激发出此物质的，即要激发出此物质的k系荧光辐射，系荧光辐射，入射入射X-ray的波长必须要小于等于此物质的的波长必须要小于等于此物质的激发激发限的限的k ； 当当k时，入射时，入射X-ray被物质全部吸收。被物质全部吸收。对于同一元素：对于同一元素： k K K， 即