第一章 X射线物理学基础

1-1X射线的本质；

1-2X射线的产生；

1-3X射线谱；

1-4X射线与物质相互作用；

1-5X射线的探测与防护；

第一章X射线物理学基础

伟大的物理学家,X射线发明者------伦琴1895年德国物理学家---“伦琴”发现X射线1895-1897年伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分性质1901年伦琴获诺贝尔奖1912年劳埃进行了晶体的X射线衍射实验1.1X射线的本质X射线最早的应用在X射线发现后几个月医生就用它来为病人服务右图是纪念伦琴发现X射线100周年发行的纪念封X射线的性质

人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。1912年，德国物理学家劳厄（M.vonLaue）以其创造性的实验发现了X射线在晶体上的衍射（X-raydiffraction），从而证明了X射线是光的一种，有其波动性；同时又证实了晶体结构的周期性。

X射线的本质

X射线也是电磁波的一种，波长在10－8cm左右

1912年、劳厄(M．V．Laue)

X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此具有波粒二像性。波动性

X射线的波长范围：0.001~10nm

在X射线金属学中，常用的波长约0.25—0.05nm之间用于材料探伤的X射线波长在0.1-0.005nm之间表现形式：在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性。硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析。

X射线波长的度量单位：常用埃（Å）或晶体学单位（kX）表示；通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为：1nm=10Å=10-9m1kX=1.002056±0.000005Å。粒子性特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量。表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应；二次电子等。光电效应的解释（1905年）EinsteinX射线的频率ν、波长λ以及其光子的能量ε、动量p之间存在如下关系：

式中h——普朗克常数，等于6.625×10-34

J.s;c——X射线的速度，等于2.998×1010cm/s.波粒二象性是x射线的客观属性德普罗依提出，世界上所有运动物质都具有波粒二象性X射线是载有能量的，在单位时间内，通过垂直于其传播方向的单位截面的能量大小称为强度，以波动形式描述，强度与波的振幅平方成正比，常用的单位是Jcm－2s－1。按粒子形式表示，强度是通过截面的光量子流率。空间任意一点，波的强度与粒子在该点出现的几率成正比，因而波粒二象性在强度这一点上是统一的。1-2X射线的产生(1)产生原理；(2)产生条件；

(3)过程演示；

(4)X射线管；

(5)其它X射线装置。

产生原理

高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高。X射线管是直接发射X射线的装置，按其获得电子的方式分为两种基本类型：一种是借助于高压电场内少量的气体发生的电离产生电子，称为离子式X射管（又叫冷阴极）；另一种是借助于加热阴极灯丝发射电子，称为电子式X射线管，又叫热阴极X射线管，前者较原始，现已经基本淘汰，现在普遍使用的几乎全是电子式X射线管，电子式分为封闭式和可拆式两种，一般用封闭式。产生条件1．产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子；2．使电子作高速定向运动，施加在阴极和阳极之间的高压，用以加速自由电子朝阳极靶方向加速运动，如高压发生器3．在电子运动路径上设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，用以产生X射线；4．将阴阳极封闭在的高真空中，保持两极洁净。

X射线管的结构

封闭式X射线管实质上就是一个大的真空

二极管。基本组成包括：

(1)阴极：阴极是发射电子的地方。2000℃～2500℃Cr,Fe,Co,Ni,Cu，Mo，Zr，阴极电压U几十千伏；管电流i:几十毫安；功率一般为4KW，利用转靶技术可以达到12KW，18KW。

聚焦罩100－400伏(2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。(3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。铍片，硼酸玻璃构成的林德曼玻璃(4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出X射线。（1mm×10mm）

（0.08mm×10mm）接变压器玻璃钨灯丝金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X射线管剖面示意图过程演示

X射线管

1.X射线管的结构；如图；

2.特殊构造的X射线管；

3.市场上供应的种类。

特殊构造的X射线管

(1)细聚焦X射线管；（0.3mm×3mm）

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

(2)旋转阳极X射线管。旋转阳极

上述常用X射线管的功率为500～3000W。目前还有旋转阳极X射线管、细聚焦X射线管等。因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。目前有100kW的旋转阳极，其功率比普通X射线管大数十倍。

旋转阳极市场上供应的种类

(1)密封式灯丝X射线管；(2)可拆式灯丝X射线管。寿命：W沉积在阳极，管子漏气，阴极灯丝烧坏1.可拆式管——这种X射线管在动真空下工作，配有真空系统，使用时需抽真空使管内真空度达到10－5毫帕或更佳的真空度。不同元素的靶可以随时更换，灯丝损坏后也可以更换，这种管的寿命可以说是无限的。2.密封式管——这是最常使用的X射线管，它的靶和灯丝密封在高真空的壳体内。壳体上有对X射线“透明”的X射线出射“窗孔”。靶和灯丝不能更换，如果需要使用另一种靶，就需要换用另一只相应靶材的管子。这种管子使用方便，但若灯丝烧断后它的寿命也就完全终结了。密封式X射线管的寿命一般为1000—2000小时，它的报废往往并不是与因灯丝损坏，而是由于靶面被熔毁或因受到钨蒸气及管内受热部分金属的污染，致使发射的X射线谱线“不纯”而被废用。加速器中可以引出X射线加速器中可以引出X射线

加速器中可以引出X射线美国阿贡国家实验室（ArgonneNationalLaboratory）

1-3X射线谱

X射线谱指的是X射线的强度I随波长λ变化的关系曲线由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：(1)连续X射线：

连续x射线谱的强度是随波长的变化而连续变化。

(2)特征标识X射线：在连续谱的基础上产生波长一定，强度很高的谱线。连续X射线具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。产生机理；管流，管压；短波限；X射线的强度。产生机理

能量为eU的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。短波限

连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限λ0.它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。相互关系为：式中e——电子电荷，1.602x10-19

库仑；U——电子通过两极时的电压降；h——普朗克常数，等于6.626X10-34J.SX射线的强度

X射线的强度是指垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数的能量总和。常用的单位是J/cm2.s.X射线的强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的,即I=nhv.连续X射线强度最大值在1.5λ0,而不在λ0处。连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系：且X射线管的效率为:式中，Z为阳极靶原子序数，i为管电流（mA），U为管电压（KV）α=1.1～1.4x10-9

。例如：钨靶：Z＝74U＝100KV

＝1％X射线谱--------特征X射线谱当管电压超过某临界值时，特征谱才会出现，该临界电压称激发电压。当管电压增加时，连续谱和特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长保持不变。钼靶X射线管当管电压等于或高于20KV时，则除连续X射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱线。在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。

钼靶X射线管在35KV电压下的谱线，其特征x射线分别位于0.63Å和0.71Å处，后者的强度约为前者强度的五倍。这两条谱线称钼的K系

标识X射线的特征

当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。如钼靶K系标识X射线有两个强度高峰为Kα和Kβ，波长分别为0.71A和0.63A.产生机理

标识X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。元素特征X射线的激发机理图0中性原子高速电子原子核M壳层L壳层K壳层K壳层电子L壳层电子Lα1Kα1Kα2KβWKWLWMWNKα2Kα1LIIIIIIK态(K电子去除)L态(L电子去除)M态(M电子去除)N态(N电子去除)价电子去除Kβ辐射Kα原子能量K激发L激发MNMαLα(a)(b)产生机理：与阳极物质的原子内部结构是紧密相关的,从原子物理学知道：原子中的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。各能级中电子的运动状态由四个量子数所确定。泡利不相容原理：在一个原子中不能有两个或更多的电子处在完全相同的状态（即它们四量数完全相同）（电子都尽量向能量低的能级上分布，但每个能级都容纳的电子数有限，泡利不相容）所谓量子数：表征微观粒子运动状态的一些特定数字，电子在原子中的运动可用四个量子数表示：主量子数：n＝1、2、3……正整数，它是确定电子能量的主要量子数。KLMNOPQ角量子数：L＝0、1、2……n－1正整数，它表示电子的轨道动量矩。SPDF轨道方向量子数ml＝l、l-1、…..0….-l磁量子数：正负整数，它表示电子轨道动量矩在空间某一方向上的分量。自旋量子数ms：只能取1/2,-1/2,它表示电子自旋动量矩在这一空间方向上的分量。具有不同量子数就具有不同能量K系激发机理

K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生Kα辐射；M层电子填充空位时产生Kβ辐射。跃迁还要遵守选择定则。由能级可知Kβ辐射的光子能量大于Kα的能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充几率大，所以Kα的强度约为Kβ的5倍。K1和K2射线的强度比约为2：1，当用原子序数较高的金属作阳极靶时，除去K系射线外，还可得到L，M等系的特征X射线。产生K系激发要阴极电子的能量eUk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Uk就是激发电压。特征X射线谱

n=1234567(KLMNOPQ),LK,MKK谱线.ML,NLL谱线.

等角标,LKMKNK标以KKK

K

<

K<

K.能级差并不均匀分布,愈靠近原子核相邻能级间的能量差愈大.所以同一靶材K系谱线波长最短由不同外层上的电子跃迁到同一内层上来而辐射出来的特征谱线属于同一线系,以内层的标号作为谱线的标号,并按电子所跨越的电子能级数目为顺序.分别标以

。电子具有的能量n主量子数、h普朗克常数Z原子序数m电子质量e电子电量屏蔽常数

在原子中，电子从高能级向低能级跃迁时释放能量，这种能量就是以标识X射线谱线出现。

由爱因斯坦公式:＝h＝hc/1/=/hc里德伯常数令莫塞莱定律

标识X射线谱的波长λ与原子序数Z关系为：令标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。且存在如下关系：莫塞莱定律：标识X射线的强度特征

K系标识X射线的强度与管电压、管电流的关系为：K2,n为常数，n=1.5~1.7，当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压的3~5倍时，连续谱造成的衍射背影最小。几种常用阳极靶材料的特征谱参数

阳极靶元素

原子序数ZK系特征谱波长（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射线与物质相互作用

X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。X射线的散射

；X射线的吸收

；X射线的衰减规律；

吸收限的应用；

X射线的折射；总结

。X射线的散射

X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射；非相干散射。相干散射物质对X射线的弹性散射主要是物质中原子核束缚力很大的电子（如原子内层电子）与X射线的光子相碰撞而产生弹性衍射时光子的方向改变了，但所具有的能量没有改变。于是产生了波长不变的散射。电子在X射线电场的作用下，产生了强迫震动。每个受迫振动的电子便成为新的电磁波源向空间各方向辐射电磁波。如果散射波的波长和频率与入射波相同，这些新的电磁波之间可发生干涉作用，所以把这种散射现象称为相干散射。相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础，这一点以后还要讨论。非相干散射

X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。

当X射线光与受束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时，电子获得一部分动能而成为反冲电子，光子也偏离原来的方向，碰撞后的光子能量减少，即：由于这两种X射线，故它们是不相干的，叫做非相干衍射。波长的改变与传播方向存在如下的关系：

h普朗克常数；cX射线速度；me电子静止质量，2散射线与入射线间的夹角。非相干散射是康普顿（A.H.Compton）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它会增加连续背影（sin/）。给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。非相干散射X射线的吸收

物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应。光电效应；

俄歇效应。

光电效应当一个由足够能量的光子从原子内部击出电子时，同样会发生电子激发原子时类似的辐射过程，产生标识X射线。这种以光子激发原子所发生的电子被击出和辐射过程称为光电效应。被击出的电子称为光电子。所辐射的X射线称为荧光射线（或二次标识X射线）。激发K系荧光辐射时，X射线光电子的能量必须大于或等于击出一个K层电子所作的功W：从激发光电效应的角度讲，称k为激发限，从X射线吸收角度讲，可以把称k为吸收极限。而只有当X射线的波长达到或小于k时才能产生光电效应，使X射线的能量被吸收。在一般的衍射工作中，荧光X射线增加衍射花样的背影。是有害的因素。因此不希望它出现。而在X射线荧光光谱分析中。则要利用荧光X射线进行分析工作。因此希望得到尽可能多强的荧光射线。俄歇效应如果原子在入射的X射线光子的作用下，失去一个K层电子。当外层电子如一个L2层电子填充这个空位后存在一个能量差。这个能量可以两种方式释放出来：一种是产生荧光辐射；另一种是这个能量使另一个核外电子脱离原子成为自由电子，产生二次电离，这就是俄歇效应。X射线的衰减规律

当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。式为比例常数与入射线波长及吸收物质和其状态有关，称为该物体对入射线的线衰减系数。μm称为质量衰减系数，表示单位质量物质对入射线强度的衰减程度。

质量衰减系数μm

表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度。质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近似关系：K为常数μm随λ的变化是不连续的，其间被尖锐的突变分开。突变对应的波长为λK吸收限。

波长减小到时、质量吸收系数产生一个突变(增大)，这是由于入射线光子能量k达到了激发该元素K层电子的数值，从而大量地被吸收或消耗在这种激发上面，并同时引起特征辐射。发生突变吸收的波长k为吸收限，其值由k＝1．24／V