X射线物理学基础教案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第一章 X射线物理学基础 第1页第2页 1-1 X射线本质射线本质；1-2 X射线产生射线产生；1-3 X射线谱射线谱；1-4 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用；1-5 X射线探测与防护射线探测与防护；第3页1-1 X射线本质射线本质X射线本质是电磁辐射，含有波粒二像性。(1)波动性;(2)粒子性。相关习题：第4页波动性X射线波长范围：0.01100 表现形式：用晶体作衍射光栅观察到了X射线衍射现象，即证实了X射线波动性。第5页硬X射线：波长较短硬X射线能量较高，穿透性较强，适合用于金属部件无损探伤及金属物相分析。软X射线：波长较长软X射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属材料分析。X射线波长度量单位惯用埃（）或晶体学单位（kX）表示；通用国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间换算关系为：1nm=10 =m 1kX=1.00207720.000053 (1973年值)。第6页粒子性特征表现为以光子形式辐射和吸收时含有一定质量、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；荧光辐射等。X射线频率、波长以及其光子能量、动量p之间存在以下关系：式 中 h普 朗 克 常 数，等 于 6.625 J.s;cX射线速度，等于2.998 cm/s.第7页相关习题：1.试试计计算算波波长长0.71 （Mo-K）和和1.54 （Cu-K）X射射线线束束，其其频频率率和每个量子能量？和每个量子能量？解答第8页1-2 X射线产生(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。第9页产生原理 高速运动电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子运动受阻失去动能，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。第10页产生条件1.产生自由电子；产生自由电子；2.使电子作定向高速运动使电子作定向高速运动;3.在在其其运运动动路路径径上上设设置置一一个个障障碍碍物物使使电子突然减速或停顿。电子突然减速或停顿。第11页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（回车键演示）过程演示第12页 X射线管 1.X射线管结构；2.特殊结构X射线管；3.市场上供给种类。图1-2第13页 X射线管结构 封闭式X射线管实质上就是一个大真空（）二极管。基本组成包含：(1)阴极：阴极是发射电子地方。(2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线地方。第14页(3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出地方。(4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击地方，正是从这块面积上发射出X射线。第15页特殊结构X射线管；(1)细聚焦X射线管；(2)旋转阳极X射线管。第16页市场上供给种类(1)密封式X射线管；(2)可拆式X射线管.第17页1-3 X射线谱 由X射线管发射出来X射线能够分为两种类型：(1)连续X射线谱；(2)特征X射线谱。第18页连续X射谱包含从某一短波限0开始，直到波长等于无穷大一系列波长与相对强度关系曲线。亦称多色X射线。产生机理；演示过程；短波限；X射线强度。第19页（一）试验规律当管电压Kv、管电流mA、阳极靶Z一定时，其强度I与波长关系如图所表示，其中：0:短波限，最短波长；m:X射线强度最大值所对应波长。当改变其中任何一个量时，则X射线谱发生有规律改变。第20页1、当阳极靶物质Z一定时，如W，管电流mA一定时，如20mA。增加管电压Kv。各种波长X射线相对强度一致增高；X射线最大强度所对应波长m变小（左移）；最短波长0 变小（左移）。即波谱范围增大。第21页2、当阳极靶物质Z一定时，如W，管电压Kv一定时，如35Kv。增加管电流mA。各种波长X射线相对强度一致增高；m不变；0 不变。第22页3、管电压Kv、管电流mA均保持恒定不变。改变阳极靶物质，如Z增大时，则各种波长X射线相对强度一致增高；0 、m不变；一些靶会在某一特定波长出现X射线强度猛增现象，称为特征X射线谱。第23页可见：l管电压Kv影响强度大小及波谱范围，即0 、m是由Kv决定；l管电流mA只影响强度大小，不影响波谱范围；l特征X射线谱波长是由制靶元素Z决定。第24页（二）产生机理能量为eV电子与阳极靶原子碰撞时，电子失去自己能量，其中部分或全部能量以光子形式辐射.碰撞一次产生一个能量为hv光子，这么光子流即为X射线射线。单位时间内抵达阳极靶面电子数目是极大量，绝大多数电子要经历屡次碰撞，产生能量各不相同辐射，所以出现连续连续X射线谱射线谱。第25页K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（击走N电子）击走价电子中性原子WkWlWmWn0原子能量连续X射线产生过程电子冲击阳级靶X射线射出演示过程（回车键演示）第26页短波限 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0.它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生X射线。它只与管电压相关，不受其它原因影响。相互关系为：式中e电子电荷，等于 静电单位；V电子经过两极时电压降（静电单位）；h普朗克常数，等于 相关习题：相关习题：第27页短波限0 eV=hc/0 0=hc/eV=12.4/V（）其中V单位为KV。可见0仅由V决定，即每种管电压下对应一定短波限0。第28页相关习题相关习题试试计计算算用用50千千伏伏操操作作时时，X射射线线管管中中电电子子在在撞撞击击靶靶时时速速度度和和动动能能，所所发发射射X射射线短波限为多少？线短波限为多少？第29页（三）辐射强度和效率波长是描述X射线性质物理量;而强度则是描述X射线数量物理量。第30页1、X射线强度 定义：X射线强度I指垂直于X射线传输方向单位面积上在单位时间内经过光子数目。即单位面积上光子流率，其惯用单位为reg/sec 或J/.s.第31页连续X射线总强度连续X射线谱曲线下面积表示连续X射线总强度。也是阳极靶发射出X射线总能量。试验证实，=KiZV2其中：K=（1.1-1.5）*10-6可见：I、Z、V2，与前述试验规律相同。第32页2、效率若输入X射线管功率为iV，X射线管输出功率，即阳极靶发射连续X射线总强度为 则X射线管工作效率为：第33页假定当使用钨阳极（Z=74），管电压100KV，=时，则1%。可见X射线管效率极低。因为X射线管中电子能量绝大部分转化成热能而损失，所以X射线管必须用良好导热体Ag、Cu制成，而且必须强力水冷。第34页二、特征X射线谱含有一定波长若干特强X射线，因为它反应了靶材特征，称为特征X射线,亦称单色X射线或标识X射线。1.特征X射线形成2.产生机理;3.过程演示;4.K系激发机理;5.莫塞莱定律；6.标识X射线强度特征。第35页（一）特征X射线形成特征X射线谱是在连续谱基础上产生。当电压到达临界电压时，标识谱线波长不再变，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K和K，波长分别为0.71 和0.63.第36页（二）试验规律1、产生特征X射线所需最低管电压（称为激发电压）V激，对于不一样阳极靶是不一样，它由阳极靶元素Z决定。2、阳极靶元素Z不一样，特征X射线谱波长不一样，Z与关系由莫塞莱（Moseleys law）定律确定。=K(Z-)C:光速光速 第37页3、管电流、管电压改变时，特征谱波长不变，但其强度I按n次方规律改变，试验表明：I特征=C:常数常数 n=1.5-2 4、特征X射线与连续X射线强度比率，在X射线管工作电压V为V激35倍时最大。这在选择试验参数时是必须考虑。5、对于同一阳极靶，除了K系特征谱外，还有L、M、N等系谱线，各系都有对应V激，且激，且V激激K V激激LV激激M.。第38页（三）产生机理分析标识X射线谱产生机理与阳极物质原子内部结构紧密相关。原子内电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极过程中，当某个含有足够能量电子将阳极靶原子内层电子击出时，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。较高能级上电子向低能级上空位跃迁，多出能量以光子形式辐射出标识X射线谱。第39页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K辐射；M层电子填充空位时产生K辐射。第41页 假定K层被激发后由L层迁来一个补充电子，其降低能量L-K将以一个X射线光子形式辐射出来，其辐射频率（波长）由原子能级差决定：hL-K =L-KK=c/L-K =hc/L-K这就是波长一定特征辐射。第42页由能级可知K辐射光子能量大于K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K强度约为K5倍。产生K系激发要求阴极电子能量eVk最少等于击出一个K层电子所作功Wk。Vk就是激发电压。第43页莫塞莱定律 标识X射线谱频率和波长只取决于阳极靶物质原子能级结构，是物质固有特征。且存在以下关系：莫塞莱定律：标识X射线谱波长与原子序数Z关系为：第44页1-3 X射线与物质相互作用X射线与物质相互作用时，产生各种不一样和复杂过程。就其能量转换而言，一束X射线经过物质时，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方向传输。X射线散射；X射线吸收；X射线衰减规律；吸收限应用；X射线折射；总结。第45页一、X射线散射X射线散射射线散射依据是否有能量损失分为:相干散射；非相干散射。第46页1、相干散射（经典散射、Thomson.J.J散射）相干散射概念相干散射强度第47页相干散射概念散射线与入射线频率（波长）一致，位相固定，在相同方向上，这些散射线能够相互干涉、加强，称为相干散相干散射。射。第48页相干散射强度关于相干散射强度问题，将在第四章中专门介绍，这里先给出结论。假如一束（未经偏振化）强度为I0X射线照射到一个电子上时，由这个电子散射到距电子为RP点处散射波强度为：第49页2、不相干散射（量子散射、Compton.A.H散射）X射线光子与束缚力不大外层电子 或自由电子碰撞时电子取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。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觉，亦称康普顿效应。非相干散射突出地表现出X射线微粒特征，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它会增加连续背影，给衍射图像带来不利影响，尤其对轻元素。第50页散射线波长较入射线波长长，其改变数值可依据能量守恒和动量守恒定律求得：=2-1（1-cos）为散射角。第51页可见：1）波长改变数值完全由散射角决定；2）散射线与入射线之间不存在固定相位关系，散射线不可能相互干涉，故称为不相干散射；不相干散射不能参加衍射，它只会使衍射图象背景升高，对衍射分析工作不利；射线分布于各个方向，其强度随sin/增加而增大，即入射线波长越短，散射角越大，散射强度越大。附图第52页3、荧光辐射（二次特征辐射）1)荧光辐射概念 当含有足够能量电子从被照物质中击出内层电子时，将产生特征X射线；同理，当含有足够能量X射线从被照物质中击出内层电子时，也将产生特征X射线，这种由X射线激发作用而产生特征辐射称为二次特征二次特征辐射辐射。二次特征辐射在本质上属于光致发光荧光现象，亦称为荧光辐射荧光辐射。第53页2）产生条件-激发限K 为使被照原子能发射二次特征辐射，入射X射线光子能量必须大于（最少等于）为击出一个K层电子所需能量。若击出一个K层电子所需最小能量为K，则，则 K=hK=hc/K K、K分别为K系激发频率和激发限。第54页4、光电效应激发二次特征辐射时，入射X射线光子能量被击出电子所吸收，政变成电子动能，使电子逸出原子之外，这种电子称为光电子，这一现象称为光电效应光电效应。产生二次特征辐射时，物质大量吸收入射X射线能量，造成强度大量衰减，此时吸收称为真吸收真吸收。第55页5、俄歇效应原子在入射X射线光子或电子作用下失去K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位时，产生两种效应：(1)荧光X射线；(2)产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子俄歇电子。第56页二、X射线衰减 X射线穿过物质时，因为产生了相干散射、不相干散射、原子激发等现象而消耗入射X射线能量，使入射线强度显著降低，其衰减程度随所穿过物质厚度呈指数规律减弱。第57页1、衰减规律2、线衰减（吸收）系数3、质量吸收系数第58页质量衰减系数m 表示单位重量物质对X射线强度衰减程度。质量衰减系数与波长和原子序数Z存在以下近似关系：K为常数m随改变是不连续,其间被尖锐突变分开。突变对应波长为K吸收限。第59页各系数物理意义 1）l线吸收系数物理意义为：单位体积物质引发X射线强度相对衰减量。因为强度I是指单位时间内经过一平方厘米截面能量（或光子数目），此能量又穿过1厘米厚度物质后，其相对衰减量 l=-dI/I即1立方厘米物质引发X射线强度相对衰减量。第60页2）m质量吸收系数物理意义为：单位重量物质引发X射线强度相对衰减量。m=l/指1立方厘米物质含有克，即每克物质引发X射线强度相对衰减量。质量吸收系数主要取决于化学成份及入射X射线波长。对于单质物质，其m3Z3第61页吸收限应用 滤波片选择:使滤波片吸收限k位于特征X射线波长K和K 之间，且尽可能靠近K 。强烈吸收K，而对K 吸收很小.当Z靶40时,Z滤片=Z靶 2.阳极靶选择:第62页3）连续谱质量吸收系数以上我们讨论了某一特定波长下m，它能够依据、Z从相关手册直接查到。对于连续谱，因为波长从0到大，波长范围广，X射线强度衰减将变复杂。计算m可采取各波长下吸收系数平均值。试验证实，此平均值相当于（1.31.4）0下所对应吸收系数。我们采取有效波长有效=1.350=16.7/V。然后依据有效求其吸收系数m。第63页4）复杂物质质量吸收系数一个物质质量吸收系数，只与它化学组成相关，而与它所处物理状态无关；同时与物质中原子间结合方式也无关。所以，不论复杂物质是机械混合物还是化合物、固溶体，它们质量吸收系数均适合于相加法则。即 m=mi wimi为各i元素质量吸收系数wi为各i元素重量百分比即复杂物质质量吸收系数等于各组成元素质量吸收系数与该元素在此物质中所占百分比乘积和。第64页例：计算CuO对MoK(=0.711)m。查附表mCu=49.7 cm2/gmO=1.50 cm2/g计算重量百分比Cu 占 64/（64+16）=0.8O 占 16/（64+16）=0.2求和m CuO=mi wi =49.7*0.8+1.50*0.2=40.06 cm2/g注意：注意：对于同一个物质、不一样波长对于同一个物质、不一样波长X射线，射线，其质量吸收系数值是不一样。其质量吸收系数值是不一样。第65页 X射线折射 X射线从一个介质进入另一个介质产生折射，折射率M非常靠近1,M约为0.999990.999999。第66页小结本章我们重点介绍了X射线产生条件、X射线特征以及X射线与物质相互作用，其中介绍了很多名词，如光电效应、荧光辐射等等。而最轻易混同算是种种了。第67页一、种种0m有效有效kkk第68页二、X射线与物质相互作用康普顿效应热能透射X射线衰减后强度It散射X射线电子荧光X射线相干非相干 反冲电子俄歇电子光电子俄歇效应 光电效应第69页1-4 X射线探测与防护（1)X射线探测；（2）X射线安全防护。第70页X射线探测荧光屏法；摄影法；辐射探测器法：X射线光子对气体和一些固态物质电离作用能够用来检验X射线存在是否和测量它和强度。按照这种原理制成探测X射线仪器电离室和各种计数器。工作原理在以后介绍。第71页X射线安全防护X射线设备操作人员可能遭受电震和辐射损伤两种危险。电震危险在高压仪器周围是经常地存在，X射线阴极端为危险源泉。在安装时能够把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后等方法加以确保。辐射损伤是过量X射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液组成和性能改变以及影响生育等。安全办法有：严格恪守安全条例、配带笔状剂量仪、防止身体直接暴露在X射线下、定时进行身体检验。第72页作业P18.2、6、7强调指出：禁止剽窃作业！禁止剽窃作业！第73页