X射线物理学基础课件公开课获奖课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章,X,射线物理学基础,第1页,2-1 X射线本质；,2-2 X射线产生；,2-3 X射线谱；,2-4 X射线与物质互相作用；,2-5 X射线探测与防护；,返回,第2页,2-1 X,射线本质,X射线本质是电磁辐射，与可见光完全相似，仅是波长短而已，因此具有波粒二象性。,(1),波动性;,(2),粒子性。,第3页,使摄影底片感光；,使气体电离；,沿直线传播，通过电场或磁场时不发生偏转；,有很强穿透能力；,通过物质时可以被吸取使其强度衰减；,可杀伤生物细胞；,在介质中折射率略不不小于1，与1相差约为10-5-10-6,波长与晶体中原子间距相近，能发生衍射现象。,X,射线性质,第4页,波动性,X射线波长范围：,0.01100,体现形式：在晶体作衍射光栅观测到X射线衍射现象，即证明了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，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，可用于非金属分析及成像和显微技术。,X射线波长度量单位常用埃（）表达；通用国际计量单位中用纳米（nm）表达，它们之间换算关系为：1nm=10 =m。,第6页,粒子性,特性体现为以光子形式辐射和吸取时具有一定质量、能量和动量。,体现形式为在与物质互相作用时互换能量。如光电效应；二次电子等。,X射线频率、波长以及其光子能量、动量p之间存在如下关系：,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,有关习题：,1.试计算波长0.71,（Mo-K）,和1.54,（Cu-K）X,射线束，其频率和每个量子能量？,第8页,2-2 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)其他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；,2.使电子作定向高速运动;,3.在其运动途径上设置一种障碍物使电子忽然减速或停止。,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射线管构造；,2.常用X射线源；,第13页,X射线管构造,封闭式X射线管实质上就是一种大真空（）二极管。基本构成包括：,(1)阴极：阴极是发射电子地方。,(2)阳极：亦称靶，是使电子忽然减速和发射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,常用X射线源包括：,1 密封式X射线管,精密陶瓷X射线管,一般玻璃管（目前已经基本被淘汰）,细聚焦X射线管,准单色X射线管,2 旋转阳极（转靶）X射线管：提高X射线管发射强度,3 同步辐射光源,第16页,2-3 X,射线谱,由X射线管发射出来X射线可以分为两种类型：,(1)持续X射线；,(2)标识X射线。,第17页,持续X射线,具有持续波长X射线，构成持续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。,产生机理,；,演示过程,；,短波限,；,X,射线强度,。,第18页,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，其中部分以光子形式辐射，碰撞一次产生一种能量为hv光子，这样光子流即为X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一再碰撞，产生能量各不相似辐射，因此出现持续X射线谱。,第19页,短波限,持续X射线谱在短波方向有一种波长极限，称为短波限0.它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生X射线。它只与管电压有关，不受其他原因影响。,互相关系为：,式中e电子电荷，等于 静电单位；V电子通过两极时电压降（静电单位）；h普朗克常数，等于,第20页,有关习题,试计算用50千伏操作时，,X,射线管中电子在撞击靶时速度和动能，所发射X,射线短波限为多少？,第21页,X,射线强度,X射线强度是指垂直X射线传播方向单位面积上在单位时间内所通过光子能量总和。常用单位是J/cm2.s.,X射线强度I是由光子能量hv和它数目n两个原因决定,即I=nhv.持续X射线强度最大值在1.50,而不在0处。,第22页,持续X射线谱中每条曲线下面积表达持续X射线总强度。也是阳极靶发射出X射线总能量。,试验证明，I与管电流、管电压、阳极靶原子序数存在如下关系：且X射线管效率为:,第23页,标识,X,射线,是在持续谱基础上叠加若干条具有一定波长谱线，它和可见光中单色光相似，亦称单色X射线。,1.标识X射线特性;,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射线强度特性。,第24页,标识X射线特性,当电压抵达临界电压时，标识谱线波长不再变，强度随电压增长。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25页,产生机理,标识X射线谱产生机理与阳极物质原子内部构造紧密有关。原子系统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，当某个具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，处在不稳定激发态。较高能级上电子向低能级上空位跃迁，并以光子形式辐射出标识X射线谱。,第26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,W,K,W,L,W,M,W,N,0,原子能量,标识,X,射线产生过程,K,激发,L,激发,Ka,辐射,K,辐射,L,辐射,过程演示,（任意键演示）,第27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28页,由能级可知K辐射光子能量不小于K能量，但L层电子填充几率大，因此K强度约为K5倍。,产生K系激发要阴极电子能量eVk至少等于击出一种K层电子所作功Wk。Vk就是激发电压。,第29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构造，是物质固有特性。且存在如下关系：,莫塞莱定律：标识X射线谱波长与原子序数Z关系为：,第30页,标识X射线强度特性,K系标识X射线强度与管电压、管电流关系为：,当工作电压为K系激发电压Vk35倍时，I标/I连最大,持续谱导致衍射背景最小。,第31页,2-4 X射线与物质互相作用,X射线与物质互相作用时，产生多种不一样样和复杂过程。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，一部分被吸取，一部分透过物质继续沿本来方向传播。,X射线散射；,X射线吸取；,X射线衰减规律；,吸取限应用；,X射线折射；,总结。,第32页,X,射线散射,X,射线被物质散射时，产生两种现象：,相干散射,；,非相干散射,。,第33页,相干散射,物质中电子在X射线电场作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率电磁波。新散射波之间可以发生干涉现象。,第34页,非相干散射,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获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开本来方向，能量减小，波长增长。,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，亦称康普顿效应。非相干散射突出地体现出X射线微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它会增长持续背影给衍射图象带来不利影响，尤其是对轻元素,这种影响更明显。,第35页,X射线吸取,物质对X射线吸取指是X射线能量在通过物质时转变为其他形式能量，X射线发生了能量损耗。物质对X射线吸取重要是由原子内部电子跃迁而引起。这个过程中发生X射线光电效应和俄歇效应。,光电效应,；,俄歇效应,。,第36页,光电效应,以X光子激发原子所发生激发和辐射过程。被击出电子称为光电子，辐射出次级标识X射线称为荧光X射线。,产生光电效应，X射线光子波长必须不不小于吸取限k。,激发,k,系光电效应光子临界能量为,:,称为吸取限（激发限）波长,第37页,俄歇效应,原子在入射X射线光子或电子作用下失掉K层电子，处在K激发态；当L2层电子填充空位时，放出EK-EL2能量，产生两种效应：,(1)荧光X射线；,(2)产生二次电离，使另一种核外电子(例如L2,L3,M,N层电子)成为二次电子俄歇电子。,俄歇电子（二次电子）能量是元素固有特性，并且能量很低，平均自由程很小，故常运用俄歇效应来进行表层成分分析。,第38页,第39页,X,射线衰减规律,当一束X射线通过物质时，由于散射和吸取作用使其透射方向上强度衰减。衰减程度与所通过物质中距离成正比。,式中：,为入射,X,射线强度。,为线衰减系数，表达单位体积物质对X射线强度衰减程度。,H,为,X,射线穿过距离。,第40页,质量衰减系数,表达单位重量物质对X射线强度衰减程度,在物质状态发生变化时，保持不变。,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,m随变化是不持续,其间被锋利突变分开。突变对应波长为K吸取限。,第41页,吸取限应用,吸取限重要是由光电效应引起：当X射线波长等于或不不小于时,光子能量E不小于击出一种K层电子功W，X射线被吸取，激发光电效应,从而使m突变性增大。,吸取限与原子能级精细构造对应。如L系有三个副层，有三个吸取限。,第42页,滤波片选择:(1)它吸取限位于辐射源K和K 之间，且尽量靠近K。强烈吸取K，K吸取很小；(2)滤波片厚度以将K强度减少二分之一最对旳;(3)选用原则:Z靶40时,Z滤片=Z靶-2；,阳极靶选择:（1）阳极靶K波长稍不小于试样K吸取限；（2）试样对X射线吸取最小。Z靶Z试样+1。,第43页,X,射线折射,X射线从一种介质进入另一种介质产生折射，折射率n非常靠近1,n约为0.999990.999999。,第44页,X射线与物质互相作用总结,热能,透射,X,射线衰减后强度,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,康普顿效应,俄歇效应,光电效应,第45页,2-5 X,射线探测与防护,（1),X,射线探测,；,（2）,X,射线安全防护,。,第46页,X,射线探测,荧光屏法；,摄影法；,辐射探测器法：X射线光子对气体和某些固态物质电离作用可以用来检查X射线存在与否和测量它强度。按照这种原理制成探测X射线仪器包括电离室和多种计数器。,成像板:Image Plate,第47页,X,射线安全防护,X射线设备操作人员也许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常常存在，X射线阴极端为危险源泉。在安装时可以把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后等措施加以保证。,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、血液构成和性能变化以及影响生育等。安全措施有：严格遵守安全条例、配带笔状剂量仪、防止身体直接暴露在X射线下、定期进行身体检查和验血。,第48页,Exercise,2-1 Show that there exists relation,K,K,K,for the same material.,2-2 Can the characteristic emission excite the same set of fluorescent radiation for the same element?For example,characteristic emission Cu-K to excite fluorescent radiation Cu-K,or characteristic emission Cu-K to excite fluorescent radiation Cu-K?Why?And how about for characteristic emission Cu-K to excite fluorescent radiation Cu-L?,第49页,2-3 Leed screens for the protection of personnel in X-ray diffraction laboratories are usually at least 1 mm thick.Calculate the“transmission factor”(I,trans,./I,incident,)of such a screen for Cu-K,、,Mo-K and the shortest wavelength radiation from a tube operated at 30000 volts.,2-4 The wavelengths of characteristic emission K,2,are 0.190 and 0.196 for element A and B,respectively,then,the atomic number of which element is larger?,第50页,