章节X射线物理基础市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx
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1、第一章 X射线物理基础伟大物理学家,X射线创造者-伦琴第1页绪.1895年德国物理学家-“伦琴”发觉X射线.1895-1897年伦琴搞清楚了X射线产生、传输、穿透力等大部分性质.19伦琴获诺贝尔奖.19劳埃进行了晶体X射线衍射试验第2页X射线最早应用在在X X射线发觉后几个月射线发觉后几个月医生就用它来为病人医生就用它来为病人服务服务右图是纪念伦琴发觉右图是纪念伦琴发觉X X射线射线100100周年发行纪念周年发行纪念封封第3页X X射线性质射线性质人肉眼看不见人肉眼看不见X射线,但射线,但X射线能使气体电射线能使气体电离,使摄影底片感光,能穿过不透明物体,离,使摄影底片感光,能穿过不透明物体
2、,还能使荧光物质发出荧光。还能使荧光物质发出荧光。X射线呈直线传输,在电场和磁场中不发生射线呈直线传输,在电场和磁场中不发生偏转;当穿过物体时仅部分被散射。偏转;当穿过物体时仅部分被散射。X射线对动物有机体(其中包含对人体)能射线对动物有机体(其中包含对人体)能产生巨大生理上影响,能杀伤生物细胞。产生巨大生理上影响,能杀伤生物细胞。第4页X射线本质X射线也是电磁波一个,波长在108cm左右第5页X射线含有波粒二相性X射线强度是衍射波振幅平方(),也是单位时间内经过单位截面光量子数目。第6页1-3 X射线产生及X射线管X X射线产生:射线产生:X射线是高速运动粒子与某种物质相撞击后猝然减速,且与
3、该物质中内层电子相互作用而产生。第7页X射线管结构为:第8页X射线管(1)阴极发射电子。普通由钨丝制成,通电加热后释放出热辐射电子。(2)阳极靶,使电子突然减速并发出X射线。(3)窗口X射线出射通道。既能让X射线出射,又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂组成林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6斜角,以降低靶面对出射X射线妨碍。第9页X射线管(4)高速电子转换成X射线效率只有1%,其余99%都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好,惯用黄铜或紫铜制作,还需要循环水冷却。所以X射线管功率有限,大功率需要用旋转阳极(5)焦点阳极靶表面被电子轰击一块面积,X射线就是从这块面积上发射出来。焦点尺寸和形状
4、是X射线管主要特征之一。焦点形状取决于灯丝形状,螺形灯丝产生长方形焦点 X射线衍射工作中希望细焦点和高强度;细焦点可提升分辨率;高强度则可缩短暴光时间第10页旋转阳极上述惯用上述惯用X X射线管功率为射线管功率为5005003000W3000W。当前还有旋。当前还有旋转阳极转阳极X X射线管、细聚焦射线管、细聚焦X X射线管和闪光射线管和闪光X X射线管。射线管。因阳极不停旋转,电子束因阳极不停旋转,电子束轰击部位不停改变,故提轰击部位不停改变,故提升功率也不会烧熔靶面。升功率也不会烧熔靶面。当前有当前有100kW100kW旋转阳极,其旋转阳极,其功率比普通功率比普通X X射线管大数十射线管大
5、数十倍。倍。第11页旋转阳极第12页加速器中能够引出X射线第13页加速器中能够引出X射线第14页加速器中能够引出X射线第15页加速器中能够引出X射线第16页X射线谱-连续连续X X射线谱射线谱X X射射线线强强度度与与波波长长关关系系曲曲线线,称称之之X X射射线线谱。谱。在在管管压压很很低低时时,小小于于20kv20kv曲曲线线是是连连续续改改变变,故故称称之之连连续续X X射线谱,即连续谱。射线谱,即连续谱。第17页对连续X射线谱解释1依据经典物理学理论,一个带负电荷电子作加速运动时,电子周围电磁场将发生急剧改变,此时必定要产生一个电磁波,或最少一个电磁脉冲。因为极大数量电子射到阳极上时间
6、和条件不可能相同,因而得到电磁波将含有连续各种波长,形成连续X射线谱。第18页对连续X射线谱解释2量子力学概念,当能量为ev电子与靶原子整体碰撞时,电子失去自己能量,其中一部分以光子形式辐射出去,每碰撞一次,产生一个能量为hv光子,即“韧致辐射”。大量电子在抵达靶面时间、条件均不一样,而且还有屡次碰撞,因而产生不一样能量不一样强度光子序列,即形成连续谱。极限情况下,能量为ev电子在碰撞中一下子把能量全部转给光子,那么该光子取得最高能量和含有最短波长,即短波限0。都有一个最短波长,称之短波限0,强度最大值在01.5倍处。eV=hv eV=hvmaxmax=hc/=hc/0 0 0 0=1.24/
7、V =1.24/V (nmnm)第19页X射线管效率X射线管效率,是指电子流能量中用于产生X射线百分数,即伴随原子序数Z增加,X射线管效率提升,但即使用原子序数大钨靶,在管压高达100kv情况下,X射线管效率也仅有1左右,99能量都转变为热能。第20页X射线谱-特征特征X X射线谱射线谱当管电压超出某临界值时,特征谱当管电压超出某临界值时,特征谱才会出现,该临界电压称激发电压。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,而特征谱对应波长保强度都增加,而特征谱对应波长保持不变。持不变。钼靶钼靶X X射线管当管电压等于或高于射线管当管电压
8、等于或高于20KV20KV时,则除连续时,则除连续X X射线谱外,位于射线谱外,位于一定波优点还叠加有少数强谱线,一定波优点还叠加有少数强谱线,它们即特征它们即特征X X射线谱。射线谱。钼靶钼靶X X射线管在射线管在35KV35KV电压下谱线,其电压下谱线,其特征特征x x射线分别位于射线分别位于0.630.63和和0.710.71处,后者强度约为前者强度五倍。处,后者强度约为前者强度五倍。这两条谱线称钼这两条谱线称钼K K系系第21页特征特征X X射线产生机理射线产生机理特征特征X X射线产生机理与靶物质原子结构相关。射线产生机理与靶物质原子结构相关。原子壳层按其能量大小分为数层,通惯用原子
9、壳层按其能量大小分为数层,通惯用K K、L L、M M、N N等字等字母代表它们名称。母代表它们名称。但当管电压到达或超出某一临界值时,则阴极发出电子在但当管电压到达或超出某一临界值时,则阴极发出电子在电场加速下,能够将靶物质原子深层电子击到能量较高外电场加速下,能够将靶物质原子深层电子击到能量较高外部壳层或击出原子外,使原子电离。部壳层或击出原子外,使原子电离。阴极电子将自已能量给予受激发原子,而使它能量增高,阴极电子将自已能量给予受激发原子,而使它能量增高,原子处于激发状态。原子处于激发状态。假如假如K K层电子被击出层电子被击出K K层,称层,称K K激发,激发,L L层电子被击出层电子
10、被击出L L层,层,称称L L激发,其余各层依这类推。激发,其余各层依这类推。产生产生K K激发能量为激发能量为W WK KhhK K,阴极电子能量必须满足,阴极电子能量必须满足eVWeVWK KhhK K,才能产生,才能产生K K激发。其临界值为激发。其临界值为eVeVK KW WK K ,V VK K称之临界激发电压。称之临界激发电压。第22页特征特征X X射线产生机理射线产生机理处于激发状态原子有自发回到处于激发状态原子有自发回到稳定状态倾向,此时外层电子稳定状态倾向,此时外层电子将填充内层空位,对应伴伴随将填充内层空位,对应伴伴随原子能量降低。原子从高能态原子能量降低。原子从高能态变成
11、低能态时,多出能量以变成低能态时,多出能量以X射射线形式辐射出来。因物质一定,线形式辐射出来。因物质一定,原子结构一定,两特定能级间原子结构一定,两特定能级间能量差一定,故辐射出特征能量差一定,故辐射出特征X射射波长一定。波长一定。当当K电子被打出电子被打出K层时,如层时,如L层层电子来填充电子来填充K空位时,则产生空位时,则产生K辐射。此辐射。此X射线能量为电子射线能量为电子跃迁前后两能级能量差,即跃迁前后两能级能量差,即第23页特征特征X X射线命名方法射线命名方法一样当一样当K空位被空位被M层电子填充时,则产生层电子填充时,则产生K辐射。辐射。M能级能级与与K能级之差大于能级之差大于L能
12、级与能级与K能级之差,即一个能级之差,即一个K光子能光子能量大于一个量大于一个K光子能量;光子能量;但因但因LK层跃迁几率比层跃迁几率比MK迁附几率大,故迁附几率大,故K辐射强度比辐射强度比K辐射强度大五倍左右。辐射强度大五倍左右。显然,显然,当当L层电子填充层电子填充K层后,原子由层后,原子由K激发状态变成激发状态变成L激激发状态,此时更外层如发状态,此时更外层如M、N层电子将填充层电子将填充L层空位,层空位,产生产生L系辐射。所以,当原子受到系辐射。所以,当原子受到K激发时,除产生激发时,除产生K系辐系辐射外,还将伴生射外,还将伴生L、M等系辐射。除等系辐射。除K系辐射因波长短系辐射因波长
13、短而不被窗口完全吸收外,其余各系均因波长长而被吸收。而不被窗口完全吸收外,其余各系均因波长长而被吸收。K双线产生与原子能级精细结构相关。双线产生与原子能级精细结构相关。L层层8个电子能量个电子能量并不相同,而分别位于三个亚层上。并不相同,而分别位于三个亚层上。K双线系电子分别双线系电子分别由由L和和L两个亚层跃迁到两个亚层跃迁到K层时产生辐射,而由层时产生辐射,而由LI亚层到亚层到K层因不符合选择定则(此时层因不符合选择定则(此时l0),所以没有辐射。),所以没有辐射。第24页小结连续谱连续谱(软软X射射线线)高速运动粒子能量转换成电磁波谱图特征:强度随波长连续改变是衍射分析背底;是医学采取特
14、征谱特征谱(硬硬X射射线线)高能级电子回跳到低能级多出能量转换成电磁波仅在特定波优点有尤其强强度峰衍射分析采取第25页莫色莱定律特征X射线谱频率(或波长)只与阳极靶物质原子结构相关,而与其它外界原因无关,是物质固有特征。191319莫色莱发觉物质发出特征谱波长与它本身原子序数间存在以下关系:依据莫色莱定律,将试验结果所得到未知元素特征X射线谱线波长,与已知元素波长相比较,能够确定它是何元素。它是X射线光谱分析基本依据第26页X射线与物质相互作用X X射线与物质相互作用,是一个比较复杂物理过程。射线与物质相互作用,是一个比较复杂物理过程。一束一束X X射线经过物体后,其强度将被衰减,它是被散射和
15、吸收结果,射线经过物体后,其强度将被衰减,它是被散射和吸收结果,而且吸收是造成强度衰减主要原因。而且吸收是造成强度衰减主要原因。第27页X射线散射当当X X射线经过物质时,物质原子射线经过物质时,物质原子电子在电磁场作用下将产生受迫电子在电磁场作用下将产生受迫振动,其振动频率与入射振动,其振动频率与入射X X射线射线频率相同。频率相同。任何带电粒子作受迫振动时将产任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场,从而向四面辐射生交变电磁场,从而向四面辐射电磁波,其频率与带电粒子振动电磁波,其频率与带电粒子振动频率相同。频率相同。因为散射线与入射线波长和频率因为散射线与入射线波长和频率一致,位相固定,在
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