第一章X射线物理2
第1章 X-射线原理
X射线衍射应用领域
X射线衍射(XRD)是所有物质，包括从流 体、粉末到完整晶体，重要的无损分析工具。 对材料学、物理学、化学、地质、环境、 纳米材料、生物等领域来说，X射线衍射仪都 是物质结构表征，以性能为导向研制与开发新 材料， 宏观表象转移至微观认识，建立新理 论和质量控制不可缺少的方法。
X射线衍射能解决的问题
电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列
γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波
波长
高能辐射区 γ射线 能量最高，来自于核能级跃迁 χ射线 来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁 可见光 红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁 波谱区 微波 来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁 长 无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁
p
h
X射线强度的描述
用波动性的观点来描述：单位时间内通过垂直 于X射线传播方向的单位截面上能量的大小，强度I 与波振幅A 的平方成正比，I＝A2 。 • 用粒子性描述为单位时间内通过单位截面的光 量子数。
•
•X射线的绝对强度难以测定，通常用相对强度值。 例如：衍射峰的相对高低， 照相底板上的明暗程度
这种强度峰的波长反映了 物质的原子序数特征。 所以叫特征X射线峰。 产生特征X射线的最低电 压叫激发电压。
二.特征X射线
特征X射线谱
特征X射线谱的产生
特征X射线谱反映了物质的原子结构特征。原子系统的电子分别分布在原子核 外不同能级的壳层上，离原子核越近的电子能量越低。当阴极来的高能电子把 内壳层中某个电子轰出去后，在原位置上留下空位，使原子系统能量升高，处 于激发态。激发态是不稳定的，外层电子就要向内层空位处跃迁，使系统回到 稳定态。这一过程是高能态→低能态的过程。 如果K层少了一个电子，高 能 L 层的某个电子去补位， 这时能量降为
医学影像物理学__复习大纲整理
医学影像物理学__复习⼤纲整理医学影像物理学复习整理(四种成像技术的物理原理，基本思想等)第⼀章：X射线物理第⼀节：X射线的产⽣医学成像⽤的X射线辐射源都是利⽤⾼速运动的电⼦撞击靶物质⽽产⽣的。
1. 产⽣X射线的四个条件：（1）电⼦源（2）⾼速电⼦流（3）阳极靶（4）真空环境2.X射线管结构及其作⽤（阴极，阳极，玻璃壁）（1）阴极：包括灯丝，聚焦杯，灯丝为电⼦源，聚焦杯调节电流束斑⼤⼩和电⼦发射⽅向。
（2）阳极：接收阴极发出的电⼦；为X射线管的靶提供机械⽀撑；是良好的热辐射体。
（3）玻璃壁：提供真空环境。
3.a.实际焦点：灯丝发射的电⼦，经聚焦加速后撞击在阳极靶上的⾯积称为实际焦点。
b.有效焦点：X射线管的实际焦点在垂直于X射线管轴线⽅向上投影的⾯积，称为有效焦点。
c.有效焦点的⾯积为实际焦点⾯积的sinθ倍。
(θ为靶与竖直⽅向的夹⾓)补充：影响焦点⼤⼩的因素有哪些？答：灯丝的形状、⼤⼩及在阴极体中的位置和阳极的靶⾓θ有关。
4.碰撞损失：电⼦与原⼦外层电⼦作⽤⽽损失的能量。
5.辐射损失：电⼦与原⼦内层电⼦或原⼦核作⽤⽽损失的能量。
6.管电流升⾼，焦点变⼤；管电压升⾼，焦点变⼩。
7.a.标识辐射：⾼速电⼦与原⼦内层电⼦发⽣相互作⽤，将能量转化为标识辐射。
b.韧致辐射：⾼速电⼦与靶原⼦核发⽣相互作⽤，将能量转化为韧致辐射。
6.连续X射线的短波极限只与管电压有关。
且与其成反⽐。
7.X射线的产⽣机制：电⼦与物质的相互作⽤，X射线是⾼速运动的电⼦在与物质相互作⽤中产⽣的。
韧致辐射是产⽣连续X射线的机制。
（1）X射线的穿透作⽤（2）荧光作⽤（3）电离作⽤（4）热作⽤（5）化学和⽣物效应*X射线的穿透作⽤是X射线医学影像学的基础。
第⼆节：X射线辐射场的空间分布1.X射线强度：X射线在空间某⼀点的强度是指单位时间内通过垂直于X射线传播⽅向上的单位⾯积上的光⼦数量与能量乘积的总和。
补充：X射线强度是由光⼦数量和光⼦能量两个因素决定。
X射线的基本性质
线。
一个月内，伦琴发现射线能使照相底片曝光。 后又发现其穿透性，拍摄了封闭盒子中的天 平、鸟枪的影像和他夫人的手指骨轮廓。
伦琴考虑到所发现的射线的神秘性及它的性质
.
8
第一节 X射线的发现 118899发66年年现22月月X，2射1第日线一，个拍3有个摄 月后，维也纳的一家医院首先用
辨力高。
MRI（适用于 利用生物组织中氢原子 辨力较高
脑、心、肾、 的原子核的磁共振现象
胆囊、血栓） ；重建图像
质子参数
密度分布 T1、T2
USI（适用于 MHz超声脉冲辐射人体时 胆囊、胎儿、 ，遇声阻抗变化界面发生 血管系统） 反射、散射的声回波像。
声阻
.
组织形态 化学组成
体内界面 形状
大 二维分布像；空间分
X射线的发现开始了物理学以及在医学应用方
.
9
第二节 X射线的产生
一、X射线管 二、X射线的产生装置
.
10
1.X射线的产一生条、件X射线管
一般规律：当高速带电粒子撞击物质而突然受 阻减速时都能产生X射线。
是电要在子产实。生际定应向用的中、,用实于用获的得XX射射线线应的具带备电3粒个子条通件常：
间加高电压时，热电子在强电场的作用下，加速
奔向阳极而形成管电流（mA）。
.
13
2) 聚焦杯：一从灯、丝X发射射线出的管电子，由于库仑
力的作用而互相排斥，使电子流在向阳极运动时 发散。因此，实际中采用了钼制成的聚焦杯（凹 面阴极体），置于灯丝后，且将灯丝一端与阴极 体相联，接在同一电源上，这相当于使电子束初 聚集的作用。
(1)电子源：能根据需要随时提供足够数量的
材料分析方法部分课后习题答案解析
第一章X 射线物理学基础2、若X 射线管的额定功率为1.5KW，在管电压为35KV 时，容许的最大电流是多少？答：1.5KW/35KV=0.043A。
4、为使Cu 靶的Kβ线透射系数是Kα线透射系数的1/6，求滤波片的厚度。
答：因X 光管是Cu 靶，故选择Ni 为滤片材料。
查表得：μ m α＝49.03cm2／g，μ mβ＝290cm2／g，有公式，，，故：，解得:t=8.35um t6、欲用Mo 靶X 射线管激发Cu 的荧光X 射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？答：eVk=hc/λVk=6.626×10-34×2.998×108/(1.602×10-19×0.71×10-10)=17.46(kv)λ 0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm)其中h为普郎克常数，其值等于6.626×10-34e为电子电荷，等于1.602×10-19c故需加的最低管电压应≥17.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。
7、名词解释：相干散射、不相干散射、荧光辐射、吸收限、俄歇效应答：⑴当χ射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，受迫振动产生交变电磁场，其频率与入射线的频率相同，这种由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。
⑵当χ射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射χ射线长的χ射线，且波长随散射方向不同而改变，这种散射现象称为非相干散射。
⑶一个具有足够能量的χ射线光子从原子内部打出一个K 电子，当外层电子来填充K 空位时，将向外辐射K 系χ射线，这种由χ射线光子激发原子所发生的辐射过程，称荧光辐射。
或二次荧光。
⑷指χ射线通过物质时光子的能量大于或等于使物质原子激发的能量，如入射光子的能量必须等于或大于将K 电子从无穷远移至K 层时所作的功W，称此时的光子波长λ称为K 系的吸收限。
1-第一章X射线物理课后习题答案
第一章 X 射线物理习题一解答1-1 产生X 射线需要哪些条件？答：首先要有产生电子的阴极和被轰击的阳极靶，电子加速的环境条件即在阴极和阳极间建立电位差，为防止阴极和阳极氧化以及电子与中性分子碰撞的数量损失，要制造压强小于4-Pa 的真空环境，为此要有一个耐压、密封的管壳。
1-2 影响X 射线管有效焦点大小的因素有哪些？答：影响有效焦点大小的因素有：灯丝大小、管电压和管电流、靶倾角。
1-3 在X 射线管中，若电子到达阳极靶面的速度为1.5⨯810ms -1，求连续X 射线谱的最短波长和相应的最大光子能量。
答：此题的思路是由动能公式221v m 求出电子的最大动能，此能量也是最大的光子能量，从而求出最短波长。
但当速度可与光速c=3⨯810ms -1相比较时，必须考虑相对论效应，我们可以用下面公式求出运动中电子的质量此题的结果告诉我们，管电压为73.8KV 。
反过来，如果知道管电压，求电子到达阳极靶表面的电子速度时，同样需要考虑相对论效应。
1-4 下面有关连续X 射线的解释，哪些是正确的？A ．连续X 射线是高速电子与靶物质轨道电子相互作用的结果；B ．连续X 射线是高速电子与靶物质的原子核电场相互作用的结果；C ．连续X 射线的最大能量决定于管电压；D ．连续X 射线的最大能量决定于靶物质的原子序数；E ．连续X 射线的质与管电流无关。
正确答案：B 、C 、E1-5 下面有关标识X 射线的解释，哪些是正确的？A ．标识X 射线是高速电子与靶物质轨道电子相互作用的结果；B ．标识X 射线的质与高速电子的能量有关；C ．标识X 射线的波长由跃迁电子的能级差决定；D ．滤过使标识X 射线变硬；E ．靶物质原子序数越高，标识X 射线的能量就越大。
正确答案：A 、C 、E1-6 影响X 射线能谱的因素有哪些？答：电子轰击阳极靶产生的X 射线能谱的形状（归一化后）主要由管电压、靶倾角和固有滤过决定。
当然，通过附加滤过也可改变X 射线能谱的形状。
第一章 X射线物理
“足跟”效应(阳极效应) 改变
焦点的大小和形状
第一章 X射线物理
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二、X射线强度的空间分布
2．厚靶周围X射线强度的空间分布
第一章 X射线物理
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二、X射线强度的空间分布
2．厚靶周围X射线强度的空间分布
第一章 X射线物理
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二、X射线强度的空间分布
2．厚靶周围X射线强度的空间分布 阳极效应的另一个重要的后果就是改变了有效焦 点的大小和形状
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一、X射线管(X-ray tube)
3. X射线管的焦点(focal spot)
理 想有效 焦点是圆 形 实际形状双香蕉状
焦点的一般形状
第一章 X射线物理
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一、X射线管(X-ray tube)
3. X射线管的焦点(focal spot)
3.9 3.8 50kVp
焦点大小(mm)
3.7
3.6
3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 110kVp 80kVp
光电线性衰减系数，符号 τ 光电质量衰减系数，符号 τ 3
Z (h )3
光电效应发生的概率随光子能量的变化
第一章 X射线物理
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二、光电效应(photoelectric effect)
2. 作用系数
10
1
L
10 0
101
K
光电质量衰减系数
j
第一章 X射线物理
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一、X射线与物质相互作用系数
2. 质能转移系数和质能吸收系数
线性能量转移系数 光子在物质中穿行单位距离时，其 总能量由于各种相互作用而转移给 带电粒子动能的份额
Etr tr h
总转移系数
【复习题】影像物理复习题
【关键字】复习题第一章X射线物理第一节X射线的产生1.X射线产生条件：电子源、高速电子流、阳极靶2.靶去倾角越小，有效焦点的长度越小，即有效焦点的面积越小；实际焦点越大有效焦点的面积也增大，影像在胶片上所形成影像的清晰度；焦点上α射线增强度的差别主要是由灯丝，聚焦罩和加在聚焦罩上的电压来决定。
影像有效焦点大小的因素：灯丝大小、管电压和管电流、靶倾角3.电子与原子的外层电子作用而损失的能量统称为碰撞损失。
凡属电子与原子核或原子的内层电子作用而损失的能量统称为辐射损失。
100KV管电压下，电子撞击在钨靶上，99.1%的能量以碰撞损失，仅有0.9%的能量产生X射线。
4.连续X射线：韧致辐射是高速电子与靶原子核发生相互作用的结果，韧致辐射能谱连续。
短波极限（λmin），hνmax=eU，λmin=，λmin=(nm)。
连续X射线的短波极限只与管电压有关，而与其他因素无关。
5.特征X射线：如果高速电子没有与靶原子的外层电子作用，而是与内层电子发生作用，就会产生特征辐射，特征辐射的谱是线状的。
X射线的能量等于发生跃迁的来年各个轨道电子的结合能之差。
只有当入射电子的动能大于靶原子的某一壳层电子的结合能时，才能产生特征X射线。
而入射电子的动能完全由管电压决定。
因此，管电压U须满足eU≥Wi6.影响X射线能谱的大小和相对位置的因素①管电流：能谱的幅度②管电压：能谱的幅度和位置③附加滤过：能谱幅度，在低能时更加有效④靶材料：能谱的幅度和标识X射线谱的位置⑤管电压波形：能谱幅度，在高能时更加有效第二节X射线辐射场的空间分布1.X射线强度：X射线在空间某一点的强度是指单位时间内通过笔直于X射线传播方向上的单位面积上的光子数量与能量乘积的总和。
X射线强度是由光子数目和光子能量两个因素决定的I=N-hv2.X射线的量与质：X射线的量决定于X射线束中的光子数。
X射线的质只与光子的能量有关，而光子的能量又由管电压和滤过厚度有关。
第一章-X射线物理学基础
第一章 X 射线的物理学基础1、X 射线有什么性质，本质是什么？波长为多少？与可见光的区别？X 射线性质：(1)X 射线穿透物质时可被吸收；(2)原子量及密度不同的物质，对X 射线的吸收不同；(3)轻原子物质对X 射线来说几乎是透明的，而重元素物质对X 射线的吸收非常显著；(4)可穿透不透明的物质。
本质：属于电磁波。
X 射线的波长：大约在0.01~100 Å之间。
X 射线和可见光本质上同属于电磁波，只不过彼此占据不同的波长范围而已；X 射线虽然和可见光一样（没有静止质量，但有能量），与光传播有关的一些现象（如反射、折射、散射、干涉、以及偏振）都会发生，但由于相对可见光而言，X 射线的波长要短得多（光量子的能量相应要高得多），上述物理现象在表现方式上与可见光存在很大的差异。
不能象可见光一样使X 射线会聚、发散、和变向，使得X 射线无法制成显微镜！2、什么是X 射线管的管电压、管电流？它们通常采用什么单位？数值通常是什么？X 射线的管电压：加载到阴极和阳极侧之间的电压。
（KV ），50KVX 射线的管电流：在阴阳两极电场作用下，向阳极运动，形成的电流。
（mA ）50mA3、X 射线的焦点与表观焦点的区别与联系？焦点：阳极靶表面被电子束轰击的地方，正是这个区域发射X 射线。
对于长方形焦点的X 射线管，引出窗口很重要。
对着焦点长边开设的窗口发射出X 射线的表观焦点为线状（称为线焦斑），其强度较弱，但其水平发散度小，分辨率较高，线性较好，粉末衍射仪多采用线焦斑；对焦点短边开设的窗口发射出的X 射线的表观焦点则为正方形（称为点焦斑），强度较高，可使衍射线明锐，适合于织构测定及德拜、劳埃照相场合。
4、X 射线有几种？产生不同X 射线的条件是什么？产生的机理是怎样的？晶体的X 射线衍射分析中采用的是哪种X 射线？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。
《放射物理与防护》知识重点
第一章 X射线第一节、X线的发现：1895年德国伦琴发现X射线。
1896年法国贝克勒尔在钠盐中发现天然放射性。
1901年，居里夫人发现了镭，之后又发现了钋。
X射线的用途：1.医学（影像学）领域：核医学成像、X—CT、磁共振成像、热图像、介入性放射学、内镜技术。
2.工业领域：晶体结构分析、工业探伤、货运集装箱、透视检查、科学研究、半导体、机械加工第二节、X线的本质与特性X线属电离辐射，与可见光、红外线、紫外线、γ射线完全相同，都是电磁波，只是X线的波长很短。
X射线的本质属于电离辐射。
频率为3*1016——3*1020Hz,波长为10--10-3nm.X线的本质：（一）具有波动性1、干涉、衍射现象2、偏振现象3、反射现象4、折射现象主要表现在以一定的波长和频率在空间传播，它是一种横波，其传播速度在真空中与光速相同。
（二）具有粒子性X射线的粒子性能解释X射线的光电效应、荧光作用、电离作用等过程。
（三）具有波粒二象性1、在X线传播时，突出表现了它的波动性，具有频率和波长，并有干涉、衍射等现象。
2、X线在与物质相互作用时，则突出表现了它的粒子特征，具有能量、质量和动量。
X线的基本特性：P29（一）物理特性1、X线是直线传播的不可见电磁波。
2、X线不带电，它不受外界磁场或电场的影响。
3、有穿透性：由于人体不同组织或器官的密度和元素构成不同，造成穿透人不同部位X线强弱的差异，这正是X线透视、摄影和CT检查的物理学基础，也是选择屏蔽防护材料和滤过板材料的依据。
按人体组织对X射线透射性能的不同分为四类：易透性组织较易透性组织中等透射物质不易透射性组织气体脂肪组织结缔组织骨骼肌肉组织软骨血液4.荧光作用5.电离作用6.热作用（二）X线化学特性1、感光作用：可使胶片乳剂感光，能使很多物质发生光化学反应。
2、着色作用：铅玻璃、水晶等物质经大剂量X线长期照射后，其结晶体脱水改变颜色。
（三）生物效应特性X线是电离辐射，生物细胞特别是增殖性强的细胞，经一定量的X线照射后，可以产生抑制、损伤、甚至坏死。
材料分析方法第3版(周玉)出版社配套课件第7章机械工业出版社
所在的圆为欲求的轨迹；
图7-4 与极点成等夹角点的轨迹
与P点成90点的轨迹为过赤道线
上F 点的经线大圆NFS，NFS可
视为一平面的投影，其法线的投
影点为P
8
第一节 极射赤面投影法
二、乌氏网
4) 极点的转动 在乌氏网上可将极点绕确定轴转动到新位置
转轴垂直于投影面：如图7-5，将P点绕基圆圆心(轴的投影)转
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第一节 极射赤面投影法
二、乌氏网
乌氏网是确定晶体方位及测量夹角的工具，应用时注意
1) 晶体投影图基圆的直径与乌氏网相同，使用时将二者中心 重合
2) 测定二极点间夹角时，转动投 影图，使二极点位于同一经线大 圆(包括基圆)或赤道上， 二点间 的纬度差或经度差极为二极点间 夹角，见图7-3。 如A、B极点间 夹角为120， C、D极点间夹角 为20， E、F 极点间夹角为20
X射线衍射是织构测定的主要方法，近年来电子背散射衍 射(EBSD)技术在织构分析方面亦得到广泛应用
3
第一节 极射赤面投影法
一、极射赤面投影法的特点
极射赤面投影法用以表达晶向、晶面的方位，见图7-1
1) 被投影晶体置于参考球球心O，假定晶体的所有晶向、晶 面均通过球心
2) 投射点B为球面上一点的射线，投影 面是与过B点直径垂直的任一平面，平 行于投影面且通过球心的平面与球交成 一大圆， B点向大圆上各点的投影线在 投影面上的交点构成基圆(NESW)
图7-9为立方晶系标准投影图，落在同一大圆弧和直线上的极 点对应的晶面法线在同一平面上， 此平面的法线为这些晶面 的交线。相交于同一直线的晶面属于同一晶带， 其交线称为 晶带轴，用[uvw]表示，晶面指数(hkl)和[uvw]满足晶带定律
人卫4版医学影像物理学(附答案)
医学影像物理学第一章X射线物理一：名词解释1.实际焦点：灯丝发射的电子，经聚焦加速后撞击在阳极靶上的面积称为实际焦点。
2.有效焦点：X射线管实际焦点的投影称为有效焦点。
3.X射线强度：是指单位时间内通过垂直于X射线传播方向上的单位面积上的光子数量与能量乘积的总和。
4.足跟效应（阳极效应）：愈靠近阳极，X射线强度下降愈多的现象。
5.光电效应：X射线光子与物质原子的轨道电子发生相互作用，把全部能量传递给这个电子，电子挣脱原来束缚成为自由电子。
原子的电子轨道出现一个空位而处于激发态，它将通过发射特征X射线或俄歇电子的形式很快回到基态，这个过程称为光电效应。
6.康普顿效应：当入射X射线光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子损失一部分能量并改变运动方向，电子获得能量而挣脱原子，这个过程称为康普顿效应。
7.电子对效应：当X射线光子从原子核旁经过时，在原子核库仑场的作用下形成一对正负电子，这个过程称为电子对效应。
8.X射线的质（线质）：表示X射线的硬度，即穿透物质本领的大小。
二：简答1.产生X射线需要哪些条件？电子源、高速电子流、X射线靶。
2.影响X射线管有效焦点大小的因素有哪些？靶倾角θ、实际焦点长度A。
3.影响X射线能谱的因素：(1)从阴极向阳极加速的电子不是都具有峰值动能，这与整流和高压发生器的类型有关。
(2)诊断X射线管靶相对比较厚。
(3)低能的X射线更容易被靶自身吸收。
(4)外部滤过几乎总是加在X射线管组件上，这些附加滤过会选择性的从线束中滤掉低能X射线。
4.影响X射线强度的因素：（1）靶物质的原子序数（2）管电流（3）管电压（4）过滤物质5.X射线与物质相互作用的类型：主要类型：光电效应，康普顿效应，电子对效应。
次要类型：有相干散射，光核反应等。
6.产生硬X射线和软X射线需要哪些条件？硬X射线：管压U增大、靶原子序数增大、滤过物质增大。
软X射线：管压U减小、靶原子序数减小、X射线管壁薄。
三：计算题：1.X射性管，管电压10kV，求最短波长。
《影像物理学》x射线物理
图 1-7 钨靶在较低管电压下的连续 X 射线发射谱 由图 1-7 可以看出，连续谱的 X 射线强度是随波长的变化而连续变化的。每 条曲线都有一个峰值；曲线在波长增加的方向上都无限延展，但强度越来越弱； 在波长减小的方向上，曲线都存在一个最短波长，称为短波极限(λmin)。 我们知道，光子能量的最大极限( hνmax )等于入射电子在 X 射线管加速电场
计算知道
碰撞损失 辐射损失
816MeV Ek Z
(1-1)
这里，Ek 是高速电子的动能（以 MeV 为单位），Z 是靶物质的原子序数。例如，
100kV 管电压下，电子撞击在钨靶上，99.1%的能量以碰撞损失，仅有 0.9%的能
量产生 X 射线。可见，不管 X 射线管有多先进，它的效率总是非常低的。阳极
对大多数 X 射线管而言，焦点大小不是一个常数，它随管电流和管电压变 化，如图 1-5 所示。
图 1-5 管电流和管电压对有效焦点长度的影响 二、X 射线的产生机制
1．电子与物质的相互作用 X 射线是高速运动的电子在与物质相互作用中 产生的。在 X 射线管中，从阴极发射的电子，经阴极、阳极间的电场加速后， 电子的速度已非常高。例如，在 100kV 管电压下，电子抵达靶时，速度可达 0.55c(c 为光速)。这些电子轰击 X 射线管靶原子时，它们便将其动能传递给了靶原子。 这些相互作用发生在穿入靶面不太深的地方。当相互作用发生时，发射电子将会 慢下来并最终完全停止。事实上，这些相互作用十分复杂。一般情况下，电子在 失去它的全部能量前要经受很多次与靶原子的碰撞，其能量损失分为碰撞损失 (collision loss)和辐射损失(radiation loss)。
第1章 X射线的物理学基础-2012
• X射线的能量 • 量子理论将X射线看成由一种量子或光子组 成的粒子流，每个光子具有的能量为： (依据X射线的波长即可计算出其能量)
1.24 E (keV ) h h (nm)
公式 E(keV) (nm) =1.24/ E (nm) MgK 1.253 0.9895 CaK 3.69 0.3360 FeK 7.057 0.1757 PbL 10.55 0.1175
同步辐射光的特性
• 宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具有从 远红外、可见光、紫外直到 X射线范围内的连 续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波 长的光。
• 高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动 方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小， 几乎是平行光束，堪与激光媲美。 • 高偏振：从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子 轨道平面上是完全的线偏振光，此外，可以从 特殊设计的插入件得到任意偏振状态的光。来自同步辐射光源的发展历史
• 30多年来，同步辐射光源已经历了三代 的发展，它的主体是一台电子储存环。 第一代同步辐射光源的电子储存环是为 高能物理实验而设计的，只是“寄生” 地利用从偏转磁铁引出的同步辐射光， 故又称“兼用光源”；第二代同步辐射 光源的电子储存环则是专门为使用同步 辐射光而设计的，主要从偏转磁铁引出 同步辐射光；
• * 同步辐射在微结构研究中的应用
同步辐射光源的发展历史
• 电磁场理论早就预言：在真空中以光速 运动的相对论带电粒子在二极磁场作用 下偏转时，会沿着偏转轨道切线方向发 射连续谱的电磁波。1947年人类在电子 同步加速器上首次观测到这种电磁波， 并称其为同步辐射，后来又称为同步辐 射光，并称产生和利用同步辐射光的科 学装置为同步辐射光源或装置。
迷人的X光片~~在X射线下，任何 东西都会很美！！
X射线物理学基础(2)
1. 光电效应 ---光电子和荧光X射线
激发K系光电效应时，入射光子的能量必须等于 或大于将K电子从K层移至无穷远时所作的功WK，即
hγ k =
hc
λk
= ωk
将激发限波长λK和激发电压VK联系起 ，即
eVk = ωk =
hc
λk
hc 12.4 = (nm) λk = eVk Vk
2. 俄歇效应
µl µm = ρ
工作中有时需要计算i个元素组成的化合 物、混合物、合金和溶液等的质量衰减系 数µm。由于µm与物质的存在状态无关， 因此衰减系数可按下式求得： µm=ω1µm1+ω2µm2+…ωiµmi
(3) X射线的吸收曲线 X射线的吸收曲线 如果用σm仍表示散射 系数，τm表示吸收系数。 在大多数情况下吸收系数 比散射系数大得多，故 μm≈τm。质量吸收系数 与波长的三次方和元素的 原子序数的三次方近似地 成比例。
温故而知新
1. X射线的本质 X射线的本质 2. X射线的产生 X射线的产生 (1) 产生条件 (2) X射线管的主要结构 X射线管的主要结构 3. X射线谱 X射线谱 连续X射线谱、特征X 连续X射线谱、特征X射线谱
第三节 X射线与物质的相互作用
【教学目标】 教学目标】
1. 理解X射线的散射与吸收。 2. 掌握X射线的衰减规律及线吸收系数和质量吸收系数。
光电子被被xx射线击出壳层的电子即射线击出壳层的电子即光电子光电子它带有壳它带有壳层的特征能量层的特征能量所以可用来进行成分分析所以可用来进行成分分析xpsxps俄歇电子高能级的电子回跳高能级的电子回跳多余能量将同能级的另多余能量将同能级的另一个电子送出去一个电子送出去这个被送出去的电子就是这个被送出去的电子就是俄歇电子俄歇电子带有壳层的特征能量带有壳层的特征能量aesaes二次荧光高能级的电子回跳高能级的电子回跳多余能量以多余能量以xx射线形式发射线形式发出出
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• 管i决定于灯丝i或u
• 临界管i随灯丝i升
• 电压饱和 • 温度饱和
X射线管的焦点 焦点 实际焦点
有效焦点
ab a b sin
有效焦点面积越 小像越清晰
焦点的性能参量 • 方位特性 • 线量分布 • 强度 • 主、副焦点 半影 减小 s 与 d 可缩小 半影
d P s f d
二、X射线的产生机制
0.8—4.0MeV
光子在自由电子上非弹 性碰撞，反冲电子。 电子对效应electric pair effect
4.0—10MeV
光子与核外电场作用得 正、负电子对，后湮灭 成反相两光子。
第四节
Ｘ射线在物质 中的衰减
一、单能X射线在物质中的衰减规律
扩散衰减 吸收衰减
线性衰减系数
质量衰减系数
I1 / I 2 r2 / r1
7、 水分子有效原子序数的近似计算（P27） 8、X射线强度、硬度、滤过、半价层的概念
Thank you !
2
2
只在真空中成立，空气中减很少。
I I 0e
x
单能窄束X射线，不论吸收体多厚，I永不为零。
N
m
二、连续能谱X射线的衰减
I I1 I 2 I n
强度（量）变小，硬度（质）变大。 决定衰减程度的因素 • X光子能量 • 原子序数
• 物质密度
• 碘化钠 代表高原子序数物 阳性造影剂
单能宽束X射线衰减公式
I BI 0 e
d
思考与习题
1、X射线的产生条件 （P1）
2、阴极与阳极的作用 （P1-2）
3、韧致辐射 （P5）
4、X射线的基本特性 （P8）
5、X射线与物质的主要作用形式（P15-19）
6、 连续X射线在物质中衰减的特点（P23）
电子能量损失 碰撞损失 collision loss(热 能)
辐射损失 radiation loss(X射线)
连续x射线 轫致辐射 bremesstrahlung
电子与靶作用位置与能量不同 峰值、短波极限波长、相对论效应
标识x射线 内层电子被击出，高级电子跃迁。
每种元素的标识X射线波长是固定的
三、 X射线的基本特性
电磁波 不带电
• 穿透作用
• 荧光作用 • 电离作用
• 热作用 • 化学和生物作用
第二节 Ｘ射线辐射场 的空间分布
一、X射线的强度
• 量:X光子数目
影响强度的因素 靶物质 管电流
• 质:X光子能量（硬度hardness ） • 强度intensity
I N h
管电压
二、X射线强度的空间分布
一个粒子与物质相互作用的概率 作用截面
I / I N x
一入射粒子与一靶粒子相互作用概率
I I 0e
x
线性衰减系数
N
主要作用形式
光电效应photo electric effect
0.01—0.8MeV
内光电效应，光电子不 逸出透射物须。 康普顿散射Compton scattering
• 每千克电子数
三、X射线的滤过
滤过 固有滤过、附加滤过 硬化 附加滤过吸收软成份，平均硬度 提高 半价层half value layer 使X射线束强度减 弱为原一半的滤过板厚度
第五节
Ｘ射线在人体 内的衰减
一、人体的物质组成
骨骼、软组织、肺、消化道、气体
二、混合物和化合物的质量衰减系数
P
第一章 Ｘ射线物理
２学时
第一节
Ｘ射线的产生
一、X射线管的结构
产生X射线（X-rays ）的条件
电子源（阴极） 阳极靶 管电压
真空玻璃外壳
阴极cathode 发 射电子、 使 电子聚焦
（圆焦点、线焦 点、凹面阴极体）
阳极 anode 产生 X 射线
（固定式、旋转式）
X射线管的电特性
• 与饱和二极管类似
m mi i
Pi 为第i种元素的百分比
化合物的有效原子序数
近似公式
a z Z a z
4 i i i i
1 3Βιβλιοθήκη ai 为第i种元素原子在分子中的个数
zi 为第i种元素的原子序数
三、X射线与人体组织的相互作用
光电效应、康普顿散射 •水 •钙 代表低原子序数物 肌肉、脂肪、体液 代表中原子序数物 骨骼
薄靶 高能向前低能向侧管电压高 穿透式低反射式 厚靶 足跟效应 愈靠近阳 极强度下 降愈多
第三节 Ｘ射线与物质 的相互作用
二、X射线与物质相互作用系数
核反应中 小于10MeV的粒子称为低能粒子 诊断中 作用概率
X射线的能量范围10KeV----300KeV I 发生作用粒子数 I0 入射的X光子数