X射线物理学
01X射线物理学基础
电磁波的种类：电磁波谱
波长
λ
名称
5×10-3 ～0.1
0.1～10
10～200
200～400
γ 射线
x射线
远紫外光
近紫外光 1.0×109 1.0×1012 ～
波长
λ
名称
400～750
750～ 1.0×106
1.0×106 1.0×109
～
可见光
红外光
微波
无线电波
X射线的物理学基础
射 线
10-2 nm 10 nm
X射线的物理学基础
光电效应
定义：当激发二次特征辐射时，原入射X射 线光量子的能量被激发出来的电子吸收转 变为动能，使电子逸出原子之外，这种电 子称为光电子。 发生光电效应时，物质将大量吸收入射X射 线的能量，使原X射线强度明显减弱。在选 靶时应避免。
X射线的物理学基础
俄歇效应
定义：原子在入射X射线光子或电子的作用下失 掉K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位 时，剩余的能量不是释放，而是促使L层的另一个 电子跳到原子之外。
X射线的物理学基础
试验规律
增加X射线管压，相对强度增高，
λm和短波限λ0变小。
管压恒定，增加管流，相对强 度一致增高，但λ0和λm数值大 小不变。 各种波长的相对强度随靶元素 的原子序数增加而增加。
图 1-2
X射线的物理学基础
短波限λ0
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。 根据量子力学观点：能量为 eV 的电子和阳极靶 碰撞时产生光子，从数值上看光子的能量应不大
《医学物理学》课件--X射线
铅衣防护
使用铅衣、铅围裙、铅帽 等防护用品，减少辐射损 伤。
个人防护用品
01
02
03
铅衣
用于保护身体不受X射线 辐射的伤害。
铅帽和铅围裙
用于保护头部和腹部等敏 感部位。
防护眼镜
用于保护眼睛免受辐射损 伤。
屏蔽防护
混凝土墙
用混凝土墙建造屏蔽室，可有效防止X射线辐射 。
铅板
用铅板建造屏蔽室，可有效降低辐射剂量。
激光等离子体X射线源
利用高能量密度激光产生高温高压等离子体，通过调节激光参数可产生不同波段和特性的 X射线源，具有高能效、小焦点等优势，可应用于高精度测量、微纳加工等领域。
X射线自由电子激光器
利用高能电子束在波荡器中产生X射线辐射，具有极高的亮度、相干性和稳定性等特点， 可应用于物理、化学、生物等领域的前沿研究。
等损伤。
DNA修复
02
在DNA损伤后，细胞会启动DNA修复机制，修复损伤的DNA
，以确保遗传信息的稳定性。
基因突变
03
DNA损伤如未得到及时修复，可能引起基因突变，从而导致
遗传性疾病或癌症的发生。
对人体的作用
皮肤损伤
X射线能够穿透皮肤，导致皮肤炎症、溃疡和皮肤 癌等。
致癌作用
长期接触X射线可增加患癌症的风险，特别是肺癌 、乳腺癌和皮肤癌等。
免疫系统损伤
X射线能够影响免疫细胞的活性，导致免疫力下降 ，易感染疾病。
遗传效应
X射线还能够影响生殖细胞，导致遗传物质变异， 遗传给后代。
03
X射线在医学上的应用
X射线摄影
胸部X射线摄影
常用于检测肺部感染、肺癌、 肺结核等疾病。
腹部X射线摄影
X射线物理学
连续谱的特征
• 连续谱的表征：
•
短波限 ：
λmin
=
12 .4 V
• 最大峰值波长:
λImax
=
3 2
λmin
• 积分强度：I = 1.1×10−9 ⋅ iV 2Z
连续谱短波限
• 在连续谱短波一侧存在着短波。 它相当于电子撞击在阳极上将其全部 能量以X光子形式释放的情况。因此， 短波限λmin跟阳极物质的种类无关， 仅取决于外加电压（V）的大小。
• 发生电子跃迁的两电子壳层的 能量差将以特征X射线逸出原子。 这种跃迁必须符合量子力学理 论
产生特征X射线的物理过程
• 一是产生原子内壳层电子空位； • 二是发射X射线；
具有壳层电子空位的原子处于激发态，电子将重新排列，外壳层 电子向内壳层跃迁，填补内壳层的电子空位，同时释放出跃迁能 量，使原子回到基态。这跃迁能量以特征X射线形式释放出来， 或者能量转移给另一个轨道电子，使该电子发射出来，即俄歇电 子发射。
特征X射线光谱的特点
特征X射线光谱产生于原子内部的电子跃迁，因此具有一下特点： • X射线光谱因发生于原子的内层轨道，故基本不受价态的影响； • 波长分立，与发射谱相比谱线数量相对少，因而干扰显得不那么严
重； • 谱线波长强烈地依从于Z，并遵循莫塞莱(Moseley)定律；
Moseley定律： (1/λ)1/2=Q(Z-δ)
M 系谱线的相对强度为: Mα1 ： Mα2 ： Mβ1 ： Mγ1 100 ： 10 ： 50 ： 5
这里必须说明：Kα 线的波长为： λ Kα = (2 λ Kα1 + λ Kα2 ) / 3
Kα : Kβ 随原子序数而变: 对Cu(29)约为5 : 1, 对Sn(50)约为3:1,对Al(13)约为25:1
X射线物理学基础
6) 假定空气由20% O2 和 80% N2 组成, 其密
度为1.29×10-3 g/cm3, 试求其对于Cr Kα的质
量吸收系数um 和线吸收系数u。
7) 作出Cu靶在1, 5, 20 and 40 kV 电压下的强
度-波长关系图。
8) 对于铁靶，应用什么做滤波片，解释你的选
择理由。
一、原子能态及其表征
可以象粒子一样和微观粒子发生相互作用
同样微观粒子既有粒子性，又可以作为一
种波（德布罗意波）有干涉和衍射现象
X射线的特点： 1）不可见 2）折射率接近1 3）穿透性强 5）杀伤作用
(三) X产生与X射线管
1. 产生方式： 1.高速电子流撞击金属靶
2.同步幅射X射线 X射线管的结构 ：
X射线管
阴极产生电子
X射线物理学基础作业 1．在原子序24（Cr）到74（W）之间选择7种元素，根据它们的特征谱波 长（Kα1），用图解法验证莫塞莱定律。 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？ 3．讨论下列各组概念中二者之间的关系： 1）同一物质的吸收谱和发射谱； 2）X射线管靶材的发射谱与其配用的滤波片的吸收谱。 3）X射线管靶材的发射谱与被照射试样的吸收谱。 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。 5．画出MoKα辐射的透射系数（I/I0）-铅板厚度（t）的关系曲线（t取 0~1mm）。 6．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？
1
式中K2为与靶中主量子数有关的常数，
K2 (Z )
K2 (Z )
σ为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。 特征X射线谱及管电压对特征谱的影响 （钼钯K系）
x射线
X射线X射线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。
X射线是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为（20～0.06）×10-8厘米之间。
由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。
伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。
这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。
波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～1埃范围内的称硬X射线，1～10埃范围内的称软X射线。
定义当原子接受外界能量后，原子成为激发态。
当能量不大时，原子中最外层的价电子会跃迁到较高的能级；但当能量极大时，原子内层稳定的电子也会因吸收能量而移向外层或发射出去。
当原子内层失去电子后，外层电子就会移向内层，填补空缺，当原子外层电子移向内层电子空轨道时，放出的能量是移动两个能阶的能量差，这个能量差所形成射线，就是X射线发现1895年11月8日晚，伦琴陷入了深深的沉思。
他以前做过一次放电实验，为了确保实验的精确性，他事先用锡纸和硬纸板把各种实验器材都包裹得严严实实，并且用一个没有安装铝窗的阴极管让阴极射线透出。
可是现在，他却惊奇地发现，对着阴极射线发射的一块涂有氰亚铂酸钡的屏幕（这个屏幕用于另外一个实验）发出了光.而放电管旁边这叠原本严密封闭的底片，现在也变成了灰黑色—这说明它们已经曝光了！这个一般人很快就会忽略的现象，却引起了伦琴的注意，使他产生了浓厚的兴趣。
他想：底片的变化，恰恰说明放电管放出了一种穿透力极强的新射线，它甚至能够穿透装底片的袋子。
不过目前还不知道它是什么射线，于是取名“X射线”。
于是，伦琴开始了对这种神秘的X射线的研究。
他先把一个涂有磷光物质的屏幕放在放电管附近，结果发现屏幕马上发出了亮光。
接着，他尝试着拿一些平时不透光的较轻物质—比如书本、橡皮板和木板—放到放电管和屏幕之间去挡那束看不见的神秘射线，可是谁也不能把它挡住，在屏幕上几乎看不到任何阴影，它甚至能够轻而易举地穿透15毫米厚的铝板！直到他把一块厚厚的金属板放在放电管与屏幕之间，屏幕上才出现了金属板的阴影，看来这种射线还是没有能力穿透太厚的物质。
《医学物理学》课件X射线
《医学物理学》课件：X射线一、引言医学物理学是物理学在医学领域中的应用，为医学研究和临床实践提供理论支持和实验方法。
X射线作为一种重要的医学成像技术，对于疾病的诊断和治疗具有重要意义。
本课件将详细介绍X射线的基本原理、产生方式、成像原理及其在医学领域的应用。
二、X射线的基本原理1.X射线的发现19世纪末，德国物理学家伦琴在实验中发现了X射线。
他发现，当阴极射线管中的电子高速撞击金属靶时，会产生一种穿透力极强的电磁波，即X射线。
2.X射线的特性（1）穿透性：X射线具有很强的穿透能力，可以穿透人体软组织，但无法穿透骨骼和重金属等高密度物质。
（2）荧光效应：X射线照射到某些物质上时，会使这些物质发出荧光，如X射线照射到硫化锌屏上，会发出明亮的蓝光。
（3）感光性：X射线可以激发感光物质，如胶片，产生潜影，从而实现成像。
（4）电离性：X射线具有一定的电离能力，可以使空气分子电离，产生电离效应。
三、X射线的产生1.X射线管X射线管是产生X射线的主要设备，由阴极、阳极和真空玻璃壳组成。
阴极发射电子，阳极接收电子并产生X射线。
阳极通常由钨、钼等高熔点金属制成，以承受高温。
2.X射线发生条件（1）高真空：X射线管内必须保持高真空状态，以避免空气分子对X射线的吸收和散射。
（2）高温阳极：阳极在高速电子撞击下，温度升高，产生X射线。
（3）高速电子流：阴极发射的电子在高压作用下，形成高速电子流，撞击阳极产生X射线。
四、X射线成像原理1.X射线成像X射线成像利用X射线的穿透性和感光性，将X射线透过人体或物体，使感光材料（如胶片）产生潜影，从而实现成像。
2.X射线成像设备（1）X射线摄影（X-rayRadiography）：利用X射线透过人体，使胶片感光，从而获得人体内部结构的影像。
五、X射线在医学领域的应用1.诊断（1）骨折、脱位：X射线成像可以清晰地显示骨骼结构，对骨折、脱位等外伤的诊断具有重要意义。
（2）肺部疾病：X射线成像可以观察肺部病变，如肺炎、肺结核等。
原子物理学X射线ppt课件
首页
上一页
下一页
X射线的 发现 X射线的 产生
2
第一节：X射线的发现
那么,线度大约在
的原子10是1否0 m真的不可再分割了？
十九世纪末，连续三年的三大发现，首开了人们向微观世界进军 的先河。
X射线的 发现
它们是： 1895年德国的 Rontgen发现X射线；
(BaPt(CN)6)
第 六
伦琴马上意识到,这可能是一种前所未有的新射线，
章
:
X
经检查发现,射线来自阴极射线管管壁。
射
线
首页
上一页
结晶物 下一页
X射线的 发现 X射线的 产生
5
第一节：X射线的发现 令人惊奇的是
当用木头等不透明物质挡住这种射线时，荧光屏仍然发光，
而且这种射线能使黑纸包住的照相底片感光，不被电磁场偏转。 经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线的本质，
:
X 射
由图可见，当阳极材料不变时， 方向移动。
和
线
随管压V的m 升i n 高都向I 短m a x波
首页
上一页
下一页
标示谱
12
第二节：X射线的产生机制
2）连续谱与阳极材料的关系（电压不变） 前图表示管压为35KV时，用钼和钨作靶材料时的I～λ曲线。由
图可见 与靶无关。是由管压V决定的。
m in
连续谱产生的微观机制
X射线的 发现
X射线的 产生
第 六
因此赋予它一个神秘的名字
章
--X射线。
:
1895年12月28日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于X射
X 线的论文，《论新的射线》，并公布了他夫人的X射线手骨照片。
《医学物理学》X射线课件
3
定期对设备进行辐射安全评估，确保设备的辐射 剂量符合国家和行业标准要求。
总结与展望
06
当前存在问题和挑战
技术瓶颈
当前X射线技术面临着分辨率、 成像速度、剂量控制等方面的技 术瓶颈，限制了其在医学领域的
应用范围。
安全性问题
X射线对人体具有一定的辐射危 害，如何在保证图像质量的同时 降低辐射剂量，是当前亟待解决
同作用，提高治疗效果。
X射线安全防护与法
05
规标准
X射线对人体危害及防护措施
细胞损伤
X射线能够穿透细胞，破坏细胞内的 DNA结构，导致基因突变或细胞死亡。
组织损伤
长时间或过量暴露于X射线下会导致 皮肤灼伤、脱发、白内障等组织损伤。
X射线对人体危害及防护措施
• 诱发癌症：X射线能够诱发癌症，尤其是对儿童和孕妇的 危害更大。
的问题。
跨学科合作不足
医学物理学作为连接医学和物理 学的桥梁，需要医学、物理学、 工程学等多学科的紧密合作，但
目前跨学科合作仍显不足。
未来发展趋势预测
技术创新
随着科技的不断发展，未来X射线技术有望在分辨率、成像 速度、剂量控制等方面取得突破，为医学诊断和治疗提供更 加精准、高效的手段。
智能化发展
结合人工智能、大数据等先进技术，实现X射线图像的自动 分析、诊断辅助等智能化应用，提高诊疗效率和准确性。
放射治疗在肿瘤治疗中作用
根治性治疗
对于部分早期肿瘤，放射治疗可 作为根治性治疗手段，通过高剂
量照射达到治愈目的。
辅助性治疗
在手术前或手术后进行放射治疗， 可提高手术治愈率，减少复发风 险。
姑息性治疗
对于晚期或转移性肿瘤，放射治 疗可缓解疼痛、控制局部病灶发 展等姑息性治疗目的。
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。
X射线物理学基础
第一章X射线物理学基础【教学内容】1．X射线的发觉。
2．X射线的本质。
3.X射线的产生与X射线管。
4．X射线谱。
5.X射线与物质的彼此作用。
【重点把握内容】1.X射线的粒子性与波动性。
2.X射线的产生与X射线管的大体构造。
3•持续X射线和特点X射线谱特点及产生的机理。
4.X射线与物质的的彼此作用而产生的散射和吸收。
【了解内容】1.X射线发觉。
2.X射线的平安防护。
【教学难点】1．X射线的散射与干与。
2．X射线的吸收。
【教学目标】1•了解X射线的本质、特点。
2.把握X射线的产生和X射线谱特点。
3．把握X射线与物质的彼此作用有关知识。
4.培育能依照不同的需要选择对不同类型的X射线及在关实验条件的能力。
【教学方式】1．以课堂教学为主，通过量媒体教学手腕，增强教学成效。
并通过部份习题，增进学生对X射线本质的明白得。
2.安排一次对X射线衍射仪的参观，使学生对X射线的产生和大体装置有一个初步的感性熟悉。
一、X射线的发觉X射线发觉于19世纪末期，并在上个世纪之交掀起了一场X射线热。
它的发觉及其本质的确信在物理学上具有划时期的意义。
代表着经典物理学与近代物理学的转折点。
1895年11月8日，德国物理学家伦琴（照片）在研究真空管的高压放电现象时，偶然发觉凳子上镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。
这一现象当即引发的细心的伦琴的注意。
他认真分析一下，以为这可能是真空管中发出的一种射线引发的。
连续数日呆在实验室中不回家。
他试着用各类手、纸板、木块去遮挡，但都无法挡住这种射线。
于是，一项伟大的发觉诞生了。
由于那时对这种射线的本质和特性都不了解，故称之为X射线。
其实在此之前，也有人注意到，放在高压管周围的照相底片有时会发生雾点。
但他们以为这是一种偶然现象。
没有引发重视。
伦琴发觉，不同物质对X射线的穿透能力是不同的。
他用X射线拍了一张其夫人手的照片（照片）。
1896年1月23日。
伦琴在自己的研究所第一次作关于X 射线发觉的报告时，现场再次拍了维尔兹堡闻名的解剖学教授克利克尔的一只手的照片，克利克尔教授带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线称为伦琴射线。
第6章_X射线物理学基础
1
第六章
X射线物理学基础
第六章 X射线物理学基础
2
第一节 X射线的性质 第二节 X射线的产生与X射线谱 第三节 X射线与物质的相互作用
3. X射线上述特性，成为研究晶体结构、进行元素分析、医 疗透视和工业探伤等方面的有力工具。
第二节 X射线的产生与X射线谱
24
一、X射线产生： 1. X射线：高速运动带电粒子（电子）与某物质相撞击后突 然减速或被阻止，与该物质中内层电子相互作用而产生的。 2. X射线产生条件： 1）产生并发射自由电子（加热W灯丝发射热电子）； 2）在真空中迫使电子作定向的高速运动（加速电子）； 3）在电子运动路经上设障碍，使其突然减速或停止（靶） 据此，就可理解X射线发生器的构造原理了。
2. 威廉· 康拉德· 伦琴（Wilhelm Konrad RÖntgen ）摄于1896年
4
1845年3月27日生于德国莱茵州雷 内普 （Lennep）镇。 1869年获苏黎世大学理学博士学位 1870年回德国维尔茨堡大学工作。 1894年任维尔茨堡大学校长。 1895年11月8日发现了X射线。 1900年任慕尼黑大学物理研究所教 授，主任。 1901年，获首届诺贝尔物理学奖。 1923年2月10日，在慕尼黑去世。
X射线波动性的表现（2）
17
4. 电场矢量E 随传播时间或传播距离变化呈周期性波动， 波振幅为 A（或E0）。 一束沿 y 轴方向传播的波长为λ的X射线波方程为：
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)。
《医学物理学》课件--X射线
X射线的产生
1 2
电子与靶物质相互作用
X射线可以通过电子与靶物质相互作用产生，电 子在靶物质中减速并损失能量，从而辐射出X射 线。
特征谱线
X射线具有特征谱线，根据其波长可以对其进行 分类和标识。
3
产生装置
X射线产生装置通常包括电子枪、靶物质和加速 器，电子枪产生电子束打到靶物质上，产生X射 线。
02
介入治疗
在X射线透视的引导下，通过导管等医疗器械进入人体内部， 对疾病进行治疗。
06
实验操作与演示
X射线实验操作步骤与演示
步骤1
步骤2
步骤3
步骤4
准备实验器材，包括X射线管、 电源、控制开关、探测器等。
将X射线管连接到电源，并调整 电压至适当值。
将探测器放置在X射线管的一侧 ，并将控制开关打开。
X射线的基本物理概念
原子结构与X射线产生
原子结构
X射线是由原子内层电子跃迁时释放的能量，具有极短波长和较高能量的电 磁波
X射线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ生
X射线产生方式包括天然放射性衰变和人工辐射，人工辐射包括X射线管和粒 子加速器
X射线的波动性
光的波动性
X射线具有波动性，其传播方向和振动方向与传播方向垂直
衍射
X射线具有波的特性，可以发生衍射现象，通过晶体产生干涉和衍射现象
X射线在医学诊断中广泛应用于CT、 X射线摄影、乳腺摄影等，利用人体 不同组织对X射线的吸收程度不同， 获取人体内部结构和病变信息。
要点三
其他应用
X射线衍射还可应用于材料科学、化 学、环境科学等领域，如分析材料微 观结构、研究化学反应历程等。
05
X射线在医学中的应用
X射线在医学影像中的应用
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！！
第一章X射线物理学基础
λ＝ｈc/ △E
08:47:09
高速电子在撞击到原子时，很容易将能量传 送給原子中的电子，而使原子离子化当原子內层 轨道的电子被激发后，其空位很快会被外层电子 的跃入填满，在此电子跃迁的过程中，由于不同 轨道间的能量差，X光会随着放出。 此过程所产
生的X光与原子中电子轨道的能量有关。
08:47:09
08:47:09
产生特征X射线的同时也会产生连续X射
线，但特征X射线强度要比同时产生的邻 近波长连续X射线强度高得多，提高管电 压可以提高特征X射线的强度，但同时连 续X射线强度也增加。当工作电压为激发 电压的3－5倍时，特征X射线强度与连续 X射线强度的比率最大，因此电压应选为 激发电压的3－5倍。
08:47:09
连续X射线谱的特点
1.在阳极靶所辐射的全部光子中，光子能 量的最大值不能大于电子的能量，具有 极大能量的光子波长，即为短波极限 λ0 。 当：ev=h·νmax=hc/λ0 有短波极限：λ0=12400/v
08:47:09
X光管管电流、管电压和阳极靶材对连续谱的影响
08:47:09
2.连续谱强度分布的形状主要决定于X 光管 加速电压的大小。当X 光管管压变化时，其 连续谱的强度分布的形状全不相同(见中间图)， 且在λ0的约1.5 倍波长处其强度达到最大值。 连续谱各波长的强度与X 光管的电流成正比 (见左图)。此外，连续谱各波长的强度随阳极 材料的原子序数增大而增加(见右图)。连续谱 的强度(I)与X 光管的电压(V)平方、电流(i)及 阳极材料的原子序数(Z)成正比： I ∝ i Z V2
08:47:09
X射线产生的原理
电磁原理： 当带电粒子在加速或减速过程中， 会释放出电磁波，在巨大加速或减速过 程中，所释放的电磁波具有高能量，当 其波長在10-12－10-8m則成X光。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
布拉格定律物理意义
如果入射的X射线具有一定的波长λ,则只有掠射角θn满足下式 ： 的射线,经过晶体衍射后才能得到最大强度的衍射线; • 如果入射的X射线具有一定入射方向θ,则只有波长λn满足布拉格公 式的射线, 才能得到最强的衍射线; • 基于Sinθ的绝对值只能≤1,所以必须≤1,当n=1时，必须≤值,才能 得到晶面族衍射。因此,反射级n不能大于,故X射线与晶体相互作用 时,所发生的衍射极大值受到一定限制。 • 从上面所述,可看出X射线衍射与光学反射是不相同的:(1).光学反射 完全是表面作用,而X射线衍射则深入到晶体内部，其内层原子面也 参与反射作用;(2).光学反射可选择任意的入射角,而X射线的反射则 受布啦格定律制约,即必须满足布啦格定律。 •
X射线与物质的相互作用
• 吸收
－光电吸收（X射线荧光和俄歇电子发射） －散射吸收
• 散射
－相干散射 －非相干散射 －衍射
X 射线和物质的相互作用
X射线的吸收
• I = I0 exp ( -μρx) (比耳－朗伯定律)
μ －质量衰减系数[cm2/g] ρ－ 密度[g/cm3] x－ 辐射通过吸收体的光路[cm] μρ－ 线性衰减系数[1/cm]
X射线的产生
• 样品产生的X荧光光谱图
连续谱的特征
• 连续谱的表征： • 短波限 ：
λmin =
12 .4 V
• 最大峰值波长:
λI
max
3 = λmin 2
• 积分强度：I = 1.1 × 10 −9 ⋅ iV 2 Z
连续谱短波限
• 在连续谱短波一侧存在着短波。 它相当于电子撞击在阳极上将其全部 能量以X光子形式释放的情况。因此， 短波限λmin跟阳极物质的种类无关， 仅取决于外加电压（V）的大小。
吸收-俄歇效应
• 俄歇效应 当原子内层电子被电离而造成电子空位后，较外层的电 子填充空位时释放出的能量在该原子内部被吸收而逐出 较外层的另一个电子的物理现象。
吸收-荧光产额
• 荧光产额随原子序数而变,用受激发原子中特征X射线 的产生截面(或光子数)与电子空位的产生截面(或电子 空位数)表示。
吸收-荧光产额
质量衰减系数
样品的质量吸收系数为各组分的质量吸收系数加权。 μcompound ( λ) = Σ μi(λ).wi W为元素或化合物在样品里的重量百分含量
吸收-化合物的质量衰减系数
• 例如 λ CuKα =0.1542nm
μK= 148 cm2/g, μBr= 91 cm2/g
μKBr (λCuKα) = (μK.wK) + (μBr.wBr) = (148cm2/g x 0.329) + (91cm2/g x0.671) = 48.7cm2 /g + 61.7cm2 /g = 110.4 cm2/g
• 吸收限跃迁因子， X射线荧光产额，谱线分数三者的乘积
临界厚度
X射线能够穿透的最大厚度称为临界厚度
吸收-临界厚度
吸收-临界厚度
样品所产生×射线荧光在到达试样表面时, 强度的99%被吸收(又称99%的临界厚度) d = (4.61 * sinΨ2)/μ ρ 如果荧光×射线对试样的出射角为 Ψ 2=40°，则： d(cm) = 2.96 /μρ d(um)=29600/μρ
• 设入射光子的波长为λ0(nm),散射角为ψ，计算Compton 散射峰波长λ(nm)的公式如下：
λ - λ0 = 0.00243 (1 - cos ψ)
X射线的散射-康普顿散射的特点
散射强度随康普顿波长的变短而增加 Cr 靶 Rh 靶
X射线的散射-康普顿散射的特点
• 随着样品平均原子序数或质量吸收系数的降低， Compton的强度增加
X射线的本质和定义
根据电磁辐射定律计算波长
公式 E(keV) λ (nm) =1.24/ E λ(nm)
MgKα 1.253 0.9895
CaKα 3.69 0.3360
FeKβ 7.057 0.1757
PbLα 10.55 0.1175
X射线的起源
X射线起源于由下述过程导致的电子的能量损失： • 原子跃迁（特征辐射） • 减速 （韧致辐射，或连续谱） • 方向改变（同步辐射）
造成电子空位的方法
• • • • • • 电子激发（SEM、TEM、STEM、EPMA、X射线管阳极靶产生的特征谱 即是这种激发的结果）； 质子、α粒子、来自粒子加速器的其它离子激发； 用X光管初级线束（光子）照射； 用放射性同位素的α、β、γ和和X射线照射； 用同步辐射源照射； 用二次靶的二次X射线照射；
•
产生特征X射线的物理过程
• • 一是产生原子内壳层电子空位； 二是发射X射线；
具有壳层电子空位的原子处于激发态，电子将重新排列，外壳层 电子向内壳层跃迁，填补内壳层的电子空位，同时释放出跃迁能 量，使原子回到基态。这跃迁能量以特征X射线形式释放出来， 或者能量转移给另一个轨道电子，使该电子发射出来，即俄歇电 子发射。
散射
• 相干散射是光谱仪晶体分光的工作基础，在测角仪中扫描 的元素的分析线角度，就是光谱线的位置。因此，相干散 射也是光谱分析的基础。 • 非相干散射(康普顿散射)对于分析有两种作用： 散射构成光谱背景，特别是对于微量分析有害，降低分析 灵敏度； • 散射靶线或散射背景可作为内标线使用。
康普顿散射
Rh 靶管 有机玻璃 铅
衍射
• 衍射：一束波长为λ的Ｘ射线照射到面间距一定 的晶体表面时，某一特定方向上发生强度叠加， 这种现象称为衍射. • 不同波长在空间不同方向上发生衍射，这一规律 是实现X射线光谱分光的重要依据。
Bragg公式
Ray 1 Ray 1
Ray 2 Ray 2
nλ = 2 x = 2dSinθ
• 荧光产额与原子序数有关
ω=
光子数目 空穴数目
一些典型元素的荧光产额
散射
• 除光电吸收，入射光子还可与原子碰撞，在各个方向发 生散射。 X射线与物质的散射是由于X射线与外层电子的 相互作用而产生。 • 散射作用分为两种，相干散射和非相干散射。
– 如果被散射光子能量与入射光子能量相同，则称为相干散射或 弹性散射。相干散射与光干涉现象相互作用的结果可产生X射线 衍射，X射线衍射图与晶格排列等密切相关，故可被用于研究物 质结构，即X射线衍射分析。相干散射又称为Rayleigh散射，没 有能量损失。 – 非相干散射又称为Compton散射，会出现能量变化或损失
特征X射线光谱的特点
特征X射线光谱产生于原子内部的电子跃迁，因此具有一下特点： • • • X射线光谱因发生于原子的内层轨道，故基本不受价态的影响； 波长分立，与发射谱相比谱线数量相对少，因而干扰显得不那么严 重； 谱线波长强烈地依从于Z，并遵循莫塞莱(Moseley)定律；
Moseley定律： (1/λ)1/2=Q(Z-δ)
一些典型谱线在不同基体中的临界厚度数据
Material Mg Kα (0.9889nm) Lead Iron SiO2 Li2B4O7 H2O 0.6 μm 0.9 μm 7 μm 12 μm 14 μm Cr Kα (0.2291nm) 4 μm 30 μm 100 μm 800 μm 900 μm Sn Kα (0.0492nm) 50 μm 260 μm 0.8 cm 4.1 cm 4.7 cm
• 元素(Z)对入射X射线的质量吸收系数(μ)与波长的函数关系 特点：1. μ受到入射波长 λ和元素原子序数Z的影响； 2. 吸收曲线存在吸收限
质量吸收系数随波长的变化
吸收限
吸收限的产生原因 • 当入射X射线的能量增大到大于电子结合能时， 就激发产生特征X射线而消耗能量，根据被激发 出电子所在壳层称为K吸收限、L吸收限…
吸收限突变
γK
τK +τL +τL +τL +Λ = τL +τL +τL
1 11 111 1 11 111
吸收限跃迁因子
τk rk − 1 JK = = rk τ k + τ L1 + τ L11 + τ L111 + Λ
谱线分数
g kα
kα 1 = = kβ kα + k β 1+ kα
激发因子
⎡ λ ⎤⎡ 1 ⎤ I (λ) = KiZ⎢ −1⎥⎢ 2 ⎥ ⎣λ min ⎦⎣λ ⎦
λmin =
12.4 V
V以kV为单位，λ以Å 为单位
连续谱的特征
• 管电压增高，各相应的曲线也升高，同时最大值和短波极限均 向左（短波方向）移动； • 连续光谱的强度随加速电压的平方而增加、还跟电流i，阳极元 素原子序数Z成正比； • 一定管电压的强度分布具有一最短波长极限（短波限） λmin λI 和等效波长 ；
X 射线光谱
X射线管: 输出依赖于下列因素： • 灯丝 • 加速电压 • 电流 • 真空 • 阳极靶材料 • 窗口
X射线的产生
• 连续谱或韧致辐射：高速电子在阳极原子核场中运动受阻，能量迅 速损失而产生宽带连续X射线谱。 • 特征X射线：当靶原子内层电子被高速运动的电子逐出，将产生空 穴，外层电子跃迁时就会放射出特征X射线。因此。造成大量电子 空位是产生特征X射线的必要条件。
K和L系特征X射线部分能级图
特征辐射-各线系光谱线间的相对强度关系
K 系谱线的相对强度为： Kα1 ：Kα2 ：Kα ：Kβ1 ： Kβ3 ： Kβ2 100 ：50 ：150 ：15 ：15 : 5 L 系谱线的相对强度为： Lα1 ：Lα2 ：Lβ1 ：Lβ2 ：Lβ3 ：Lβ4 ：Lγ1 ：LΙ ：Lη 100 ：10 ：70 ：30 ： 10 ： 5 ：10 ：3 ： 1 M 系谱线的相对强度为: Mα1 ： Mα2 ： Mβ1 ： Mγ1 100 ： 10 ： 50 ： 5 这里必须说明：Kα 线的波长为： λ Kα = (2 λ Kα1 + λ Kα2 ) / 3 Kα : Kβ 随原子序数而变: 对Cu(29)约为5 : 1, 对Sn(50)约为3:1,对Al(13)约为25:1