《光谱激光X射线》PPT课件.pptVIP

第十三章 激光和X射线,激 光,1.受激吸收、自发辐射、受激辐射,如果原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到 较高能态，这种过程就称为受激吸收。,受激吸收,没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低 能态，并辐射一个光子，这种过程叫自发辐射。,自发辐射,各个原子自发辐射的光是非相干光,自发辐射,若原子受到一个满足频率条件的外来光子的激励，由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同 频率的光子来，这种过程叫做受激辐射。,受激辐射,各个原子受激辐射的光是相干光,自发辐射,在通常情况下，原子在各能级上的分布服从 玻尔兹曼分布定律，即在低能级上的原子数较多, 光通过物质时，受激吸收占优势。,激光就是由受激辐射产生的被放大了的相干光。 激光的英文名为“light amplification by stimulated emission of radiation”第一个字母的缩写。,在通常状态下，三种跃迁同时存在，受激吸收使光子数减少，受激辐射使光子数增加。哪种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。,（1）粒子数反转,要使受激辐射占优势，必须使处在高能级的原子数多于低能级的原子数，这种分布与正常分布相反，称为粒子数布居反转分布。,粒子数反转,存在粒子数反 转分布的物质称为 激活介质。,2.产生激光的基本条件,在激活介质的 两端安置两块反射 镜面，一个是全反 射镜，一个是部分 反射镜，这对反射 镜面及其间的空间 称为光学谐振腔。,（2）光学谐振腔,要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采 用光学谐振腔。,光学谐振腔,产生激光的基本条件,最初的受激辐射源于自发辐射，只有与反射 镜轴向平行的一定波长的光能在激活介质内来回 反射，雪崩式地放大，在一定条件下形成稳定的 强光光束，从部分反射镜面输出，得到激光。,光学谐振腔对光的方向选择性,产生激光的基本条件,（3）阈值条件,在谐振腔内，除了有光的增益，还存在 工作物质对光的吸收、散射以及反射镜的吸 收和透射等造成的各种损耗，只有当光在谐 振腔内来回一次所得的增益大于损耗时，才 能形成激光。增益大于损耗的条件称为阈值 条件。,产生激光的基本条件,3.激光器的组成和常见激光器,常用激光器由三部分组成：,工作物质 激励能源 光学谐振腔,激光,激光器结构示意图,按输出方式分：,脉冲输出,连续输出,半导体激光器,按工作物质分 ：,气体激光器,固体激光器,液体激光器,自由电子激光器,激光器的分类,激光器的组成和常见激光器,4.激光的特性及其应用,（1）方向性好,激光束的发散角很小，一般为,激光定位、导向、 测距等就利用了方向 性好的特点。,（2）单色性好,在普通光源中，单色性最好的是作为长度基准器的氪灯（K186）,它的谱线宽度为4.710-3纳米;而激光谱线宽为 纳米，为氪灯谱线宽度的5万分之一。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单色性。,计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。,激光的特性及其应用,(3)亮度高,亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单 位立体角内发射的功率。,激光的功率密度特别大，因而其亮度也特别大。,激光的特性及其应用,激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万度的高温。,激光加工、激光手术、激光武器等就利用 了高亮度的特点。,(4)相干性好,激光具有很好的相干性。,普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米， 激光可达几十公里。,全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。,全息照相,激光的特性及其应用,X 射 线,图为“钱德拉”拍摄到的月球明亮区域由氧、镁、铝和硅原子发出的X射线照片。,X射线的发现,1895年德国物理学家伦琴（W.C.Rontgen） 在用放电管研究阴极射线时，发现在离放电管 数米远放置的铂氰化钡发出了荧光。进一步实 验证实，这是由于放电管管壁受到高速电子撞 击时，放出的一种人眼看不到的射线引起的， 后来这种看不见的射线被称为X射线。（实验 还拍到了伦琴夫人手掌的X光照片）,第一张X光照片,一 、 X射线的发生装置,主要组成部分： 1、X射线管 2、低压电源 供阴极发射电子 3、高压直流电源 供给阴、阳两极之间所需的直流高压,第一节 X射线的产生极其性质,X射线是高速电子流在运动中突然受到物体阻止而产生的。 X射线的产生必须满足两个条件： 1、 必须有高速度的电子流。 2 、必须有阻止电子运动的障碍物，将电子的动能转化为X射线的能量。,X射线管是X射线发生装置的核心。现代X射线管都是热阴极式的。这种X射线管的外壳用硬质玻璃制成，管内封装有阴极和阳极，内部抽成高度真空。阳极由高熔点的钨丝制成，通电加热时可以发射电子，故称阴极。而阳极常有一小块钨板嵌在铜柱体的斜面上做成。阴极与阳极之间加有几万伏至几十万伏的直流高压电源称为管电压。X射线工作时通过两极之间的电流称为管电流。阴极通电加热之后，从阴极发射出来的电子，在强电场力的作用下，高速飞向阳极，轰击阳极靶时突然受阻，急剧减速，部分电子动能转化为X光子的能量向外辐射，就产生了X射线。,二、 X射线的基本性质,X射线是波长在1010-3 nm 范围的电磁波。 它具有一切电磁波的特性:反射、折射、 干涉、衍射和偏振。 X射线的波长很短，能量很大，因此，它 还具有以下几个特性：,X射线的波长短，能量大（W=hf=hc/） ， 对物质穿透本领很强。 X射线对人体各种组织的穿透能力的分类 如下：,1、 贯穿本领,结论： X射线对人体不同组织穿透性的差别就是X射线透视和摄影时得以形成不同组织影像的基础,2 、电离作用 X射线能使一些物质的原子或分子电离。在X射线照射下的气体能电离而导电，电离电流与X射线的强度成正比。 3 、感光作用 X射线照射某些物质能引起光化反应，使照相底片感光。如：摄影 4、荧光作用 X射线照射某些物质，（如硫化锌、铂氰化钡、钨酸钙、磷等）可以产生荧光。荧光亮度与X射线的强弱有关。如：透视,X射线的强度和硬度,X射线的强度 它表示X射线的量，决定影像的明亮程度。 定义为单位时间内通过与X射线方向垂直的单位面积的辐射能量，用 I 表示。单位（瓦/米2 ）。若单位时间内打到靶上的电子数越多，转变为光子的数也越多， X射线的强度就越大，即强度与管电流成正比。通常用管电流的毫安数来表示X射线的强度。,X射线的硬度 就是指X射线的穿透本领，表示X射线的质。它取决于X光子的能量，与光子数目无关。 X光子的能量与管电压成正比。通常用管电压的千伏数来表示X射射线的硬度。 在X射线的医学治疗中，都必须掌握合适 的强度和硬度，不足或过量不但达不到 预期效果，还会产生副作用。,在医疗上按照硬度将X射线分类如下：,第二节 X射线谱,X射线的波长很短，穿透本领很强，因此很难 用普通的光学光栅来进行衍射实验。直到1912 年，德国物理学家劳厄才利用晶体作为空间光 栅，首次获得X射线的衍射图象，证明了X射 线的波动性质，并证明了晶体的点阵结构。,利用X射线照射到晶体上产生衍射的方法，可以获得X射线谱。下图是X射线摄谱装置的原理图：,X射线管发出的X射线经过两块铅屏上的狭缝然后投射到晶体上。晶体可以绕着通过晶体中心与表面平行的轴转动，这样，连续转动晶体改变角时，不同波长的X射线将得到不同方向的加强，在圆弧形照相底片上就得到多种波长X射线束按波长排列展开的X射线谱。,下图是钨靶X射线管的X射线谱,一、连续X射线谱,当高速电子轰击阳极靶时，电子受原子核电场作用而急剧减速，部分动能转化为X光子的能量辐射出来，这种辐射称为轫致辐射。每个电子可能产生多次轫致辐射，且各个电子与原子核的距离不同，即受阻情况不同，所以损失的动能有各种不同的数值， X光子的能量就不一致，从而形成了各种波长的连续谱。,右图是钨靶X射线管在四种较低管电压时的X射线谱：,谱线的强度随波长发生变化，从长波向短波方向其强度逐渐上升，到最大值后迅速下降，与强度下降至零相对应的波长是连续谱中最短的波长，称为短波极限。 比较图中曲线可知，每条曲线都有一个强度最大值和一个短波极限。当管电压增大时，各波长的X射线强度都随之增高，而且强度最大的波长和短波极限都向短波方向移动。,连续X射线谱的短波极限与管电压成反比,假设光子的能量最大值为h，对应与连续谱中短波极限为。管电压为，电子的电量为e，加速电场对电子所作功为e，电子获得的动能为 若此动能全部转化为光子的最大能量h，则：,二、标识X射线谱,线状谱线的波长决定于阳极靶的材料，与管电压无关。不同元素制作的靶，具有不同波长的线状X射线谱，而这些谱线可以作为这些元素的标志，所以称为标识X射线谱。,标识X射线的产生，是由于管电压很高，高速电子轰击阳靶时具有足够大的动能，能够与靶原子的内层电子发生强烈的相互作用，使内层电子从原子中脱出，在原子的内层出现一个空位。如果打走的是K层电子，则空出来的位置就会被L、M或更外层的电子所填补。（如图）并在电子跃迁过程中发射出X光子，所发射光子的能量等于跃迁始末能级的能量差。这些跃迁不是同时在同一个原子中发生的，而是大量原子发生的，所以能形成一定强度的谱线。,不同元素的线状X射线谱的结构是相似的，但其波长随着原子序数增加而变短。,物质对X射线的吸收,一、物质对X射线的吸收规律： X射线通过物质时，原进行方向强度逐渐减弱的现象。 I0是X=0处射线的强度（入射强度），I 是通过厚度为X的物质层后的射线强度（出射强度），则 I= I0e-x . (1) （1） 式表明X射线通过吸收物质时其强度按指数规律减小。 常数称为线性吸收系数，若厚度的单位为m，则的单位为m-1，由（1）式可知越大，则x射线在物质中强度减弱的越快，即被吸收越多；反之强度减弱的越慢，即被吸收越少。,1、质量吸收系数 物质性质或状态不同， 值也就不同。 同一种物质的线性吸收系数与它的密度是成正比的，其比值称为质量吸收系数，即 m =/ . （2） 可见， m 与无关，也就是与物质状态无关。 为了比较各种物质对X射线的吸收本领，则（1）式可改为 I= I0e-m m (3) 其中m =,称为质量厚度，等于单位面积 中厚度为x的吸收层的质量。 m 的单位为kgm-2, m 的单位为m2kg-1,低能X射线质量吸收系数可近似地写为 m= k 3z3 式中为k比例系数，z为原子序数。 由此可见，对于低能X射线来说，若波长一定， 则原子序数愈大的物质，吸收本领也愈大。对一定的物质，波长愈长的X射线就愈容易被吸收。,2、半价层 物质对X射线强度吸收一半的厚度（或质量厚度）称为该物质的半价层，用x1/2 （或xm1/2 ）表示，通常也用半价层来比较物质对X射线的吸收本领。 由（2）和（3）式可得 ： x1/2=2/=0.693/ xm1/2= 2/m=0.693/ m X射线在物质中经过n个半价层的强度为I=I01/2n 各种物质的吸收系数与X射线的波长有关，不同的波长吸收系数不同，因此，以上各式只适用于单色X射线。X射线连续谱包含各种波长，混合X射线的总强度并不是严格地按指数规律减弱。实际应用时，可以近似地按指数规律处理，公式中 （m）用各种波长吸收系数的平均值代替。,二、物质吸收X射线的机理 1、光电效应 X射线通过物质时，X光子与物质中的原子相互作用，全部能量交给一个内层电子，光子本身消失而电子飞出原子的现象。飞出的光子称为光电子。 2、康普顿散射 X射线通过物质时，X光子与物质中的原子相互作用，部分能量交给电子，使电子飞出原子，而本身能量减少且改变运动方向的现象。飞出的电子称为反冲电子。,在散射实验中，有的X光子碰撞后能量不变，只是改变了运动方向，称为不变散射。 X光子能量在50keV以下时，光电吸收为主；能量在6090keV之间，光电吸收和康普顿散射吸收同样重要；能量在200keV2MeV之间则以康普顿散射吸收为主。,第四节 X射线的医学应用,一.透视和摄影 1.X射线透视 人体不同组织对射线的吸收系数是不同的，因此，同样强度的射线通过人体后强度就不同了，投射在荧光屏上形成明暗不同的图象 2.X射线摄影 让通过人体后的射线投射在照相底片上，得到明暗不同的照片 3. 举例： 检查骨折 ，肺结核病灶，确定肿瘤的位置和大小，断定体内有无异物,二.人工造影,人工造影： 体内有些器官与周围组织对射线的吸收相差很小，在荧光屏上或照片上的差别就很小，不易分辨。将一些原子叙述大的或小的物质注入这些器官，以增大它们的影象反差，从而增加它们与周围组织的差别，达到诊断的目的。 造影剂： 这些注入器官的物质称为造影剂 应用举例： 检查肠胃的钡餐，检查关节的空气,三. 软X射线摄影,为了区别密度差别很小的软组织的影像，常采用波长较长的软 射线对组织进行摄影。 因为物质对射线的吸收本领与波长的三次方成正比，所以 软组织对射线的吸收随波长的增加而显著增加，这样软组织之间的 微小差别在底片上就比较明显,四 电子计算机断层摄影装置(CT),基本原理： 将射线高度准直后，围绕病人身体某一部分作横断扫描，用灵敏的探测器接受的射线，用计算机计算出该层面各点的射线吸收系数值，再由图象显示器将不同的数据用不同的灰度等级显示出来，即得到该断层面的解剖结构图像,人体由不同成分的物质组成，因此，射线到达某一部位时，实际上射线已通过了几个不同的物质层,1 每一个小立方体的吸收系数不相同,每一个小立方体的厚度相等为x，则 I1=I0e-u1x I2=I1e-ux =I0e-(u1+u2) In=I0e-(u1+u2+U3+un-1) X射线穿过路径的吸收系数为 u1+u2+ui+un=1/xI0/I1 因此，透射 线强度 的