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东北大学硕士学位论文 x 射线在危险品检测中的应用的研究 摘要 x 射线具有一种其他物质所没有的“特异功能”，它能够从一种物质的分子以 及原子结构来显示该物质的特征。这一“特异功能”在检验塑胶炸弹等危险品中 有着重要的作用，因为这些危险品不只可以被放在包裹里，而且还可以被改变形 状，所以单从外形无法判断出危险品，这样，能检验出物质的本质特征的技术就 成为非常必要的了。相对其他检验危险品的技术来说，x 射线技术是比较便宜的。 利用x 射线技术，我们可以得到某种物质的分子以及原子结构，根据分子及 原子结构，我们就可以判定该物质的种类。现在社会上用于检验危险品的设备的 理论依据也都是x 射线技术，不过，现在已有的技术在实践中被证实不是很准确。 这篇论文中所讨论的高低能比值数学模型技术是在已有的技术基础上建立起来 的。 现在已有的技术在全世界内被广泛使用，但是这种技术在判定物质的种类时 的准确性很低，利用这种技术只能把物质分为三大类：气体、液体和固体。把铁 和铝分开对于现在这种技术来说是不可能的。如今，带着被改装过的炸弹通过机 场的安检门不是不可能，这一问题已经被各个国家的安全部门所关注。基于这个 问题，我们在原有技术的基础上，用数学的方法建立了一个模型，就是在这篇论 文中所要讨论的高低能比值模型。 这篇论文主要讨论如何提高检验危险品的准确性，主要分为四个步骤。第一 步是把一束x 射线分为不同能量的两束。第二步是把待测物质分别放在这两束x 光下。第三步是测得通过待测物质的x 射线的能量。第四步是通过测得的数据判 定该物质的种类。 通过计算机模拟，以这种技术为基础的x 射线设备可以提高检测危险品的准 确性。总之，这一技术的应用将会提高机场安检的工作质量，广大人们的人身安 全将会更有保障。 关键词。：危险品x 射线衰减系数线吸收系数质量吸收系数数学模型 东北大学硕士学住论文 a b s t r a c t t h es t u d ya b o u tt h e u t i l i t yo fx - - r a yd u a l - e n e r g yt r a n s m i s s i o nf o r i l l i c i tm a t e r i a ld e t e c t i o n a b s t r a c t x r a yd e v i c e sh a v ed e m o n s t r a t e dt h ea b il i t yt oc h a r a c t e r i z eam a t e r i a l a tt h em o l e c u l a ra n da t o m i cl e v e l s t h i sa b i l i t yi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t f o rd e t e c t i n gp l a s t i ce x p l o s i v e ，w h e r eo b j e c ts h a p ei n f o r m a t i o nc a n n o tb e u e s d x - r a yd e v i c e sa r er e l a t i v e l yi n e x p e n s i v ec o m p a r e dt om a n yo t h e r d e t e c t i o nt e c h n o l o g i e s x - r a yt e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e da st h et e c h n o l o g y f o rd e t e c t i n gi 1 1 i c i tm a t e r i a l s u s i n gx - r a yt e c h n o l o g y ，am a t e t i a l s d e n s i t ya n de f f e c t i v ea t o m i c n u m b e ri n f o r m a t i o nc a nb ed e t e r m i n e d i n t h e o r y ，a ni l l i c i tm a t e r i a l c a nb ei d e n t i f i e d u s i n gt h i sp i e c e o f i n f o r m a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e se x p l o s i v e sd e t e c t i o ni np a s s e n g e rl u g g a g e b a g s t h ex - r a yt e c h n o l o g yu s e di sc a l l e dm u l t i e n e r g yt e c h n o l o g y i ti st h e f i r s tt r u em u l t i e n e r g yt e c h n o l o g yu s e d f o re x p l o s i v ed e t e c t i o n i tu s e s d u a l e n e r g yt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yt oo b t a i nc h a r a c t e r i s t i cc a l u e so fa n o b j e c t t h em a t e r i a lt y p eo ft h i so b j e c tc a nt h e nb ed e t e r m i n e du s i n ga n e w p l a n e t h en e wt e c h n o l o g yd i s c u s s e di n t h i sd i s s e r t i e ni sb a s e do nt h e t e c h n o l o g ye x i s t e n t t h et e c h n o l o g ye x i s t e n ti su s e dw i d e l yi na i r p o r ta 1 1 o ft h ew o r l d ，b u tt h ea c c u r a c yo ft h et e c h n o l o g yi sv e r yl o w ，u s i n gt h i s t e c h n o l o g y ，a 1 1m a t e r i a li sd e v i d e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s ：g a s ，1 i q u i da n d s o l i d i ti si m p o s s i b l ef o r t h et e c h n o l o g yt ot e l li r o nf r o ma l u m i n i m ( a l ) a t p r e s e n t ，i ti sp o s s i b l et op a s se m e r g e n c ye x i t i na r i p o r tw i t he x p l o s i v e s r e s e t w ei m p r o v et h ep r e s e n tt e c h n o l o g yi nt h e o r yb ys e t t i n gu pan e w m a t h e m a t i c a lf o r m e r t h en e w t e c h n o l o g y w i l lb ed i s c u s s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n c o m p a r e dt ot h et e c h n o l o g ye x i s t e n t ，t h ed e t e c t i o na c c u r a c y o ft h en e wt e c h n o l o g ys h o u ldb em u c hh i g h e r t h ed i s c u s s i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ed e v e l o p m e n to ft h e d e t e c t i o na c c u r a c yu s e do nt h i sm u l t i p l ee n e r g ys y s t e m t h i sm u l t i p l e i l l 查些垄芏堡主茔竺垒墨笪! ! ! 型 e n e r g ys y s t e mi sc o m p r i s e do ff o u rs t e p s t h ef i r s ts t e p i st od e r i d eo n e b ea i i ix r a vi n t ot w ob e a m s ：o n eh i g he n e r g ya n do n el o we n e r g y t h e s e c o n d s t e di st ol e t t h et w ob e a m sp i e r c e t h eo b j e c tb e i n g d e t 。t 。d r e s d e c t i v e l y t h et h i r ds t e pi st om e a s u r ee n e r g yo ft h ex r a y st h r o u g h t h e 0 b e c t t h ef o u t hs t e pi st od e t e r m i n et h ec a t e g o r yo ft h eo b j e c td e t 。t 。d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a b vc o m d u t e rs i m u l a t i n g ，w ek n o wt h a tt h et e c h n o l o g yi sp r a c t i c a l x r a y d e v i c e sb a s e do nt h i st e c h n o l o g yw i l lw o r kw e l l a l t o g e t h e r ，t h et h e o r ym e k e x - r a yd e v i c e su s e do n e m e r g e n c ye x i tm o r ea e c u a t e k e yw o r d s ：i l l i c i tm a t e r i a l ，x - r a y ，a t t e n u a t i o ne o e f f i e i e n t ， l i n e a ra t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t ， q u a l i t a t i v ea t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t ；m a t h e m a t i c a l f o r m e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：朵纭 日 期：2 刃反未孑 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 x 射线的发现是1 9 世纪末2 0 世纪初物理学的三大发现( x 射线1 8 9 5 年、放 射线1 8 9 6 年、电子1 8 9 7 年) 之一，这一发现标志着现代物理学的产生。x 射线 的发现具有十分重大的意义，它是1 9 世纪末2 0 世纪初发生的物理学革命的开端。 它的发现对于化学的发展也有重要意义：1 9 1 3 年，根据对各种元素的特征x 射线 光谱的研究发现的莫斯莱定律，确定了元素的原子序数等于核电荷数，这对元素 周期律的发展和原子结构理论的建立起了重要作用。以x 射线晶体衍射现象为基 础建立起来的x 射线晶体学，是现代结构化学的基石之一。如今x 射线已经在晶 体结构研究、金属勘探，医学和透视等方面，得到了广泛的应用，给人类带来了 莫大的福音。 近年来，x 射线在各个领域的应用越来越广泛，而且不断有新的技术问世。 美国核新闻2 0 0 0 年4 月9 号报道，美国布鲁克海文国家实验室( b n l ) 的一个国际专家小组在试图观察一种重要的神经系统酶的化学反应时发现，他们 所使用的高强度x 射线束正在有条不紊地分解他们的目标。b n l 表示，这是第一 次直接观察到蛋白质暴露于高能x 射线时发生的分解过程。 到b n l 进行访问的学者j o e ls u s s m a n 说：“这种结果太令人吃惊了”。 s u s s m a n 曾是b n l 的工作人员，现在是以色列魏茨曼科学研究所的研究员。说它 令人吃惊是因为在此以前，许多学者都认为辐射损伤是非特定性的，即是随机的。 但是在b n l 的研究和在其它地方对其它酶进行的研究都表明，x 射线能够有选择 地破坏特定的化学键。 s u s s m a n 说：“我们看起来好像正在寻找蛋白质结构中对电离辐射特别敏感 的弱点。二硫化物键( 经常在蛋白质链中起连接作用) 和羧酸( 能在发生 反应的酶的“活性区”找到它们) 好像特别容易遭到破坏。对这些弱连接有较好 的了解，可以改进我们防止高剂量辐射损伤的方法。 同样也来自以色列的访问学者s i l m a n 说：“拥有在试管水平上使由辐射引起 的特定损伤可视化的能力，为开发防止辐射损伤的药理学方法提供了一个重要的 诊断工具”。来自魏茨曼科学研究所和欧洲的学者与布鲁克海文的科学家合作， 计划对可被用于日常防护或紧急情况下的各种物质的抗辐射潜力进行研究。 最近，美国科学家又发明了一种x 射线结肠透视镜，医生不必将结肠镜插入 东北大学硕士学位论文第一章引言 病人的肠子内就可以清楚地检查患者的肠子。 结肠癌可能是导致美国人死亡的第二大杀手。其实通过结肠镜检查完全可以 挽救很多患者的性命。但是传统的结肠镜检查需要将一根l 米多长的透视镜插入 患者的肠子中。由于许多人会有疼痛感，不肯去检查，因此贻误了治疗时机。现 在好了，美国科学家发明的这种新型透视镜是通过x 射线来检查患者病情的，完 全没有了以前检查时的疼痛感；而且医生看到的是三维图像，很容易辨识出以前 很难发现的肠子皱褶处的一些息肉。 为了证明x 射线结肠镜检查的效果，有关方面找了1 2 0 0 名患者，让他们分别 接受x 射线结肠镜检态和传统结肠镜检奄。由于传统的结肠镜检查有一定的疼痛 感，需要检查者事先调整好状态，此外检查后还需要一小段恢复期，而x 射线结 肠镜检查不存在这些问题；因此接受试验的1 2 0 0 名患者中，一半以上的人表示他 们下次会做x 射线结肠镜检查。 1 2x 射线是如何发现的 x 射线是1 8 9 5 年德国物理学家伦琴( r o n t g e nw k 1 8 4 5 1 9 2 3 ) 发现的。1 8 9 5 年1 1 月8 日晚，伦琴为了进一步研究阴极射线的性质，他用黑色薄纸板把一个克 鲁克斯管严密地套封起来，在完全暗的室内做实验。在接上高压电流进行实验中， 他意外地发现在放电管一米以外的一个荧光屏( 涂有荧光物质铂氰化钡的纸屏) 上 发生亮的光辉。一切断电源，荧光就立即消失。这个现象使他非常惊奇，于是全 神贯注地重复做实验。他发现即使在距仪器二米处，屏上仍有荧光出现。伦琴确 信，这个新奇现象不是阴极射线造成的，因为实验己证明阴极射线只能在空气中 前行几厘米，而且不能透过玻璃管。他决定继续对这个新发现进行全面检验。一 连六个星期都在实验里废寝忘食地工作着。经过反复实验，他确信发现了一种过 去未被人们所知的具有许多特性的新射线。这种射线的本质一时还不清楚，所以 他取名为“x 射线”( 后来科学界称之为伦琴射线) 。他在1 2 月下旬写的论文中 说明了初步发现的x 射线的如下性质：( 1 ) 阴极射线打在固体表面上便会产生x 射线；固体元素越重，产生的x 射线越强。( 2 ) x 射线是直线传播的，在通过棱镜 时不发生反射和折射，不被透镜聚焦。( 3 ) 与阴极射线不同，不能借助磁体( 即使 磁场很强) 使x 射线发生任何偏转。( 4 ) x 射线能使荧光物质发出荧光。( 5 ) 它能使 照相底片感光，而且很敏感。( 6 ) x 射线具有很强的贯穿能力，比阴极射线强得多。 它可以穿透上千页的书，二、三厘米厚的木板，几厘米的硬橡皮等。1 5 毫米厚的 铝板，不太厚的铜板、银板、金板、铂板和铅板的背后，都可以辨别荧光。只有 东北大学硕士学位论文第一章引言 铅等少数物质对它有较强的吸收作用，对1 5 毫米厚的铅板它实际上不能透过。 伦琴在一次检验铅对x 射线的吸收能力时，意外地看到了他自己拿铅片的手的骨 骼轮廓。于是他请他的夫人把手放在用黑纸包严的照相底片上，用x 射线照射， 底片显影后，看到伦琴夫人的手骨像，手指上的结婚戒指也非常清晰，这成了一 张有历史意义的照片。 1 8 9 6 年元旦，伦琴将他的论文和第一批x 射线照片复制件分送给一些著名物 理学家。几天之后，这个发现就传遍了全世界，在公众中引起轰动。其传播之迅 速，反应之强烈，在科学史上是罕见的。x 射线很快就被应用于医学和金属探伤 等领域，从而创立了x 射线学。x 射线究竟是一种电磁波，还是一种粒子流，曾 经争论许多年。直到1 9 1 2 年德国物理学家劳厄和他的助手发现x 射线通过晶体后 产生衍射现象，才证明它是一种波长很短的电磁波。 伦琴由于发现x 射线，于1 9 0 1 年成为第一个诺贝尔物理学奖获得者。伦琴做 出这个重大发现并非由于偶然的幸运。他的广博深厚的科学素养，周密敏锐的观 察能力，顽强探索的科学精神和严谨细致的实验工作，使他具有高瞻远瞩的科学 远见，能迅速地揭示出并捕捉住前人所未注意的有重要价值的新现象，紧紧抓住 这种现象进行深入研究，终于取得成功。 1 3x 射线在各个领域中的应用 1 3 1x 射线在医学中的应用 1 8 9 5 年人类发现x 射线后，x 射线的应用已经遍及工、农、科研、国防各个 领域，最早被用于医学，人们首先将它用于骨折的诊断、异物检查等方面。当时 医院中的x 光诊断装置发出的x 射线极其微弱，为了得到清晰的照片，要曝光一 个小时以上，长时间照射还有。一定危险性。1 9 1 3 年美国物理学家克里吉制作出与 今天相同的x 射线管，这是一种经过改进的阴极射线管，从而大大缩短了曝光时 间。x 射线透视检查不仅缩短了诊断骨折、异物的时间，还为发现肺病做出了很 大的贡献。 它可从两个不同的角度显示病人心脏的情况，医生可从荧光屏上看到x 射线 图像和有关的数据资料。 1 9 0 4 年和1 9 0 6 年慕尼黑的里德尔和纽约的贝克分别创立了用x 射线检查食 道、肠道和胃的方法，受检查者吞服一种叫造影剂的物质( 如硫酸钡) ，再经x 射线照射，便可显示出病变部位的情景。 东北大学硕士学位论文第一章引言 此后，法国人西卡尔等使用了一种能用于检查予宫和椎管的造影剂。葡萄牙 人莫尼兹制出了一种为动脉、静脉血管等进行x 射线透视的水溶性造影剂。此外， 还研制出一种气体的x 射线造影剂。在相当一个时期，x 射线渗断仪成为医院中 最重要的诊断仪器。 近年来又出现一种新的医学诊断设备_ ( ：r 1 1 ，c 1 1 即x 射线断层扫描仪，它是 电子计算机x 射线断层扫描仪的简称，医用x 射线检查和计算机断层扫描( c t ) 是 目前普遍用于癌症早期和骨裂诊断的两种方法。 6 0 年代中期，任美国图夫茨大学教授的物理学家科马克发现，人体各种不同 组织对x 射线的透过率不同，并得出了一些计算公式，这为x 射线断层扫描仪奠 定了理论基础。 在英国e m i 公司任中央研究实验室医学研究部主任的电器工程师豪斯菲尔 德，曾领导过英国第一台全晶体管计算机的设计工作。他根据科马克的理论和计 算公式，将电子计算机技术和x 射线扫描技术结合起来，于1 9 7 3 年研制出第台 电子计算枧x 射线断层扫描仪。 x 射线断层扫描仪能够察看人体内部组织，使之一览无遗，体内的肿瘤、大 脑和体内器官的微小病变，以及骨骼密度的异常，都可以被显示出来，并且显示 在荧光屏上，还可以拍成照片。 x 射线断层扫描照相技术比传统x 射线照相更为精确“1 。传统的x 射线技术， 不同组织之间x 射线吸收率差异小于5 就无法分辨，而x 射线断层扫描仪由于可 从多角度进行扫描，可以消除骨骼和软组织重叠现象，因此差异小于1 也能检测 出来。 出于发明x 射线断层扫描仪的杰出成就，豪斯菲尔德和科马克一同获得1 9 7 9 年诺贝尔医学和生理学奖。 时前x 射线断层扫描仪主要用于癌症、骨质疏松症和关节炎的诊断，神经科 的医师们t e 用其找出导致精神脑部器质性病变的原理，考古界还采用x 射线断层 扫描仪对古代木乃伊进行研究。 x 射线的发现使医学在很多领域都有很大的突破，但人们对x 射线检查器械 还是有些许担忧，照射x 光到底会不会对人体造成危害呢? 科学研究表明，少量x 射线不仅对人体产生不了任何影响，反而会对人体有 益。据了解，能对人体造成损害的x 射线剂量为1 7 0 0 毫戈瑞( x 射线的剂量单位， 以下简称m g y ) ，而按国家规定，正规医院日常为患者进行胸部x 光所用的放射线 剂量只有0 4 m g y ，与有害剂量相差4 千多倍，根本不会对人体造成伤害。 人体全身某一敏感部位一次或短期多次受到大剂量的照射达到1 7 0 0 m g y ，该 东北大学硕士学位论文第一章引言 组织才可引致放射性损害。但在医院里做一次胸部x 光，人体受到射线的剂量仅 为0 4 m g y ，也就是说，只有不间断地做4 0 0 0 多次的胸部x 光才可达到放射性损 害，但出现这种情况的可能性非常低。 专家强调，只有大量或过量x 线才可导致严重、不可逆的细胞损害，这种情 况多发生和应用于放射治疗。所以，“考虑照射的危险性是重要的，但也不应把 危险估计过高，从而拒绝正当的检查和治疗。” 此外，低剂量的电离辐射( 包括x 光) 还能使生物免疫能力增强。我国学者 曾对广东阳江地区和其他对照地区居民进行过比较调查，由于地理位置的原因， 前者接受的天然放射较高，但该地区居民的免疫功能却比对照组居民好，肿瘤发 生及死亡率也明显低于对照组。一般来讲，每年接受的电离辐射剂量在2 0 0 m g y 以下的低剂量照射是对人体有益的。 不过，与很多市民的认识相符，x 射线确实会对胎儿产生不良影响。有学者 认为，妊娠6 周前受到大剂量辐射可产生死胎或诱发器官畸形，胚胎在8 1 5 周 内受到1 0 0 0 m g y 以上照射，胎儿出生后智力低下的危险性会增加。根据科学家对 日本广岛和长崎原子弹爆炸后出生儿童的智力调查，以1 6 0 0 人为研究对象，其中 重度智力低下、生活不能自理的有2 5 人，而这些弱智儿都是在母亲怀孕8 2 5 周内受到辐射影响的。科学家认为，孕妇怀孕8 1 5 周内对电离辐射的感受性最 强，是怀孕1 6 2 5 周的4 倍，所以医学界一般认为妊娠3 个月内，孕妇要严禁x 射线直接照射。如果为了抢救需要照射x 光，也应在腹部覆盖一些防x 射线的材 料。 1 3 2x 射线在安检中的应用 2 0 0 4 年6 月2 6 日，美国政府宣称正在考虑一项新的提案。这项提案称，在 美国机场的安全检查通道安装特殊的x 射线装置。这种x 射线装置，可以拍摄下 飞机乘客的“裸体”图像。 美国政府称，目前在机场安全检查通道所用的磁强计有一个缺点。它不能检 查塑料的武器或者用塑料制造的物质。 美国交通安全管理局的安全实验室的主任苏珊霍尔威尔( s u s a n t a l l o w e l l ) 亲自上阵对这个系统进行了演示。x 射线在皮肤上反射后，形成照片上的图像。 从照片上可以看到，她穿着裙子和夹克衫，几乎和裸体一样。照片上可以显 示出她身上藏着的枪支和炸弹。 苏珊霍尔威尔称，从这种仪器上看，人确实有点“肥胖”和“原形毕露”。 5 东北大学硕士学位论文第一章 引言 但是，对于其它的物品，你可以一览无余。 这个技术称为反向散射，它可以散射x 射线。一定剂量的x 射线在检测金属 与塑料物质的时候，会在图像上形成较暗的阴影。 反向散射机目前已经在监狱中使用，用来监测探监者。此外，这种机器在南 非钻石矿的工地中，应用更是较为广泛，它通常用来检查换班的矿工。 但是，这种仪器从来没有在机场使用过。苏珊霍尔威尔称，这种仪器的x 射线的剂量和阳光的强度相似，但是，她也表示，乘客如果知道自己被安检人员 “一丝不挂”地观察，可能不会接受这种仪器。 目前，这个研究小组正在研究改进的办法，为图像找“遮羞布”。最主要的 是在研究如何将身体敏感部位模糊化。 从以上的例子中，可以看出x 射线在机场安检中发挥了重要作用，占据着重 要的地位。虽然当今人们对于出入机场要接受x 光检查已经习惯而且也知道少量 x 射线对人体没有危害反而有好处，但是人们还是对x 射线安检设备有所防备。 如今，出门带上银行卡和笔记本电脑已是平常事。但带这些电子设备登机时 安全吗? 机场安检x 光射线是否会对银行卡消磁? 是否会对笔记本电脑造成不好 的影响? 沈阳机场安检设备维修人员对此的答复是，安全检查仪发射的x 光射线 是一种低剂量射线，一般不会对过检物品造成损害。 沈阳机场安检设备维修人员解释，部分乘机旅客都有这样的担忧：他们错误 地认为手提电脑、手机、磁卡等相关电子产品在经过x 射线行李检查后，会或多 或少受到影响。其实，现代机场引进的安检设备均为低剂量x 射线检查仪，对手 提电脑、手机、信用卡、摄像机、照相机等均没有任何损伤和破坏作用，更不会 消磁，旅客大可不必担心。而且机器本身也采取了一系列防护措施，对人体危害 不大，如整机用金属机壳封住( 电子柜) ，通道两端用铅帘门遮蔽，防止x 射线泄 漏。这里需要提醒广大旅客的是，不要随意将手伸入机器传送通道取拿自己的行 李，这样很容易破坏x 光图像效果，也容易造成x 射线外泄。安检人员还介绍说， 检查旅客人身所用的安全门和手持探测器也是很安全的检查设备，不会对人的身 体造成任何伤害。带有心脏起搏器的旅客如果不愿通过安全门检查，安检人员可 以直接对其进行手工人身检查。 x 射线在安检中的应用大大提高了安检的准确性，但是目前技术的准确性还 远远不够，我们现在还经常可以看到“漏网之鱼”从机场安检门大摇大摆地走进 走出。自“9 1 1 ”事件以来，美国机场的安保措施一再升级，但有关机场安检存 在漏洞的消息也一直不绝于耳。据今日美国报报道，美国国土安全部总监察 长办公室曾在2 0 0 3 年下半年派遣秘密调查人员对美国各地的1 5 家机场的安检状 r 。 东北大学硕士学位论文第一章引言 况进行了一次突袭暗访，结果出人意料：这些人居然可以携带炸药和武器顺利通 过机场的所有安检。而对于“9 ”事件中，恐怖分子携带匕首劫持了四架飞机， 美国警方至今仍不知道他们是如何将刀子带上飞机的。美国机场安检部门发言人 说，金属探测仪及x 光透视仪是大部分飞机场最常用的检查工具，但想发现类似 匕首之类的危险品还是相当困难。现在飞机上允许携带的物品越来越多，安检工 作也更加困难了，目前有许多体育用品商店出售非金属制品的刀具，金属探测仪 对这类东西毫无效果。安检系统仍存在重大漏洞，特别是在各类爆炸物品的检测 上还存在诸多纰漏，恐怖分子仍有空子可钻，安检技术还有待提高，这篇论文就 安检技术中的准确度问题，就x 射线技术方面从数学的角度做出一个模型，从理 论上大大提高了安检的准确性。 东北大学硕士学位论文第二章有关光学以及x 射线准备知识 第二章有关光学以及x 射线准备知识 2 1 光学的相关知识 狭义来说，光学是关于光和视见的科学，o p t i c s ( 光学) 这个词，早期只用于 跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红 外线、司见光、紫外线直到x 射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、 传播、接收和盟示，以及跟物质相互作用的科学。光学是物理学的一个重要组成 部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。 2 1 1 光学发展史 光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2 0 0 0 多年前。 人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体? ”之类 的问题。约在公元前4 0 0 多年( 先秦时代) ，中国的墨经中记录了世界上最早 的光学知识。它有八条关于光学的记载，叙述影的定义和生成、光的直线传播性 和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像 的关系。 自墨经开始，公元1 1 世纪阿拉伯人伊本海赛木发明透镜；公元1 5 9 0 年到1 7 世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到1 7 世纪上半叶， 才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反 射定律和折射定律。 1 6 6 5 年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些 成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布光谱。它使人们第一次接触到光 的客观的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。 牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射 时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光 照射时，则出现蛆明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。借助这 种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。牛顿在发现 这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流。微粒从光源 东北大学硕士擘位论文第二章有关光学以及x 射线准备知识 飞出来，在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。牛顿用这种观点对折射和 反射现象作了解释。 惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立了光的波动说。提出“光同声样， 是以球形波面传播的”。并且指出光振动所达到的每一点，都可视为次波的振动 中心、次波的包络面为传播波的波阵面( 波前) 。在整个1 8 世纪中，光的微粒流理 论和光的波动理论都被粗略地提了出来，但都不很完整。 1 9 世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯- 杨圆满地解释了“薄膜颜色” 和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1 8 1 8 年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形 成了今天为人们所熟知的惠更斯一菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射 现象，岜能解释光的直线传播。 1 8 4 6 年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1 8 5 6 年，韦伯发现光 在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。他们的发现表明光 学现象与磁学、电学现象问有一定的内在关系。 1 8 6 0 年前后，麦克斯韦指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部 分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一 种电磁现象。这个结论在1 8 8 8 年为赫兹的实验证实。 1 9 0 0 年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射 的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振 子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。 量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且以全新 的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不但给光学，也给整个物理 学提供了新的概念，所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。 这样，在2 0 世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现 象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作 用等无可怀疑地证明了光的量子性微粒性。 此后，光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和现代科学技 术前沿的重要组成部分。其中最重要的成就，就是发现了爱因斯坦于1 9 1 6 年预言 过的原子和分子的受激辐射，并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术。 爱因斯坦研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其 他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐 射，即激光。1 9 6 0 年，梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器：同年制成氦氖 激光器；1 9 6 2 年产生了半导体激光器；1 9 6 3 年产生了可调谐染料激光器。由于激 东北大学硕士学位论文第二章有关光学以及x 射线准备知识 光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自1 9 5 8 年发现以来，得到了 迅速的发展和广泛应用，引起了科学技术的重大变化。 光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。这 一分支最早可追溯到j 8 7 3 年阿贝提出的显微镜成像理论，和1 9 0 6 年波特为之完 成的实验验证：1 9 3 5 年泽尔尼克提出位相反衬观察法，并依此由矮司工厂制成相 衬显微镜，为此他获得了1 9 5 3 年诺贝尔物理学奖；1 9 4 8 年伽柏提出的现代全息 照相术的前身波阵面再现原理，为此，伽柏获得了1 9 7 1 年诺贝尔物理学奖。 自2 0 世纪5 0 年代以来，人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合 起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，曼新 了经典成像光学，形成了所谓“傅罩叶光学”。再加上由于激光所提供的相干光 和融利思及阿帕特内克斯改进了的全息术，形成了一个新的学科领域光学信 息处理。光纤通信就是依据这方面理论的重要成就，它为信息传输和处理提供了 崭新的技术。 在现代光学本身，由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注 意。激光光谱学，包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可 调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质 微观结构、运动舰律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理学、分子生物 学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。 2 1 2 光学的基础知识 光源宇宙间的物体，有的是发光的，有的是不发光的，我们把发光的物体叫光源。太阳、 电灯、燃烧着的蜡烛等，都是光源。光源发出的光，可以使物体发热，使照相底片感光，还 能使光电池供电。这些现象说明：光是有能量的；光能可以转化成内能、化学能、电能等其 他形式的能，光源自己在发光的时候，也在进行着能的转化，即把其他形式的能转化成光能。 例如，灯把电能转化为光能，蜡烛把化学能转化为光能，太阳把原子核里面的能转化为光能， 等等。 光的直线传播光能够在其中传播的物质叫做介质。在任何一种介质里，光总 是沿着直线传播的。光在真空中的传播速度约为3 o o 1 0 8 米每秒。 光的直线传播，使我们在研究光的行为时可以用一条表示光束传播方向的直 线来代表这束光，这样的直线就叫做光线。光线代表了光的传播方向和能量的运 输。在画图的时候，我们经常给光线标上箭头来表示它的传播方向。 东北大学硕士学位论文第二章有关光学以及x 射线准备知识 光的独立传播定律光在传播过程中与其他光束相遇时，各光束都各自独立传 播，不改变其传播方向。 光学又嘲以分为几个小的分支，我们通常把光学分成几何光学、物理光学和 量子光学以及光谱学。 ( 1 ) 几何光学几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的 传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传 播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。 ( 2 ) 物理光学物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生 的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以e b 较方便的研究光的干涉、光的衍 射、光的偏振，以及光在各向异性豹媒质中传播时所表现出的现象。 波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详细讨论 介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学 可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时的现象，以及光在媒质界面附近 的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的 现象的影响。 ( 3 ) 量子光学1 9 0 0 年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到 的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即 “组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。 1 9 0 5 年，爱因斯坦在研究光电效应时推广了酱朗克的上述量子论，进而提出 了光子的概念。他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵砸 ：= ，而 是集中在所谓光子的微粒上。在光电效应中，当光子照射到金属表面时，一次为 金属中的电子全部吸收，而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间，电予把 这能量的一部分用于克服金桶表面对它的吸力即作逸出功，余下的就变成电子离 开金属表面后的动能。 这种从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它 的基础主要是量子力学和量子电动力学。 光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。后来的 研究从理论和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性，世界的所有物质， 包括电子、质子、中子和原予以及所有的宏观事物，也都有与其本身质量和速度 相联系的波动的特性。 光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成，由于它有广泛的应用，所 以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的 东北大学硕士学位论文第二章有关光学以及x 射线准备知识 物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射 所引超的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光 学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤 维光学和集成光学等：还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥 感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。 ( 4 ) 光谱学 光谱学是光学的一个分支学科，它主要研究备种物质的光谱的产生及其同物 质之间的栩互作用。光谱足电磁辐射按照波长的有序排列，根据实验条件的不剐， 各个辐射波长都具有各自的特征强度。 通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子 的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。 但是，光谱学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也提供了重要的定性 与定最的分析方法。 光谱学的研究已有一百多年的历史了。1 6 6 6 年，牛顿把通过玻璃棱镜的太阳 光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成 的，这可以算是最早对光谱的研究。 其后一直到1 8 0 2 年，渥拉斯顿观察到了光谱线，其后在1 8 1 4 年夫琅和费也 独立地发现它。在1 8 1 4 1 8 1 5 年之间，夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线， 并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅和费培线。 实月光谱学是由基尔霍夫与本生在1 9 世纪6 0 年代发展起来的，他们证明光 谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了几种当时还未知的 元素，并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素。 能够满意地解释光谱线的成因的是2 0 世纪发展起来的量子力学。电子不仅具 有轨道角动量，而且还具有自旋角动量。这两种角动量的结合便成功地解释了光 谱线的分裂现象。 电子自旋的概念首先是在1 9 2 5 年由乌伦贝克和古兹密特作为假设而弓l 入的， 以便解释碱金属原子光谱的测量结果。在狄喇克的相对论性量子力学中，电子自 旋( 包括质子自旋与中子自旋) 的概念有了牢固的理论基础，它成了基本方程的自 然结果而不是作为一种特别的假设了。 根据研究光谱方法的不同，习惯上把光谱学区分为发射光谱学、吸收光谱学 与散射光潜学。这些不同种类的光谱学，从不同方面提供物质微观结构知识及不 同的化学分析方法。在这艉，我们主要了解一下发射光谱学和吸收光谱学，对于 东北大学硕士学位论文第二章有关光学以及x 射线准备知识 散射光若学，在这里不作介绍。 发射光谱可以区分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱和连续光谱。 线状光谱主要产生于原予，带状光谱主要产生于分子，连续光谱则主要产生于白 炽的固体或气体放电。 现在观测到的原子发射的光谱线已有百万条了。每种原予都有其独特的光谱， 犹如人的指纹一样是各不相同的。根据光谱学的理论，每种原子都有其自身的_ 系列分立的能态，每一能态都有一定的能量。 从发射光谱的研究中可以得到原子与分子的能级结构的知识，包括有关重要 常数的测量。并且原子发射光谱广泛地应用于化学分析中。 当一束具有连续波长的光通过一种物质时，光束中的某些成分便会有所减弱， 当经过物质而被吸收的光束由光谱仪展成光谱时，就得到该物质的吸收光谱。几 乎所有物质都有其独特的吸收光谱。原子的吸收光谱所给出的有关能级结构的知 识同发射光谱所给出的足互为补充的。 一般来说，吸收光谱学所研究的是物质吸收了那些波长的光，吸收的程度如 何，为什么会有吸收等问题，研究的对象基本上为分子。 吸收光谱的光谱范围是很广阔的，大约从l o 纳米到1 0 0 0 微米。在2 0 0 纳米 到8 0 0 纳米的光谱范围内，可以观测到固体、液体和溶液的吸收，这些吸收有的 是连续的，称为一般吸收光谱；有的显示出一个或多个吸收带，称为选择吸收光 谱。所有这些光谱都是出于分子的电子态的变化而产生的。 选择吸收光谱在有机化学中有广泛的应用，包括对化合物的鉴定、化学过程 的控制、分子结构的确定、定性和