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本科学生毕业论文（设计）题 目 X射线及其应用 学 院 物理与电子信息学院 专 业 物理学 学生姓名 姜敏 学 号 110801025 指导教师 汪千凯 职称 副教授 论文字数 5260 完成日期 2015 年 3 月 26 日论文题目 X射线及其应用 学生姓名、学院 姜敏，物理与电子信息学院中文摘要：文章主要论述了X射线的发现，及其产生和特点，分别从物理、化学、生物三个方面概述了X射线的效应，讲述了X射线的应用，特别详细说明了其在物理、医学上的应用，最后对文章进行了总结。关键词:X射线的特性；X射线的效应；X射线的应用英文题目 X-rays and its Applications 学生姓名、学院 Jiang Min, Physical and electronic information institute英文摘要The paper mainly discusses the findings of X-ray , and its production and the characteristics , Outlines the effect of X-ray from the three aspects of physical, chemical, biological respectively , tells the story of the application of X-ray, especially , it details its application in physics, medicine, finally, the article has carried on the summary.英文关键词 The characteristics of X-ray; The effect of X-ray ; The application of X-ray 目 录摘要1引言11 X射线及其特点12 X射线的产生23 X射线的效应34 X射线的应用44.1X射线的晶体衍射44.2X射线的诊断54.3X射线的治疗6总结6参考文献6X射线及其应用姜敏，物理与电子信息学院摘 要：文章主要论述了X射线的发现，及其产生和特点，分别从物理、化学、生物三个方面概述了X射线的效应，讲述了X射线的应用，特别详细说明了其在物理、医学上的应用，最后对文章进行了总结。关键词:X射线的特性；X射线的效应；X射线的应用X-rays and its ApplicationsJiang Min, Physical and electronic information instituteAbstract: The paper mainly discusses the findings of X-ray , and its production and the characteristics , Outlines the effect of X-ray from the three aspects of physical, chemical, biological respectively , tells the story of the application of X-ray, especially , it details its application in physics, medicine, finally, the article has carried on the summary.Key words: The characteristics of X-ray; The effect of X-ray ; The application of X-ray引言 X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现之一，这一发现标志着现代物理学的产生。X射线的发现为诸多科学领域提供了一种行之有效的研究手段。X射线的发现和研究，对20世纪以来的物理学以至整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。在X射线发现后的前半个多世纪，根据X射线对不同物体的穿透能力的差异，人们提出了X射线透视和摄影的理论，制造出X射线摄影术成为医疗诊断最基本的手段之一。70年代以后，由于物理学、电子学，和计算机等学科的迅速发展，一方面X射线机得到进一步发展，发明了抗散射格栅、造影剂和影像增强器等技术，另一方面许多新型的X射线影像诊断新技术应运而生，如X射线CT.本文就从X射线特点及其产生，以及X射线的效应这几方面入手，来认识了解X射线及其应用。一、X射线及其特点 X射线是德国物理学家伦琴发现的。1912年劳厄等人利用晶体作为光栅，成功地观察到了X射线的衍射现象，揭示了X射线是由原子中的电子在能量相差悬殊的两个能级之间跃迁而产生的，是一种波长极短的电磁波,波长范围在1010nm之间，1914年莫赛来发现原子序列与元素辐射特征线之间的关系，证实了X射线是由原子中内层电子跃迁所发生的辐射，奠定了X射线的光谱学的基础。X射线的本质及特性：不可见，沿直线传播；不带电荷，经过电磁场不发生偏转；具有干涉、漫反射等现象；使照相胶片感光，使气体电离；能产生生物效应，杀伤有生命的细胞；穿过物质时可以被吸收而使其强度衰减。二、X射线的产生 图1 X射线人为的产生方法是X射线管，如图1是X射线管的示意图。管内抽成真空，K是由钨丝制成的阴极，A是由重金属材料制成的阳极，两级间加上高压，由阴极逸出的热电子，在电场的加速下获得能量，以很高的速度撞击阳极（称为靶）；电子的一部分能量转变为热能，向外辐射的射线就是波长极短的电磁波X射线。 X射线强度随波长的分布曲线，称为X射线谱，x射线谱有两部分组成，即由宽波带组成的连续谱和叠加于连续谱上很强的线状谱组成，如图2所示，线状谱的波长与靶的材料有关，故称为特征谱。（1）X射线的连续谱 当高速电子射向阳极表面时，电子的速度骤然下降，其周围的电磁场发生急剧变化，使一部分（或全部）能量成为电磁辐射，这种辐射称为轫致辐射，由于电子打到靶上时，转变为热能的多少不同，因而相应地辐射X射线光子的能量也不同，形成x射线连续谱。 （2）X射线的特征谱 当加速电子的电压超过某一临界值时，产生了x射线线状光谱。由实验可知，这一光谱波长是极短的，是一般原子光谱电子能量的1000到10000倍，这样大的能量，不可能是原子外层的电子跃迁产生的，而且不同材料的阳极产生不同的谱线，每种元素对应一套一定波长的谱线，成为这种元素的特征，如图3所示。 图2 X射线谱 图3 特征谱的产生 特征谱产生的原因可用原子的电子壳结构理论来解释。 由于加速电压很高，电子能量很大，撞击阳极靶时，可以与原子序列数很高的原子的内层电子相碰撞，把能量传给内层电子，使内层电子激发到高能级上，在内层上留下了“空穴”。这样外层电子就跃迁到内层而发射光子，产生了X射线的特征谱，如图所示。如果被电离的电子在K壳层，则在电离之后，L、M、N等壳上的电子都可以跃迁到K壳层上而发出X射线光子，这就产生一谱线系，称为K系谱线，K系谱线由K、K、K等谱线组成。若被电离的电子在L、M、N等壳，相应地产生L、M、N等谱线系。特征谱反映了原子结构的情况，因而它成了研究原子结构的重要手段。三、X射线的效应3.1X射线的物理效应：（1）穿透作用 X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。（2）电离作用 物质受X射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电离。利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量，根据这个原理制成了X射线测量仪器。在电离作用下，气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。（3）荧光作用 X射线波长很短不可见，但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，可以使物质发生荧光（可见光或紫外线），荧光的强弱与X射线量成正比。这种作用是X射线应用于透视的基础，利用这种荧光作用可制成荧光屏，用作透视时观察X射线通过人体组织的影像，也可制成增感屏，用作摄影时增强胶片的感光量。（4）热作用 物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能，使物体温度升高。3.2X射线的化学效应:（1)感光作用 X射线同可见光一样能使胶片感光。胶片感光的强弱与X射线量成正比，当X射线通过人体时，因人体各组织的密度不同，对X射线量的吸收不同，胶片上所获得的感光度不同，从而获得X射线的影像。（2）着色作用 X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，可使其结晶体脱水而改变颜色。3.3X射线的生物效应： X射线照射到生物机体时，可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞，对X射线有不同的敏感度，可用于治疗人体的某些疾病，特别是肿瘤的治疗。在利用X射线的同时，人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍，白血病等X射线伤害的问题，在应用X射线的同时也应注意其对正常机体的伤害，注意采取防护措施。四、X射线的应用 X射线的应用十分广泛，几乎遍及物理学、化学、分子生物学、医学、金属学、材料科学、工程技术以及地质、矿物、陶瓷、半导体等各个学科领域。X射线之所以获得这样的广泛的应用，主要是由于X射线的波长在0.00110nm之间，恰好和物质的结构单元尺寸具有相同的数量级，因此各个学科领域的科学工作者都把X射线作为探针，用作获得物质微观结构和晶体结构有关信息的手段。（1）X射线的晶体衍射 X射线是一种电磁波，有干涉和衍射现象。但由于X射线波长太短，用普通光栅观察不到X射线的衍射现象。1912年德国物理学家劳厄用晶体作为X射线的三维空间光栅。在他的实验中，第一次圆满地获得了X射线的衍射图样，从而证实了X射线的波动性。 下面介绍一种原理比较简单，X射线在晶体表面上反射时的干涉。 X射线照射晶体时，晶体中每一个微粒都是发射子波的衍射中心，向各个方向发射子波，这些子波相干叠加，就形成衍射图样。晶体由一系列平行平面（晶面）组成，各晶面间距离称为晶面间距，用d表示，如图4所示。 图4 布喇格公式 当一束X射线以掠射角入射到晶面上时，在符合反射定律的方向上应该得到最大的射线，但由于各个晶面上衍射中心发出的子波的干涉，这一强度也随掠射角的改变而改变。如图5所示，相邻两个晶面反射的两条光线干涉加强的条件为 2dsin=k k=1,2,3,此式称为布拉格公式，k=1,2,3,分别为第一、二、三、级反射线束。 应该指出，同一块晶体的空间点阵，从不同方向看去，可以看到粒子形成取向不相同，间距也各不相同的许多晶面簇，其掠射角不同，晶面间距d也不同。凡是满足上式的，都能在相应地反射方向得到加强。 布拉格公式是X射线衍射的基本规律，它的应用是多方面的。若测出了晶面间距，就可以根据X射线实验由掠射角可以计算出相应的晶面间距，用以研究晶体结构，进而研究材料性能。X射线在晶体衍射中的物相分析：晶体的射线衍射图像实质上是晶体微观结构的一种精细复杂的变换，每种晶体的结构与其射线衍射图之间都有着一一对应的关系，其特征X射线衍射图谱不会因为它种物质混聚在一起而产生变化，这就是射线衍射物相分析方法的依据。制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化，将待分析物质的衍射花样与之对照，从而确定物质的组成相，就成为物相定性分析的基本方法。鉴定出各个相后，根据各相花样的强度正比于改组分存在的量（需要做吸收校正者除外），就可对各种组分进行定量分析。目前常用衍射仪法得到衍射图谱，用“粉末衍射标准联合会（JCPDS）”负责编辑出版的“粉末衍射卡片（PDF卡片）”进行物相分析。 （2）X射线的诊断 X射线应用于医学诊断，主要依据X射线的穿透作用、差别吸收、感光作用和荧光作用。由于X射线穿过人体时，受到不同程度的吸收，如骨骼吸收的X射线量比肌肉吸收的量要多，那么通过人体后的X射线量就不一样，这样便携带了人体各部密度分布的信息，在荧光屏上或摄影胶片上引起的荧光作用或感光作用的强弱就有较大差别，因而在荧光作用或感光或摄影胶片上（经过显影、定影）将显示出不同密度的阴影。根据阴影浓淡的对比，结合临床表现、化验结果和病理诊断，即可判断人体某一部分是否正常。于是，X射线诊断技术便成了世界最早应用的非刨伤性的内脏检查技术。X射线医学影像诊断：1）X射线的成像原理 X射线通过人体后，之所以能在荧光屏或胶片上形成影像，一方面基于X射线的穿透性、荧光作用和感光作用等；另一方面基于人体组织器官存在密度和厚度的差异。当X射线照射人体后，如被照射的组织或器官密度高或厚度大，X射线衰减就多，在荧光屏上激发的荧光少，所以发暗，在胶片上乳剂感光少，所以呈白色；如被照射的组织或器官密度低或厚度小，情况则相反。根据吸收X射线的差别，人体组织一般可分为骨骼、软组织、脂肪、气体四大类，它们的比重、X射线吸收系数和影像密度的关系。2）X射线在医学影像诊断领域的应用 强度均匀的X射线透过人体不同部位时衰减程度不同，在荧光屏或摄影胶片上引起的荧光或感光作用就有强弱差别，从而在荧光或摄影胶片上显示出不同密度的阴影。根据阴影浓淡的对比结合临床表现、化验结果、和病理诊断，即可判断骨折的程度、肺结核病灶、体内肿瘤的位置和大小等。 X射线在医学影像诊断中的基本应用有：拍片和透视拍片检查时X射线受到被检体的吸收及散射，穿过被检体的X射线经处理后投射至胶片上，经显影处理后成为可见影像。拍片的优点：对比度和清晰度较好，能将影片永久性留存，所需X射线剂量小。缺点：不能立即看检查结果，不能观察器官的活动情况，投照一次只能显示一个部位。 透视检查时，患者被置于X射线管与荧光屏之间，X射线透过的影像呈现在荧光屏或监视器上，由医生及时观察分析。透视的优点是检查范围广，可移动患者，从不同角度观察；能动态观察器官的活动，例如心脏搏动、胃肠蠕动和膈肌运动等。缺点是透视时对病变的影像不能记录下来，不利于对病变的复查和对比；透视的影像不太清晰，对细小的病灶和细微的结构不易观察；X射线剂量大，若长时间透视对人体有一定损害。（3）X射线的治疗 X射线应用于治疗，主要依据其生物效应，应用不同能量的X射线对人体病脏部分的细胞组织进行照射时，即可使被照射的细胞组织受到破坏或抑制，从而达到对某些疾病，特别是肿瘤的治疗目的。X射线对恶性肿瘤的治疗历史较长，效果也不错。其治疗机制是，X射线对生物组织能产生电离作用、康普顿散射及生成电子对，由此可诱发出一系列生物效应。研究表明，X射线对生物组织有破坏作用，尤其是对于分裂活动旺盛或正在分裂的细胞，其破坏能力更强。用于治疗的X射线设备有两种，即普通的X射线治疗机和“X刀”。普通治疗机与常规X射线机的结构基本相同，只是X射线管采取了大焦点，常用来治疗皮肤肿瘤。“X刀”是利用直线加速器产生的高能X射线和电子线作为放射源，围绕等中心作270360度旋转，依其垂直旋转与操作台180度范围内的水平旋转。在靶区形成多个非共面的聚焦照射弧，是照射先集