放射防护学X射线的产生

1、单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级#单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级#单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级#单击此处编辑母版标题样式放射物理与辐射防护 第三章 X线的产生一、X线的发现二、X线的本质与特性三、X线的产生装置四、X线的产生原理五、描述X线的量和质六、X线的产生效率七、X线强度的空间分布目录1.掌握X线的发现、本质与特性。2.掌握X线的产生条件与装置。3.掌握X线的产生原理、量与质、产生效率。4.熟悉X线强度的空间分布。5.熟悉电子与物质的相互作用。学习目的第一节 X线的发现 X线，即伦琴线，

2、是德国物理学家伦琴于1895年发现的。它与1896年提出的放射线和1897年发现的电子并称为“19世纪末20世纪初物理学的三大发现，是现代物理学兴起的标志。 1876年物理学家希托夫Hittorf Johann Wilhelm观察到真空管中阴极发出的线，当这些线遇到玻璃管壁会产生荧光，并将其命名为“阴极线； 1887年4月，尼古拉特斯拉NikolaTesla创造了单电极X线管，发现了韧致辐的效应，生成高能X线管；一、X线的发现历程 1892年特斯拉完成了尼古拉特斯拉的实验，但是他并没有使用X线这个名字，而只是笼统称为放射能；一、X线的发现历程 1892年赫兹Heinrich Rudolf He

3、rtz提出阴极线可以穿透非常薄的金属箔,伦纳德Philipp Eduard Anton von Lenard对很多金属进行了实验； 1895年发现了一种线，能穿透木板、衣服和厚厚的书本，但可被铅板遮挡；它在电场和磁场中不偏转。伦琴给它起名叫X线；一、X线的发现历程 1901年伦琴因发现X线及对其性质的深入研究，荣获了第一届诺贝尔物理学奖； 1905年在第一届国际放射学会上正式把X线命名为伦琴线。一、X线的发现历程 1.X线首先被应用到医学诊断上；2.利用X线的衍射现象研究晶体结构,根据晶体衍射的数据，精确求出阿伏加德罗常数；3.利用X线具有标识谱线的特性，可以确定原子序数，并了解原子内层电子的

4、分布情况；4.X线的性质也为波粒二象性提供了重要证据。二、X线的应用 二、X线的应用二、X线的应用第二节 X线的本质与特性一X线的波动性 波长极短约在10-3 10 nm的横电磁波； 一、X线的本质 一X线的波动性 硬X线：波长小于 0.01nm的称超硬X线，在 0.01 0.1nm范围内的称硬X线；硬X线能量高、穿透性强，主要用来金属部件的无损探伤0.0050.1 nm和物相分析0.050.25 nm。一、X线的本质 一X线的波动性 软X线：波长介于0.11 nm范围内的称软X线，软X线能量较低、穿透性弱，可用于非金属的分析，如透视等。一、X线的本质 二X线的粒子性 X线是由大量以光速运动的

5、粒子组成的不连续的粒子流； 能量： 质量： 动量：一、X线的本质 二X线的粒子性 X线的波动性突出表现在其传播时，如反射、干预、衍射、偏振等现象；而X线的微粒性主要表现在其与物质相互作用时，如光电效应、电离作用、荧光作用。一、X线的本质 一物理特性 X线属于不可见的电磁波，在均匀的且各向同性的介质中沿直线传播； X线不带电荷，所以它不受外界磁场或电场的影响，即它在经过电场和磁场时不会发生偏转；二、X线的根本特性一物理特性 具有穿透作用； 具有荧光作用； 具有电离作用； 具有热作用。二、X线的根本特性 二化学特性 感光作用 着色作用二、X线的根本特性 三生物特性 由于X线在生物体内也能产生电离及

6、激发作用，也就是使生物体产生生物效应，分为确定性效应和随机效应。 X线照到生物机体时，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。二、X线的根本特性第三节 X线的产生条件与装置 1.要有一个电子源，一般称为阴极。 2.要有一个能经受起高速电子撞击而产生X线的靶，即阳极。 3.要有高速电子流。一、X线的产生条件1.阴极cathode2.阳极(anode) 又称阳极靶面，分固定和旋转两种3.管电压与管电流 4.管壳二、X线的发生装置二、X线的发生装置X线机根本线路图第四节 X线的产生原理一电离 原子的外层价电子或内层电子在高速电子作用下完全脱离原子轨道，

7、使原子变成离子。 电离过程中向外发射的光谱有两种：一局部光能几乎全部被周围原子所吸收，转化为热。另一种是内层电子完全脱离轨道，使原子处于激发态，当原子从激发态回到基态过程中，会产生标识X线，即特征X线。一、电子与物质的相互作用二激发 高速电子或二次电子撞击原子外层电子，由于作用较弱，缺乏使其电离，仅将电子推入更高能级的空壳层，使原子处于激发态，这种作用叫激发。三弹性散射 高速电子受原子核电场的作用而改变运动方向，但是能量不变，称为弹性散射。一、电子与物质的相互作用四轫致辐射 高速电子在原子核的电场作用下，速度突然变小时，它的一局部能量转变成电磁波发射出来，这种情况叫轫致辐射。一、电子与物质的相

8、互作用 一连续X线的产生原理 物理过程：连续X线是由波长连续变化的谱线组成的，是高速电子与靶原子核发生相互作用发生轫致辐射的结果，是电子的动能直接转化来的。二、两种X线的产生原理 连续谱的特点：连续谱线的强度随波长变化而变化，在某波长上有一个强度极大值，这个极大值所对应的波长称为连续X线的最短波长。 根据能量转换和守恒定理，假设高速电子撞击靶时，电子能量中有p局部消耗于阳极各种不同过程的激发，那么二、两种X线的产生原理 电子与物质的相互作用位置钨在较低管电压下的连续X线谱二、两种X线的产生原理 光子能量的最大极限 也只能等于入电子在X线管加速电场中所获得的能量 ，即 连续X线的最短波长只与管电

9、压有关，与其它因素没有关系。二、两种X线的产生原理 二影响连续X线的因素 阳极靶的物质原子序数的影响 管电流的影响 管电压的影响 二、两种X线的产生原理 在上述讨论中，所涉及的管电压为恒定电压，对于脉动电压，产生的X线最短波长只与管电压的峰值有关。当峰值电压与恒定电压相同时，脉动电压产生的X线的平均能量显然要低，三相的X线谱线明显比单相谱线的X线能量强，并且谱线向高能量方向偏移。在相同管电流时，脉动电压产生的X线强度也低。二、两种X线的产生原理连续X线的总强度：经验公式：最强波长：平均波长：二、两种X线的产生原理 1.物理过程特征 特征X线是由谱线分立的线状谱线构成，是高速运动的电子与内层电子

10、发生作用的结果，是由电子的动能间接得来的，它与靶物质的原子结构有关。 二特征X线产生原理二、两种X线的产生原理 1.物理过程特征 事实上,不同靶材料都有自己特定的线状光谱，它表征靶物质的原子结构特性，而与其它因素无关。通常把这种辐射称为特征辐射，也称为标识辐射，由此产生的X线称为特征X线。二特征X线产生原理二、两种X线的产生原理 2.特征X线的激发电压 靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合能，只有当入高速电子的动能大于其结合能时，才有可能被击脱造成电子空位，产生特征X线。入电子的动能完全由管电压决定，因此，管电压 必须满足下式的关系二特征X线产生原理二、两种X线的产生原理靶材料原子序数激发电

11、压（kV）K系L系铝（Al）131.560.09铜（Cu）298.980.95钼（Mo）4220.002.87锡（Sn）5029.184.14钨（W）7469.5112.09铅（Pb）8288.0015.86 表 几种靶材料产生K、L系特征放的激发电压二、两种X线的产生原理 3.影响特征X线强度的因素 经过实验证明： K系的特征X线的强度 可用下式表示 K系的特征X线的强度与管电流成正比，管电压大于激发电压时才发生K系放射，并随着管电压的升高K系强度迅速增大。二特征X线产生原理二、两种X线的产生原理钨靶在较高管电压下产生的特征X线二、两种X线的产生原理第五节 X线的量与质 1.X线的量 量就是

12、X光子的数目。设在单位时间内通过单位横截面积上的X光子数目为 N，假设每个光子的能量为 h，那么单色X线强度一、概念及其表示方法 对于波长不同的，但能量完全确定的 ， ， 有限种X光子组成的复色X线，其强度为： 对于波长由 到 的连续X线谱，对应的X线光子能量由 到零，其强度：一、概念及其表示方法 2.X线的质 X线的质又称线质，它表示X线的硬度，即穿透物质本领的大小。X线的质完全由光子能量决定，而与光子个数无关。 一、概念及其表示方法 半价层是指线数衰减到初始强度的一半时，所需吸收体的厚度。X线对不同物质的穿透能力不一样，因此对于同一束X线来讲，描述半价层可用不同标准物质的不同厚度来表示。诊

13、断用X线通常用铝作为表示半价层的物质，半价层的值愈大表示X线的质愈硬。一、概念及其表示方法一影响X线量的因素 在管电压、管电流、投照时间相同的情况下，阳极靶的原子序数愈高，X线的量愈大； 在一定管电压下同种靶物质的X线的量与管电流成正比； 在一定管电流下同种靶物质的X线的量与管电压的平方成正比；二、影响X线量和质的因素一影响X线量的因素 二、影响X线量和质的因素 二、影响X线量和质的因素 二影响X线质的因素 一般来讲，X线的质取决于管电压的大小。无论何种靶物质，在一定管电压下所产生的连续X线谱的最短波长和最长波长是相同的。峰值辐射强度发生在相同能量光子处。光子的最大能量完全由管电压控制。连续X

14、线的质随管电压升高而变硬，但特征X线的质只与靶物质有关。脉动电压产生的X线质比恒定电压下的软。所以管电压波形对X线的质也有影响。二、影响X线量和质的因素 二影响X线质的因素 滤过对X线的量与质及能谱构成均有很大影响。增加滤过板厚度，可大量衰减连续谱中的低能成分，使能谱变窄，线质提高，但总的强度降低了。二、影响X线量和质的因素第六节 X线的产生效率 X线的产生效率：在X线管中产生的X线能与加速电子所消耗电能的比值。数值上等于X线的辐射功率即X线的总强度与高速电子流功率之比 X线的利用率：它是指从X线管发出的、能够用来摄影的X线能量与从阳极靶面产生的X线能量的比值。而能够充分利用的X线缺乏阳极靶面

15、产生X线总量的10%，90%以上的X线能都转化为了热量被阳极靶、管壳、管壁、绝缘油等吸收了，说明X线的利用率也很低。第七节 X线强度的空间分布 根据薄靶产生X线的空间分布特点，在管电压较低时，利用反式靶在技术上很有好处；但对使用超高压X线管时，管电压过高，考虑能量分布因素，那么须采用穿透式靶，电子从靶的一面入，X线从另一面出。医用电子直线加速器产生的高能X线，使用的就是穿透式的薄靶。 一、薄靶周围X线强度的分布 一、薄靶周围X线强度的分布 阳极效应：愈靠近阳极一侧，X线的强度下降得愈多，而且靶角愈小，下降的程度越大。这种愈靠近阳极，X线强度下降得愈多的现象，也称为“足跟效应。二、厚靶周围X线强度的分布 1.X线是由德国物理学家伦琴于1895年发现的，它是高速电