1、1.5.0 射线分类,射线（辐射）种类,辐射，即通常所称的射线 从它与物质互作用引起的电离情况可分为两类： （致）电离辐射 非（致）电离辐射 电离辐射任何与物质作用，直接作用或间接作用可引起物质电离的辐射称为电离辐射，不能引起物质电离的辐射称为非电离辐射。 电离辐射包括直接致电离粒子、间接致电离粒子,射线（辐射）种类,直接致电离粒子如电子、射线、质子、粒子等带电粒子 间接致电离辐射如X射线和射线，它们与物质作用时能释放直接致电离粒子或引起原子核变化。 非电离辐射非（致）电离辐射：红外线、微波等，能量较低,射线（辐射）种类,按带电性质 射线可分为带电粒子和中性辐射，带电粒子又可分为快电子和重带电
2、粒子（如质子、粒子以及其他重带电离子，他们都具有一个或多个原子质量单位并具有一定能量）。 中性辐射又可分为电磁辐射和中子辐射（通常在自发裂变和核反应中产生）。,射线（辐射）种类,其它叫法:电磁辐射能量子为光子。电磁辐射与物质的相互作用是光子与物质的相互作用。粒子辐射各种粒子射线，如粒子、质子、中子、电子等。粒子与物质的相互作用，不同粒子特性不同，作用机制、过程不同。光子与一般基本粒子的本质区别：光子的静止质量为0，运动时才有质量，速度越大质量越大。,1.5 X射线,主要内容,1.5.1 X射线的发现及其性质 1.5.2 X射线的产生 1.5.3 X射线的量和质 1.5.4 X射线谱 1.5.4
3、.1 连续谱的产生及特点 1.5.4.2 特征谱的产生及特点 1.5.5 莫色莱定律 1.5.6 X射线与伽马射线性质比较,1.5.1 X射线的发现,1895年德国物理学家-“伦琴”发现X射线 1895-1897年伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分性质 1901年伦琴获诺贝尔物理奖,首位诺贝尔物理奖获得者,X、射线是电磁波，与其它电磁波的区别在于波长不同及产生方法不同。 X射线波长在108cm左右，射线波长更短。波长越短，频率越高。,X、射线的波长,=c/,波粒二象性,波动特性 衍射 干涉 反射 粒子特性 劳厄衍射实验 特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量。
4、 表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应；二次电子等。,其他性质,本身不带电，不受电场和磁场的影响 穿透性：射线光子的能量大，贯穿本领强。穿透程度与射线的波长，吸收物质的性质有关。波长一定的射线对不同的物质有不同的穿透能量。 电离作用：当射线照射到物质后，构成物质的原子的最外层电子被光子冲击而脱离原子，使原子成为阳离子。 感光作用：射线能引起化学反应，使照相底片感光。 荧光作用：射线照射某些化学物质，如硫化锌等，可以发出黄绿色或蓝紫色光，停止照射，荧光消失。 生物效应：生物体在射线照射下，能损害组织细胞，抑制细胞生长，甚至使细胞坏死。,X射线的本质,X射线是电磁波。 量子理论认为X射
5、线是一种量子和光子组成的粒子流。爱因斯坦认为光是光量子流，简称光子。,能量,动量,1.5.2 X射线产生,X射线的产生过程,X射线管的阴极灯丝通过电流，被加热到2000。C以上后发射电子，这些电子聚集在灯丝附近。当X射线管的阳极和阴极之间的空间后撞击到阳极靶上。通过韧致辐射，电子的一部分动能转化为X射线，从X射线窗口辐射出来。电子的大部分动能传给了阳极靶(99左右, 1左右能量转变为X射线) ，使它迅速升温。,接变压器,玻璃,钨灯丝,金属聚灯罩,铍窗口,金属靶,冷却水,电子,X射线,X射线,X射线管剖面示意图,（回车键演示）,过程演示,1.5.3 X射线的量和质,X射线的强度 单位时间内，通过
6、垂直于射线传播方向上单位面积的X射线光子的能量。 常用管电流大小代表X射线的强度；用管电流毫安数与辐射时间的乘积来衡量总辐射的能量。单位：mA.s X射线的硬度 X射线的穿透本领，表示X射线的质。它取决于X射线光子能量的大小。对于一定的吸收物质，X射线被吸收越少则穿透量越多，X射线就越硬。 常用管电压的kV数来衡量X射线的硬度。,1.5.4 X射线光谱,X射线谱描述X射线强度与波长的关系曲线 X射线光谱由二部分构成：连续谱(韧致辐射,刹车辐射）是由波长连续变化的谱线构成。连续谱所构成的X射线称为白色X射线(与电压有关)，是由电子的动能直接转化而来。线状谱(标识谱、特征谱)是由谱线分立的线状谱线
7、构成。分立谱所构成的X射线称为特征X射线(与靶金属材料有关)是由电子的动能间接转化而来。,典型光谱图,（钨靶） （钼靶） 钨靶与钼靶射线管的射线谱,典型光谱图,钼靶射线谱,1.5.4.1 连续X射线谱,根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。,量子力学解释,韧致辐射带电粒子与原子(原子核的库仑场)相碰撞发生骤然减速时伴随产生的辐射 X射线光谱呈连续分布的原因当大量高速运动的电子撞击靶时，电子撞击前
8、速度各不相同，相撞时减速过程也各不相同。有些电子经一次撞击就失去全部动能，而大部分电子经过多次制动逐步丧失动能，使能量转换过程中所发生的电磁辐射可以具有各种波长。,连续谱的特点,连续谱线的强度随波长变化而变化，在某波长上有一强度极大值。 存在短波波长极限，它与靶物质种类无关，仅与加速电压有关。 当电压增大时各种波长的强度随之增大，曲线的极大值向短波方向移动。(碰撞次数和辐射光子能量增高) 管电压相同时，不同材料金属靶的连续谱线的强度随其原子序数的增加而增强。 最大强度对应的波长,量子极限,假设高速电子撞击靶时，电子能量中有p部分消耗于阳极各种不同过程的激发作用。,(量子极限),意义：解决了经典
9、理论无法解释最短波长的困难。,连续X射线谱的总强度,总强度的计算经验公式其中 i-管电流，mAZ-靶物质的原子序数V-管电压，kVKi-系数 (1.11.4)10-6,射线强度平方反比定律,结论：空间任意一点的射线强度与该点到射线源的 距离平方成反比。 空间距离射线源F处的射线强度为,平方反比定律：,实测剂量与管电流关系,实测剂量与管电流关系,实测剂量与管电压关系,实测剂量与管电压关系,提高总强度方法,提高管电流-单位时间撞击靶的电子数增多 提高管电压-电子加速后能量增大，碰撞时能量转换过程增多 靶材料原子序数越高，核库仑场越强，韧致辐射作用越强,强度与管电压、管电流和靶物质原子序数关系,X射
10、线管的转换效率,X射线管的效率，是指电子流能量中用于产生X射线的百分数， 即随着原子序数Z的增加，X射线管的效率提高，但即使用原子序数大的钨靶，在管压高达100kv的情况下，X射线管的效率也仅有1左右，99的能量都转变为热能。,连续X射线强度的空间分布,薄靶周围X射线强度的角分布当管电压升高时，X射线最大强度方向逐渐趋向电子束的入射方向，X射线的强度分布趋于集中。 厚靶的X射线空间分布“足跟”效应(阳极效应)：愈靠近阳极，沿管长轴分布的X射线强度下降得愈多。,连续X射线强度的空间分布,阳极效应（侧倾效应） 从左图可以看出，30辐射角强度最大，阴极侧比阳极侧强度高，但由于阴极侧射线中包含着较多的
11、软射线成分，所以对具有一定厚度的试件照相，阴极侧部位的底片并不比阳极侧更黑，利用阴极侧射线照相也并不能缩短多少时间。,1.5.4.2 特征X射线,也称为标识谱、荧光辐射 在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的强度很大的线状谱线。 特征X射线谱的产生只依赖于阳极靶材料，与管电压、管电流无关。,特征谱的产生机理解释,原子的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。,如果K层电子被击出K
12、层，称K激发，L层电子被击出L层，称L激发，其余依此类推。 产生K激发的能量为WKhK，阴极电子的能量必须满足eVWKhK，才能产生K激发。其临界值为eVKWK，VK称之临界激发电压。当管电压(大于临界激发电压)增加时，连续谱和特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长保持不变。,特征谱的产生机理解释,特征辐射的激发机理,特征谱产生条件,产生空穴，使原子电离 产生空穴的方法：高能电子束，质子束，离子束： e-x 用电子产生空穴，电子x荧光分析。 p-x 用质子产生空穴，质子x荧光分析。 I-x 用离子产生空穴，离子x荧光分析。 X-x 用x射线产生空穴， x荧光分析。 外层电子跃入空穴 发射x射线,
13、特征谱波长,按量子理论所释放的能量以光量子(X射线或可见光)的形式辐射出去。若有一N轨道电子跃迁到K轨道，则辐射波长若 比较小辐射可见光(原子外层电子跃迁时发生)较大辐射X射线(原子内层电子跃迁时发生),特征谱线的标记方法,不同系射线K系X射线：任何电子跳到K层时产生的X射线。L系X射线：任何电子(外层)跳到L层时产生的X射线。 在每一系(如K系)X射线里谱线(即 线)：凡从相邻层(L到K层)跳来的。谱线(即 线)：凡从隔层(M到K层)跳来的。 原子轨道能级不连续，产生的特征X射线也是不连续。,特征谱线的标记方法,特征谱线的标记方法,X射线谱-特征X射线谱,钼靶X射线管当管电压等于或高于20K
14、V时，则除连 续X射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱线，它们即特征X射线谱。 钼靶X射线管在35KV电压下的谱线，其特征x射线分别位于0.63和0.71处，后者的强度约为前者强度的五倍。这两条谱线称钼的K系。,特征谱的特点,特征谱所对应的波长与外加电压无关。 各元素的特征X射线谱有相似的结构，但各元素的特征X射线的能量值(或波长)各不相同。 每一谱线都有特定的波长，电子撞击的物质不同，这些特定波长的值也不同。特征谱只与靶元素有关，不同元素制成的靶具有不同的线状谱。 特征x射线也被用来作为元素的标识。,特征谱的特点,特征谱可分为若干组，称为系，每一系的谱线都有自己的特定结构和激发电压，只有
15、电子的加速电压超过激发电压时才能产生该系的特征谱线。 当管电压小于K系激发电压而大于L系激发电压时，不产生K系X射线而产生L系X射线，同时伴随M系、N系等系X射线。 产生KX射线的阈能大于KX射线本身的能量,特征X射线的强度,特征X射线的强度随管电流和管电压变化，K系X射线强度为谱线强度在某一电压下达到最大，然后下降。当管电压高于激发电压10-20倍时，电子深入阳极内部，产生的射线被阳极大量吸收，特征谱强度下降。,N取值在1.5-2内，管电压不超过激发电压3-4倍。,特征谱的作用,注意：在工业射线检测中，标识谱不起作用。 用途：特征X射线可用来作为元素的标识，材料成分分析，如X射线荧光光谱分析
16、。,1.5.5 莫色莱定律,特征X射线谱的频率(或波长)只与阳极靶物质的原子结构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固有特性。19131914年莫色莱发现物质发出的特征谱的相似谱线波长与它本身的原子序数间存在以下关系对K线，莫塞莱得到经验方式,1.5.5 莫色莱定律,b与Z相比很小，可以认为它只随谱线系而定即K系(无论K,K),b1，L系：b7.4 原子实的概念：可认为莫塞莱定律的来源。外层电子可看作具有Ze电荷的原子核和更内层电子所组成的原子实作用下运动 根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。它是X射线光谱分析的基本依据。
17、,1.5.6 俄歇效应(Auger effect),俄歇效应是原子发射的一个电子导致另一个或多个电子(俄歇电子)被发射出来而非辐射X射线(不能用光电效应解释)，使原子、分子成为高阶离子的物理现象，是伴随一个电子能量降低的同时，另一个(或多个)电子能量增高的跃迁过程。,俄歇效应,当X射线或射线辐射到物体上时，由于光子能量很高，能穿入物体，使原子内壳层上的束缚电子发射出来产生空穴，而原子外壳层上高能级的电子可能跃迁到这空位上，同时释放能量。通常能量以发射光子的形式释放，但也可,以通过发射原子中的一个电子来释放。第二个被发射的电子叫做俄歇电子。,俄歇效应,俄歇电子的动能： 设K层中有一空穴，当L层一
18、个电子跃到K层时，多于能量可以释放X射线，也可以不释放X射线而把能量给另一层（如M层）的一个电子， 分别是结合能， 则俄歇电子的动能 荧光产额：定义K层的荧光产额=KX射线数/K空穴数。它表示原子中K层有了空穴的产生KX射线的几率。 就是产生俄歇电子的几率,俄歇效应,一般说来，对轻元素发射俄歇电子的几率大，对重元素发射X射线的几率大。 俄歇电子的动能完全取决于元素的本性，可据此作为分析元素的手段。,1.5.7 x射线吸收光谱（简介）,X射线穿透性很强 物质对X射线有吸收作用-射线检测的原理吸收系数与波长的关系随 减小而减小，即波长短的X射线穿透性强。 波长短到一定程度， 突然增加这种地方称为吸
19、收限 或吸收带。,吸收光谱解释,当X射线波长短到一定程度，即能量达到一定程度，把k层电子打出原子，使之电离，即产生强烈吸收K吸收限。 若能量指只够打出 L支壳层中电子，则产生L 吸收限。 由于原子内部壳层无空位，因此是把电子打出原子，使之电离，而不是使原子激发，这正是x射线吸收光谱与光学吸收光谱不同之处。,x射线吸收限的构成,K吸收限 由单一吸收限组成。 L吸收限 由 L,L,L 组成。 K吸收限 表示光子的能量使一个1S电子脱离原子。 L吸收限 表示光子的能量使一个2S 电子 脱离原子。 L吸收限 表示光子的能量使一个2P1/2 电子脱离原子。 L 吸收限表示光子的能量使一个2P3/2 电子
20、 脱离原子。,x射线吸收限的构成,吸收系数与波长的关系,Pt的吸收谱,1.5.8 射线,射线的性质及产生,射线是一种比X射线波长更短的电磁波，它与X射线一样能穿透物体，能使胶片感光，能使气体电离，能杀死生物细胞等。 射线可以从天然放射性原子核中产生，也可以从人工放射性原子核中产生,射线的强度,放射性强度：(又称活度，活性)常用居里作为单位。1居里(Ci)=3.71010/秒 放射性强度随时间的改变而改变，其变化规律服从指数衰减定律 照射强度：(又称辐照强度，照射量率)单位时间内落在一定距离的照射面上(严格定义应为“标准状况下，一立方厘米空气内)的射线量，称为照射量率或照射强度。照射强度的常用单
21、位为：伦琴(R)/小时照射强度服从距离-平方反比定律 放射常数Kr 的含义：放射强度为1居里的源，相距1米处的照射强度值。,射线强度计算方法,对某一源来说，如果取A= 1居里，F=1米，按公式计算所得的照射强度定义为特征强度或有效输出，常记以RHM，也即照射量率常数,放射性强度与照射强度的区别,放射性强度定义为射线源在单位时间内发生的衰变数。对同一种射线源，放射性强度大的源在单位时间内将辐射更多的射线。即使对同一个放射性核，放射性强度与射线强度也不一定相同。如钴60，每当一个原子核发生 衰变，并放出一个 粒子时，立刻有两个光子产生。1居里表示每秒发3.71010生次核衰变，但是放出3.7101
22、0个 粒子和23.71010个光子，放出的射线数是衰变数的2倍，放出的总射线数是衰变数的3倍。,放射强度和照射强度的转换关系,放射强度和照射强度的转换公式： I=AKr/(RR) (伦/时) 例：5居里60Co源，3米处的照射强度是多少?5居里= 5000毫居里I=5000(毫居里)13.2(cmcmR/h毫居里) /300cm300cm=0.73R/h,工业探伤常用放射性同位素的特性,a）Co60的衰变图 b）Cs137的衰变图 c）Tm170的衰变图,放射性同位素衰变（衰变能为Mev）,铱192衰变图（衰变能为Mev）,放射性同位素衰变（衰变能为Mev）,1.5.8两种常用工业射线的比较,
23、射线的能量与强度,能量与强度是一种力量的量度，能量是力量的质的体现；强度是力量的量的体现。 射线对物体的穿透和对胶片的感光，是其能量和强度的具体表现。,射线能量,射线的穿透力取决于射线的能量,能量也可称为线质。 能量的单位：eV 连续X射线的能量取决于管电压 标识X射线的能量达到临界电压后与管电压变化无关，标识X射线的能量与靶材料有关。 射线的能量(穿透力)取决于源的种类和性质。 当量能：射线的穿透力相当于X射线同等穿透力所对应的管电压值，称为当量能。,射线能量,Co60的平均能量 : (1.17MeV+1.33MeV)/2=1.25MeV (2) 如何确定220kV射线的能量? 先求:min
24、=12.4 / V= 0.05636(nm) 再求:最短波长所对应的射线能量 Emax= hv/min=0.220(MeV) 即220kV管电压产生的X射线光子最大能量0.22MeV (3) 比较：Co60、220KV管压发射的X射线、15Mev 加速器所产生的射线能量的大小。,射线强度,射线强度的变化因素： 强度-距离平方反比律 穿过物体后的射线强度衰减规律,X射线与射线的比较,3.5 中子射线,中子射线是粒子射线 性质：中子是组成物质的基本粒子之一 中子不带电，不能使胶片感光中子与物质原子核作用,中子的性质,中子的质量 中子的电荷：带有非常小的电荷 中子的放射性中子通过物质时，相当快地被原
25、子核俘获衰变中子的自旋和磁矩 中子的波动性,中子的分类,中子射线的产生,产生中子的装置即中子源，中子源最重要的性质是它的强度，即单位时间内所发出的中子数。1.放射性中子源 放射性中子源是利用放射性核素衰变时放出一定能量的射线，去轰击某些靶物质，产生核反应而放出中子的装置。 2.加速器中子源 加速器中子源是利用各种带电粒子的加速器去加速某些粒子，如质子和氘等，用它 们去轰击靶原子核产生中子。,中子射线的产生,3.反应堆中子源反应堆中子源是利用重核裂变，在反应堆内形成链式反应，不断地产生大量的中子。反应堆中子源是目前中子射线照相装置中应用最广泛的中子源。 4.亚临界装置中子源 这是一个中子源强度增殖装置。它是一个不 完善的、不能进行自持链式反应的核装置， 中子增殖倍数一般在30左右。5.中子管中子源中子管中子源属于加速器中子源的另一种形式。,中子源的平均特性,中子射线的产生,
