文档介绍：3-1 3 X 射线的物理基础 X 射线的性质 1895年,著名的德国物理学家伦琴(R?ntgen,.)发现了X射线。1912年,德国物理学家劳厄(,M)等人发现了X射线在晶体中的衍射现象,确证了X射线是一种电磁波。同年,英国物理学家布·喇格父子(Bragg, Bragg,.)利用 X 射线衍射测定了NaCl 晶体的结构,从此开创了X 射线晶体结构分析的历史。 X 射线是一种波长为10-2~102? 的电磁波,介于紫外线和γ射线之间,如图3-1 所示。X 射线的波长λ(?)、振动频率ν和传播速度C(m·s-1)符合νλC=(3-1) 图3-1 X 射线与其它电磁波一样,具有波粒二象性,可看作为具有一定能量E、动量P、质量M的X光子流。 E=hν (3-2) P=λh (3-3) 式中h为普朗克常数。由于(3-1)和(3-2)可得到X射线波长与X光子能量的关系为:E=h·λC≈ (3-4) X射线的性质与可见光有着非常大的区别。首先,X射线具有很强的穿透能力,可以穿透黑纸及许多对于可见光不透明的物质。当穿过物质时,能被偏振化并被物质吸收而使强度减弱。其次,X射线沿直线传播,即使存在电场和磁场,也不能使其传播方向发生偏转。再者,X射线肉眼不能观察到,但可以使照相底片感光。在通过一些物质时,使物质原子中的外层电子发生跃迁产生可见光;通过气体时,X射线光子与气体原子发生碰撞,使气体电离。最后,X射线能够杀死生物细胞和组织。人体组织在受到X射线的辐射时,生理上会产生一定的反应。 X射线的产生凡是高速运动的电子流或其它高能辐射流(如γ射线,X射线,中子流等)被突然减速时均能产生X射线。3-2 X射线机与X射线管实验室中所用的X射线通常是由X射线机所产生。X射线机主要由X射线管、高压变压器、电压和电流调节稳定系统等构成,其主要线路如图3-2所示。为保证X射线机的稳定工作及起运行的安全性和可靠性,必须为其配置其它辅助设备,如冷却系统、安全防护系统、检测系统等。图3-2 X射线机的主要线路图X射线管是X射线机最重要的部件之一。目前常见的X射线光管均为封闭式电子X射线管,而大功率X射线机一般使用旋转阳极X射线光管,入3-3为封闭式X射线光管示意图。图3-3 X光管结构和实物图X射线光管实质上就是一个真空二极管,其结构主要由产生电子并将电子束聚焦的电子枪(阴极)和发射X射线的金属靶(阳极)两大部分组成。电子枪的灯丝用钨丝烧成螺旋状,通以电流后,钨丝发热释放自由电子。阳极靶通常由传热性能好,熔点高的金属材料(如铜、钴、镍、铁、钼等)制成。整个X射线光管处于真空状态。当阴极和阳极之间加以数十千伏的高电压时,阴极灯丝产生的电子在电场的作用下被加速,并以高速射向阳极靶,经高速电子与阳极靶的碰撞,由阳极靶产生X射线,这些X射线通过用金属铍()制成的窗口射出,即可提供给实验所用。X射线光管工作时,高速电子轰击阳极靶,一部分能量转化为X射线,而大部分能量转化为热能,使阳极靶温度急剧升高,因此为防止阳极靶过热而使X射线管损坏,必须对阳极靶进行冷却,目前主要采用循环水冷却。为解决阳极靶过热并提高其发射功率,人们采用了使阳极靶高速旋转的方法,不断改变电子束轰击的位置,使阳极靶面热量有充分时间散发,以达到提高X射线光管发射功率并解决阳极靶过热问题。图3-4为旋转阳极示意图。3-3 图3-4 两种旋转阳极发生器示意图阳极靶面被电子束轰击的区域称为焦斑,X射线从焦斑区域发出。焦斑的形状对X射线衍射图样的形状,清晰度和分辨率有较大的影响,所以,阳极靶面的焦斑形状及大小是X射线管的重要质量指标之一。而焦斑的形状和大小一般由阴极灯丝的形状及聚焦罩所决定。目前,一般封闭式X射线光管的焦斑为长方形,大小为1mm×10mm如图3-5所示。图3-5 线焦和点焦为达到工作中有较小的焦点和较强的X射线强度,总是在与靶面成出射角为3o~6o处接受X射线,这样当在与焦斑的短边相垂直的方向处,可得到表观面积为1mm×1mm的正方形焦点,称之为点光源;而当与焦斑长边相垂直的方向处,×10mm的细线形焦点,称之为线光源。在有些特殊的研究工作中要求有很高的分辨率,这时就有必要进一步将焦斑缩小到更接近于线光源或点光源的程度,在这种X射线光管中,往往采用静电透镜或电磁透镜将电子束聚焦在很小的范围内,使焦斑尺寸达几十微米或甚至几微米。 同步辐射X射线源加速运动的电