X射线简介

第2章X射线简介2.1X射线X射线（X-ray）是1895年由德国物理学家伦琴发现的，故又称为伦琴射线，也是19世界末20世纪初物理学的三大发明之一。X射线是一种波长介于紫外线与γ射线之间的电磁波，其波长在0.01nm~10nm之间，其中0.01nm~1nm之间的称为硬X射线，1nm~10nm之间的称为软X射线。波长短于X射线的为γ射线，波长长于X射线的为紫外线。硬X射线与γ射线范围有重叠部分，二者的区别在于产生原理不同，X射线光子产生于高能电子加速，而伽马射线产生于原子核衰变。随着X射线技术的相对成熟，目前主要被应用在医学领域和安检领域，并起到了相当卓越的贡献。2.2X射线产生X射线的产生方法中最简单、最常用的是用加速后的电子撞击金属靶。产生X射线的主要部件是X射线管、变压器和操作台。目前常用的X射线主要由X射线管产生，X射线管是一种具有阴、阳两极的真空管，其中阴极用钨丝制成，阳极（俗称靶极）用高熔点金属制成，X射线管结构如图2.1所示。变压器为提供X线管灯丝电源和高电压而设置，一般前者仅需12V以下，为一降压变压器，后者需40～150KV(常用为45～90KV)为一升压变压器。操作台主要为调节电压、电流和曝光时间而设置，包括电压表、电流表、时计、调节旋钮和开关等，X射线的产生原理如图2.2所示。图2.1X射线管结构图Fig.2.1StructureoftheX-raytube电源接通后会有大量的热电子束从被加热到白炽状态的钨丝端射出，射出后的热电子经过几万伏至几十万伏的高压加速，从阴极飞向阳极，高速的电子束撞击靶极，电子的速度急降，动能几乎全部损失，但是电子的大部分动能都转换成了热能，只有很小的一部分变成了X射线从阳极发出，形成X射线光谱的连续部分，称之为制动辐射。通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出波长在0.1纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些部分，形成了X光谱中的特征线，此称为特性辐射。由于撞击后的电子动能大部分都转化成了热能，所以工作中的X射线管必须进行冷却，避免阴极温度过高而融化。图2.2X射线产生原理图Fig.2.2X-raygeneratedschematicdiagram2.3X射线与物质的相互作用2.3.1衰减特性X射线具有很强的穿透性，能够穿透很多可见光照不能透射的物质，例如塑料、纸、木材等等。在X射线射入并透射物质的同时，不可避免的与物质发生一定的作用，这种相互作用实际上是入射X射线的光子与被透射物质的原子之间的相互关系，并且这种相互关系是单次的随机事件。就入射光子束中的某个辐射光子而言，它们穿透物质时只有两种可能：一种在与物质发生作用后光子丢失自身的全部能量进而转化为其他形式的能量，被称为光子的吸收；另一种情况是入射光子的能量只有部分丢失，之后光子沿着与入射光子不同的方向射出，这种情况称为光子的散射。当X射线透射物质时，无论是发生光子的吸收还是光子的散射，都会伴随光子数的减少，透射过的X射线强度必然会降低，这种现象被称为X射线的衰减特性。X射线强度的改变与物质的材料、密度、厚度等因素相关。常用的X射线主要有两种，一种是仅仅具有一种波长或者单一能量光子的单能X射线，另外一种是具有不同波长或者不同能量的光子的多能X射线。在理论上使用单能的X射线源检测物质是非常理想的，能够更准确的测量物质的特征值。但在实际的工业检测中，获得单能X射线是比较困难的，实际产生的射线中不可能仅仅是单一波长的X射线，大多数为多能X射线。多能射线由不同能量的光子组成，对于光子能量的变化，射线的衰减系数是变化的，再穿透材料时不同能量光子具有不同的衰减系数。为了使X射线的应用更理想化，尽量获取单能X射线。但在获取单能X射线的过程中，全部单能X射线是很难获得的，大部分为部分单能X射线。研究表明，透射后的射线强度与衰减系数（μ）和物质厚度（x）成正比。设入射射线强度为𝐼0，透射后的射线强度为I，可得透射后的X射线强度公式为：xeII-0（2.1）式中μ为衰减系数，衰减衰减系数(𝜇)就等于散射系数(𝜎)和吸收系数(𝜏)的和，但实践证明，平常散射系数要比吸收系数小的多，可以忽略不计，因此衰减系数就等于吸收系数。设𝜎为原子的截面面积，n为单位体积内的原子数，所以可得𝜇=𝜎×𝑛,其中单位体积内原子数n又可表示为：ANρn=（2.2）式中N为Avogadro常数，𝑁=6.02252×1023𝑎𝑡𝑜𝑚𝑚𝑜𝑙𝑒⁄，𝜌为物质密度，A为原子的摩尔质量。AN（2.3）则X射线强度衰减公式为：xANeII0（2.4）2.3.2物理效应X射线照射物质时，主要发生光电效应、电子对效应、康普顿散射、锐利散射这几种常见的物理效应，在发生光电效应的同时，可能会伴随俄歇电子的产生。入射X射线与物质相互作用可用图2.3表示。（1）光电效应透射X射线强度衰减的多少与入射X射线的能量强度有关，当X射线处在低能区域时（通常为1~100KV），光电效应起主要作用，此效应为当入射光子照射到物体上时，与原子作用逐出电子时候发生的，但是光电效应不能是入射光子与原子核外的自由电子发生的，必须是由入射光子与原子核内层电子相互作用产生。当入射光子的能量等于或大于原子核内层束缚能级时，入射光子与原子核内层电子相互作用，自身的能量全部消失，电子获得能量后，逃离原子核的束缚，以自由电子的形态射出，该光电子被称为光电子，光电效应由此产生，并伴随有特征X射线和俄歇电子的产生。光电效应产生的光电子，其发射方向与入射光子能量大小相关；当入射光子能量较低时，光电子主要在与入射光子方向垂直的方向，随着入射光子能量的增大，光电子的发射方向逐渐倾向于入射光子方向[28]。图2.3X射线与物质的相互作用Fig.2.3光电效应的横截面积(𝜎𝑝𝑒)由吸收物质的属性和X射线光子能量决定[27]。𝜎𝑝𝑒随着物质的原子序数（Z）和有效原子序数（𝑍𝑒𝑓𝑓）的增大而增大，同时也随着入射X射线波长（𝜆）的增大而增大，可用下试表示：𝜎𝑝𝑒∝𝑍、𝑍𝑒𝑓𝑓、𝜆（2.5）当光电效应发生时，由于原子核内层的电子被释放，该层电子出现空缺，使得原子处于不稳定状态，这样就要由其他能级层的电子来填充，使原子重新回到稳定状态。在电子跃迁的过程中，伴随着一个重要特征，即荧光辐射，产生荧光X射线。在电子跃迁的过程中，可能存在另一种情况的发生，当较高能级层的电子填充空缺时，由于需要填充的电子能量低于填充电子的能量，在电子空缺填充完成后，多余部分的能量必然被释放，这些能量激发更外层的电子，是外层电子被激活，成为自由电子，这种现象被成为俄歇效应，产生的电子也就被成为俄歇入射X射线物质光电效应（伴随俄歇电子产生）康普顿散射（非相干散射）锐利散射（相干散射）透射X射线热能电子。光电效应的全过程可以由图2.4表示。入射光子能量与原子核束缚能量相当入射光子能量大于原子核束缚能量图2.4光电效应Fig.2.4（2）康普顿散射在X射线通过物质散射时，散射线中除有与入射X射线波长相同的散射线外，还有比入射射线波长更长的射线。其波长的改变量与散射角𝜃有关，而与入射射线波长𝜆0及散射物质均无关。若记入射X射线的波长为𝜆0，康普顿散射后的波长为λ，则波长的改变量𝛥𝜆（𝜆0=𝜆−𝜆0），经康普顿散射后，随着散射角𝜃的增大而增大，散射物质的原子量越大，散射光中波长变长的散射线强度越小；原子量越小，散射光中波长变长的散射线强度越大。在原子序数大的原子中，内层电子占电子总数的比例大，光子被它们散射的几率大，因此，原子量大的散射物质，其康普顿效应越不明显，原子量越小的散射物质，其康普顿效应越明显。康普顿散射可在两种情况下发生，其一是入射光子与被照物质原子的外层电子相互作用，由于外层电子质量比入射光子质量大得多，发生碰撞后，入射光子的能量基本不变，所以散射光子的波长不会改变，这部分散射光即是与入射射线波长相同部分的散射射线；另一种情况是入射光子与外层的自由电子相互作用，X射线设为一些𝜀=ℎ𝜐的光子，与自由电子发生完全弹性碰撞，电子获得一部分能量，散射的光子能量减小，频率减小，波长变长。由能量守恒和动量守恒定律可得以下两式：{ℎ𝜐0+𝑚0𝑐2=ℎ𝜐+𝑚𝑐2ℎ𝜐0𝑐𝑒0𝜔=ℎ𝜐𝑐𝑒𝜔+𝑚𝜐𝜔（2.6）式中ℎ为普兰克常量，c为光速。由以上两式经计算可得康普顿散射公式（2.7）和康普顿散射波长公式(2.8)：入射光子ℎ𝜐e入射光子ℎ𝜐ee俄歇电子𝛥𝜆=ℎ𝑚0𝑐(1−𝑐𝑜𝑠𝜃)=2ℎ𝑚0𝑐𝑠𝑖𝑛2𝜃2（2.7）𝜆0=ℎ𝑚0𝑐=2.43×10−12𝑚=0.0243𝐴𝑚（2.8）将（2.7）和（2.8）式进一步整理可得康普顿公式（2.9）：𝛥𝜆=ℎ𝑚0𝑐(1−𝑐𝑜𝑠𝜃)=𝜆0(1−𝑐𝑜𝑠𝜃)（2.9）康普顿效应和光电效应有相似的部分，两者都跟原子束缚的电子发生相互作用，但不同的是康普顿效应是与原子的外层电子发生相互碰撞，部分会与自由电子发生碰撞，而光电效应是入射光子与原子的内层电子发生相互碰撞，两者的作用原理是不同的。康普顿效应发生的概率也可用作用的横截面积公式（2.10）表示：𝜎𝑖𝑠(𝜆0)=𝜋𝑟02{[1−2𝜆0(𝜆0+1)]𝑙𝑛𝜆0+2𝜆0+4𝜆0+21+𝜆0(2+𝜆0)2}（2.10）根据探测器接收散射射线的位置不同，可将散射射线分为前散射与背散射两种。当探测器安装位置与射线源同方向时，接收到的散射线称为前散射；探测器的安装位置与射线源相对时，接收到的散射线称为背散射。虽然前散射和背散射的能量与总散射能量成比例，但是并未存在一个准确的关系式可以描述这两种散射与总散射能量的关系[29]。X射线照射物质时，散射信号在检测物质成分中扮演着相当重要的角色，尤其在危险物品的检测中成果显著。图2.5电子对效应示意图Fig.2.5Thesketchmapofelectronpaireffect（3）电子对效应X射线照射物质时，在两种情况下可能发生电子对效应，一种是当入射光子能量高于1.02MeV时，光子穿过原子是，在原子核附近，在库仑场力的作用下，入射光子将转化为一个负电子和一个正电子，同时入射光子自身能量消失，这种过程被成为电子对效应。电子对效应产生的正负电子沿着不同的方向射出，射出e+正电子e−负电子入射光子ℎ𝜐原子核的方向与X射线入射光子的能量大小有关；另一种情况是入射光子可能与原子层的电子发生电子对效应，但此种现象发生的概率要比入射光子穿过原子核附近发生电子对效应发生的概率要小的多，只有当入射光子的能量大于2.04MeV时才有可能发生。电子对效应原理如图2.5所示。（4）瑞利散射瑞利散射主要发生在低能X射线照射物质时，散射后光子能量与入射光子能量相同，这种散射通常被成为弹性散射。原子中的某个束缚电子吸收入射光子的能量后，跃迁到高能级电子层，与此同时，有一个与入射光子能量相当的散射光子飞出，此过程能量损失很小可以忽略不计，即认为散射光子能量等于入射光子能量。当入射光子的能量大于200KV时，瑞利散射可以忽略不计。瑞利散射主要有以下特点：1、散射光子能量强度与入射射线波长的四次方成反比；2、散射光子能量强度在不同观察方向，散射光子能量的强度是不同的；3、散射光子具有偏振性，其偏振程度同散射光子方向和耦极矩方向夹角相关；4、相对于入射射线来说，是一种频率和波长不改变而传播方向改变的次级电池波。综上所述可知，X射线与被透射物质发生的作用主要有光电效应、康普顿散射、电子对效应和瑞利散射这四种物理现象，但究竟何种现象占有的比重大，这与入射光子能量的大小和作用物质成分有一定的关系，并且入射光子与之作用的对象、产物都有一定的差异。当入射光子能量较低时，主要发生的是光电效应和瑞利散射，但两者的作用对象和作用产物也不