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X射线的产生

X射线的产生

        产生X射线有许多种方法,在实验室最简单的方法是:用加速后的电子撞击金属靶,在撞击过程中,电子突然减速,其损失的动能会转换为X射线与热能,这种X射线称之为韧致辐射(Bremsstrahlung radiation)或制动辐射。轫致辐射的X射线谱往往是连续谱,这是由于在作为靶子的原子核电磁场作用下,电子的速度是连续变化的。

       另外,如果加速电子的能量足够高,金属靶原子的内层电子会被轰出,内层电子形成空位,使原子处于能级较高的激发态,外层电子向空位跃迁,使原子能级降低,多余的能量便以X射线的形式辐射出来,这种X射线的波长只与原子处于不同能级时发生电子跃迁的能级差有关,而原子的能级是由原子结构决定的,因此,这些有特征波长的X射线将能够反映出原子的结构特点,我们称之为特征辐射X射线(Characteristic radiation)。


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入射电子与靶原子相互作用产生X射线

韧致辐射(1,2,3)和特征辐射(4

(摘自论文DOI:  10.13140/RG.2.2.16794.49600


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典型的X射线能量谱(入射电子的能量是150KeV

(摘自http://physicsopenlab.org/2017/08/02/bremsstrahlung-radiation/


X射线源

       实验室常用的X射线源主要由高压发生器和X射线管组成,X射线管是工作在高电压下的真空二极管,包含有两个电极:一个是用于发射电子的灯丝,作为阴极,另一个是用于接受电子轰击的靶材,作为阳极。两极均被密封在高真空的外壳内,高压发生器在两个电极之间施加高电压。

       阴极灯丝由钨制成,用来产生电子,改变灯丝电流的大小可以改变灯丝的温度,改变产生电子的数量,从而调节管电流。高压发生器产生足够的电压(KV等级),将电子加速撞击到阳极。另外,阴极还需将电子流进行聚焦,使轰击在阳极靶面上的电子流具有一定的大小和形状。

       高能电子轰击金属靶面后通过韧致辐射和特征辐射产生X射线,对于进行成像的X射线源来说,对X射线管的要求是焦点小、强度大,形成较大的功率密度。X射线管的效率很低,只有不到1%的电子束能量转化为X射线,99%以上的电子束功率成为阳极热耗,而使焦斑过热。避免阳极过热的方法是对阳极及管子采取各种方式的冷却,以降低焦斑处的温度。

       从密封方式分类,X射线管分为开放式和封闭式两种。开放式在使用过程中,需要对射线管抽真空并保持真空度,管内的阴极和阳极是可以更换的;封闭式射线管提前将真空抽到一定程度后密封,在使用过程中无需再次抽真空,当然管内的阴极和阳极也是无法更换的。

       从靶材的形状和角度分类,X射线管分为反射式和透射式。反射式靶面与入射电子束形成一定倾斜角度,具有较大的散热体积,可以承受较高电压的加速电子;透射式靶是很薄的一层薄膜,靶面与入射电子束垂直,可以获得更小的焦点尺寸和更大的辐射角度。

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1. X光管反射靶示意图


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   图2. X光管透射靶示意图



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