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                  基礎知識

                  X射線的產生

                  X射線的產生

                          產生X射線有許多種方法,在實驗室最簡單的方法是:用加速后的電子撞擊金屬靶,在撞擊過程中,電子突然減速,其損失的動能會轉換為X射線與熱能,這種X射線稱之為韌致輻射(Bremsstrahlung radiation)或制動輻射。致輻射的X射線譜往往是連續譜,這是由于在作為靶子的原子核電磁場作用下,電子的速度是連續變化的。

                         另外,如果加速電子的能量足夠高,金屬靶原子的內層電子會被轟出,內層電子形成空位,使原子處于能級較高的激發態,外層電子向空位躍遷,使原子能級降低,多余的能量便以X射線的形式輻射出來,這種X射線的波長只與原子處于不同能級時發生電子躍遷的能級差有關,而原子的能級是由原子結構決定的,因此,這些有特征波長的X射線將能夠反映出原子的結構特點,我們稱之為特征輻射X射線(Characteristic radiation)。


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                  入射電子與靶原子相互作用產生X射線

                  韌致輻射(1,2,3)和特征輻射(4

                  (摘自論文DOI:  10.13140/RG.2.2.16794.49600


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                  典型的X射線能量譜(入射電子的能量是150KeV

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


                  X射線源

                         實驗室常用的X射線源主要由高壓發生器和X射線管組成,X射線管是工作在高電壓下的真空二極管,包含有兩個電極:一個是用于發射電子的燈絲,作為陰極,另一個是用于接受電子轟擊的靶材,作為陽極。兩極均被密封在高真空的外殼內,高壓發生器在兩個電極之間施加高電壓。

                         陰極燈絲由鎢制成,用來產生電子,改變燈絲電流的大小可以改變燈絲的溫度,改變產生電子的數量,從而調節管電流。高壓發生器產生足夠的電壓(KV等級),將電子加速撞擊到陽極。另外,陰極還需將電子流進行聚焦,使轟擊在陽極靶面上的電子流具有一定的大小和形狀。

                         高能電子轟擊金屬靶面后通過韌致輻射和特征輻射產生X射線,對于進行成像的X射線源來說,對X射線管的要求是焦點小、強度大,形成較大的功率密度。X射線管的效率很低,只有不到1%的電子束能量轉化為X射線,99%以上的電子束功率成為陽極熱耗,而使焦斑過熱。避免陽極過熱的方法是對陽極及管子采取各種方式的冷卻,以降低焦斑處的溫度。

                         從密封方式分類,X射線管分為開放式和封閉式兩種。開放式在使用過程中,需要對射線管抽真空并保持真空度,管內的陰極和陽極是可以更換的;封閉式射線管提前將真空抽到一定程度后密封,在使用過程中無需再次抽真空,當然管內的陰極和陽極也是無法更換的。

                         從靶材的形狀和角度分類,X射線管分為反射式和透射式。反射式靶面與入射電子束形成一定傾斜角度,具有較大的散熱體積,可以承受較高電壓的加速電子;透射式靶是很薄的一層薄膜,靶面與入射電子束垂直,可以獲得更小的焦點尺寸和更大的輻射角度。

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                  1. X光管反射靶示意圖


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                     圖2. X光管透射靶示意圖



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