基础物理实验 X射线透视与 NaC晶体结构分析
基础物理实验 X射线透视与 NaCl晶体结构分析 1
X射线的发现 X射线的本质 W.C. Rontgen 1895.11.8 一种电磁浪 如果把手置于放电装置和 荧光屏之间,就可以看到在 ●在X射线衍射分析中应 格阴影,”这种穿透力很强RN4 用的主要是它的波动性,反 映在传播过程中发生干涉、 的射线,伦琴自己也搞不清 衍射作用。 楚,称其为“X射线” X射线的波长范围 1861年,英国科学家威廉克鲁克斯 0.001-10nm 1890年,美国科学家古德斯柏德 敏锐的洞蔡另 ●在与物质相互作用,进行 能量交换时,则表现出它的 科学的实验方法 粒子性。 8=hv=hcn 1901年伦琴获得了第一届诺贝尔物理学奖。他放弃 了自己的专利权,使得X射线的研究应用无比迅速
W. C. Rontgen,1895.11.8 “如果把手置于放电装置和 荧光屏之间，就可以看到在 较淡的手影里露出深暗的骨 骼阴影。 ”这种穿透力很强 的射线，伦琴自己也搞不清 楚，称其为“X射线” 。 1901年伦琴获得了第一届诺贝尔物理学奖。他放弃 了自己的专利权，使得X射线的研究应用无比迅速。 X射线的发现 ⚫ 在X射线 衍射分析 中应 用的主要是它的波动性，反 映在传播过程中发生干涉、 衍射作用。 X射线的波长范围： 0.001-10nm ⚫ 在与物质相互作用，进行 能量交换时，则表现出它的 粒子性。 ε=hv =hc/λ X射线的本质 一种电磁波 2 1861年，英国科学家威廉.克鲁克斯 1890年，美国科学家古德斯柏德 敏锐的洞察力、 科学的实验方法……
研製X光管工作的新果 基础物理实验 復旦大學物理系X光管實驗室 3 X光管研燹工作,不僅能埴接幫助醫淼器材1.技標华,在嚴格控刮材料去氣、温度测 工業解决一η重要醫器具的製造間題,並且還定及空澌量的礎上,我們已訂出製透X光管 能進一步烈助解决工業檢驗和分析工作的設備問各項重要手祾的標芈。在自製十餘隻管子的遹程 題。在另一方而,此項技的蠻研,因露性質上中,重複地證过些標增的可訛性。共要點露: 的相似,也將有助於電飘器村發報電子管的製(1)泡到500°C,空度抽连106毫米水 造。自然,我們所鑽研的還些技術,在工業技術鋇柱;(2)金屬感憋加熱後,冾到温度500℃C時, 較發展的國家中是早已掌握的,不遢,通過實空度抽10-7亳米极;(3)高壓打靶的功率 影,把近些技術掌握到自己手中對於我們况來,豹2-3千瓦,筑空度10-7毫米极,全部處理和 恐怕還是一件不可缺的、十分有盆的工作。露此,抽封操作可在一日内完畢,奩部國產的x光器械 科学通报.1954年05期第53-54页 1953年秋,经过一系列艰苦努力, 复旦大学X光管研制实验室在周同庆 方俊鑫等专家的带领下终于试制成 功我国第一个医用封闭式X光管。 周同庆(1907-1989)
基础物理实验 3 周同庆（1907-1989） 科学通报. 1954年05期 第53-54页 1953年秋，经过一系列艰苦努力， 复旦大学X光管研制实验室在周同庆、 方俊鑫等专家的带领下终于试制成 功我国第一个医用封闭式X光管
K 多发顶黑道质阴影 OQs 节性实 2019新型冠状病毒肺炎的6个典型的CT影像学征像 钴酸锌纳米材料X射线衍射谱 初生星光 壮丽星团 科字解码 X射线望远镜 钱德拉天文台” Chandra X-ray Observatory 科字解码 X射线衍射晶体结构分析
X射线望远镜 “钱德拉天文台” Chandra X-ray Observatory 初生星光 壮丽星团 2019新型冠状病毒肺炎的6个典型的CT影像学征像 钴酸锌纳米材料X射线衍射谱 X射线衍射晶体结构分析 4
理论和实验并重 你已经了解: X射线管的结构 X射线发射谱的产生机制 物质对Ⅹ射线的吸收特性X射线透视成像的基本原理 X射线衍射谱的测量原理测角器零点调校过程 你对此有预期: 材料性质、厚度等对Ⅹ射线的吸收以及荧光影像的影响;④ 如何通过衍射曲线获得NaC的晶面间距;③ 如何获知管电压和管电流对X射线发射谱的景响? 方法一:荧光影像的观察(定性)② 方法二:衍射曲线的观察,短波极限的测量(定量)④
你已经了解： X射线管的结构 X射线发射谱的产生机制 物质对X射线的吸收特性 X射线透视成像的基本原理 X射线衍射谱的测量原理 测角器零点调校过程 你对此有预期： 材料性质、厚度等对X射线的吸收以及荧光影像的影响；① 如何通过衍射曲线获得NaCl的晶面间距；③ 如何获知管电压和管电流对X射线发射谱的影响？ 方法一：荧光影像的观察（定性）② 方法二：衍射曲线的观察，短波极限的测量（定量）④ 理论和实验并重 5
实验器材 6 e 有准直器 线光源 传感器 LEYBOLD X射线实验仪 X射线管 无准直器 样品组合 面光源 厚度改变 NaC单晶 ↓材料改变 佳 直器 灰度测试卡 国 四种夹层样品
实验器材 NaCl单晶 X射线实验仪 X射线管 准直器 有准直器 线光源 无准直器 面光源 靶台 传感器 荧光屏 灰度测试卡 6 样品组合 厚度改变 材料改变 四种夹层样品
X射线管的结构 现在人们已经发现了许多的X射线产生机制,其中最为实用的能获得有 足够强度的X射线的方法仍是当年伦琴所采用的方法一阴极射线管 高速电子撞击靶 旋散热 电流表 真空管 X射线 电压表 阴极 旧极 靶 靶 阴极 直流高压电源 X射线管结构图 管电流Ⅰ-电子的量 甩子束 管电压U-电子的动能E=eU X射线管 高速电子打到靶上,是怎样产生X射线的?
X射线管的结构 现在人们已经发现了许多的X射线产生机制，其中最为实用的能获得有 足够强度的X射线的方法仍是当年伦琴所采用的方法 —阴极射线管 高速电子撞击靶 管电压 U - 电子的动能 Ek=eU 管电流 I - 电子的量 X射线管 电流表 螺旋状热沉-散热 阳极 靶 阴极 窗口 + _ 电压表 直流高压电源 电子束 X射线 高速电子打到靶上，是怎样产生X射线的？ 7
X射线的产生 损失动能-X射线辐射出去 电子半径:1015m 轫致辐射 8 原子直径:1010 强 原子核直径:1016m~1014m 度 0.0711nm 强相互作用:1015m内 连续谱线 特征谱线 没有遇到靶原子 0.0632nm 的电子 场作用 方向偏转,减速 钼的X射线辐射谱 也可能 遇到靶原子的内e 第二层(L) 电子动能E=eU出,产生空 层电子,使其 外层电子填补空位 高速电子进入虚空的靶原子 跃迁中多余能量-X射线辐射出去# 特征辐射 h el
X射线的产生 电子半径：10-15 m 原子直径：10-10m 原子核直径：10-16m~10-14m 强相互作用：10-15 m内 高速电子进入虚空的靶原子 可能 也可能 没有遇到靶原子 中的电子 库仑场作用 方向偏转，减速 损失动能-X射线辐射出去 轫致辐射 遇到靶原子的内 层电子，使其脱 出，产生空位 外层电子填补空位 跃迁中多余能量 -X射线辐射出去 特征辐射 电子动能 Ek=eU 8 钼原子能级图 钼的X射线辐射谱 连续谱线 特征谱线 h max = eU
物质对X射线的吸收 X射线的透视成像 单能窄束Ⅰ=loe 均匀X射线 非均匀X射线 μ:物质的线性衰减系数,和波长有关 连续能谱窄束 11213p41 近似地运用指数衰减规律 H12μ232 H13μ233μ4 H1|24吗34μ 可见影像 灰度测试卡 对数后 用 tracker验证 灰度的物理意义 荧光屏的灰度(亮度)与入射 的光线强度成正比 相邻灰度差值大,对比度大 X射线透过不同厚度铝板的蛋度●荧光屏上某点的灰度,体现了 X射线途径所有物质总的吸收
单能 窄束 x I I e − = 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Intensity (arb. unit) d (mm) X射线透过不同厚度铝板的强度 连续能谱 窄束 物质对X射线的吸收 I0 x I μ： 物质的线性衰减系数，和波长有关 近似地运用指数衰减规律 对数后 用tracker验证 9 X射线的透视成像 11 21 22 13 1 4 33 43 44 12 31 41 32 42 34 23 24 可见影像 荧光屏 均匀X射线 非均匀X射线 灰度测试卡 灰度的物理意义 ⚫ 荧光屏的灰度（亮度）与入射 的光线强度成正比。 ⚫ 相邻灰度差值大，对比度大。 ⚫ 荧光屏上某点的灰度，体现了 X射线途径所有物质总的吸收
布拉格定律 物理模型: 10 一层层晶面 晶面间距d 每层晶面反射X射线,反射角等于入射角 上下相邻晶面反射的X射线1和2有光程差 ●光程差是波长整数倍,反射线1和2才能干涉加强 oC●Na 氯化钠晶体结构 才有很大发射率,才能被传感器探测到 2 2dsinB=kl, k=1, 2, 3. 晶面 k是衍射级次 β是掠过角或布拉格角 界…4…B…票…单…·单色X射线束入射角固定时,一般不能满足干涉 ….…… 加强条件 连续X射线束入射角固定时,总有一些波长可I 生加强反射。 传感器检测到的主要是这些浪长的强度,我们要找到这些波长
氯化钠晶体结构 ⚫ 单色X射线束入射角固定时，一般不能满足干涉 加强条件； ⚫ 连续X射线束入射角固定时，总有一些波长可以 产生加强反射。 布拉格定律 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • d β d sinβ 1 2 晶面 A C B • • • • β 2dsinβ = kλ，k＝1,2,3… k 是衍射级次 β 是掠过角或布拉格角 传感器检测到的主要是这些波长的强度，我们要找到这些波长 物理模型： 10 ⚫ 一层层晶面 ⚫ 晶面间距d ⚫ 每层晶面反射X射线，反射角等于入射角 ⚫ 上下相邻晶面反射的X射线1和2有光程差 ⚫ 光程差是波长整数倍，反射线1和2才能干涉加强 才有很大发射率，才能被传感器探测到
