阴极射线原理？X射线的产生原理及其本质是什么具有哪些特征_射线_光子_物体

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• 阴极射线原理
• X射线的产生原理及其本质是什么具有哪些特征

阴极射线原理

阴极射线管是从有名的盖斯勒管发展起来的。阴极射线管有两个电极：阴极与阳极。管内被抽成了接近真空状态，当向两级与感应线圈连接加上高压电时，两级之间形成强大的电场，可以加速电子，然后阴极就可以向阳极发射阴极射线了。阴极射线打在管内稀薄空气上可以发出神奇的光现象，这就是无声的电放射

X射线的产生原理及其本质是什么具有哪些特征

我的研究方向是工业X射线检测，就结合工业X射线产生和成像原理进行简单的介绍。

1、X射线介绍

X射线也称为伦琴射线，是由德国著名物理学家威廉•康拉德•伦琴（Wilhelm Röntgen）于1895年11月在进行阴极射线的研究时发现的。

X射线本质上是与微波、红外线、可见光和紫外线等一样的电磁波，电磁波是由光子组成的，由公式可知光子的能量与其波长成反比：

式中，h是普朗克常量，c是光在真空中的速度，λ是光子的波长，ν是光子的频率。X射线对应的波长范围分布在几皮米到几纳米，具有较强的穿透性，因此工业上常用X射线检测物体的内部结构。下图为X射线在电磁波谱中的分布范围：

X射线除了具有所有电磁波的共性之外，还具有一些特有的性质：

• 物理效应：（1）穿透作用；（2）电离作用；（3）荧光作用；（4）热作用；（5）干涉、衍射、反射、折射作用。
• 化学效应：（1）感光作用；（2）着色作用
• 生物效应。

2、X射线产生原理

X射线的产生有三个不可缺少的条件：

• 第一，能够产生自由电子的电子发射器；
• 第二，能够使自由电子加速运动的电场；
• 第三，能够使高速移动的电子瞬间减速的靶物质。

根据上述三个条件，人们发明了能够产生X射线的X射线管，射线管的结构如下图所示：

X射线管主要由产生自由电子的电子枪和阳极靶组成。电子枪主要由阴极灯丝组成，阴极灯丝在通电之后可以产生自由电子，自由电子通过电子枪中的聚焦极聚焦并经过电子枪的阳极进行加速形成聚集的电子束；阳极靶由熔点高、热传导性好的金属物质组成，起到瞬间减速高速移动的电子的作用。在X射线管工作时，电子枪和阳极靶之间加以高电压形成强电场，电子枪产生的电子束在强电场的作用下向阳极靶加速运动。高速运动的电子在到达阳极靶时，与阳极靶材料原子发生作用并产生电磁辐射。

加速电子与阳极重金属作用有三种形式：

• 第一种是电子与外层轨道电子相互作用导致外层轨道电子获得能量升到较高的能量轨道后又迅速回到原来的位置，这一过程会将加速电子的动能大部分转变成内能并产生少量红外线。
• 第二种是电子与内层轨道电子发生相互作用，当这种相互作用导致内层轨道电子离开了它的轨道，会形成内层的电子空穴。这种空穴被外层轨道电子跃迁填补时将会产生X射线，这种形式产生的X射线的能量等于跃迁所发生的两个电子轨道之间的能量差，所以这种X射线包含了重金属原子内部的结构信息，是一种特征X射线。
• 第三种是加速电子和原子核的相互作用，当加速电子经过重金属的原子核旁边时这会减速并改变其运动方向，因为电子减速减少的动能将转化为X射线，这种形式产生的射线被称为轫致辐射(Bremsstrahlung)。由于电子的速度可以从0到真空管电压所对应的电子速度之间连续变化，因此轫致辐射产生的能谱与特征X射线不同，具有从零到入射能量的连续能谱。

一般来说，工业X射线源产生的X射线能谱有可以认为由两部分构成，一是加速电子与内层轨道电子的相互作用产生的离散的特征X射线能谱，另一部分是轫致辐射产生的连续能谱。一个典型的工业X射线能谱如图所示：

3、X射线与物质的相互作用

X射线在穿过物体时与物体会发生多种过程复杂的相互作用，这些相互作用会导致射线强度的衰减。也正是由于射线发生了衰减，衰减了的X射线会携带物体内部的有关信息。X射线与物体发生相互作用时，一部分X射线直接穿过物体，这部分射线称为透射X射线；在剩余的X射线中，一部分X射线与物体的原子核发生直接碰撞，这部分X射线的能量被转化成热能使物体的温度升高；另一部分X射线与组成物体物质的原子中的轨道电子发生碰撞并将能量传给轨道电子，轨道电子发生逃逸而转化成光电子，产生俄歇电子或荧光X射线；最后一部分X射线与轨道电子发生非弹性碰撞而导致X射线方向发生偏离，从而发生散射作用。

光电效应、康普顿效应及电子对效应是X射线与物质发生的主要相互作用：

1）光电效应

当射线进入被测物体时，光子将与原子中的轨道电子发生碰撞，将其能量全部传递给轨道电子，轨道电子在获得能量之后，会摆脱原子核对自己的束缚，变成自由的光电子，而入射光子在与轨道电子相互作用后完全消失，这种现象就是光电效应。光电效应只有在入射光子能量大于原子核与轨道电子的结合能时才会发生，否则不会发生。由于轨道电子变为自由电子，使得电子层中产生空位，将导致原子不稳定，所以外层电子会跃迁到空位，使原子恢复稳定状态。跃迁时会发射荧光辐射，这是光电效应的一个重要特征。下图为光电效应示意图：

2）康普顿效应

康普顿效应也称为康普顿散射，指的是入射光子与原子外层电子发生撞击，入射光子的部分能量传递给了外层电子，外层电子获得能量后从原来的轨道飞出，同时，入射光子由于能量的减少，成为散射光子，偏离入射方向，经过散射的射线和入射的射线波长不相等。如下图所示，hγ和hγ’分别表示入射光子和散射光子的能量，θ表示入射光子与散射光子之间的夹角，称为散射角，φ表示入射光子与反冲光子之间的夹角，称为反冲角。

3）电子对效应

当高能量的光子穿过物体时，将会与原子核发生相互作用，光子的能量会全部释放，转换为正、负电子对，这种相互作用的过程称为电子对效应。产生的电子对会在不同方向飞出，方向由入射光子的能量决定。电子对效应的发生概率与物质原子序数和光子能量有关，在高原子序数、高光子能量的情况下，是一种重要的相互作用。下图简明地表示了三种基本作用在不同条件下的优势区域和重要性。

在常用的X射线能量范围内，光电效应、康普顿效应和电子对效应这三种物理效应基本都会发生。对于不同的被检物质和X射线能量，上述三种效应的发生概率不同。

4、X射线成像原理

小朋友你是否有很多问号？我们产生了X射线后要干什么呢？

当然是根据X射线的特征，以及其强大的穿透能力进行成像啦！

X射线在穿过物体时，与物体之间产生吸收和散射作用，这导致X射线强度衰减，这是X射线成像的重要基础。实验表明，X射线穿过物质的厚度越厚，其强度衰减率越高。某一波长的X射线穿过物体时的衰减规律满足比尔定律：

I为射线穿过物体经过衰减后的强度，I0为射线的入射强度，μ为该物体在该波长X射线照射下的线性衰减系数，t为物体的厚度。一般来说，X射线的衰减是物质对射线的吸收与散射共同作用的结果，因此上式中衰减系数μ被认为是吸收系数与散射系数的和。在X射线的实际衰减过程中，射线因吸收而导致的衰减占主要部分，远大于散射所导致的衰减，因此常将因射线散射而导致的衰减忽略。

当一定强度的X射线透射物质时，射线的波长保持不变，当X射线穿过高密度或厚度较大的物体时，X射线强度衰减较大；穿透低密度或较薄的物体时，相同强度的X射线的衰减较小。因此，在一次曝光中，一定强度的X射线穿过不同物质，或者相同物质不同厚度时，会得到亮度明暗差别较大的图像。

当射线束穿过被检测物体时，如果在物体的某个区域存在缺陷，或者在射线透照方向上存在结构差异，就会造成物体对射线的衰减产生差异，通过探测器采集到的图像就可以分析出被测物内部的缺陷和结构差异。

上图为射线检测的基本原理图，入射X射线的强度为I0，穿过厚度为T的被测物体，被测物内部有厚度为ΔT的缺陷，被测物体的线性衰减系数为μ，射线穿过没有缺陷和有缺陷区域的一次射线强度分别为ID和ID’，没有缺陷和有缺陷区域的散射射线强度为IS和IS’，没有缺陷和有缺陷区域的总透射强度为I和I’。

总透射强度可由一次射线强度和散射射线强度组合表示：

实际中ΔT远小于T，因此可认为IS和IS’相等，所以可得：

对于一次射线，根据比尔定律可以得出：

由于式μΔT表示的值很小，根据泰勒公式近似：

缺陷的衰减系数记为μ’，经过进一步推导（过程略去）可得：

ΔI/I表示的是物体的对比度，表示了射线成像的基本原理，即得出了缺陷和本体之间的对比度关系。由上式可以看出，射线检测缺陷的能力，与射线的能量、在射线透照方向上缺陷的尺寸、射线散射等相关。检测原理是根据物体不同部位对射线衰减的差异，通过探测器采集到这种差异信号，并将其转换为数字图像，然后从图像中提取出物体的内部结构、质量状态等重要信息，然后对其分析处理。

5、X射线图像采集系统

X射线数字射线成像(Digital Radiograph, DR)和工业计算机断层扫描（Industrial Computed Tomography, ICT）是工业无损检测领域中的两个重要技术分支。DR检测技术，是20世纪90年代末出现的一种实时的X射线数字成像技术。相对于现今仍然普遍应用的射线胶片照相，DR检测最大的优点就是实时性强，可以在线实时地对生产工件结构介质不连续性、结构形态以及介质物理密度等质量缺陷进行无损检测，因此在快速无损检测领域里有广阔的发展前景。

ICT技术是一种融合了射线光电子学、信息科学、微电子学、精密机械和计算机科学等领域知识的高新技术。它以X射线扫描、探测器采集的数字投影序列为基础，重建扫描区域内被检试件横截面的射线衰减系数分布映射图像。

• DR

DR系统一般由射线源、待测物、探测器、图像工作站等几部分构成。目前在工程实际中应用的探测器主要分为两种：图像增强器和非晶硅探测器。图像增强器首先通过射线转化屏将X射线光子转换为可见光，然后通过CCD（Charge Coupled Device）相机将可见光转化为视频信号，可在监视器上实时显示，也可通过A/D采集卡转化为数字信号输入到计算机显示和处理。非晶硅探测器采用大规模集成技术，集成了一个大面积非晶硅传感器阵列和碘化铯闪烁体，可以直接将X光子转化为电子，并最终通过数模转换器（ADC）转变成为数字信号。

X射线数字成像技术广泛应用于航空、航天、兵器、核能、汽车等领域产品和系统的无损检测、无损评估以及逆求，检测对象包括导弹、火箭发动机、核废料、电路板、发动机叶片、汽车发动机气缸、轮胎轮毂等，在工程质量监督和产品质量保证方面发挥着极其重要的作用，正逐渐成为发展现代化国防科技和众多高科技产业的一种基础技术。

电路板检测：

焊缝检测：

• CT检测

X射线CT是国内研究最为广泛的CT成像方法之一，CT图像重建方法是CT基础研究的核心。CT图像重建的任务是由CT数据重建被测物体的CT图像。

锥束CT是指基于面阵列探测器的CT成像方法，其中锥束指X射线源焦点与面阵列探测器所形成惟形射线束。与传统基于维线阵列探测器的扇束CT相比，锥束CT每次可以获得一幅二维图像，具有射线利用率高和各向分辨率相同等优点。

当我们获取了一定数量的投影数据后，便可以根据不同扫描方式下的不同CT重建算法，重建出待测物体的断层图像。

典型CT断层图像：