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X 射线的探测与在材料中的衰减

X 射线是德国科学家伦琴（W.C.Röntgen）于 1895 年在研究阴极射线管时发现的，是

人类揭开研究微观世界序幕的“三大发现”之一，给医学和物质结构的研究带来了新的希望．就在伦琴宣布发现 X 射线的第四天，一位美国医生就用 X 射线照相发现了伤员脚上的子弹．从此，对于医学来说，X 射线就成了神奇的医疗手段．因为这一具有划时代意义的重大发现，伦琴于 1901 年被授予第一届诺贝尔物理学奖．

X 射线可用来帮助人们进行医学诊断和治疗；也可用于工业上的非破坏性材料的检查；在基础科学和应用科学领域内，则被广泛用于晶体结构分析、化学分析和原子结构的研究．有关 X 射线的实验非常丰富，其内容十分广泛而深刻．本实验用德国莱宝公司生产的X 射线实验仪及附件，对 X 射线影像、X 射线在材料中的衰减进行研究，从而对 X 射线的产生、特点和应用有初步的认识．

【实验目的】

1. 初步了解 X 射线的产生、基本性质； 2. 观察 X 射线影像； 3. 研究 X 射线的衰减与吸收体厚度的关系； 4. 研究 X 射线的衰减与吸收体物质的关系．

【实验原理】

1． X 射线的产生、基本性质 X 射线和可见光线一样，也是电磁波的一种，不同的是较之可见光，它的波长更短，

介于紫外线和 γ 射线之间，约 10 nm ~ 0.001 nm（注：1 nm = 10-9 m）．波长小于 0.01 nm 的称为超硬 X 射线，在 0.01 ~ 0.1 nm 范围内的称为硬 X 射线，0.1 ~ 10 nm 范围内的称为软 X射线．其中，波长较短的硬 X 射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析；波长较长的软 X射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属的分析．医学上采用的 X 射线波长为 1 nm ~ 10 nm。

X 射线的产生有多种方式。高速运动的电子流、γ射线、中子流等高能辐射流在突然减速时均能产生 X 射线。目前最常用的方式是通过高速运动的电子流轰击金属靶来获得的。

在实验室中 X 射线由 X 射线管产生，X 射线管是具有阴极和阳极的真空石英管，其结构如图 1 所示：①是接地阴极，即电子发射极，用钨丝构成，通电加热后可发射电子；②是阳极靶材，本实验中采用钼靶，工作时加以几万伏的高压．电子在高压作用下轰击钼原子而产生 X 光．③铜块和④螺旋状热沉用以散热．⑤是管脚．

高速运动的电子轰击阳极靶时，其能量的绝大部分（~99%）转化为热能而损失，只有极少部分的能量转化为 X

图 1 X 光管结构图

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图 2 X 射线管产生的 X 射线的波长谱

射线。所以 X 射线管工作时靶极必须散热冷却． 经过 X 射线管发射出的 X 射线分为两种：连续光谱和标识光谱．能量为 eU 的电子与

阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为 hν的光子，这样的光子流即为 X 射线．单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续 X 射线谱． 因为连续光谱是由于高速电子受靶极阻挡而产生的轫致辐射，所以其短波极限 λ0

由加速电压 U 决定：　λ0 = hc/eU，其中 h 为普朗克常数，e 为电子电量，c 为真空中的光速．连续光谱又称为“白色”X 射线，包含了从短波限 λ0 开始的全部波长，其强度随波长变化连续地改变。从短波限开始随着波长的增加强度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向于零（图 2）。

当增加管压时，电子动能增加，电子与靶的碰撞次数和辐射出来的 X 射线光量子的能量都增高，因此连续谱各波长的强度都相应增高，λ0 减小。当管压不变，增加管流时，X射线光量子数目增加，连续谱各波长的强度都相应增高，但光量子能量不变，短波极限也不变。

标识光谱的产生则与阳极靶材的原子内部结构紧密相关的．原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级．在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态．较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识 X 射线谱．每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构的特征．

K 系激发与辐射是将原子系统的 K 层电子击走，原子系统的能量由基态升高至 K 激发态，这个过程称为 K 系激发。K 层能级被高能级电子填充时产生的辐射称为 K 系辐射。K系辐射分 Kα辐射和 Kβ辐射。其中

Kβ辐射：在 K 系辐射中，由 M 层电子填充 K 层能级时产生的辐射 Kα辐射：在 K 系辐射中，由 L 层电子填充 K 层能级时产生的辐射 L 层电子填充 K 层能级的几率远大于 M

层电子填充 K 层能级的几率，故 Kα辐射产生的光量子数目远大于 Kβ辐射，因此 Kα辐射的强度远大于 Kβ辐射的强度。

除去不需要的 Kβ 线，使用过滤片是最简单的单色化方法，使 X 射线管产生的 X 射线单色化，同时使用 Kβ 滤波片还可以吸收掉大部分的“白色” 射线。本实验采用锆滤片。

X 射线的强度是指单位时间内通过与 X射线传播方向垂直的单位面积上的所有光量子的能量总和。经验公式表明连续 X 射线谱的总强度与 X 射线管电流（i）、阳极靶材的原子序数（Z）及管电压（V）的平方成正比。

2． X 射线的探测 因人的肉眼看不见 X 射线，故利用它与物质相

互作用发生的现象来判断其有无和强度，主要有以下几种方法：

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(1) 荧光屏法 当 X 射线照射到荧光物质上时，荧光物质受激发而发出可见的荧光，由此确定 X 射线

的有无和强弱．例如把计算器放在荧光屏前，用不同的管高压和管电流来照射，发现：当管电流一定时（一般取 I = 1.00 mA），高压越大，透射象的强度越强，清晰程度越好；同样，当高压一定时（一般取 U = 32 KV），电流越大，透射象的强度越强，清晰程度越好．

(2) X 射线照相法 X 射线对照相底片的作用与普通可见光很相似．因此在记录衍射花样时广泛使用照相底片．例如：把胶片放在胶片架上，用不同的管电流和照射时间来照射，发现：在相同的时间照射下，管电流越大，即 X 射线强度越强，胶片越黑；在 X 射线的强度一样下，照射时间越长，胶片也越黑．也就是说 X 射线照射剂量越大，胶片越黑．

(3) 电离法 X 射线光子和高速电子一样，也能引起气体电离，即从气体分子中打出电子，同时产

生一个正离子．电离现象可以作为测量 X 射线强度的基础． 3．X 射线的衰减 X 射线穿过物质之后，强度会衰减。这是因为 X 射线同物质相互作用时经历各种复杂

的物理、化学过程，从而引起各种效应转化了入射线的部分能量。如下图所示：

图 3 X 射线的衰减

假设入射线的强度为 R0，通过厚度 dx 的吸收体后 ，由于在吸收体内受到“毁灭性”

的相互作用，强度必然会减少，减少量 dR 显然正比于吸收体的厚度 dx，也正比于束流的

强度 R，若定义 μ 为 X 射线通过单位厚度时被吸收的比率，则有（图 3）：

dR Rdxμ− = （1）

考虑边界条件并进行积分，则得：

0xR R e μ−= （2）

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透射率 0

RTR

= ，则得：

xT e μ−= （3）

xμ 或 lnT=- （4）

式中 μ 称为线衰减系数，x 为试样厚度。我们知道，衰减至少应被视为物质对入射线的散射和吸收的结果，系数 μ 应该是这两部分作用之和。但由于因散射而引起的衰减远小于因吸收而引起的衰减，故通常直接称 μ 为线吸收系数，而忽略散射的部分。

本实验研究 X 射线的衰减与吸收体厚度的关系，以及吸收体物质种类（原子序数）的关系。

【实验仪器】

1、X 射线实验仪 图 4 为 X 射线实验装置示意图，其正面装有两扇铅玻璃门，既可看清楚 X 光管和实验装置的工作状况，又保证了人身不受到 X 射线的危害．为保护操作者的安全，一旦打开玻璃门，X 光管上的高压会立即断开．该装置分为三个工作区：中间是 X 光管，右边是实验区，左边是监控区．X 光管的结构在实验原理中已介绍，这里不重复． 右边的实验区可安排各种实验．

A1：准直器——准直器前后端面各开有一条狭缝，使得从准直器出射 X 光形成一束平行的片状光束．准直器前端可套上各种滤波器；

A2：安放晶体样品的靶台；

A3：装有 G - M 计数管的传感器，它用来探测 X 光的强度．G - M 计数管是一种用来测量 X 射线强度的探测器，其计数率与所测 X 射线的强度成正比．由于本装置的 X 射线强度不大，因此计数管的计数率较低，计数的相对不确定度较大；（根据放射性的统计规律，射线的强度可表示为 N N± ，故计数率 N 越大相对不确定度越小．）延长计数管每次测量的持续时间，从而增大总强度计数 N，有利于减少计数的相对不确定度．

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A2 和 A3 都可以转动，并可通过测角器分别测出它们的转角． A4：荧光屏，它是一块表面内涂有荧光物质的圆形铅玻璃平板，平时外面有一块盖板

遮住，以免环境光太亮而损害荧光物质；让 X 光打在荧光屏上，打开盖板，即可在荧光屏的右侧外面直接看到 X 光的荧光，但因荧光较弱，此观察应在较暗的环境中进行．

左边的监控区包括电源和各种控制装置． B1：液晶显示区，分上下两行，上行显示 G - M 计数管的计数率 N（正比与 X 光光强

R），下行显示工作参数． B2：大转盘，用来调节和设置各参数．转动时应缓慢。 B3 含五个设置按键，确定 B2 所调节和设置的对象，这五个按键从上至下依次是： 1) U：设置 X 光管上所加的高压值（通常取 35 KV）； 2) I：设置 X 光管内的电流值（通常取 1.00 mA）； 3) Δt：设置每次测量的持续时间（通常取 5 s ~ 10 s）； 4) Δβ：设置自动测量时测角器每次转动的角度，即角步幅（通常取 0.1 °）； 5) β - LIMIT：在选定扫描模式后，设置自动测量时测角器的扫描范围，即上限角与

下限角．（第一次按此键时，显示器上出现“↓”符号，此时利用 B2 选择下限角；第二次按此键时，显示器上出现“↑”符号，此时利用 B2 选择上限角．）

B4 有三个扫描模式选择按键和一个归零按键．三个扫描模式按键从左至右依次是： 1) SENSOR：传感器扫描模式，按下此键时，可利用 B2 手动旋转传感器的角位置，

也可用β - LIMIT 设置自动扫描时传感器的上限角和下限角，显示器的下行此时显示传感器的角位置；

2) TARGET：靶台扫描模式，按下此键时，可利用 B2 手动旋转靶台的位置，也可β - LIMIT 设置自动扫描时传感器的上限角和下限角，显示器的下行此时显示靶台的角位置；

监控区 X光管 实验区

B1

B2B3

B4

B5

A1 A2 A3 A4

此区内所有操作必须带上手套进行！！

图 4 X 射线实验仪

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3) COUPLED：耦合扫描模式，按下此键时，可利用 B2 手动同时旋转靶台和传感器的角位置——传感器的转角自动保持为靶台转角的 2 倍（如图5），而显示器的下行此时显示靶台的角位置，也可用β - LIMIT 设置自动扫描时传感器的上限角和下限角．

4) 归零按键是 ZERO：按下此键后，靶台和传感器都回到 0 位，但此 0 位是上次实验时人为确定的．

B5 有五个操作键，它们依次是： 1) RESET：按下此键，靶台和传感器都回到测量系统的 0 位置，所有参数都回到缺

省值，X 光管的高压断开： 2) REPLAY：按下此键，仪器会把最后的测量数据再次输出至计算机或记录仪上；

3) SCAN(NO/OFF)：此键是整个测量系统的开关键，按下此键，在 X 光管上就加了高压，测角器开始自动扫描，所得数据会被储存起来（若开启了计算机的相关程序，则所得数据自动输出至计算机．）；

4) ：此键是声脉冲开关； 5) HV(ON/OFF)：此键开关 X 光管上的高压，它上面的指示灯闪烁时，表示已加了

高压． 2、吸收体

如图 6 所示，实验中用到两种吸收体来研究 X 射线衰减与吸收体厚度、吸收体物质（原子序数）的关系。

图 6 吸收体

吸收体 1：铝质，厚度分别为 0，0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3mm。 吸收体 2：厚度均为 0.5mm，材质分别为聚苯乙烯（原子序数 Z=6）、铝（Z=13）、铁（Z=26）、

铜（Z=29）、锆（Z=40）、银（Z=47）。 【实验内容】

1． 观察 X 射线影像，记录下看到的情况，并进行分析。 1) 研究荧光屏亮度变化

移走准直器, 在传感器扫描模式下将传感器转至一合适角度，使之不影响 X 射线对荧光屏的照射。移去荧光屏保护盖。 关闭铅玻璃门，打开高压源，设置加在 X 光管上的电流为 1mA，改变高压值从 0到 35kV，观察荧光屏上亮度变化。 关闭铅玻璃门，打开高压源，设置加在 X 光管上的高压为 35kV，改变电流值从 0

图 5：COUPLED 模式下靶台和传感器的角位置

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到 1mA，观察荧光屏上亮度变化。 2) 将计算器夹在支架上，打开铅玻璃门，将该物体放置于荧光屏和 X 射线源之间。

关闭铅玻璃门，打开高压源，设置加在 X 光管上的电流为 1mA，改变高压值从 0到 35kV，观察荧光屏上像亮度、对比度变化。 关闭铅玻璃门，打开高压源，设置加在 X 光管上的高压为 35kV，改变电流值从 0到 1mA，观察荧光屏上像亮度、对比度变化。

3) 请同学自己准备一两样含两种以上物质的物品（注：要考虑对 X 光的吸收不同和分布情况，其最大投影面积 < 7 cm × 7 cm）；设置加在 X 光管上的高压值和电流值，观察荧光屏上该物体的影像；

2．X 射线衰减

1) 吸收体的安装

仔细装上准直器，将吸收体系列的滑槽放进靶支架的 90°弯曲的狭缝中，并尽可能

的滑进靶支架。关闭铅玻璃门.按 ZERO 键，使测角器归零。 2）测量背景影响

设置 X 光管的高压 U=0KV，电流 I=0mA，角步幅 0 oβΔ = ，测量时间

3 0 0t sΔ = 。测量光强。

3）X 射线衰减与吸收体厚度的关系 ①直准器前没安装锆滤片（Zr） 按 ZERO 键，使测角器归零。

a、设置 X 光管的高压 U=21KV，电流 I=0.05mA，角步幅 0 oβΔ = ，测量时

间 1 0 0t sΔ = 。

b、按 TARGET 键，用 ADJUST 旋钮，使靶的角度依次为 0o、10o

、20o、30o

、

40o、 50o

、 60o（每转动10o

吸收体厚度增加 0.5mm）。

c、分别按 SCAN 键进行自动扫描、扫描完毕后，按 REPLAY 键，读取数据。绘制透射率随厚度 d 变化图、透射率对数值随 d 变化图，利用线性拟合得到线衰减系数 μ。

（选做）分别改变高压和管流，实验结果如何？ ②直准器前安装锆滤片（Zr）

按 ZERO 键，使测角器归零。

a、设置 X 光管的高压 U=21KV，电流 I=0.15mA，角步幅 0 oβΔ = ，测量

时间 2 0 0t sΔ = 。

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b、按 TARGET 键，用 ADJUST 旋钮，使靶的角度依次为 0o、10o

、 20o、

30o、 40o

、 50o、 60o

。

c、分别按 SCAN 键进行自动扫描、扫描完毕后，按 REPLAY 键，读取数据。绘制透射率随厚度 d 变化图、透射率对数值随 d 变化图，利用线性拟合得到线衰减系数 μ。

4）X 射线衰减与吸收体物质（原子序数）的关系 ①、直准器前没安装锆滤片（Zr）

按 ZERO 键，使测角器归零

a. 设置 X 光管的高压 U=30KV，电流 I=0.02mA，角步幅 0 oβΔ = ，测量

时间 3 0t sΔ = 。

b. 按 TARGET 键，用 ADJUST 旋钮，使靶的角度依次为 0o、10o

、20o。（每

转动约10o吸收体物质发生改变）。

c. 按 SCAN 键进行自动扫描。 d. 扫描完毕后，按 REPLAY 键，读取数据。

e. 设置 X 光管的高压 U=30KV，电流 I=1.00mA，角步幅 0 oβΔ = ，测量

时间 3 0 0t sΔ = 。

f. 按 TARGET 键，用 ADJUST 旋钮，使靶的角度依次为 30o、 40o

、 50o、

60o。

g. 按 SCAN 键进行自动扫描。 h. 扫描完毕后，按 REPLAY 键，读取数据。绘制线衰减系数 μ 随原子序数

Z 变化图。 ②直准器前安装锆滤片（Zr）

按 ZERO 键，使测角器归零

a. 设置 X 光管的高压 U=30KV，电流 I=0.02mA，角步幅 0 oβΔ = ，测量时间

3 0t sΔ = 。

b. 按 TARGET 键，用 ADJUST 旋钮，使靶的角度依次为 0o、10o

、 20o。

c. 按 SCAN 键进行自动扫描。

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d. 扫描完毕后，按 REPLAY 键，读取数据。

e. 设置 X 光管的高压 U=30KV，电流 I=1.00mA，角步幅 0 oβΔ = ，测量时间

3 0 0t sΔ = 。

f. 按 TARGET 键，用 ADJUST 旋钮，使靶的角度依次为、30o、40o

、50o、60o

。

g. 按 SCAN 键进行自动扫描。 h. 扫描完毕后，按 REPLAY 键，读取数据。绘制线衰减系数 μ 随原子序数 Z 变

化图。

【注意事项】

（1） 在铅玻璃门打开时不得打开 X 光管高压。 （2） 要带一次性手套安装吸收体、准直器等。操作时，要尽可能小心。

【思考题】

1． 为什么钼靶受电子轰击的面呈斜面？ 2． 假设阴极钨丝和阳极钼靶间的距离为 2 cm，设电子的初速度为零，试计算用 50 KV

操作时，X 射线管中的电子在撞击钼靶时的速度和动能，所发射的 X 射线短波限为多少？

【附录】—与 X 射线有关的诺贝尔奖列表：

1895 年德国物理学家伦琴(W. C. Röntgen)发现了 X 射线，初步研究了其性质。他于 1901年成为了世界上第一位诺贝尔奖获得者

1910~1912 年劳厄(M. Von Laue)在其研究生夫里德里克(W. Friedrich)及尼平(P. Knipping)的协助下完成了五水硫酸铜单晶对 X 射线的衍射实验，一箭双雕的证明了 X 射线的波动性本质及晶体结构排列的周期性质。1914 年劳厄师生获得了诺贝尔奖

1912 年英国物理学家布拉格(W. H. Bragg)发现了 X 射线的特征谱线，后经莫塞莱(H. G. Moseley)系统化，1913 年布拉格（W. L. Bragg)用比劳厄更简单的公式表达了 X 射线在晶体中产生衍射的必要条件（布拉格方程）。1915 年布拉格父子获得了诺贝尔奖

1985年赫普特曼(H. Hauptman)及科尔勒(J. Karle)因发展了X射线分析的“直接法”获得了诺贝尔奖