x射线管的结构
- x射线管是一种把电输入转换成x射线的装置
- 它由四个主要部分组成:
- 加热阴极
- 一个阳极
- 金属靶
- 高压电源
- x射线的产生有许多实际用途,例如:
- 医学影像(放射学)
- 安全
- 工业成像
x射线管的主要部件是加热的阴极、阳极、金属靶和高压电源
组件的作用
热阴极
- 在管的一端是阴极(负极),由电流加热
- The热使电子从阴极释放出来,聚集在阴极表面附近的云团中
- 这个过程热电子发射电子的来源是什么
阳极
- 在管的另一端,一个阳极(正极)连接到高压电源
- 这使得电子被加速到200千伏的电压
- 当电子到达阳极时,它的动能是200kev(根据an的定义)electronvolt)
- 只有大约1%的动能转化为x射线
- 其余的转化为热能
- 因此,为了避免过热,阳极以3000转/分的速度旋转,有时用水冷却
金属目标
- 当电子以高速撞击目标时,它们失去了一些动能
- 它以x射线光子的形式发射出来
- 一个耐热的金属块,通常是钨,嵌在阳极的末端,面向阴极
- 这是电子与之碰撞产生x射线的物质
高压电源
- 高压电源在阴极和目标之间产生很大的电位差(> 50 kV)
- 这导致阴极周围云团中的电子被加速到高速度,朝着目标撞击,产生x射线
其他组件
- x射线从各个方向产生,所以管子被铅屏蔽
- 这是为了确保操作人员和接受x光的人的安全
- 一个可调节的窗口可以让集中的x射线束逸出并被安全控制
- 阳极和阴极被安置在一个真空室
- 这是为了确保电子在到达金属目标的过程中不会与任何粒子碰撞
x射线光子的产生
- 当快速移动的电子与目标碰撞时,x射线会通过以下两种方法之一产生
- 方法1:轫致辐射
- 方法2:特征辐射
方法一:轫致辐射
- 当高速电子与金属目标碰撞时,它们会经历急剧的减速
- 当带电粒子快速减速时,释放的部分能量会转化为光子
- 由于能量守恒,当电子在钨中减速时,来自入射电子的少量动能(~ 1%)转化为x射线
- 剩余的能量加热阳极,这通常需要某种形式的冷却
- x射线光子的能量可以是任何值,直到电子的原始动能,给出一个可能的x射线能量的分布
- 这些x射线导致连续或者在强度波长图上的“平滑驼峰形”线
- 当一个电子被加速时,它获得的能量等于电子伏,这个能量可以用以下公式计算:
E马克斯=电动汽车
- 这是最大的能量x射线光子所能拥有的
- 最小的波长等于最高的频率,因此也就等于最高的能量
- 这是假设所有电子的动能都转化为电磁能
- 因此,x射线频率最大f马克斯,或最小波长λ最小值,可产生的,则用以下公式计算:
- 的最大x射线的频率,f马克斯,因此等于:
- 最低x射线波长,λ最小值,因此等于:
- 地点:
- e=元电荷(C)
- V=正极电位差(V)
- h=普朗克常数(J s)
- c=的光速(m s−1)
方法二:特征辐射
- 一些进入的快速电子导致钨的内壳层电子被“敲出”原子,留下一个空位
- 这个空位被一个向下移动的外部电子所填补,并释放出一个x射线光子(能量等于两个能级之间的差)。
- 因为这些x射线是由能级跃迁引起的,所以它们只有特定的离散能量
- 它们在强度波长图上引起尖峰
- 尖峰的数量取决于用于目标的元素——钨靶有两组尖峰,代表两组可能的能量转变
工作的例子
x射线是一种波长为10的电磁波−8到10−13米
如果x射线管中的加速电位差是60千伏,确定发射的光子是否在这个范围内。
第一步:写出已知的数量
-
- 电子上的电荷,e= 1.6 × 10−19C
- 加速电位差,V= 60000伏
- 普朗克常数,h= 6.63 × 10−34J s
- 光速,c= 3 × 108m s−1
第二步:确定光子的最大可能能量
-
- 光子的最大可能能量对应于电子可能拥有的最大能量:
E马克斯=电动汽车
步骤3:确定最小波长的表达式
普朗克的关系:E=高频
波动方程:c=fλ
-
- 当能量为最大值时:
E马克斯=eV = hf马克斯
-
- 最大能量对应于最小波长:
-
- 重新排列最小波长,λ最小值:
第四步:计算最小波长λ最小值
λ最小值= 2.1 × 10−11米
第五步:评论这是否在x射线波长的范围内
-
- x射线波长在10−8到10−13米
- 60kv电源的最小波长为2.1 × 10−11m表示产生的光子是x射线
工作的例子
由电子轰击金属目标所产生的x射线辐射的典型光谱如下所示。
解释:
(部分)
步骤1:考虑电子从阴极到阳极的路径
-
- 当带电粒子经历大的加速或减速时就会产生光子
- x射线管向金属靶发射高速电子
- 当电子与金属目标碰撞时,它会在减速时以x射线光子的形式损失能量
第二步:考虑电子的能量和光子波长之间的关系
-
- 光子的波长取决于减速电子传递的能量
- 当电子撞击目标时,并不是所有的电子都经历相同的减速
- 这导致了能量的分布,因此,一个范围,或连续观察波长的光谱
部分(b)
第一步:确定强度的重要性
-
- 该图的强度表示以特定能量或波长产生的光子的比例
- 强度越高,产生的特定波长的光子就越多
- 换句话说,总强度是具有特定波长的所有光子的和
第二步:解释图表的形状
-
- 当一个电子与金属靶碰撞时,就会产生一个光子
- 大多数电子只会放弃一部分能量,因此在波长高于最小值(或能量低于最大值)的地方会产生更多的x射线。
- 在短波长,梯度更陡,因为只有少数电子转移了全部或大部分的能量
部分(c)
第一步:确定最小波长和最大能量之间的关系
-
- x射线的最小波长等于
-
- 由方程可知,电子的最大能量与最小波长是成反比的
-
- 因此,电子的能量越高,产生的x射线波长就越短
第二步:解释分界点的存在
-
- 加速电压决定了电子在撞击目标之前的动能
- 因此,这个加速电压的值决定了最大能量的值
- 这对应于最小波长,或截止波长