4、X射线源的物理原理与X射线管技术解析

X射线源的物理原理与X射线管技术解析

1. X射线源的物理原理

1.1 X射线的产生机制

X射线是由物质在原子层面发生的物理过程产生的。波长范围在10⁻¹²到10⁻⁸米（0.01 - 100 Å）（医学应用中为6×10⁻¹²到1.2×10⁻¹⁰米（0.06 - 1.2 Å））的电磁辐射量子，是由两种过程产生的：原子内壳层电子的跃迁和物质内电磁场导致的带电粒子减速。

• 特征X射线辐射 ：当电子从高能级壳层跃迁到低能级壳层时，会发射出能量等于两壳层能量差的辐射量子，这种辐射被称为特征X射线辐射，其典型量子能量范围在0.052 - 129.544 keV。由于原子中只有特定能级的壳层是允许的，所以特征辐射的量子能量只能在这个范围内取离散值。
• 轫致辐射（连续X射线） ：当物质内的电磁场使带电粒子（如电子、质子、α粒子或重离子）减速时，损失的能量以X射线量子的形式发射出来。这种能量可以在高达20 MeV的范围内取任意值，这种类型的X射线辐射通常被称为轫致辐射。

1.2 特征X射线的产生过程

当物质被具有足够大动能的带电粒子轰击，能够将原子中的电子从其轨道上撞出时，就会发射特征X射线。假设一个电子从能量为E₁的壳层被撞出，大约在10⁻¹⁵秒后，另一个来自能量为E₂的高能级壳层的电子会填充这个空位，同时发射出能量为$hν = E₁ - E₂$的辐射量子，其中h是普朗克常数，ν是发射的辐射量子的频率。

原子中的能级可以由以下方程定义：
$E(n, l, j) = c₁\frac{m}{m + m