4、X射线源的物理原理与X射线管相关知识

X射线源的物理原理与X射线管相关知识

1. X射线源的物理原理

1.1 X射线的产生过程

X射线是通过原子层面的物理过程产生的。波长在10⁻¹²到10⁻⁸米（0.01 - 100 Å）范围内的电磁辐射量子（在医学应用中，范围为6×10⁻¹²到1.2×10⁻¹⁰米（0.06 - 1.2 Å））是由两种过程产生的：
- 电子在原子内壳层之间的跃迁 ：当电子从能量较高的壳层跃迁到能量较低的壳层时，会发射出一个能量等于两个壳层能量差的辐射量子。物理学家称这种辐射为特征X射线辐射，其典型量子能量范围在0.052 - 129.544 keV。由于原子中只允许具有特定能量水平的壳层存在，所以特征辐射的量子能量只能在这个范围内取离散值。
- 带电粒子在物质内被电磁场减速 ：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，损失的能量会以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，在德语中是制动或减速辐射的意思。

1.2 特征X射线的产生

当物质被具有足够大动能的带电粒子轰击，使得电子被从原子轨道中撞出时，就会发射特征X射线。假设一个电子从能量水平为E₁的壳层被撞出，大约在10⁻¹⁵秒后，另一个来自能量较高的E₂壳层的电子会填补这个空位，同时发射出一个能量为$hν = E₁ - E₂$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。

原子中的能量水平可以由以下方程定义：
$E(n, l, j) = c₁\frac{m}{m + mₑ}(Z - r₁)²