了解X射线谱特性与特征谱

X射线由高速运动电子的轫致辐射过程产生。即电子接近原子核时，与原子核的电场作用，发生偏转、急剧减速，其动能转化为电磁辐射，产生连续谱X射线。轫致辐射也称为碰撞辐射。

在工业射线无损检测技术中，在X射线管中产生X射线。X射线强度随波长的分布如图1-1所示。射线强度随波长分布的关系称为X射线谱。从图中可以看到，X射线谱由两部分组成：连续X射线谱和特征X射线谱（标识X射线谱）。

连续谱是图中从最短波长开始，随着波长的加长强度连续变化的部分。特征谱是在某些波长部位叠加在连续谱上的线状谱部分。两种谱的特点不同，产生的机理也不同。

图1-1 X射线谱示意图

连续谱的基本特点可概括为三点：一是在连续的波长范围内存在最短波长λ_min；二是存在辐射强度最强的波长λ_m；三是辐射强度分布与波长相关。

在最短波长与最强波长之间，强度随波长的增加而迅速增加；在最强波长之后，随着波长的增加强度降低；在波长较长部分强度很小。连续谱强度分布的上述特点，可以从一定能量的大量电子在靶面上的减速过程的随机性来理解。

最短波长和电子加速电压（X射线管上施加的电压V）之间的关系可导出如下。

电子到达阳极时具有的动能为

式中 v——电子运动速度。

设电子在一次撞击过程损失了全部的动能，按能量守恒定律，则轫致辐射产生的连续谱的最短波长和加速电压之间应有下述关系：

式中 c——光速。

代入各值，则可得到

式中 V——加速电压（kV）。

通常认为，关于连续谱X射线某一波长强度的关系式为

式中 B、C——常数。

由于常数B远小于常数C（适用于波长小于5×10^-10m情况），故略去第二项，此式变为

通过此式可求得最强波长与最短波长的关系。对此式求偏导数得

对于强度最强的波长，则此导数值应为0，即

因此有

解此方程，得到

即强度最强处的波长与最短波长的关系应满足上述关系。写成通常习惯的样式，则(www.xing528.com)

这就是连续谱的最强波长λ_m与最短波长之间的近似关系。

连续谱总强度与施加的管电压、管电流以及靶物质原子序数相关，关系式为

式中 i——管电流（mA）；

Z——靶物质的原子序数；

V——管电压（kV）；

α——系数，在上述单位下约为（1.1～1.4）×10^-6。

图1-2显示了连续X射线谱的强度与管电压、管电流和靶物质原子序数关系的基本特点。

图1-2 连续X射线谱的强度与V、i、Z的关系

由图1-1可知，叠加在连续谱上的线状谱线，即仅在某些特定波长位置出现的强度很大的谱线，称为特征谱（或标识谱）。特征谱产生于跃迁辐射过程。特征谱线可由一次激发产生，即由电子激发原子的壳层电子产生。特征谱线也可由二次激发产生，即由射线光子激发原子的壳层电子产生。二次激发产生的特征辐射通常称为荧光辐射。

特征谱线是电子在轨道间跃迁时产生的辐射。当加速电压超过一临界值——靶物质的激发电压时，靶物质受电子轰击，其轨道电子可被击出，产生空位，高能量轨道电子跃迁到空位时产生辐射，这即是特征谱或标识谱。图1-3是特征谱线产生示意图。特征谱线可以分为系，分别命名为K系、L系、M系等特征谱线。K系特征谱线是原子外层轨道的电子跃迁到K层轨道时产生的特征谱线，L系特征谱线是原子外层轨道的电子跃迁到L层轨道时产生的特征谱线，M系特征谱线是原子外层轨道的电子跃迁到M层轨道时产生的特征谱线，如此等等。

不同原子具有不同的轨道电子结构，因此不同元素具有不同的激发电压。只有施加的管电压超过靶物质的激发电压时，才可能产生特征谱。图1-4是不同元素特征谱的激发电位；表1-1列出了部分元素特征谱线的激发电位。

任一特征谱线的波长与发射体的原子序数相关。谱线频率与发射体原子序数间可建立如下的关系：

式中 C——常数，对所有元素的同一谱线相同，但对不同谱线不同；

σ——常数，对同一系所有谱线相同。

可见，特征谱线的频率随发射体原子序数的增加而增大，即特征谱线的波长随发射体原子序数的增加而减小。这个关系称为莫塞莱定律，如图1-5所示，它显示了不同发射体特征谱线的频率与波长。

图1-3 特征谱线产生示意图

图1-4 不同元素特征谱的激发电位

表1-1 部分元素特征谱线的激发电位 （单位：kV）

由于存在俄歇效应，导致电子在层间跃迁时，并不都是发射特征谱线，会出现发射俄歇电子的情况。为描述发射特征谱线的情况，在特征谱线研究中引入“荧光产额”这一术语。对于某系特征谱线，荧光产额定义为单位时间发出的该系谱线的全部光子数与同一时期内形成的该系（壳层）空位数之比。荧光产额表述的是某壳层空位被填充并发射特征谱线的概率，但不考虑该壳层空位的产生过程。图1-6给出的是荧光产额与元素原子序数的一般关系。

图1-5 莫塞莱定律

物质（元素）不同，原子的电子层结构不同，特征谱线的结构也不同。由于原子的电子层具有复杂的能级结构，所以特征谱线的每一系也有复杂的结构。特征谱线的这些特点反映了物质原子结构的特点。也正是因为这点，才称这些谱线为特征谱线或标识谱线。从特征谱线的结构和波长能够识别原子的结构特点，能够识别组成材料的元素。例如，X射线荧光光谱分析技术，可以检查物体表面层的构成元素。

在工业射线无损检测技术中，一般不考虑特征谱线。