x射线的穿透深度
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B.B rinkm an。
合作者是哥伦比亚大学的S. Kahn。
联合体的其他研究所包括英国莫拉德空间科学实验室、伦敦大学学院和瑞士Paul Scherrer研究所。
光学监视器是一台能用可见光和紫外光研究天空的望远镜。
它是由英国、美国和比利时的研究所联合体制造,由莫拉德空间科学实验室K.O.M as on领导。
虽然与地面望远镜相比,30c m直径的主反射镜并不算大,但当升至地球大气层上时,其性能却与最大和最好反射镜一样。
英国光学表面公司负责生产这二块反射镜。
反射镜以极高的精度涂以铝层,表面最大的“凸起”不大于1nm,或小于单个金原子宽度的一半。
(如将这些反射镜的面积扩大,足以复盖大西洋,其最大的纹波高度小于1 mm)。
经四个月抛光后,这些反射镜在地下车间制造,以减少振动和提供稳定的温度环境。
如果望远镜想要达到寻找几十万个将被X MM发现的新X射线源的目的,必须要有这样的精度。
直到现在,跟踪发现许多X射线源和星系极端困难,因为它们在可见光区非常微弱。
用可见和近紫外光研究用观察站的X射线仪器研究过的相同天空,光学监测站将会克服这个问题。
它还包括一台谱仪,使天文学家知道关于被观察物体的温度和组成等更多信息。
如果所有这些都进行得顺利,X MM将使X射线天文学发生革命。
或许能发现100万个新X射线源,从爆炸的星球到炽热的星际气体和正被扫进黑洞的物质盘。
(范品忠供稿) 收稿日期:2001—06—01X射线的穿透深度高鸿奕 谢红兰 陈建文 徐至展(中科院上海光机所,上海201800)提 要 X射线的穿透深度对硬X射线而言,穿透力是很强的。
对于软X射线,则几乎是不透明的,它随着波长的增加而减弱。
X射线的穿透能力对不同的物质相差也可达10个量级以上。
关键词 X射线, X射线显微术1 从伦琴发现X射线说起 X射线能穿透多深?这似乎是一个无须多加讨论的问题,因为X射线常常给人们一个穿透能力很强的印象。
翻开X射线发现的历史,似乎能一目了然。
1895年11月8日傍晚,伦琴正在维尔汉堡大学做着阴极射线管中气体放电的实验。
为了避免可见光的影响,特地用黑纸将放电室包封,以防止阴极射线和可见光的干扰。
当把高压加到放电管上时,一个奇怪的现象发生了:在离放电管1m多远的实验台上出现浅绿色的亮光。
经过认真观察发现是从一块涂有铂氰酸钡的纸屏上发出的。
他将纸屏移远至2m还有荧光;他又将纸屏翻转过来,仍有莹光出现。
这时伦琴已经意识到,这不是阴极射线,而是一种以前从未发现过的射线,他把这种神秘的未知射线叫作X射线。
在接下去的七周中,他对这种射线的性质作了进一步研究。
发现这种射线是直线传播,既不折射,也不被磁场偏转,尤其是有很强的穿透性,能透过上千页的图书,穿过2～3c m的木板,15mm厚的铝板,但透不过几毫米的铅板。
更有趣的是,在更换各种阻挡物时,他发现了自己手指骨的轮廓。
于是,1895年12月22日,伦琴用这种射线给他夫人拍了世界上第一张骨胳的X光照片,照片上指骨和结婚戒指清晰可见。
当伦琴公布他的研究报告时,全世界为之轰动。
X射线在被发现三个月后,便在维也纳的医院里首次用于人体拍片。
科学上的一个重大发现,能被如此快地应用到实际中去,也是罕见的。
伦琴也因此在1901年12月获得了历史上第一个诺贝尔物理学奖。
可见,X射线从被发现开始,便以它的强穿透性而著称于世。
2 X射线的本质经过近百年的探索与发展,人们已经发现了X射线具有各种波长,对其本质也作了全面的了解。
人们发现X射线的本质和光一样,也是一种电磁辐射,它复盖了从0101nm 到10nm的很宽的波段范围,在电磁波谱中处于紫外线和Χ射线之间。
对应的能量范围从125e V到125ke V。
通常把能量较高的X 射线称为硬X射线,波长在0101nm～011 nm之间;波长在011nm以上的则称为软X 射线。
人们所熟知的具有很强穿透力的X射线,仅仅是整个X射线谱中的一部分。
并非所有的X射线都具有很强的穿透能力。
同一种X射线,在不同物质中的穿透能力也有明显差异[1]。
如:对“水窗”波段的软X射线而言,它穿透生物样品的能力只有几十个微米[2]。
3 X射线的穿透深度X射线的穿透深度可以表示为t0=1ΛmΘ(1) t0为X射线由初始强度衰减到e-1倍时所穿过的样品厚度,Λm为物质的质量吸收系数,Θ为物质密度。
表1列出了X射线对几种典型物质的穿透深度及其吸收系数。
表1 X射线在部分元素中的质量吸收系数Λm(c m2 g)及穿透深度t0(c m)元素波 长(nm)01010105011015110210H Λm0129014001452112131769 t03186×1042180×1042149×1045128×1038171416213Be Λm011301190153441913122178t04120218811030101201001752151×10-4C Λm011401311154139149706760t0210311090118401002042193×10-44120×10-5N Λm01140140213721416149510413 t057141320001033716317301535010768O Λm01140153314531213217515149 t049951013191420217212401322010462Fe Λm01261312392136102971734656t0014879157×10-31137×10-31123×10-41176×10-52172×10-5Pb Λm3141491766161098764822997 t00102551175×10-31131×10-37193×10-51114×10-53179×10-6 上表中H 、N 、O 的穿透深度分别根据各元素对应的单质气体密度计算,C 元素的单质按金刚石计算。
图1 部分元素的X 射线衰减系数及穿透深度图2 X 射线线性吸收系数和电子线性散射系数由表1及图1中的数据可以看出X 射线的穿透能力在0101nm 到210nm 范围内对不同的物质相差可达10个量级以上。
即使对同一种物质,穿透深度也有4个量级的变化。
只有波长较短的硬X 射线才有比较大的穿透深度。
对于较长波段的软X 射线来说,在固体中的穿透深度只有微米量级,在空气中也不到1mm 。
显然对这个波段的X 射线来说几乎没有透明的物质,X 射线只能在真空或H 2、H e 气体中才能传播较长的距离。
值得注意的一个有趣现象是:处于213～414nm 波段的软X 射线有一种特殊性质,就是它对水的透过率比对蛋白质或碳水化合物的透过率高将近一个数量级。
这就是所谓的“水窗”(见图2)波段。
4 X 射线的应用前景“水窗”波段的X 射线的特殊性质,为其对生物样品的成像提供了天然对比度增强机制[3],使得“水窗”波段的成像方法成为对生物样品成像强有力的竞争者。
目前正在发展中的X 射线显微术就是应用之一。
相比之下,电子显微镜的电子束对蛋白质和水,其透过率没有多大差异(见图2),穿透能力也很差,一般的高能电子束约在011Λm 以下,因此需要首先对样品进行脱水、染色、切片等人工处理[4]后才能成像,不能反映活性状态下的样品信息。
把X 射线的穿透性和相干性结合起来,还可以拍摄X 射线全息图。
X 射线全息图不但能记录样品的表面信息,而且能记录样品深部的信息。
记录的全息图不但可以用通常的光学方法观察经过放大的全息像,也可用计算机进行数字重现,得到一系列从不同角度观察的各个断层中具有一定三维立体度的图像。
而用电子显微镜仅仅获得平面的断层图像。
因此X 射线全息对于在细胞水平上对生物样品作全面的、整体的、动态的分析有着极其重要的意义。
迄今为止,由于X 射线的热破坏,我们还无法观察活细胞的内部结构。
然而X 射线激光的研究进展,为我们提供了这方面的可能性。
利用X 射线激光的高亮度和短脉冲的优点,使得在生物样品热破坏之前,就已经记录完毕X射线全息图。
这使我们不但有可能观察活细胞的内部结构,而且可能看到细胞内部分子构成的变化过程。
例如,负责感觉细胞接收信号的分子构成的变化、和视网膜细胞中类脂双层盘上生物大分子的光化学变化,以及信号从一个神经细胞传递到另一个神经细胞时,神经传递质泡如何穿越前突触膜等生物学过程仍然是一些悬而未决的谜。
X射线的特殊性质,必将成为生命科学研究最有效的手段之一。
目前还难以推测它将为生命科学带来何等惊人的变化。
参考文献1 J.C.Sole m,G.C.Baldw in,S icence,1982,218:2292 R.A.London,M.D.Rosen,J.E.T rebes,A p p l.O p t., 1989,28:33973 高鸿奕,陈建文等,软X射线显微术.自然杂志,2001, 23(1):33～394 陈建文,徐至展,朱佩平等,X射线全息术.物理学进展,1995,15(2):125～147The Penetra ti on of X-RaysGao Hongyi X ie Honglan Chen J ianw en Xu Zh izhan(S hang hai Institu te of O p tics and F ine M echanics,A cad e m ia,S inica,S hang hai201800)Abstract T he penetrability is differen t betw een hard X2ray and s oft X2ray.It is very strong for hard X2ray and turn s w eak w ith the increasing of the w avelength.A s for s oft X2ray,it is al m o st opacity.T he penetrati on of X2rays differs by10orders of m agnitude in regi on of0.01nm to2.0nm.(上接第14页)7 小结本文介绍了把数值孔径0185的二组透镜与Ga N半导体激光器组合在一起,采用DVD大小的相变媒体可以实现22Gbyte大容量光盘记录重现装置。
新设计的二组小直径非球面透镜、宽带二轴电磁传动装置大幅度提高了高数值孔径光学传感器的焦点及磁道控制性能,可以作为高传输速度光盘装置使用,并充分确保其性能。
