第一章---X射线的物理学基础.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1912,年，法国物理学家劳厄提出,2,个假设：,X,射线是电磁波，波长为原子线度的,1/10,；,X,射线能产生衍射,第一章,X,射线的物理学基础,劳厄方程,第一章,X,射线的物理学基础,英国布拉格父子从,反射角度,提出设想，并推导出了著名的,布拉格方程,：,2dsin=n,第一章,X,射线的物理学基础,1913,年，布拉格用,X,分光计首次测出了,NaCl,晶体结构,1.1,X,射线的性质,1.2,X,射线的产生,1.3,X,射线谱,1.4,X,射线与物质的相互作用,1.5,X,射线的衰减规律,1.6,吸收限的应用,第一章,X,射线的物理学基础,1.1 X,射线的性质,1.1 X,射线的性质,本质,电磁波，波长（,0.0110nm,）介于紫外线和,射线之间，呈现波粒二象性。,nm,m,mm,cm,m,km,波长,（）,射线,可见光,微波,无线电波,UV,IR,射线,1.1 X,射线的性质,波动性,X,射线以一定频率和波长在空间传播，反映物质运动连续性，可以解释在传播过程中发生的,干涉、衍射,等现象。,硬,X,射线,波长较短,的,X,射线。能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的,无损探伤及金属物相分析,。,软,X,射线,波长较长,的,X,射线。能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析。,X,射线衍射分析常用波长,0.05,0.25nm,，其中金属材料：,0.005,0.1nm,。,1.1 X,射线的性质,粒子性,X,射线以光子形式辐射和吸收，具有一定质量、能量和动量，反映物质运动的分立性。表现在与物质相互作用和交换能量的时候，如,光电效应、二次电子,等。,X,射线光子的频率,、波长,、光子能量,和动量,p,之间关系如下：,=h=hc/,p=h/,返回,1.2 X,射线的产生,以某种方式产生一定量自由电子,在高真空中，在高压电场作用下迫使这些电子做定向运动,在电子运动方向上设置障碍物以急剧改变电子运动速度,X,射线管,条 件,1.2 X,射线的产生,1.2X,射线的产生,阴极,阳极,结构,阴极,发射电子，灯丝外设金属聚焦罩，用于聚焦电子束。常用,W,丝。,阳极,产生,X,射线，由熔点高、导热好的铜制成，并镀一层,Cr,、,F e,、,Co,、,Ni,、,Mo,等金属以,产生不同波长,X,射线。,1.2X,射线的产生,工作原理,阴极,阳极,X,射线接收,与靶面呈,6,方向接收,这种,X,射线管的功率比较低，一般为,500w3000w,1.2 X,射线的产生,1.2 X,射线的产生,主要由于高速运动电子的动能仅,1%,转变成,X,射线，其余,99%,都转变成,热能，功率过高靶面容易烧熔。,如何提高功率？,旋转阳极靶：阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，不会出现烧熔，功率可提高至,100kw,。,旋转阳极靶,X,射线管,X,射线的产生,同步辐射加速器,同步辐射是由以接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动改变运动方向时所产生的电磁辐射，其本质与我们日常接触的可见光和,X,光一样，都是电磁辐射。由于这种辐射是,1947,年在同步加速器上被发现的，因而被命名为同步辐射（,Synchrotron radiation,）。,特点：宽波段、高准直、高偏振、高纯净、高亮度、窄脉冲、可精确预知，此外，同步辐射光还具有高度稳定性、高通量、微束径、准相干等独特而优异的性能。,返回,1.3 X,射线谱,X,射线谱,X,射线强度随波长变化的曲线,连续,X,射线谱,特征,X,射线谱,1.3 X,射线谱,1.31,连续,X,射线谱,1,、,含义,由波长连续变化的,X,射线构成，也称白色,X,射线或多色,X,射线。,由图示曲线可知，每条曲线,都有一,强度极大值,（对应波,长,m,）和一个,波长极限值,（,短波限,0,）。,强度极限,短波限,1.3 X,射线谱,如何解释连续谱的形成？,量子理论,当能量为,1eV,的电子与阳极靶原子碰撞时，电子损失自己的能量，其动能的一部分以,X,光子的形式辐射出来，其余部分转化为热能。在与阳极靶相碰的众多电子中，有的发生一次碰撞，即辐射一个光子，有的则多次碰撞辐射多个能量各异的光子，它们的总和构成连续谱。,1.3 X,射线谱,极限情况,：一个电子经一次碰撞即把所有能量转变为光子能量，光子能量达到最大。,1.3 X,射线谱,最大能量光子即具有最短波长,短波限,0,。,结论,短波限,0,与加速电压（管电压）有关，而与阳极靶材（,Z,）无关,。,1.3 X,射线谱,影响连续谱因素：,管电压,U,、管电流,I,和靶材,Z,I,、,Z,不变，,增大,U,U,、,Z,不变，增大,I,U,、,I,不变，,增大,Z,强度提高,，,m,、,0,移向,短波,强度一致提高，,m,、,0,不变,1.3 X,射线谱,管电压,U,管电流,I,靶材原子序数,Z,1.3 X,射线谱,2,、,X,射线强度,垂直,X,射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和,。,X,射线强度,I,取决于光子的能量,h,和光子数,n,，因此连续谱中强度极值不在短波限，而在约,1.5,0,处。,I,c,=KiZV,m,K,：,1.110,-9,1.410,-9,；,m,=2,；,Z,：靶材原子序数；,V,：管电压；,i,：管电流,X,射线管效率,电子流能量中用于产生,X,射线的百分数，即,1.3 X,射线谱,1.3.2,特征,X,射线谱,1,、,含义,由,一定波长,的若,干,X,射线叠加在连续谱上构成，,也称单色,X,射线和标识,X,射,线。,当管电压超过某临界值时才,能激发出特征谱,。,如图所示，,U,管,=35KV,时，,波长,0.63,埃和,0.71,埃处出,现特征峰。,强度极限,短波限,2,、产生机理,当管电压达到或超过某一临界值时，阴极发出的电子在电场加速下将靶材物质原子的内层电子击出原子外，原子处于高能激发,态，有自发回到低能态,的倾向，外层电子向内,层空位跃迁，多余能量,以,X,射线的形式释放出,来,特征,X,射线。,1.3 X,射线谱,1.3 X,射线谱3,、能量,特征,X,射线的能量与跃迁前后的能级有关。,特征,X,射线以被电子轰击所形成的空位所在电子层命名，如,L,K,：,K,辐射；,M,K,：,K,辐射。,K,光子的能量大于,K,光,子，但,K,线的强度比,K,线要低,。,1.3 X,射线谱,伴生谱线,L,层电子填充,K,层空位后，原子将由,K,激发态转变为,L,激发态，更外层电子（如,M,、,N,层等）将向,L,空位跃迁，产生,L,系辐射。因此，,K,激发除了产生,K,系辐射外还伴生,L,系、,M,系等辐射，这些伴生辐射均因波长长而被窗口吸收。,4,、,K,双线结构,K,=K,1,+K,2,构成双线结构，这与原子能级的精细结构有关。L,层分,3,个亚层，除,L,1,层电子不符合选择定律（,l=0,），不能跃迁外，,L,2,、,L,3,层,电子均可向,K,层跃迁，故形成了双线结构。,1.3 X,射线谱,1.3 X,射线谱,5,、莫塞莱定律,特征,X,射线波长或频率仅与靶原子结构有关,，即,结论：,特征,X,射线波长仅决定于原子,序数，与管电压、管电流无关,。该,公式是,X,射线光谱学的基本依据。,特定物质的两个特定能级之间的能量差一定，辐射出的特征,X,射线的波长是特定。,1.3X,射线谱,K,系特征,X,射线的强度与管电压、管电流的关系为,：,当,I,标,/I,连,最大，工作电压为,K,系激发电压的,35,倍时，连续谱造成的衍射背影最小。,返回,1.4 X,射线与物质相互作用,X,射线与物质相互作用是一个复杂物理过程：,一束,X,射线通过物体后，其强度将发生衰减，这是被吸收和散射的结果，且吸收是主要原因,。,1.4 X,射线与物质相互作用,1.4.1 X,射线的散射,X,射线的散射分,相干散射,和,非相干散射,两类。,1,、,相干散射,当,X,射线通过物质时，物质原子的内层电子在电磁场作用下将产生受迫振动，并向四周辐射同频率的电磁波。由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称相干散射,X,射线衍射学基础,2,、非相干散射,X,射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，,X,射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加，也称为康普顿散射。,散射线波长比入射线波长要长,。,1.4 X,射线与物质相互作用,1.4 X,射线与物质相互作用,1.4.2 X,射线的吸收,物质对,X,射线的吸收是指,X,射线通过物质时,X,光子能量变成了其他形式的能量，是真吸收过程,。,1,、光电效应,X,射线与物质的相互作用可以看成是,X,光子与物质中原子的相互碰撞。当,X,光子具有足够能量时，可以将原子内层电子击出，该电子称为,光电子,。原子处于激发态，外层电子向内层空位跃迁，多余能量以辐射方式释放，即,二次特征,X,射线或荧光,X,射线。,这一过程即为,X,射线的,光电效应,。,以激发,K,系光电效应为例：入射,X,光子能量必须等于或大于将,K,电子从,K,层移至无穷远处所做的功,W,K,，即,K,即称为物质的,K,吸收限,，表达式与连续谱短波限,0,相似，但物理意义不同。,短波限,0,与管电压有关，而每种物质的,K,激发限波长,K,与该物质的,K,激发电压有关，即都有自己特定的值,。,1.4 X,射线与物质相互作用,V,K,K,层激发电压,1.4 X,射线与物质相互作用,2,、俄歇效应,无辐射效应,1925,年由俄歇发现,原理：原子内层电子被,X,光子击出,K,层空位,L,层电子向空位跃迁多余能量使,L,层或更外层电子电离俄歇效应，电离出的电子称俄歇电子。,对于某特定材料的特定俄歇电子具有,特定的能量,，测定其能量（俄歇电子能谱）可以确定原子的种类。,因此，利用俄歇电子能谱可以进行元素成分分析。,返回,1.5X,射线衰减规律,X,射线通过物质时引起的强度衰减与通过的距离成正比,，即,-,物质线吸收系数，与物质状态有关，“,-”,表示随距离增加强度减小。,对上式积分，得：,上式表明,X,射线通过物质时强,度呈指数衰减,。,1.5X,射线衰减规律,对于合金、化合物、混合物等多组元物质，其,m,按下式计算：,m,=w,1,m1,+w,2,m2,+w,3,m3,+w,n,mn,；,w,n,各组元的质量分数，,mn,各组元的质量吸收系数。,质量吸收系数,m,=/,，表示物质穿过面积为,1,cm,2,的,1,g,物质时衰减的程度，与物质状态无关。,1.5X,射线衰减规律,X,射线通过物质时的衰减是散射和吸收造成的,，用,m,表示,散射系数,，用,m,表示,吸收系数,。,通常，,m,m,，得,m,m,。,m,=k,3,Z,3,X,射线波长；,Z,元素原子序数。,1.5X,射线衰减规律,右图为,m,-,曲线，突变,处为,吸收限,。如何解释曲,线？,当,，能打出,K,电子,形成,K,吸收,，但由于,太,短不易吸收，因此,m,很,小；随着,，,K,吸收程,度提高，,m,。,当,=,K,时，激发,K,层光电效应,，引起强烈吸收，产生荧光,X,射线，,m,达到极大值；当,稍大于,K,时，无法产生,K,吸收，且光子能量对于,L,吸收又太大不易被吸收，,m,达到极小值。,m,返回,K,L,1.6,吸收限的应用,1.6.1,滤波,滤去,K,线和连续谱，保留,K,线,。,问题：为什么滤波？怎样滤波？依据是什么？,滤波原因,：,K,线和,K,线会各自产生一套衍射花样，给分析工作带来困难。,滤波方法：在,X,射线出射的路径上放置一片有一定厚度的滤波片。,滤波依据：,m-,曲线,1.6,吸收限的应用,原则,根据靶材原子序数,当,Z,靶,40,时，,Z,滤,=Z,靶,1,当,Z,靶,40,时，,Z,滤,=Z,靶,2,滤波片,滤波片,m,曲线,K,1.6,吸收限的应用,1.6.2,选靶,含义,选择阳极靶材的种类（,Z,）,问题：为什么选靶？依据是什么？如何选择？,选靶原因,：在衍射分析中，当入射,X,射线激发样品大量荧光辐射时，会增加衍射花样的背底，使衍射图谱不清晰，给分析带来困难。,依据：,m,-,曲线，即使靶材产生的特征,X,射线波长偏离样品的吸收限，避免激发样品产生强烈荧光辐射。,1.6,吸收限的应用,选靶原则,：根据样品原子序数,Z,靶,=Z,样,1,或,Z,靶,Z,样,对于多元素样品，以最轻的元素（,Z,最小）为基准进行选择,X,射线的防护,X,射线设备的操作人员可能遭受,电震,和,辐射损伤,两种危险。,电震的危险在高压仪器的周围是经常地存在的，,X,射线的阴极端为危险的源泉。在安装时可以把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后等方法加以保证。,辐射损伤是过量的,X,射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生育等。安全措施有：严格遵守安全条例、配带笔状剂量仪、避免身体直接暴露在,X,射线下、定期进行身体检查和验血。,用高速电子撞击金属靶面产生,X,射线的真空电子器件。又称,X,光管。分为充气管和真空管两类。,1895,年,W.K.,伦琴在进行克鲁克斯管实验时发现了,X,射线。克鲁克斯管就是最早的充气,X,射线管，其功率小、寿命短、控制困难，现已很少应用。,1913,年,W.D.,库利吉发明了真空,X,射线管。管内真空度不低于,10,-4,帕。阴极,为直热式螺旋钨丝，阳极为铜块端面镶嵌的金属靶。阴极发射出的电子经数万至数十万伏高压加速后撞击靶面产生,X,射线。以后经过许多改进，至今仍在应用。,X,射线管,X,射线管,现代出现一种在阳极靶面与阴极之间装有控制栅极的,X,射线管，在控制栅上施加脉冲调制，以控制,X,射线的输出和调整定时重复曝光。,谱线强度除了取决于光子能量，还取决于光子数目。虽然,K,光子能量比,K,的低，但是,LK,的跃迁几率比,MK,跃迁几率大，即,K,光子数目比,K,光子数目多，最终使得,K,线强度是,K,线的,5,倍左右,。,俄歇电子的能量（以,KL,2,L,3,俄歇电子为例）,为,K,层电子结合能；为一次电离后,L,2,、,L,3,电子结合能。电离后原子带正电，对核外电子的吸引作用增强，故 。由于电子结合能与原子种类（,Z,）密切相关，,Z,增加，,E,b,增加，因此将原子电离引起的结合能,E,b,增加的作用视作由原子序数增加使增加的作用，即,得,为原子序数增量,由上式看出，俄歇电子能量与电子轨道能级密切联系，即与原子序数密切联系，对于特定原子的特定俄歇电子，其能量是特定的。俄歇电子能谱法进行成分分析的依据,俄歇电子能谱法是表面成分分析方法，原因在于俄歇电子有效发射深度在表面以下,2nm,范围。可以分析除,H,、,He,以外的各种元素，对于,C,、,O,、,N,、,S,、,P,有较高的灵敏度。,应用：表面偏析、表面杂质分布、晶界元素分析；复合材料界面研究；表面力学性质、表面化学过程分析等。,同步加速器辐射,上海光源（,Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF,）由,150MeV,电子直线加速器、,3.5GeV,增强器、,3.5GeV,电子储存环（周长为,432,米）以及沿环外侧分布的同步辐射光束线和实验站组成。,SSRF,设计为先进的第三代中能同步辐射光源，其主要性能指标居国际前列。,SSRF,产生的同步辐射光覆盖从远红外到硬,X,射线的宽广波段。利用低发射度的中能强流电子束和国际上插入件技术发展的新成就，在用途最广泛的,X,射线能区（光子能量为,0.140 keV,）产生高耀度和高通量的同步辐射光，使其基本性能在许多重要方面位于目前世界上正在设计和建造中的光源的前列。,K,系,X,射线产生机理,典型,X,射线衍射图谱,X,光子,L,M,K,光电子,返回,K,K,