固體物理實驗方法 - USTC

1、羅震林、劉文漢固體物理實驗方法 （i） x射線結(jié)構(gòu)分析3422，nsrl主要內(nèi)容一x射線本質(zhì)及x射線源二x射線與物質(zhì)的相互作用三晶體的x射線衍射四x射線吸收精細結(jié)構(gòu)教學、考核方法教學：講課為主，閱讀文獻為輔教材：自印講義；作業(yè)考核：開卷考試參考書目l王華馥，吳自勤固體物理實驗方法，第二章 固體x射線學高等教學出版社，1990l黃勝濤固體x射線學高等教學出版社lb.e.warren, x-ray diffraction, addison-wesley pub.co.inc.ljens als-nielsen, des mcmorrow, elements of modern x-ray phys

2、ics, john wiley&sons ltd，2000第一章: x射線本質(zhì)及x射線源1. x射線的發(fā)現(xiàn)及其本質(zhì)的確定1） x射線是波長很短的電磁輻射，是光子能量很高(kev)的光子流。它具有典型的波粒二象性。l1895 rntgen w.c. 發(fā)現(xiàn)x射線 （1901年首屆諾貝爾物理獎）l1912 laue.m. 晶體的x射線衍射，laue方程 （1914年諾貝爾物理獎）l1913 bragg, w.h & w.l. bragg定律 (1915年諾貝爾物理獎) x射線是一種波長很短()的電磁輻射l1923 a.compton x射線的compton散射 （1927年諾貝爾物理

3、獎） x射線的量子特性2)x射線波長與光子能量的關(guān)系xcehh)(24. 1)(2398. 1)(24. 1)(2398. 1nmkevnmkevenmkevnmkevhcx3)x射線在電磁輻射譜中的位置4)典型的波粒二象性 l波 偏振 相干散射 界面的反射、折射 用經(jīng)典電磁理論處理l粒子 光電吸收 不相干散射 用量子理論處理2.x射線的用途射線的用途現(xiàn)代物理發(fā)展中的關(guān)鍵作用l原子水平上的固體結(jié)構(gòu)分析固體結(jié)構(gòu)：原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)x射線衍射、x射線吸收精細結(jié)構(gòu)l連續(xù)介質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)分析（x射線透射成像）二維向三維發(fā)展ct吸收襯度成像，相位襯度顯微成像l等離子體的結(jié)構(gòu)研究lx射線天文學最重要的結(jié)構(gòu)研

4、究手段其他應(yīng)用其他應(yīng)用l工業(yè)應(yīng)用 x射線光刻l醫(yī)療應(yīng)用 x透射成像，ctl安檢應(yīng)用 x透射成像3.x射線管及其發(fā)射譜1)x射線機的組成x射線管 高壓發(fā)生器 水冷系統(tǒng) 控制電路x射線管結(jié)構(gòu)電子槍（陰極）金屬靶（陽極）水冷通道窗口(be)圖1 密封式x射線管結(jié)構(gòu)圖2 各種陽極發(fā)出的x射線譜（ 0.1nm）強度2)x射線管發(fā)射譜（1）連續(xù)譜 輻射機制：韌致輻射 最短波長 （2）標識譜（特征譜） 波長（光子能量）由靶元素確定的線譜，它在所加電壓高于靶元素的激發(fā)電壓時疊加在連續(xù)譜上。 a.輻射機制：靶原子內(nèi)殼層的電子躍遷 b.主要譜線 liiik liik mk潘國強.同步輻射應(yīng)用基礎(chǔ)k-series

5、l-series k 1 2n = 1, l= 0, j = ; 2s1/2n = 2, l = 1, j = 3/2; 2p3/2(liii)n = 2, l = 1, j = ; 2p1/2(lii)n = 2, l = 0, j = ; 2s1/2(li)onmlkcontinuum特征譜線（特征譜線（標識輻射標識輻射 ）e-例例 cu1k0.15406nm2k0.15444nmk0.1542nm k0.13923nmkvv98. 80c.特征譜強度 i與電壓v電流i的關(guān)系 n=1.5-2 與連續(xù)譜比，當 時，強度強兩個量級 k系三條譜線的強度比 0()nibi vv0)53(vv12:

6、100:50:20 3)x射線管的主要性能指標靶元素 確定譜特征 常用靶元素mo cu w ag功率 密封管1-3kw 旋轉(zhuǎn)靶12kw, 18kw(100kw)焦斑 標準焦斑 細聚焦管 110mmmmmmmm44 . 04.同步輻射1）同步輻射和同步輻射光源 速度接近光速的電子（稱為相對論電子）在磁場中作曲線運動時沿軌道切線方向發(fā)出的電磁輻射稱為同步輻射，因為這種輻射是1947年首先在電子同步加速器上發(fā)現(xiàn)的。產(chǎn)生同步輻射的裝置，即電子同步加速器或電子儲存環(huán)就稱為同步輻射光源。目前世界上已有幾十個同步輻射光源在運行。代表性的光源有：第一代（兼用機） ssrl（美國） bsrf（北京）第二代（專用

7、機） nsls（美國） nsrl（合肥） pf（日本） srrc（新竹）第三代 aps（美國） esrf（歐洲） spring8（日本） ssrf（上海） 2)同步輻射裝置二極彎轉(zhuǎn)磁鐵（bend magnet）、扭擺磁鐵（wiggler magnet）、波蕩器（undulator） 同步輻射的優(yōu)異特性1)廣寬平滑的連續(xù)譜 根據(jù)電子能量的不同，其頻譜范圍可從紅外直至真空紫外，軟x射線，硬x射線，甚至射線，其特征波長 為其中r為電子彎轉(zhuǎn)半徑，為電子能量與其靜止能量（0.511mev）之比 34/3crrc c cnsrl的彎轉(zhuǎn)磁鐵和扭擺器光通量理論計算光譜(頻譜)34/3crr圖5 x射線源亮度2)高強度,高亮度3)方向性好同步輻射功率集中在電子運動方向上極小的立體角內(nèi)，其立體角的大小約為 rad。例：1gev的電子所發(fā)射的同步輻射集中在0.5mrd的立體角內(nèi)/14)偏振性5)潔凈6)脈沖時間結(jié)構(gòu)7)高穩(wěn)定性8)可由理論準確計算9)對全世界開放nsrl5.其它x射線源1)放射源 發(fā)射出mn 實驗室常用于校準探測器2)等離子體源 激光等離子體光源 z箝縮等離子體光源 飛秒脈沖強激光的高次諧波3)x射線激光、自