X射線(xiàn)的性質(zhì)課件

材料分析測(cè)試技術(shù)

——X射線(xiàn)的性質(zhì)2024/1/31.1.1引言1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種新型的輻射，肉眼看不見(jiàn)，可使照相底片感光，并有很強(qiáng)的穿透力。X射線(xiàn)的本質(zhì)、它與物質(zhì)相互作用的基木原理己被深人研究，并在科學(xué)研究、醫(yī)療與技術(shù)工程上獲得廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的設(shè)備和方法也在不斷的發(fā)展中。2024/1/31.3兩個(gè)重要人物：倫琴（W.C.R?ntgen）勞埃（M.vonLaue）1895年倫琴在研究陰極射線(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了X射線(xiàn)。1912年勞埃發(fā)現(xiàn)了X射線(xiàn)在晶體中的衍射現(xiàn)象。2024/1/31.2024/1/31.1.2X射線(xiàn)的本質(zhì)X射線(xiàn)屬于電磁波或電磁輻射具有粒子性和波動(dòng)性特點(diǎn)波長(zhǎng)為10-8cm，與晶體的晶格常數(shù)同一數(shù)量級(jí)2024/1/31.X射線(xiàn)和可見(jiàn)光相比，其波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短，介于紫外線(xiàn)與γ射線(xiàn)之間，約為10－2到102埃的范圍。頻率大約是可見(jiàn)光的103倍，所以它的光子能量比可見(jiàn)光的光子能量大得多，表現(xiàn)明顯的粒子性。由于X射線(xiàn)波長(zhǎng)短，光子能量大的兩個(gè)基本特性。2024/1/31.X射線(xiàn)以光子的形式輻射和吸收時(shí)具有質(zhì)量、能量、動(dòng)量波長(zhǎng)短，能量和動(dòng)量大，穿透能力強(qiáng)X射線(xiàn)的波動(dòng)性表現(xiàn)在干涉和衍射X射線(xiàn)的粒子性表現(xiàn)與物質(zhì)相互作用交換能量2024/1/31.8

用于晶體結(jié)構(gòu)分析的X射線(xiàn)波長(zhǎng)：

0.25~0.05nm（硬X射線(xiàn)）

金屬零件的無(wú)損探傷：

0.1~0.005nm

用于醫(yī)學(xué)透視及安檢的X射線(xiàn)波長(zhǎng)則很長(zhǎng)：

1~100nm（軟X射線(xiàn)）2024/1/31.1.3X射線(xiàn)的產(chǎn)生及X射線(xiàn)管X射線(xiàn)是由高速運(yùn)動(dòng)著的帶電（或不帶電）粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的產(chǎn)生自由電子；電子定向高速運(yùn)動(dòng)；設(shè)置使其突然減速的障礙物X射線(xiàn)管——帶冷卻水的大燈泡2024/1/31.X射線(xiàn)管實(shí)際上是一只真空二極管，它有兩個(gè)電極：作為陰極的用于發(fā)射電子的燈絲（鎢絲）和作為陽(yáng)極的用于接受電子轟擊的靶（又稱(chēng)對(duì)陰極）。X射線(xiàn)管供電部分至少包含有一個(gè)使燈絲加熱的低壓電源和一個(gè)給兩極施加高電壓的高壓發(fā)生器。由于總是受到高能量電子的轟擊，陽(yáng)極還需要強(qiáng)制冷卻。當(dāng)燈絲被通電加熱至高溫時(shí)（達(dá)2000℃），大量的熱電子產(chǎn)生，在極間的高壓作用下被加速，高速轟擊到靶面上。高速電子到達(dá)靶面，運(yùn)動(dòng)突然受阻，其動(dòng)能部分轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，以X射線(xiàn)的形式放出，這種形式產(chǎn)生的輻射稱(chēng)為軔致輻射。2024/1/31.轟擊到靶面上電子束的總能量只有極小一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線(xiàn)能，靶面發(fā)射的X射線(xiàn)能量與電子束總能量的比率ε可用下面的近似公式表示：ε=1.1×10－9ZV式中Z為靶材組成元素的原子序數(shù)，V為X射線(xiàn)管的極間電壓（又稱(chēng)管電壓），以伏特為單位。例如對(duì)于一只銅靶的X射線(xiàn)管，在30KV工作時(shí)，ε=0.1%，而一只鎢靶的X射線(xiàn)管在100KV條件下工作時(shí)，也不過(guò)ε=0.8%。可見(jiàn)X射線(xiàn)管產(chǎn)生X射線(xiàn)的能量效率是十分低的，但是，目前X射線(xiàn)管仍是最實(shí)用的發(fā)生X射線(xiàn)的器件。

因?yàn)檗Z擊靶面電子束的絕大部分能量都轉(zhuǎn)化為熱能，所以，在工作時(shí)X射線(xiàn)管的靶必須采取水冷（或其他手段）進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以免對(duì)陰極被加熱至熔化，受到損壞。也是由于這個(gè)原故，X射線(xiàn)管的最大功率受到一定限制，決定于陽(yáng)極材料的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)和靶面冷卻手段的效果等因素。同一種冷卻結(jié)構(gòu)的X射線(xiàn)管的額定功率，因靶材的不同是大不相同的。例如，銅靶（銅有極佳的導(dǎo)熱性）和鉬靶（鉬的熔點(diǎn)很高）的功率常為相同結(jié)構(gòu)的鐵、鈷、鉻靶的兩倍。2024/1/31.2024/1/31.在晶體衍射實(shí)驗(yàn)中，常用的X射線(xiàn)管按其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)可分為三種類(lèi)型：1.可拆式管——這種X射線(xiàn)管在動(dòng)真空下工作，配有真空系統(tǒng)，使用時(shí)需抽真空使管內(nèi)真空度達(dá)到10－5毫帕或更佳的真空度。不同元素的靶可以隨時(shí)更換，燈絲損壞后也可以更換，這種管的壽命可以說(shuō)是無(wú)限的。2.密封式管——這是最常使用的X射線(xiàn)管，它的靶和燈絲密封在高真空的殼體內(nèi)。殼體上有對(duì)X射線(xiàn)“透明”的X射線(xiàn)出射“窗孔”。靶和燈絲不能更換，如果需要使用另一種靶，就需要換用另一只相應(yīng)靶材的管子。這種管子使用方便，但若燈絲燒斷后它的壽命也就完全終結(jié)了。密封式X射線(xiàn)管的壽命一般為1000—2000小時(shí)，它的報(bào)廢往往并不是與因燈絲損壞，而是由于靶面被熔毀或因受到鎢蒸氣及管內(nèi)受熱部分金屬的污染，致使發(fā)射的X射線(xiàn)譜線(xiàn)“不純”而被廢用。3.轉(zhuǎn)靶式管——這種管采用一種特殊的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)以大大增強(qiáng)靶面的冷卻，即所謂旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線(xiàn)管，是目前最實(shí)用的高強(qiáng)度X射線(xiàn)發(fā)生裝置。管子的陽(yáng)極設(shè)計(jì)成圓柱體形，柱面作為靶面，陽(yáng)極需要用水冷卻。工作時(shí)陽(yáng)極圓柱以高速旋轉(zhuǎn)，這樣靶面受電子束轟擊的部位不再是一個(gè)點(diǎn)或一條線(xiàn)段而是被延展成陽(yáng)極柱體上的一段柱面，使受熱面積展開(kāi)，從而有效地加強(qiáng)了熱量的散發(fā)。所以，這種管的功率能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)前兩種管子。對(duì)于銅或鉬靶管，密封式管的額定功率，目前只能達(dá)到2KW左右，而轉(zhuǎn)靶式管最高可達(dá)90KW。2024/1/31.1.4X射線(xiàn)譜由X射線(xiàn)管所得到的X射線(xiàn)，按其特征可以分成兩部分：連續(xù)光譜和特征光譜，后者只與靶的組成元素有關(guān)。2024/1/31.151.4.1連續(xù)X射線(xiàn)譜

●

X射線(xiàn)強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化的譜線(xiàn)稱(chēng)連續(xù)X射線(xiàn)譜?！?/p>

連續(xù)譜受管電壓U，管電流i和陽(yáng)極靶材的原子序數(shù)Z的作用，其相互關(guān)系見(jiàn)圖：●

連續(xù)譜的總強(qiáng)度決定于上述U、i、Z三因素：圖1圖2●X射線(xiàn)波長(zhǎng)從一最小值短波限λSWL向長(zhǎng)波方向伸展2024/1/31.16●連續(xù)譜的形成及存在短波限的量子力學(xué)解釋?zhuān)涸诠茈妷篣作用下，電子到達(dá)陽(yáng)極靶時(shí)動(dòng)能為eU，若一個(gè)電子在與陽(yáng)極靶碰撞時(shí)，把全部能量都給予一個(gè)光子，這就是一個(gè)光子所可能獲得的最大能量，即hνmax=eU，此光量子的波長(zhǎng)即為短波限λSWL，如果一個(gè)電子射入物質(zhì)后在發(fā)生有效碰撞（產(chǎn)生光量子）之前速度有所降低，則碰撞產(chǎn)生光量子的能量就會(huì)減小。由于多種因素使得發(fā)生有效碰撞的電子速度可以從零到初速連續(xù)的取值，因而出現(xiàn)了連續(xù)光譜，其波長(zhǎng)自λm開(kāi)始向長(zhǎng)波方向伸展。連續(xù)光譜的短波限λSWL只決定于X射線(xiàn)管的工作高壓。2024/1/31.X射線(xiàn)的強(qiáng)度是指垂直于X射線(xiàn)傳播方向的單位面積上單位時(shí)間內(nèi)光量子數(shù)目能量的總和。強(qiáng)度由光子的能量和光子的數(shù)目決定最大值不在λm，而在1.5λm選用重金屬靶并施以高電壓

2024/1/31.18當(dāng)加于X射線(xiàn)管兩端的電壓增高到與陽(yáng)極靶材相應(yīng)的某一特定值UK時(shí)，在連續(xù)譜的某些特定的波長(zhǎng)位置會(huì)出現(xiàn)一系列強(qiáng)度峰，峰窄而尖銳。它們的波長(zhǎng)對(duì)一定材料的陽(yáng)極靶有嚴(yán)格恒定的數(shù)值，此波長(zhǎng)可作為陽(yáng)極靶材的標(biāo)志或特征。故稱(chēng)為特征譜或標(biāo)識(shí)譜。特征譜的波長(zhǎng)不受管電壓、管電流的影響，只決定于陽(yáng)極靶材元素的原子序數(shù)。Mo靶35kV1.4.2特征X射線(xiàn)譜

2024/1/31.19

特征X射線(xiàn)產(chǎn)生的機(jī)理經(jīng)典原子模型原子內(nèi)的電子分布在一系列量子化的殼層上。最內(nèi)層（K層）能量最低。圖陰極射出的電子流轟擊到靶面，如果能量足夠高，靶內(nèi)一些原子的內(nèi)層電子會(huì)被轟出，使原子處于能級(jí)較高的激發(fā)態(tài)2024/1/31.K層電子被擊出稱(chēng)為K激發(fā)態(tài)，L層電子被擊出稱(chēng)為L(zhǎng)激發(fā)態(tài)，依次類(lèi)推。圖1.6b表示的是原子的基態(tài)和K、L、M、N等激發(fā)態(tài)的能級(jí)圖，原子的激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，壽命不超過(guò)10-8秒，此時(shí)內(nèi)層軌道上的空位將被離核更遠(yuǎn)軌道上的電子所補(bǔ)充，從而使原子能級(jí)降低，這時(shí)，多余的能量便以光量子的形式輻射出來(lái)。2024/1/31.圖1.6a描述了上述激發(fā)機(jī)理。處于K激發(fā)態(tài)的原子，當(dāng)不同外層的電子（L、M、N…層）向K層躍遷時(shí)放出的能量各不相同，產(chǎn)生的一系列輻射統(tǒng)稱(chēng)為K系輻射?；谏鲜鰴C(jī)制產(chǎn)生的X射線(xiàn)，其波長(zhǎng)只與原子處于不同能級(jí)時(shí)發(fā)生電子躍遷的能級(jí)差有關(guān)，而原子的能級(jí)是由原子結(jié)構(gòu)決定的，因此，這些有特征波長(zhǎng)的輻射將能夠反映出原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們稱(chēng)之為特征光譜。

2024/1/31.22X射線(xiàn)輻射過(guò)程.swf2024/1/31.莫塞萊定律

K——與靶材物質(zhì)主量子數(shù)有關(guān)的常數(shù)

α——屏蔽常數(shù)，與電子所在的殼層位置有關(guān)

2024/1/31.24●

原子內(nèi)層電子被擊出而造成空位是產(chǎn)生特征輻射的前提?！?/p>

而欲擊出靶材原子內(nèi)層電子，比如K層電子，由陰極射來(lái)的電子的動(dòng)能就必須大于（至少等于）K層電子與原子核的結(jié)合能EK，或K電子逸出所做的功WK，即eUK=-EK=WK，這個(gè)UK便是陰極電子擊出靶材原子K電子所需的臨界激發(fā)電壓。MgKLM入射電子二次電子（自由電子）MgKβ光子MgKα光子★特征X射線(xiàn)的產(chǎn)生條件中為什么存在一個(gè)臨界激發(fā)電壓UK？2024/1/31.25★特征譜的強(qiáng)度隨管電壓（U）和管電流（i）的提高而增大，其關(guān)系的實(shí)驗(yàn)公式如下：I特＝K3i(U-Un)m★另外，X射線(xiàn)連續(xù)譜只增加衍射花樣的背底，不利于衍射花樣分析，因此總希望特征譜線(xiàn)強(qiáng)度與連續(xù)譜線(xiàn)強(qiáng)度之比越大越好。實(shí)踐和計(jì)算表明，當(dāng)工作電壓為K系激發(fā)電壓的3～5倍時(shí)，I特/I連最大。U≈(3~5)

UK2024/1/31.當(dāng)X射線(xiàn)與物質(zhì)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列效應(yīng)，這是X射線(xiàn)應(yīng)用的基礎(chǔ)。德國(guó)物理學(xué)家倫琴在發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)時(shí)就觀(guān)察到它有可見(jiàn)光與其無(wú)法比擬的穿透力，可使熒光物質(zhì)發(fā)光，可使氣體或其它物質(zhì)電離。能量轉(zhuǎn)化：散射能量E1，吸收能量E2，透過(guò)物質(zhì)E31.5X射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用2024/1/31.27

照射到物質(zhì)上的X射線(xiàn)，除一部分可能沿原入射線(xiàn)束方向透過(guò)物質(zhì)繼續(xù)向前傳播外，其余的，在與物質(zhì)相互作用的復(fù)雜物理過(guò)程中被衰減吸收，其能量轉(zhuǎn)換和產(chǎn)物可歸納于后圖。1.5X射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用圖2024/1/31.28

物質(zhì)對(duì)X射線(xiàn)的散射主要是電子與X射線(xiàn)相互作用的結(jié)果。物質(zhì)中的核外電子有兩大類(lèi)，相應(yīng)產(chǎn)生兩種散射效應(yīng)。

●相干散射coherentscattering（彈性散射或湯姆遜散射）

——經(jīng)典散射當(dāng)X射線(xiàn)與原子中受核束縛較緊的內(nèi)層電子相撞時(shí)，電子受X射線(xiàn)電磁波的影響而繞其平衡位置發(fā)生受迫振動(dòng)，于是變加速振動(dòng)著的電子便以自身為中心，向四周輻射新的電磁波，其波長(zhǎng)與入射X射線(xiàn)波長(zhǎng)相同，且彼此間有確定的周相關(guān)系。可以發(fā)生相互干涉，故稱(chēng)相干散射。

相干散射是X射線(xiàn)在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)。1.5.1X射線(xiàn)的散射2024/1/31.29●

非相干散射incoherentscattering

（康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)）

——量子散射當(dāng)X射線(xiàn)光子與原子中受束縛力弱的電子（如原子中的外層電子、自由電子等）發(fā)生碰撞時(shí)，電子被撞離原子并帶走光子的一部分能量而成為反沖電子。光子損失了能量波長(zhǎng)變長(zhǎng)并改變了2θ角，不能產(chǎn)生干涉效應(yīng)，故叫非相干散射。根據(jù)能量和動(dòng)量守恒定律，推出Δλ=λ’-λ=0.00243(1-cos2θ)=0.00486sin2θ2024/1/31.2024/1/31.1.5.2X射線(xiàn)的吸收射線(xiàn)穿過(guò)物質(zhì)之后，強(qiáng)度會(huì)衰減。前面已經(jīng)指出，這是因?yàn)閄射線(xiàn)同物質(zhì)相互作用時(shí)經(jīng)歷各種復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，從而引起各種效應(yīng)轉(zhuǎn)化了入射線(xiàn)的部分能量。如下圖所示：

2024/1/31.實(shí)驗(yàn)證明，X射線(xiàn)穿透物質(zhì)后的強(qiáng)度衰減與射線(xiàn)在物質(zhì)中經(jīng)過(guò)的距離成正比。假設(shè)入射線(xiàn)的強(qiáng)度為I0，進(jìn)入一塊密度均勻的吸收體，在x處時(shí)其強(qiáng)度為Ix，當(dāng)通過(guò)厚度dx時(shí)強(qiáng)度的衰減為dI，定義μl為X射線(xiàn)通過(guò)單位厚度時(shí)被吸收的比率，則有：-dI/Ix=μldx考慮邊界條件并進(jìn)行積分，則得：Ix=I0e-μx式中μl稱(chēng)為線(xiàn)衰減系數(shù)，x為試樣厚度。2024/1/31.衰減至少應(yīng)被視為物質(zhì)對(duì)入射線(xiàn)的散射和吸收的結(jié)果，系數(shù)μ應(yīng)該是這兩部分作用之和。但由于因散射而引起的衰減遠(yuǎn)小于因吸收而引起的衰減，故通常直接稱(chēng)μ為線(xiàn)吸收系數(shù)，而忽略散射的部分。2024/1/31.342.質(zhì)量吸收系數(shù)

為了避開(kāi)線(xiàn)吸收系數(shù)隨吸收體物理狀態(tài)不同而改變的困難，可以用μl/ρ代替μl，ρ為吸收物質(zhì)的密度，這樣：μm

=μl/ρ稱(chēng)質(zhì)量吸收系數(shù)（單位為cm2·g-1），表示單位重量物質(zhì)對(duì)X射線(xiàn)的吸收程度。質(zhì)量吸收系數(shù)與波長(zhǎng)λ和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z存在函數(shù)關(guān)系：2024/1/31.

對(duì)于非單質(zhì)元素組成的復(fù)雜物質(zhì)，如固溶體、金屬間化合物等，其質(zhì)量吸收系數(shù)決定于各組元的質(zhì)量吸收系數(shù)

mi及各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)i

。2024/1/31.36注意，隨波長(zhǎng)的降低，μm并非呈連續(xù)的變化，而是在某些波長(zhǎng)位置上突然升高，出現(xiàn)了吸收限。（右圖）這種帶有特征吸收限的吸收系數(shù)曲線(xiàn)稱(chēng)為該物質(zhì)的吸收譜。二、X射線(xiàn)的真吸收1.光電效應(yīng)

當(dāng)入射X射線(xiàn)光量子的能量等于或略大于吸收體原子某殼層電子的結(jié)合能時(shí)，此光量子就很容易被電子吸收，獲得能量的電子從內(nèi)層逸出成為自由電子，稱(chēng)光電子，原子則處于相應(yīng)的激發(fā)態(tài)。這種光子擊出電子的現(xiàn)象即為光電效應(yīng)。此效應(yīng)消耗大量入射能量，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突增，對(duì)應(yīng)的入射波長(zhǎng)即為吸收限。2024/1/31.372.熒光X射線(xiàn)（二次特征X射線(xiàn)）3.俄歇（Auger）效應(yīng)一次特征X射線(xiàn)的一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗丈湮镔|(zhì)的二次特征輻射，體現(xiàn)出物質(zhì)對(duì)入射X射線(xiàn)的吸收。該吸收非常強(qiáng)烈，吸收系數(shù)變化參見(jiàn)后圖。010.swf2024/1/31.2024/1/31.39熒光輻射：當(dāng)入射X射線(xiàn)（光量子）的能量等于或略大于被照射物質(zhì)原子某殼層電子的結(jié)合能時(shí)，將該殼層電子擊出而使原子處于激發(fā)態(tài)，原子外層高能態(tài)電子向內(nèi)層空位躍遷，輻射出具有特定波長(zhǎng)值的X射線(xiàn)，這種由入射X射線(xiàn)所激發(fā)出來(lái)的特征X射線(xiàn)輻射稱(chēng)為熒光輻射。俄歇效應(yīng)：原子中一個(gè)K層電子被入射光量子擊出后，L層一個(gè)電子躍入K層填補(bǔ)空位，此時(shí)多余的能量不以輻射X射線(xiàn)的方式放出，而是另一個(gè)L層電子獲得能量躍出吸收體，這樣的一個(gè)K層空位被兩個(gè)L層空位代替的過(guò)程稱(chēng)為俄歇效應(yīng)，躍出的L層電子稱(chēng)俄歇電子。

熒光效應(yīng)用于重元素（Z>20）的成分分析，俄歇效應(yīng)用于表層輕元素的分析。2024/1/31.俄歇效應(yīng)

每種物質(zhì)的俄歇電子能量大小只取決于該物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)，是原于序數(shù)的函數(shù)，是一種元素的固有特征。同時(shí)，這種特征電子能量很低，只有幾百電子伏持，在