x射線物理基礎(chǔ)

1、1,材料分析技術(shù),主講 東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 萬(wàn)克樹(shù) 材料學(xué)院A樓： Room 420 答疑時(shí)間：周一上午 keshuwan@seu.edu.cn 2024年3月20日,2,第一章 X射線分析,X射線物理基礎(chǔ) 2學(xué)時(shí)X射線衍射（XRD）原理 2學(xué)時(shí)XRD方法 2學(xué)時(shí)XRD圖譜與

2、物相分析 4學(xué)時(shí)X射線光譜分析 2學(xué)時(shí),3,X射線物理基礎(chǔ),歷史與背景產(chǎn)生X射線譜與物質(zhì)相互作用探測(cè)安全,4,X射線的發(fā)現(xiàn),1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴 （Wilhelm Konrad RiSntgen，1845—1923）發(fā)現(xiàn)X射線; 并因此榮獲1901年首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),科學(xué)發(fā)現(xiàn),發(fā)現(xiàn)與發(fā)明發(fā)現(xiàn)不是遇到/碰到合理的假設(shè)或解釋更為重要,5,1895-1897年倫琴搞清楚了X射線的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分性質(zhì)，并

3、作出合理正確的判斷和解釋。,6,X射線的發(fā)現(xiàn),1880-1895 X射線在陰極射線相關(guān)研究中被多次發(fā)現(xiàn)。其中：1896“我們不能要求倫琴射線的發(fā)現(xiàn)權(quán)，因?yàn)槲覀儧](méi)有作出發(fā)現(xiàn)。我們能提出的頂多就是：先生們，您們記住六年前的這一天，世界上第一張用陰極射線得到的圖片就是在賓夕法尼亞大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室得到的?！?7,X射線的基本性質(zhì)與應(yīng)用,醫(yī)學(xué)診斷、治療工業(yè)探傷，安全檢查材料科學(xué)：物相分析、元素組成分析……,可穿透物體。穿透力與物質(zhì)的原子序

4、數(shù)有關(guān)。同一波長(zhǎng)的X-射線，對(duì)原子序數(shù)低的物質(zhì)穿透力強(qiáng)，對(duì)原子序數(shù)高的物質(zhì)穿透力弱。難以用透鏡聚焦，折射系數(shù)接近1。使某些物質(zhì)發(fā)出熒光—可見(jiàn)光。使物質(zhì)的原子電離和激發(fā)，使氣體導(dǎo)電?？梢鸹瘜W(xué)反應(yīng)，使照相膠片感光，用于X-射線攝影。可在生命組織中誘發(fā)生物效應(yīng)，用作治療。,8,X射線與諾貝爾獎(jiǎng),1901     倫琴 (Roentgen)發(fā)現(xiàn)X射線1914 

5、0;   勞埃（Laue）晶體的X射線衍射1915     布拉格父子 (Bragg)分析晶體結(jié)構(gòu)1917 巴克拉 (Barkla)發(fā)現(xiàn)元素的標(biāo)識(shí)X射線1924     塞格巴恩 (Siegbahn )X射線光譜學(xué)1927     

6、;康普頓(Compton)六人 康普頓效應(yīng)1936     德拜 (Debye) 化學(xué)(粉晶XRD)1954     泡林(Pauling) 化學(xué)（XRD測(cè)化學(xué)鍵）1964     霍奇金 (Hodgkin) 化學(xué)（XRD測(cè)胰島素結(jié)構(gòu)）1988 &#

7、160;   米歇爾(Michel)三人化學(xué)（XRD測(cè)光和作用蛋白結(jié)構(gòu)）1946     馬勒 (Muller) 醫(yī)學(xué)（X射線致果蠅基因突變）1979     柯馬克和豪森菲爾德（Cormack/Hounsfield） 醫(yī)學(xué)X-CT,9,X射線的本質(zhì)－電磁輻射,波長(zhǎng)：0.001～10 nm, 介于紫

8、外線和?射線之間波粒二象性波性：X射線的傳播過(guò)程有干涉、衍射等現(xiàn)象粒子性：與原子、電子等物質(zhì)相互作用，具有粒子性（光量子流或光子），光子的能量 E＝h?＝h c/?,10,X射線的本質(zhì)－電磁輻射,描述X-射線的物理參數(shù)：反映X-射線”質(zhì)”的“硬度”反映X-射線”量”的“強(qiáng)度” 光子個(gè)數(shù)“射線譜”,光子能量,硬X射線 0.01nm0.1nm,韌致輻射（Braking radiation）,同步輻射

9、（Synchrotron radiation）,,,X射線的產(chǎn)生,X射線的產(chǎn)生---產(chǎn)生機(jī)理,12,X射線的產(chǎn)生---產(chǎn)生源,X射線管封閉式熱陰極X射線管，小功率旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管，大功率同步輻射源等離子體源放射性同位素宇宙射線其他,13,X射線管,陰極燈絲，產(chǎn)生電子高壓（真空），加速電子靶阻擋電子，將電子能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄-射線光子,其中一小部分（1％左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度

10、升高。,14,,,封閉X射線管,因陽(yáng)極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束轟擊部位不斷改變，故提高功率也不會(huì)燒熔靶面。目前有100kW的旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極，其功率比普通x射線管大數(shù)十倍。,旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極開(kāi)放管,3000 rpm,16,同步輻射X射線,高能電子束的產(chǎn)生與加速高能電子束以接近光速的速度沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電磁輻射非常昂貴，多用戶，國(guó)家投資,17,同步輻射X射線光特點(diǎn),輻射光的波長(zhǎng)覆蓋面大且連續(xù)可調(diào)具有很高的亮度有強(qiáng)的輻射功率有好的準(zhǔn)直性脈沖光源，有

11、特定的時(shí)間結(jié)構(gòu)同步輻射是偏振光同步輻射是“光譜純”的光高度穩(wěn)定性可計(jì)算性,18,X射線譜（ X射線管產(chǎn)生）,X射線譜：強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系曲線,19,連續(xù)X射線譜,產(chǎn)生原因：--- 由于高速電子受靶極阻擋而產(chǎn)生的軔致輻射---電子進(jìn)入靶內(nèi)的深度不同，電子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為輻射能有各種可能值，因而 X 射線的波長(zhǎng)是連續(xù)變化的,20,短波限假設(shè)：電子動(dòng)能全部轉(zhuǎn)為電磁輻射,量子理論解釋,,,電子轟擊靶材產(chǎn)生韌致輻射的極限最短波長(zhǎng)（最

12、高頻率）。短波限只與管電壓有關(guān)，不受其它因素影響。,21,連續(xù)X射線譜,特點(diǎn)：每條曲線都有一個(gè)強(qiáng)度最大值和波長(zhǎng)極限強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化連續(xù)譜中的強(qiáng)度最大值不在波長(zhǎng)極限（光子能量最大處），而是在波長(zhǎng)極限的1.5倍處。其強(qiáng)度與管電壓V、管電流i、陽(yáng)極靶材的原子序數(shù)Z有關(guān) I連續(xù)＝KiZVm，常數(shù)K （≈1.1~1.4×10－9（V－1））, m（ ≈ 2）。 機(jī)理：高速電子進(jìn)入核區(qū)，核區(qū)庫(kù)侖場(chǎng)存在，速度發(fā)生

13、變化，取連續(xù)值。輻射出X-射線，注意大部分變成熱。其光子能量呈連續(xù)變化，稱韌致輻射，或稱剎車輻射。,22,連續(xù)譜變化規(guī)律,,λ,I,管流i3 >i2> i1,I,λ,,,,I,λ,不同陽(yáng)極,W,Ag,Mo,I連續(xù)＝KiZVm,23,特征（標(biāo)識(shí)）X射線譜,特點(diǎn)：具有特定的波長(zhǎng)。疊加在連續(xù)譜上。與加速電壓無(wú)關(guān) ，而與靶材料有關(guān)。 當(dāng)管電壓超過(guò)某一特定值Vk時(shí)產(chǎn)生。產(chǎn)生原因：與陽(yáng)極靶原子中內(nèi)層電子躍遷過(guò)程有關(guān)。,,2

14、4,特征X射線譜,原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按包利不相容原理和能量最低原理分布于各個(gè)能級(jí)，能級(jí)是不連續(xù)的，K層靠近原子核，能量最低。管電壓增加到一定數(shù)值，高能電子轟擊原子電子脫離原軌道，體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。 電子從高能級(jí)向低能級(jí)的躍遷將以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)譜。,25,特征X射線譜,電子躍遷服從規(guī)則,主量子數(shù) ?n ≠ 0角量子數(shù) ?l = ? 1,26,特征X射線譜,Kα是由Kα1和Kα2兩條譜線組成，與原子內(nèi)層電子能級(jí)

15、的精細(xì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。,,,27,特征X射線譜的波長(zhǎng),特征X射線譜的波長(zhǎng)只取決于陽(yáng)極靶材料的原子序數(shù)，是物質(zhì)的固有特性。（莫塞萊定律）：式中：K—常數(shù)（與靶材物質(zhì)總量子數(shù)有關(guān)） σ—常數(shù)（與電子所在殼層位置有關(guān)） z—靶材料的原子序數(shù),,28,特征X射線譜的強(qiáng)度,IK = B i(V-VK)n式中：B、n—常數(shù)， n=1.5~1.7 i —管電流

16、 V—工作電壓 VK—K系激發(fā)電壓,,29,激發(fā)電壓,開(kāi)始產(chǎn)生特征（標(biāo)識(shí)）譜線的臨界電壓。電子具足夠能量把靶中原子某一能級(jí)上的電子打掉產(chǎn)生特征X射線所必須達(dá)到的最低電壓。同一靶材料 VK> VL > VM不同靶材料的原子結(jié)構(gòu)不同，各自的激發(fā)電壓不同，輻射的波長(zhǎng)也不同。,30,利用特征X射線時(shí)X射線管最佳工作電壓,利用特征X射線時(shí)， 連續(xù)譜的背底增加背景V=（3～5）VK時(shí)，I標(biāo)/

17、I連最大。,,31,X射線譜小結(jié),32,X射線與物質(zhì)的相互作用,入射X-射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，光子漸漸損失掉，在入射方向，射線愈來(lái)愈弱，衰減。 衰減的過(guò)程主要有三種：散射，光電吸收和 電子對(duì)生成。,33,X射線相干散射,X射線光子與原子內(nèi)束縛緊的電子相碰撞時(shí)（彈性碰撞），光子能量可認(rèn)為不受損失，只改變方向。然而對(duì)入射線方向來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度衰減同一方向上各散射波如果符合相干條件，相互干涉后，能量集中在某些方向，得到一定的花樣。相干散射

18、是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ),34,X射線非相干散射：康普頓散射,作用對(duì)象：X射線與物質(zhì)原子的外層電子或自由電子相互作用。入射X射線光子把一部分能量傳給電子。波長(zhǎng)變長(zhǎng)。電子沿一角度反沖彈出，動(dòng)能通過(guò)電離和激發(fā)過(guò)程最后變成熱消耗掉；光子并不消失，但能量減?。◤亩念l率降低，方向改變，這個(gè)光子稱散射光子；能量守恒、動(dòng)量守恒推導(dǎo)出波長(zhǎng)改變?nèi)Q于方向X射線粒子性的直接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。,35,1922年10月，美國(guó)芝加哥大學(xué)

19、康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng),1927年,提供15種元素散射譜線作為佐證,36,光電效應(yīng),電子被光子擊出：“光電子”產(chǎn)生。光子本身消失了物質(zhì)的原子被電離，原殼層處留下空位 “光電子”繼續(xù)撞擊物質(zhì)中的其它原子，它的動(dòng)能以熱的形式消耗在附近晶格中；但有部分光電子逃逸出表面利用光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子可以進(jìn)行X射線光電子能譜分析(XPS),1921年,37,光電效應(yīng)-熒光X射線,伴隨光電效應(yīng)： 熒光X射線: 當(dāng)外層電子向空穴躍遷時(shí)，多余

20、能量以X射線的形式放出X射線熒光分析（XRF）,38,俄歇效應(yīng),伴隨光電效應(yīng) 俄歇電子：外層電子向內(nèi)層空位躍遷時(shí)，多余的能量傳遞給其它外層電子，使之脫離原子而成為俄歇電子俄歇電子能譜分析（AES）,39,電子對(duì)生成,作用對(duì)象： X-射線與物質(zhì)原子在原子區(qū)相互作用 過(guò)程： X-射線光子的能量 >1.02 MeV 產(chǎn)生電子

21、對(duì)（一個(gè)電子和一個(gè)正電子）二者靜止質(zhì)量所對(duì)應(yīng)于的能量各為：,二種粒子的質(zhì)量均轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰慨a(chǎn)生二能量均為0.511Mev 的光子（射線），方向相反。,40,不同原子序數(shù)、不同光子能量下，衰減系數(shù)各成分所占的主要區(qū)段,41,X射線的吸收,宏觀強(qiáng)度衰減規(guī)律 I＝I0e－?lx?l－線吸收系數(shù)：表示單位厚度的物質(zhì)對(duì)X射線的吸收； --- 與X射線的波長(zhǎng)，吸收物質(zhì)，吸收物質(zhì)的物理狀態(tài)有關(guān)。?l ＝? ?m， ?m－質(zhì)量吸收

22、系數(shù)：表示單位質(zhì)量物質(zhì)對(duì)X射線的吸收 --- 與吸收體的原子序數(shù)及X射線波長(zhǎng)有關(guān)， --- 與吸收體的密度（疏密，比如氣體還是固體）無(wú)關(guān),42,質(zhì)量吸收系數(shù),元素對(duì)不同波長(zhǎng)X射線的 可查表，也可計(jì)算求得，一般情況下，光電效應(yīng)為主： 式中：K—常數(shù) Z—吸收體的原子序數(shù) λ—X射線波長(zhǎng)吸收系數(shù)隨著原子序數(shù)和波長(zhǎng)劇烈變化,43,吸收系數(shù)影響因素,,44

23、,質(zhì)量吸收系數(shù)的加和性,化合物、陶瓷、合金等物質(zhì)的 是按組分元素 的加權(quán)平均求得： —吸收體中各元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù) — 吸收體中各元素的質(zhì)量吸收系數(shù),45,當(dāng)X射線的λ 由大變小逼近λK時(shí)因入射X射線光子能量(與波長(zhǎng)有關(guān))恰好能激發(fā)某元素原子能級(jí)，X射線能量被大量吸收,產(chǎn)生突變。不連續(xù)處：吸收限相應(yīng)的吸收限波長(zhǎng)為λK， λL等。,,46,吸收限 (

24、Absorption edge),吸收限是由光電效應(yīng)引起的。X射線的λ ?λK時(shí)，產(chǎn)生光電效應(yīng) X射線光子被吸收，光子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮?、俄歇電子和熒光X射線的能量，使 發(fā)生突然↑。故λK稱為吸收限。吸收限兩側(cè)隨著λ的變化基本遵循經(jīng)驗(yàn)公式 ， 只是k值各不相同。,47,濾波片,利用特征X射線進(jìn)行物相分析時(shí)，只用單色Kα譜線，須將Kβ等濾掉，需使

25、用濾波片。濾波片材料根據(jù)陽(yáng)極靶元素而定，滿足下列關(guān)系 ： λKα(靶)＞λK(片)＞λKβ(靶)Z靶＜40時(shí)，Z濾波片=Z靶－1 Z靶＞40時(shí)，Z濾波片=Z靶－2濾波片是利用吸收限兩邊吸收系數(shù)相差懸殊的特點(diǎn)。濾波片的厚度對(duì)濾波質(zhì)量影響很大，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)暮穸取?XRD,XPS,AES,XRF,49,X射線與物質(zhì)相互作用小結(jié),宏觀效應(yīng)--X射線強(qiáng)度衰減，是X射線成像分析的物理基礎(chǔ) 射線成像XCT微

26、觀機(jī)制--X射線被散射,吸收散射：相干散射 XRD 非相干散射 吸收：XPS; XRF；AUS,50,X射線探測(cè)器,氣體電離室正比計(jì)數(shù)器G-M計(jì)數(shù)管閃爍探測(cè)器非晶硅（硒）平板探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器影像板（image plate） X射線CCD微多道板膠片，熒光屏,51,氣體電離室,X射線光子電離高壓氣體電離雪崩電信號(hào),發(fā)生雪崩的閾值電場(chǎng)：E ~106V/m,52,正比計(jì)數(shù)器

27、和G-M計(jì)數(shù)管,兩者都是以氣體電離為基礎(chǔ)的。每個(gè)X射線光子進(jìn)入計(jì)數(shù)管產(chǎn)生一次電子雪崩，繼而產(chǎn)生一個(gè)易于探測(cè)的電壓脈沖。當(dāng)電壓一定時(shí)，正比計(jì)數(shù)器所產(chǎn)生的脈沖大小與被吸收的X射線光子的能量呈正比。如：吸收一個(gè)CuKα光子（hv=9000ev）產(chǎn)生一個(gè)1.0 mV的電壓脈沖。吸收一個(gè)MoKα光（hv=20000ev）產(chǎn)生一個(gè)2.2 mV的電壓脈沖；正比計(jì)數(shù)器的電壓脈沖為mV量級(jí)。蓋革計(jì)數(shù)器由蓋革(Geiger)和彌勒(Mueller)發(fā)明

28、，制造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、使用方便；死時(shí)間長(zhǎng)，僅能用于計(jì)數(shù)。,53,閃爍探測(cè)器（NaI）,閃爍探測(cè)器是利用射線在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的可見(jiàn)光來(lái)探測(cè)X射線的,優(yōu)點(diǎn)：閃爍晶體(NaI)能吸收所有的入射光，吸收效率接近100％。 缺點(diǎn)：本底脈沖過(guò)高，即使在沒(méi)有X射線入射時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生“無(wú)照明電流”的脈沖。,54,非晶硅（硒）平板探測(cè)器,X射線光子 閃爍體可見(jiàn)光 光電二極管電荷信號(hào) 非晶硅薄膜模擬電信號(hào)數(shù)字電信號(hào),用非晶硒

29、可把X光直接轉(zhuǎn)化為電信號(hào),55,半導(dǎo)體探測(cè)器Si（Li） /Ge（Li）,X射線光子半導(dǎo)體電離電子孔穴遷移載流子收集電信號(hào),半導(dǎo)體中的平均電離能與入射光子/粒子能量無(wú)關(guān),分辨能力強(qiáng)，分析速度快，檢測(cè)效率100%.室溫下產(chǎn)生電子噪聲和熱噪聲。需液氮冷卻。,探頭(晶體＋前置放大器＋低溫裝置)；,譜放大器(穩(wěn)定性，抗過(guò)載，極零調(diào)節(jié)，基線恢復(fù)等);,多道脈沖幅度分析器(一般大于4000道)；,計(jì)算機(jī)(譜解析軟件及定量分析軟件)。,56

30、,X射線的安全與防護(hù),輻射損傷是過(guò)量的X射線對(duì)人體產(chǎn)生有害影響?？墒咕植拷M織灼傷，可使人的精神衰頹、頭暈、毛發(fā)脫落、血液的組成和性能改變以及影響生育等。X射線對(duì)人體影響的程度取決于：X射線的波長(zhǎng)、強(qiáng)度、照射時(shí)間、照射部位等。鉛可強(qiáng)烈吸收X射線。用鉛（玻璃、圍裙、眼鏡）進(jìn)行屏蔽。,57,X射線物理基礎(chǔ)小結(jié),歷史與背景：了解產(chǎn)生：掌握X射線譜：重點(diǎn)掌握與物質(zhì)相互作用：重點(diǎn)掌握探測(cè)：了解安全：了解,58,練習(xí)1)