x射線物理學基礎

1、X射線物理基礎,技術物理系康利平,X射線的發(fā)現及性質,倫琴，1895年發(fā)現X射線，1901年獲諾貝爾物理學獎,具有穿透性,X射線,陰極射線實驗,,,使底片感光,,使熒光物質發(fā)出熒光,,,X射線的性質,肉眼看不見，但能使氣體電離，使照相底片感光，能穿過不透明的物體，還能使熒光物質發(fā)出熒光。呈直線傳播，在電場和磁場中不發(fā)生偏轉；當穿過物體時僅部分被散射。對動物有機體（其中包括對人體）能產生巨大的生理上的影響，能殺傷生物細胞。,X射線最

2、早的應用,在X射線發(fā)現后幾個月醫(yī)生就用它來為病人服務右圖是紀念倫琴發(fā)現X射線100周年發(fā)行的紀念封,X射線的本質,波長很短的電磁波，1912年由勞埃證實波長在0.01~10nm硬X射線，波長約0.25~0.05nm，用于X射線衍射，其中0.1~0.005nm用于金屬部件的無損探傷波長很長的軟X射線，用于醫(yī)學透視,X射線具有波粒二相性,能量動量X射線的強度是衍射波振幅的平方 也是單位時間內通過單位截面

3、的光量子數目。X射線絕對強度難以測定，衍射中通常用相對強度表示,X射線的產生,,X射線的產生：高速運動的粒子與某種物質相撞擊后猝然減速，且與該物質中的內層電子相互作用而產生X射線可通過X射線管獲得幾個基本條件：產生自由電子、使電子做定向高速運動、在電子運動路徑上設置使其突然減速的障礙物,X射線管的結構,,X射線管的結構,陰極C——發(fā)射熱電子。一般由鎢絲制成，通電加熱后釋放出熱輻射電子。陽極A——靶，使電子突然減速并發(fā)出X射線。

4、窗口——X射線出射通道。既能有足夠的強度維持管內的高真空，又要對X射線的吸收較小。一般用金屬鈹或硼酸鈹鋰構成的林德曼玻璃。窗口與靶面常成3-6°的斜角，以減少靶面對出射X射線的阻礙。,C,X射線管,高速電子轉換成X射線的效率只有1%，其余99%都作為熱而散發(fā)了。所以靶材料要導熱性好，常用黃銅或紫銅制作，還需要循環(huán)水冷卻。因此X射線管的功率有限，大功率需要用旋轉陽極焦點——靶表面被電子轟擊的一塊面積，X射線就是從這塊面積上發(fā)射

5、出來的。焦點的尺寸和形狀是X射線管的重要特性之一。焦點的形狀取決于燈絲的形狀，螺形燈絲產生長方形焦點X射線衍射工作中希望細焦點和高強度；細焦點可提高分辨率；高強度則可縮短曝光時間,旋轉陽極,上述常用X射線管的功率為500～3000W。目前還有旋轉陽極X射線管、細聚焦X射線管和閃光X射線管。因陽極不斷旋轉，電子束轟擊部位不斷改變，故提高功率也不會燒熔靶面。目前有100kW的旋轉陽極，其功率比普通X射線管大數十倍。,旋轉陽極,加速器中可

6、以引出X射線,加速器中引出X射線,,加速器中引出X射線,連續(xù)X射線譜,X射線強度與波長的關系曲線，稱之X射線譜。在管電壓很低（小于20kV）時，射線從最小值λSWL向長波方向伸展，強度在λm處有一最大值。這種強度隨波長連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)X射線譜λSWL稱該管電壓下的短波限,連續(xù)譜與U、i、Z的關系,i、Z不變，提高U，譜線強度整體提高，λSWL和λm減小U、Z不變，提高i，譜線強度一致提高，λSWL和λm不變U、i相同，Z越高

7、，譜線強度越大，但λSWL和λm相同,X射線管的效率,連續(xù)譜的總強度： X射線管的效率η，是指電子流能量中用于產生X射線的百分數，當僅產生連續(xù)譜時，其效率為：,,X射線管的效率,管電壓越高，陽極靶材的原子序數越大，X射線管的效率越高。K1很小，約（1.1～1.4）×10-9V-1，即使用原子序數大的鎢靶（Z＝74），在管電壓高達100kv的情況下，X射線管

8、的效率也僅有1﹪左右.99％的能量都轉變?yōu)闊崮? 所以陽極多用高熔點金屬制造，如W、Ag、Mo、Cu、N、Co、Fe、Cr等，并通循環(huán)水冷卻,連續(xù)譜的經典物理學解釋,根據經典物理學的理論，一個高速運動的電子到達靶面，因突然減速而產生很大的負加速度，這種負的加速度一定會引起電子周圍的電磁場發(fā)生急劇變化，此時必然要產生電磁波，或至少一個電磁脈沖。由于極大數量的電子射到陽極上的時間和條件不可能相同，因而得到的電磁波將具有連續(xù)的各種波長，形成

9、連續(xù)X射線譜。,連續(xù)譜的量子力學解釋,在管電壓U作用下，電子到達靶的動能為eU，若一個電子與靶碰撞時，把全部能量給予一個光子，這就是一個光量子能獲得的最大能量，即 eU = hνmax = hc/λSWL此光量子的波長即為短波限，即 λSWL = hc/eU=1240/U （nm）大量的電子在到達靶面的時間、條件均不同，而且還有多次碰撞，每次碰撞產生一個光量子，因

10、而產生波長大于λSWL的不同波長的光子序列，即形成連續(xù)譜。,特征X射線譜,當管電壓超過某臨界值UK時，在連續(xù)譜的某些特定波長位置上出現一系列強度很強、波長范圍很窄的線狀光譜，稱為特征譜或標識譜。特征譜的波長不受U、i的影響，只取決于陽極靶材元素的原子序數Z。莫塞萊定律： 即,特征譜的產生機理,原子殼層按其能量大小分為數層，通常用K、L、M、N等字母代表它們的名稱。各殼層能量由內向外

11、逐漸增加（都為負） 若撞擊靶的熱電子具有足夠高的能量，以致將內層電子擊出成為自由電子即二次電子，此時原子系統處于激發(fā)狀態(tài)（高能態(tài)），必然會自發(fā)向穩(wěn)態(tài)（低能態(tài)）過渡。這一轉化是由高能級的電子向低能級的空位躍遷的方式完成的。如果K層電子被擊出，稱K激發(fā)，若L層電子躍遷到K層，多余能量以X射線光量子的形式輻射，即Kα特征譜線；若M層電子向K層空位補充，則輻射波長更短的Kβ譜線。,特征譜的產生機理,對原子序數為Z的物質來說，各能級的能量是固

12、定的，其大小與Z和能級數n有關，所以譜線的波長是一定的。L層內尚有能量差別很小的亞能級，故Kα特征譜線是由Kα1譜線和Kα2譜線組成的剛好能擊出靶材k層電子的動能 ，Uk 稱為靶材物質的k層臨界激發(fā)電壓，越靠近內層激發(fā)電壓越高；Uk還與Z有關。,特征譜產生機理,,,特征譜線的波長,自由電子能量為零，則每殼層電子能量為 K層，n＝1；L層，n＝2；M層，n＝3；....輻射譜線的能量為,得即

13、莫塞萊定律其中，R里德伯常數,,特征X射線的命名方法,如K層（n＝1）電子被擊出，由L層（n＝2）躍遷填補空位，則輻射的射線稱為Kα（Δn＝1）射線；若由M層躍遷引發(fā)的輻射，則此射線稱為Kβ（ Δn＝ 2）射線。L層內尚有能量差別很小的亞能級，故Kα特征譜線是由Kα1譜線和Kα2譜線組成的若L層電子被擊出，則射線為L系若M層電子被擊出，則射線為M系,特征譜的強度隨管電壓U和管電流i的提高而增大K3為常數；Un為特征譜的激發(fā)

14、電壓，對K系，Un＝Uk；m為常數，K系m＝1.5；L系m＝2,各特征譜線比較,多晶體的衍射分析中總希望應用以特征譜為主的單色光源，即應有盡可能高的I特/I連對K系譜線，當U/Uk＝4時I特/I連獲最大，所以X射線管適宜的工作電壓U≈(3～5)Uk,對比,莫塞萊定律的應用,特征X射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質的原子結構有關，而與其他外界因素無關，是物質的固有特性。1913～1914年莫色萊發(fā)現物質發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序

15、數間存在以下關系： 根據莫色萊定律，將實驗結果所得到的未知元素的特征X射線譜線波長，與已知的元素波長相比較，可以確定它是何元素。它是X射線光譜分析的基本依據,,X射線與物質的相互作用,X射線與物質的相互作用，是一個比較復雜的物理過程。會產生一系列效應，這是X射線應用的基礎入射到某物質的X射線分為散射、穿透和吸收三部分,透射系數和吸收系數,強度為I0的入射線照射到厚度為t的均勻物質上，透過深度為x處厚度為dx的物質后其強度的衰減dI

16、x/dx與dx成正比，即μl稱線吸收系數，X射線通過單位厚度（即單位體積）物質的相對衰減量。,左式積分得透射系數,質量吸收系數,單位體積內物質的質量隨其密度而異，所以μl對一確定的物質也不是一個常量。為表達物質本質的吸收特性，提出質量吸收系數μm，則有,μm的物理意義：X射線通過單位面積上單位質量的物質后強度的相對衰減量。多元素的化合物、固溶體活混合物的μm僅取決于各組元的質量吸收系數μmi及各組元的質量分數ωi ，即,,,

17、,吸收限,質量吸收系數決定于吸收物質的原子序數Z和X射線的波長：X射線的波長越短，穿透能力就越強，吸收系數越小但μm并非連續(xù)變化，而是在某些波長位置上突然升高，出現了吸收限每種物質都有本身確定的一系列吸收限，吸收限的存在暴露了吸收的本質,X射線的真吸收,X射線通過物質時產生光電效應和熒光輻射或俄歇效應，使入射X射線的能量變成光電子、俄歇電子和熒光X射線的能量，使X射線強度被衰減，是物質對X射線的真吸收過程。真吸收還包括Ｘ射線穿

18、過物質時引起的熱效應,光電效應,當入射光量子的能量等于或略大于吸收體原子某殼層電子的結合能時，此光量子就很容易被電子吸收，獲得能量的電子從內層溢出稱為自由電子，稱光電子。原子則處于相應的激發(fā)態(tài)，這種原子被入射輻射電離的現象即光電效應,光電效應消耗大量入射能量，表現為吸收系數突增，相應的入射波長即為吸收限。使K層電子變成自由電子需要的能量是ωk則νk、λk分別是K吸收限的頻率和波長,入射譜與吸收譜,處于激發(fā)態(tài)的原子也要通過電子躍

19、遷向低能態(tài)轉化，同時輻射被照物質的特征X射線（熒光X射線，二次X射線）。這個過程稱為熒光效應，與由熱電子入射激發(fā)特征X射線的過程完全相同。熒光輻射，主要應用于重元素（Z>20）化學成分的分析同一元素的X射線發(fā)射譜與其吸收譜的關系,熒光效應,,,俄歇（auger）效應,如果原子中一個K層電子被入射光量子擊出后，L層一個電子躍遷填補空位，多余能量不以熒光X射線輻射，而是另一個L層電子獲得躍出成為自由電子，這樣的一個K層空位被兩個L

20、層空位代替的過程稱為俄歇效應躍出的L層電子稱KLL俄歇電子，每種原子的俄歇電子均具有一定的能量，測定俄歇電子的能量，即可確定該種原子的種類，所以，可以利用俄歇電子能譜作元素的成分分析。俄歇電子的能量很低，人們能夠檢測到的只是表面兩三個原子層發(fā)出的俄歇電子，因此，俄歇效應應用于輕元素表層的分析。,俄歇效應,,,吸收限的應用——濾波片的選擇,在一些衍射分析工作中，我們只希望利用kα輻射，但X射線管中發(fā)出的X射線包含kα、Kβ和連續(xù)譜，它

21、們會使衍射花樣復雜化?？梢岳梦障迌蓚任障禂挡詈艽蟮默F象制成濾波片，得到基本的單色光源,濾波片的選擇規(guī)則,濾波片材料的K吸收限位于光源λkα和λkβ之間即λkα(光源) <λk(濾波片)< λkβ(光源) ，他對Kβ吸收很強烈而對λkα吸收很少。 調整濾波片的厚度，使濾波后的Ikα≈600Ikβ Z靶＜40時，Z濾＝Z靶-1 Z靶≥40時，Z濾＝Z靶-2,吸收限的應用——陽極靶材的選擇,進行衍射分析時，總希望試樣

22、對X射線少吸收，獲得高的衍射強度＆低的背底應選擇靶的Kα譜位于試樣元素K吸收限的右近鄰（稍大于λK）或左面遠離λK的低μ處如Fe試樣用Co或Fe靶，Al試樣用Cu或Mo靶Z靶≤Z試樣+1,,靶的Kα譜即λx,X射線的散射,物質對X射線的散射主要是電子與X射線相互作用的結果物質中的核外電子分為兩大類：原子核束縛不緊的和原子核束縛較緊的電子X射線照射到物質表面后對于這兩類電子會產生兩種散射效應,相干散射(彈性散射或湯姆遜散射),當

23、X射線與原子中束縛較緊的內層電子相撞后，光能量不足以使原子電離，但電子可在X射線交變電場作用下產生受迫振動，向四周輻射振動頻率與入射X射線相同的射線。任何帶電粒子作受迫振動時將產生交變電磁場，從而向四周輻射電磁波，其頻率與帶電粒子的振動頻率相同。由于散射線與入射線的波長和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，故稱為相干散射。相干散射是X射線在晶體中產生衍射現象的基礎。,不相干散射（康普敦-吳有訓效應）,X射線經束縛力

24、不大的電子（如輕原子中的電子）或自由電子散射后，可以得到波長比入射X射線長的X射線，且波長隨散射方向不同而改變。這種散射現象稱為康普頓散射或康普頓一吳有訓散射，也稱之為不相干散射，是因散射線分布于各個方向，波長各不相等，不能產生干涉現象。能量為hv的光子與自由電子或受核束縛較弱的電子碰撞，將一部分能量給與電子，使其能量提高成為反沖電子，光子損失了能量并改變了方向，能量減少為hv′，顯然v>v′，即λ<λ ′?？梢杂靡粋€光

25、子與一個電子的彈性碰撞機制來描述，由動量守恒和能量守恒定律來推導散射線的波長增大值△λ= λ’-λ≈0.0024(1-cosθ)不相干散射在衍射圖相上成為連續(xù)的背底。,,,,X射線產生及其與物質相互作用小結,X射線的安全防護,人體過量接受射線照射會引起損傷《射線防護規(guī)定》GBJ8-74國家標準重金屬鉛可以強烈吸收射線，用鉛玻璃屏蔽。,總結,本章主要講述三個問題:1.X射線的性質,本質和X射線的產生2.X射線譜---連續(xù)譜,特

26、征譜3.X射線與物質的相互作用,總結,關于X射線的性質,本質和X射線的產生1.了解X射線有哪些性質!2.X射線的本質是電磁波,具有波粒二相性.3.X射線的產生定義:高速運動的粒子遇阻嘎然停止,其能量可以X射線形式釋放.4.X射線管結構與工作原理,總結,關于X射線譜---連續(xù)譜,特征譜1.連續(xù)譜產生機理的二種解釋(經典,量子),什么是短波限?為什么會出現短波限？2.特征譜產生機制、特征譜的命名方法、 臨界激發(fā)電壓、激發(fā)