第二章 X射線的產(chǎn)生和性質(zhì)

1、邢麗麗東北大學(xué)理學(xué)院建筑館110 1895年,德國物理學(xué)家倫琴(W.K.Rntgen,1845-1923)發(fā)現(xiàn)：用高速電子沖擊固體時，有一種新射線從固體上發(fā)出來。 顯而易見的特點:它能穿過不透明物質(zhì)。人類歷史上第一次觀察到了人手骨骼的影象。 以數(shù)學(xué)上慣用的假定詞X作為它的代名詞.-+陰極陰極陽極陽極燈絲燈絲真空真空高壓高壓X射線射線金屬靶金屬靶電子電子一.真空管中以高電壓加速電子束轟擊金屬靶。二.同步回旋加速器中產(chǎn)生：強度高、單色性好、頻率可選擇。三.用X射線或低能射線激發(fā)（XIX）二次X射線。 x-射線通常是在真空度為射線通常是在真空度為10-310-5 Pa的的x-射線管內(nèi)，射線管內(nèi)，由高

2、電壓加速的一束高速運動的電子，沖擊陽極金由高電壓加速的一束高速運動的電子，沖擊陽極金屬靶而產(chǎn)生的。此中包括三個條件屬靶而產(chǎn)生的。此中包括三個條件:(a)產(chǎn)生自由電子（如通過燒燈絲，熱發(fā)射產(chǎn)生自由電產(chǎn)生自由電子（如通過燒燈絲，熱發(fā)射產(chǎn)生自由電子）子）;(b) 在一萬至十萬伏的高壓下使自由電子加速，由陰極在一萬至十萬伏的高壓下使自由電子加速，由陰極燈絲射向陽極金屬靶；燈絲射向陽極金屬靶；(c) 通過陽極金屬靶對高速電子實施攔截。通過陽極金屬靶對高速電子實施攔截。x-射線是波長范圍在約射線是波長范圍在約110000pm的電磁波，用于測的電磁波，用于測定晶體結(jié)構(gòu)的定晶體結(jié)構(gòu)的x-射線，波長為射線，波長

3、為50250pmX射線管的額定功率射線管的額定功率特殊結(jié)構(gòu)的特殊結(jié)構(gòu)的X射線管射線管 組成：（1）為X射線管提供穩(wěn)定的數(shù)萬伏高壓電場的高壓變壓器；（2）為加熱陰極燈絲用的低壓穩(wěn)壓電源；（3）為設(shè)備操作所需的自動控制和指示裝置。光是一種電磁波，也是一種粒子，叫做光子?？梢杂貌ㄩL或者頻率表征光波，也可以用能量表征光波。光的波長可從10-4厘米到10-16厘米，相應(yīng)于光子的能量為100電子伏到10E12電子伏。波長越短，能量越高.在雨中快速轉(zhuǎn)動雨傘時，沿傘邊緣的切線方向會飛出一簇簇水珠。利用彎轉(zhuǎn)磁鐵可以強迫高能電子束團在環(huán)形的同步加速器以接近于光速作回旋運動，在切線方向會有電磁波發(fā)射出來。 同步輻射

4、光源自1947年代誕生以來，已有近60年的歷史，隨著應(yīng)用研究工作不斷深入，應(yīng)用范圍不斷拓展，對同步輻射光源的要求也不斷提高，并經(jīng)歷了三代的快速歷史發(fā)展階段。第一代同步輻射光源是寄生于高能物理實驗專用的高能對撞機的兼用機，如北京光源（BSR）就是寄生于北京正負電子對撞機（BEPC）的典型第一代同步輻射光源；第二代同步輻射光源是基于同步輻射專用儲存環(huán)的專用機，如合肥國家同步輻射實驗室（HLS）；第三代同步輻射光源是基于性能更高的同步輻射專用儲存環(huán)的專用機，如上海光源(SSRF)。目前世界上已建成的第一代同步輻射光源有17臺，第二代有23臺，第三代有13臺（包括我國臺灣及南韓的各1臺），正在建造和設(shè)

5、計的第三代同步輻射光源有12臺。預(yù)計到2010年前后，每天將有上萬名科學(xué)家和工程師同時使用這些同步輻射光源，從事前沿學(xué)科研究和高新技術(shù)開發(fā)。第一代、第二代、第三代同步輻射光源之間的最主要的區(qū)別，是在于作為發(fā)光光源的電子束斑尺寸或電子發(fā)射度的迥異。例如第二代的合肥同步輻射光源，其電子束發(fā)射度約150納米弧度，而第三代的上海光源，其電子束發(fā)射度約4納米弧度，二者相差近40倍，結(jié)果得到的光亮度差1600倍，近三個量級！另一顯著差別是可使用的插入件的數(shù)量懸殊，第二代光源僅能安裝幾個插入件，而第三代光源可有十幾個到幾十個插入件。由于插入件產(chǎn)生的光較之彎轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生的光具有更高的亮度和更好的性能，可見插入件

6、數(shù)量的多寡可直觀地表征光源的性能的優(yōu)劣。 200MeV 425keV 3.5GeV同步輻射光的特點同步輻射光的特點高強度高強度如用X光機拍攝一幅晶體缺陷照片，通常需要7-15天的感光時間，而利用同步輻射光源只需要十幾秒或幾分鐘，工作效率提高了幾萬倍。高亮度的特性決定了同步輻射光源可以用來做許多常規(guī)廣源所無法進行的工作。寬波譜寬波譜同步輻射從紅外線、可見光、真空紫外、軟X射 線一直延伸到硬X射線（如圖），是目前唯一能 覆蓋這樣寬的頻譜范圍又能得到高亮度的光源。 利用單色器可以隨意選擇所需要的波長，進行單 色光的實驗。高準直性高準直性利用同步輻射光學(xué)元件引出的同步輻射廣源具有 高度的準直性，經(jīng)過聚

7、焦，可大大提高光的亮度， 可進行極小樣品和材料中微量元素的研究。脈沖性脈沖性同步輻射光是由與儲存環(huán)中周期運動的電子束團 輻射發(fā)出的，具有納秒至微秒的時間脈沖結(jié)構(gòu)。 利用這種特性，可研究與時間有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)、 物理激發(fā)過程、生物細胞的變化等。偏振性偏振性與可見光一樣，儲存環(huán)發(fā)出的同步輻射光根據(jù)觀察 者的角度可具有線偏振性或圓偏振性，可用來研究樣品中特定參數(shù)的取向問題。 1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，后人為了紀念他，將其稱為倫琴射線倫琴射線。 倫琴在實驗室的發(fā)現(xiàn)結(jié)果表明倫琴在實驗室的發(fā)現(xiàn)結(jié)果表明：X射線是用人的肉眼不可看見的，但是能夠使某些物質(zhì)（鉑氰化鋇）發(fā)出可見的熒光；具有感光性，能使

8、照相的底片感光；具有激發(fā)本領(lǐng)，使氣體電離。 實際觀測還表明實際觀測還表明：X射線沿直線傳播，經(jīng)過電場時不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；具有很強的穿透能力，波長越短，穿透物質(zhì)的能力越大；與物質(zhì)能相互作用。 另外，X射線通過物質(zhì)時可以被吸收，使其強度衰減，偏振化即經(jīng)過物質(zhì)后，某些方向強度強，某些方向強度弱；能夠殺死生物細胞，在實驗中需要特別保護。 不引起人們的視覺，但可使熒光物質(zhì)發(fā)光，使照相底片感光，不引起人們的視覺，但可使熒光物質(zhì)發(fā)光，使照相底片感光，使固、液、氣體物質(zhì)電離。使固、液、氣體物質(zhì)電離。 一般不反射，折射很小，折射率近似為一般不反射，折射很小，折射率近似為1 1，1-n1-n1010-5-5 1010-

9、6-6，可以可以衍射衍射。 對物質(zhì)有很強的穿透力。對物質(zhì)有很強的穿透力。 能夠殺傷生物細胞。能夠殺傷生物細胞。X射線是一種射線是一種波長較短的電磁波波長較短的電磁波，是由高能電子的減速或由，是由高能電子的減速或由 原子內(nèi)層軌道電子的躍遷產(chǎn)生的，本質(zhì)與可見光相同原子內(nèi)層軌道電子的躍遷產(chǎn)生的，本質(zhì)與可見光相同 。波長范圍：波長范圍：1000.01，一般用于晶體衍射波長，一般用于晶體衍射波長2.50.5。 用于金屬材料探傷的波長在用于金屬材料探傷的波長在10.05。X射線譜：連續(xù)譜、標(biāo)識譜。射線譜：連續(xù)譜、標(biāo)識譜。不能被磁場所偏轉(zhuǎn)。不能被磁場所偏轉(zhuǎn)。X射線管的高壓增加時，（保持管電流不變），可得不同

10、的強度-波長曲線。產(chǎn)生機理：高能電子的減速產(chǎn)生機理：高能電子的減速。鎢靶連續(xù)x射線譜特點： 電壓加的越大，強度I越高； 強度I均有最高值，電壓越大，I的最高值向短波方向移動； 每個電壓下的曲線均有一個短波極限0。形成機制形成機制（2）標(biāo)識譜（特征譜）標(biāo)識譜（特征譜） 以K系為例產(chǎn)生機制產(chǎn)生機制 X射線管真空度約為10-6mmHg（133.322Pa）；高壓：3060kV。 幾率最大的是L層電子往K層空軌道躍遷，其次是M層電子往K層空軌道躍遷。 在X射線激光難題學(xué)所使用的衍射方法中，除勞埃法是使用白色光之外，其他方法都是使用特征波長的單色X射線。 不同的金屬由于其電子能態(tài)不同，所發(fā)出的特征X射線

11、的波長也不同。這是應(yīng)用X射線光譜方法鑒定各種不同元素的主要依據(jù)。 以以Cu靶為例，當(dāng)電壓達到靶為例，當(dāng)電壓達到3540 kV時，時，x光電光電管內(nèi)被加速的電子足以將管內(nèi)被加速的電子足以將Cu原子內(nèi)層的原子內(nèi)層的K電子（即電子（即1s電子）轟擊出來，然后次內(nèi)層電子）轟擊出來，然后次內(nèi)層L電子電子(2s和和2p電子電子)補入補入K層中的空位。由于層中的空位。由于L層和層和K層的能級間隔是固層的能級間隔是固定的，發(fā)射出定的，發(fā)射出=1.5418的的CuK射線。一般在實驗中射線。一般在實驗中，在產(chǎn)生，在產(chǎn)生K射線的同時，還有由于射線的同時，還有由于M層（即層（即3s、3p、3d）電子補入）電子補入K層

12、時所輻射出的層時所輻射出的K射線，射線，（Cu K=1.3922）。）。2.4 X射線和晶體的相互作用射線和晶體的相互作用X X射線的吸收射線的吸收 X射線通過物質(zhì)時產(chǎn)生的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)，使入射的X射線的能量變成了光電子，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(zhì)X射線真吸收的過程。 晶體吸收的晶體吸收的x-x-射線一部分以光電效應(yīng)與晶體相射線一部分以光電效應(yīng)與晶體相互作用，互作用，產(chǎn)生光電子產(chǎn)生光電子和頻率低于原生和頻率低于原生x-x-射線的射線的次生次生熒光射線熒光射線（產(chǎn)生次生熒光射線和產(chǎn)生原生特征（產(chǎn)生次生熒光射線和產(chǎn)生原生特征x-x-射射線的機理相同）；線的機理相同）

13、； 另一部分則以散射效應(yīng)與晶體相作用（另一部分則以散射效應(yīng)與晶體相作用（x-x-射線射線散射指物質(zhì)中的電子與散射指物質(zhì)中的電子與x-x-射線相互作用，使射線相互作用，使x-x-射線射線進入晶體后一部分改變了方向的現(xiàn)象進入晶體后一部分改變了方向的現(xiàn)象），由于原子），由于原子核質(zhì)量較大，在核質(zhì)量較大，在x-x-射線的作用下，位移小，散射效射線的作用下，位移小，散射效應(yīng)很小，故散射主要在應(yīng)很小，故散射主要在x x射線與電子之間發(fā)生。射線與電子之間發(fā)生。散散射有相干散射與不相干散射之分射有相干散射與不相干散射之分，其中不相干散射，其中不相干散射的機理可示意如下：的機理可示意如下： 由于次生由于次生x

14、x射線的方向和波長均發(fā)生變化故稱為不射線的方向和波長均發(fā)生變化故稱為不相干散射。相干散射。原生X射線光子次生X射線光子反沖電子 相干散射所產(chǎn)生的次生相干散射所產(chǎn)生的次生x x射線，其波長、周相射線，其波長、周相與與原生原生 x-x-射線都相同，只是方向有了變化。射線都相同，只是方向有了變化。 相干散射是相干散射是x-x-射線在晶體中產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)。射線在晶體中產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)。相干散射的機理相干散射的機理為：當(dāng)晶體中的電子在為：當(dāng)晶體中的電子在x x射線電磁場射線電磁場的作用產(chǎn)生受迫振動時，每一受迫振動的電子便成的作用產(chǎn)生受迫振動時，每一受迫振動的電子便成為新的電磁波波源向空間各個方向輻射球面電

15、磁為新的電磁波波源向空間各個方向輻射球面電磁波，由于電子隨著原生波，由于電子隨著原生x x射線的電場起伏振動，其振射線的電場起伏振動，其振動頻率和周相與原生動頻率和周相與原生x x射線相一致，所以，由電子振射線相一致，所以，由電子振動產(chǎn)生的散射波也是動產(chǎn)生的散射波也是x x射線，稱為次生射線，稱為次生x x射線。射線。 由于這些次生由于這些次生x x射線符合相干條件，它們將產(chǎn)射線符合相干條件，它們將產(chǎn)生生干涉現(xiàn)象，即它們通過疊加而產(chǎn)生相互加強或消弱干涉現(xiàn)象，即它們通過疊加而產(chǎn)生相互加強或消弱的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 由于晶體內(nèi)部具有點陣式的周期結(jié)構(gòu)，我們可由于晶體內(nèi)部具有點陣式的周期結(jié)構(gòu)，我們可以將諸

16、電子或原子產(chǎn)生次級以將諸電子或原子產(chǎn)生次級x x射線的干涉分為兩類情射線的干涉分為兩類情況來討論：況來討論： 一是由點陣中陣點上的原子或電子所產(chǎn)生的次生一是由點陣中陣點上的原子或電子所產(chǎn)生的次生x x射線互相干涉的情況射線互相干涉的情況; ; 二是與點陣點所代表的結(jié)構(gòu)基元的具體內(nèi)容有關(guān)二是與點陣點所代表的結(jié)構(gòu)基元的具體內(nèi)容有關(guān)的點的點，或者說與晶胞中原子的分布位置有關(guān)的點，或者說與晶胞中原子的分布位置有關(guān)的點所產(chǎn)生的次生所產(chǎn)生的次生x x射線間相互干涉的情況射線間相互干涉的情況. . 前者決定前者決定晶體的衍射方向，后者決定晶體的衍射強度晶體的衍射方向，后者決定晶體的衍射強度。X X射線強度的

17、減弱射線強度的減弱 假定：X射線束通過很薄的一層物質(zhì)時，光強的減弱與這一層物質(zhì)的厚度dx及射線束強度I呈正比，IdxdI吸收系數(shù)散射系數(shù)減弱系數(shù)積分后得xxeII0)/ln(0HII X射線的減弱（散射和吸收）是X射線和原子的電子相互作用的結(jié)果。不僅與厚度有關(guān)，并且還決定于物質(zhì)的性質(zhì)（原子序數(shù)Z）和物質(zhì)的密度（）。 減弱系數(shù)與入射X射線的波長有關(guān)。波長越長，減弱程度越大，對物質(zhì)的穿透能力越弱。 對于短波長，特別是對于常用陽靶金屬材料（CrMo）所給出的白色連續(xù)輻射波段，由輕的元素所組成的晶體物質(zhì)所產(chǎn)生的散射效應(yīng)將比吸收效應(yīng)更為嚴重。 隨晶體物質(zhì)的元素的原子序數(shù)的增加，特別是波長的增加，物質(zhì)對入

18、射光的吸收效應(yīng)增強速度比散射效應(yīng)的增強速度快得多。 常用的陽靶金屬材料（ CrMo）的特征K射線，即使在有機晶體中，吸收效應(yīng)已經(jīng)占優(yōu)勢，而散射效應(yīng)可以忽略不計。3ncZ 吸收極限：曲線上的一系列斷點。 產(chǎn)生原因：物質(zhì)吸收X射線后將使物質(zhì)中原子的某些電子改變其量子狀態(tài)，X射線波長變大，其光量子能量下降并到一極限值時，光量子的能量不能使電子的量子能態(tài)過渡，這個能量的量子不能被吸收。3ncZ 為了獲得單色波長，需將為了獲得單色波長，需將K射線及白色射線及白色射線除去，一種方法是選擇一種金屬，它的射線除去，一種方法是選擇一種金屬，它的吸收限波長位于吸收限波長位于K和和K之間，用這種金屬之間，用這種金屬薄片作濾波片，吸收掉薄片作濾波片，吸收掉K射線。射線。靶材靶材發(fā)射的X射線波長平均值濾波材料原子序數(shù)Z元素操作電壓(kV)K()K2()K1()K()原子序數(shù)Z元素K吸收限()24Cr30402.29072.293612.289702.0848723V2.269126Fe35451.93731.939981.936041.7566125Mn1.896427