固體物理實(shí)驗(yàn)方法X射線結(jié)構(gòu)分析

1、羅震林、劉文漢固體物理實(shí)驗(yàn)方法 （I） X射線結(jié)構(gòu)分析3422，NSRLhttp:/ 固體X射線學(xué)高等教學(xué)出版社，1990l黃勝濤固體X射線學(xué)高等教學(xué)出版社lB.E.Warren, X-ray Diffraction, Addison-Wesley Pub.Co.Inc.lJens Als-Nielsen, Des McMorrow, Elements of Modern X-ray physics, 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

2、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(jiǎng)）l1912 Laue.M. 晶體的X射線衍射，Laue方程 （1914年諾貝爾物理獎(jiǎng)）l1913 Bragg, W.H & W.L. Bragg定律 (1915年諾貝爾物理獎(jiǎng)) 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年諾貝爾物理獎(jiǎng)） 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

3、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(xì)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(xué)最重要的結(jié)構(gòu)研究手段其他應(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(jī)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

4、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(qiáng)度2)X射線管發(fā)射譜（1）連續(xù)譜 輻射機(jī)制：韌致輻射 最短波長 （2）標(biāo)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(shí)疊加在連續(xù)譜上。 A.輻射機(jī)制：靶原子內(nèi)殼層的電子躍遷 B.主要譜線 LIIIK LIIK MK潘國強(qiáng).同步輻射應(yīng)用基礎(chǔ)K-series 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)

5、n = 2, L = 0, J = ; 2S1/2(LI)ONMLKcontinuum特征譜線（特征譜線（標(biāo)識輻射標(biāo)識輻射 ）e-例例 Cu1K0.15406nm2K0.15444nmK0.1542nm K0.13923nmkVV98. 80C.特征譜強(qiáng)度 I與電壓V電流i的關(guān)系 n=1.5-2 與連續(xù)譜比，當(dāng) 時(shí)，強(qiáng)度強(qiáng)兩個(gè)量級 K系三條譜線的強(qiáng)度比 0()nIBi VV0)53(VV12:100:50:20 3)X射線管的主要性能指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)焦斑 細(xì)聚焦管 110mmmmmm

6、mm44 . 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(yùn)動(dòng)時(shí)沿軌道切線方向發(fā)出的電磁輻射稱為同步輻射，因?yàn)檫@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(gè)同步輻射光源在運(yùn)行。代表性的光源有：第一代（兼用機(jī)） SSRL（美國） BSRF（北京）第二代（專用機(jī)） 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 Magn

7、et）、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(jì)算光譜(頻譜)34/3cRr圖5 X射線源亮度2)高強(qiáng)度,高亮度3)方向性好同步輻射功率集中在電子運(yùn)動(dòng)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(shí)間結(jié)構(gòu)7)高穩(wěn)定性8)可由理論準(zhǔn)確計(jì)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(shí)驗(yàn)室常用于校準(zhǔn)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(qiáng)激光的高次諧波3)X射線激光、自由電子激光