X射線技術(shù)介紹和應(yīng)用

1、X射線技術(shù)介紹和應(yīng)用X-ray Analysis 1. X射線的產(chǎn)生和性質(zhì)1.1 導(dǎo)論 1.2 X射線的產(chǎn)生1.3 X射線的性質(zhì)2. X射線技術(shù)和應(yīng)用2.1 X射線衍射（XRD）2.1 EXAFS，XANES2.3 X射線形貌（XRT）2.4 X射線成像（XRI）2.5 X射線小角散（XRS）2.6 X射線光刻（XRL）射線熒光（XRF） 3. 結(jié)束語：X射線實(shí)驗(yàn)系列化研究1. X射線的產(chǎn)生和性質(zhì)1.1 導(dǎo)論1.2 X射線的產(chǎn)生1.3 X射線的性質(zhì)1.1 導(dǎo)論1901倫琴 (Roentgen)發(fā)現(xiàn)X射線(1895)1914勞厄（Laue）晶體的X射線衍射1915布拉格父子 (Bragg)分析晶

2、體結(jié)構(gòu)1917 巴克拉 (Barkla)發(fā)現(xiàn)元素的標(biāo)識X射線1924塞格巴恩 (Siegbahn )X射線光譜學(xué)1927康普頓(Compton等六人) 康普頓效應(yīng)1936德拜 (Debye) 化學(xué)1946馬勒 (Muller) 醫(yī)學(xué)1964霍奇金 (Hodgkin) 化學(xué)1979柯馬克和豪森菲爾德（Cormack/Hounsfield） 醫(yī)學(xué)1981 塞格巴恩(Siegbahn)物理 1.2 X射線產(chǎn)生固體靶源 同步輻射 等離子體源同位素核反應(yīng)其他X射線管 固體靶源轉(zhuǎn)靶焦點(diǎn)和輻射譜 (Kramer Law) 連續(xù)譜I(E) - IntensityE x-ray energy(Delta= 1e

3、V) W/eVK - constant P0 incident power (W)Z - target atom numbern 1E0 incident electron energy（KeV） 特征譜 X-lines : Ka,b and La,b etc. Ka : Ka1, Ka 2B ConstantF(x) Target material Cons.Ec Critical energy特征譜連續(xù)譜I(E)=BN(Z)F(x)(E0-Ec)mI(E)=P0KZn(E0-E)/E0同步輻射 (合肥)實(shí)驗(yàn)大廳 (Hefei)Hefei 電子儲存環(huán)北京同步輻射實(shí)驗(yàn)室 (BSRF)BSRF

4、(Beijing)同步輻射和譜分布SR輻射的能量和功率 (Larmor formula) (per e-, per run)v Electron velocityc Light velocity - Magnet radiuse electron chargeE Electron energym electron mass總輻射功率 (magnet length L): AverageIn practical units, E - GeV, - m, B kG, Beam, current I A功率譜分布 (Integrated to all angle)功率角分布 ( intgrated

5、to all wavelength)- Second Bessel function, - Angle between photo and instant obbit plane , - Critical wavelength and energy。實(shí)用單位:Fe 等離子體源 Z-壓縮氣體等離子體源氣體等離子體輻射的X射線譜 幾種源的譜比較UndulatorWigglerBent MagnetSR譜固體靶源譜1.3 X射線的性質(zhì) X射線的吸收 X射線的散射 X射線光學(xué) X射線探測器 X射線的吸收I=I0exp(-t)Line absorption coefficientl=log(I0/I)/

6、t (cm-1)Mass absorption coefficientm=/ (cm2/g)Atom absorption coefficienta=/A/N (cm2/atom)Mol absorption coefficientmol=(/)A (cm2/mol對混合物和化合物m=wiI (wi mass ratios)對連續(xù)X射線m=wii (i different wavelength)重要!m photo electron + scattering + e+,e-Photo absorption section = A/N/, 和 Z 的關(guān)系 - Bragg-Pierce 定律/ =

7、 KZ43 (cm-1)吸收限和跳躍比 X射線光學(xué)反射光學(xué)平晶彎晶多層膜衍射光學(xué)晶體波帶板光柵吸收吸收片(1)X射線反射鏡 折射率： - 折射因子 - 衰減因子反射率：柱面鏡材料： Si，Ge， Crystal形狀： 平晶，彎晶，球面 柱面，環(huán)面，超環(huán)面應(yīng)用： 單色器，成像（2）單晶X射線光學(xué)(3)毛細(xì)管X射線透鏡(4)X射線波帶板 X射線探測器正比計(jì)數(shù)器*NaI（Tl）閃爍探測器*Si（Li）探測器*Ge（Li）探測器Si PIN探測器*Ge PIN探測器*多（單）絲室X射線CCD微多道板G-M計(jì)數(shù)管電離室膠片，熒光屏2 X射線技術(shù)及應(yīng)用2.1 X射線衍射（XRD）2.2 EXAFS，XAN

8、ES2.3 X射線形貌（XRT）2.4 X射線成像（XRI）2.5 X射線小角散（XRS）2.6 X射線光刻（XRL）2.7 X射線熒光（XRF）2.1 X射線衍射（XRD）(1) Debye 法=2dsin同步輻射（SR）XRD裝置 （BSRF）納米微晶Fe的X射線衍射(2)Laue 法蛋白質(zhì)的Laue衍射圖2.2 擴(kuò)展的X射線吸收邊（EXAFS）XANES：30 40eV 光電子多重散射EXAFS：大于40eV 光電子/散射波干涉 X射線形貌（白光形貌和雙晶形貌） X射線形貌圖 X射線成像層析術(shù)（吸收）顯微術(shù)（吸收）全息術(shù)（衍射）減法造影（吸收）其它掃描X射線顯微鏡裝置X射線顯微術(shù)實(shí)驗(yàn)站顯

9、微圖造影裝置兔耳造影 (注入BaFBr） X射線小角散射 X射線光刻 X-ray 掩膜（mask） X-ray抗蝕劑（resist） X-ray光刻機(jī)（stepper） LIGA技術(shù)SR X射線光刻裝置（XRL） X射線抗蝕劑 - 分類光抗蝕劑X射線抗蝕劑電子束抗蝕劑有機(jī)抗蝕劑無機(jī)抗蝕劑單組分兩組分三組分正性抗蝕劑 PMMA (poly(methyl methacrylate) -聚甲基丙烯酸甲酯, AZ1350J, RAY-PF 負(fù)性抗蝕劑 EPB, COP, SAR, RAY-PN - 光化學(xué)原理單組分：PMMA poly (methylmethacrylate) - 聚甲基丙烯酸甲酯po

10、sitive tone, polymer chain scission typeElectron beam, DUV, x-ray and multi-level lithographyBasic Parameters: Molecular weight 50 - 950 kg/mol Solids content 4% - 10% Glass-transition temperature85 - 106% refractive index 1.49 (for 950k at 6328) Solvent Chlorobenzene,chorobenzene/xylene MIBK (methy

11、l-iso-butyl-ketone)MEK (methyl-ethyl-kotone) specific gravity 0.79 - 0.85 (MIBK) 1.08 - 1.14 (chlorobenzene) Flash point 28OC - chlorobenzene 17% - MIBK Appearance colorless liquid Filtration 0.20 m Sensitive wavelength: 200 - 240nm Store conditions: one year, 10 - 21%-2c & 3c(雙組分和三組分抗蝕劑)雙組分：基本樹脂材料+

12、含鹵族元素的光敏感劑 三組分：Novalok 樹脂-基體，提供良好的抗干刻蝕特性 對輻射靈敏的組分-輻照后吸收光子產(chǎn)生強(qiáng)Bronsted酸 阻溶劑-對光子不敏感但對酸很敏感 兩組分三組分- 特性 靈敏度和襯度正性抗蝕劑的襯度曲線 負(fù)性抗蝕劑的襯度曲線 - 分辨率 光電子和Auger電子空間分布由Grun射程描述:- 抗蝕劑的密度- 為光子的能量 (KeV)的單位為 = 4.5nm (C K), 0.83nm (Ru L) 和0.46nm (Al K)rg = 5nm, 35nm 和65nm X射線掩膜 = 550cm Feature size100nmPattern placement acc

13、uracy100nm)50% Optical transparency50% Absorber contrast20 Radiation stability1ppm(10kJ/cm2)掩膜X射線光刻機(jī)（Stepper）抗蝕劑圖形一些結(jié)果抗蝕劑圖形 LIGA 技術(shù) (Lithographie, Galvanoformung, Abformung)制作三維立體微結(jié)構(gòu)元件X射線光刻技術(shù)極大高寬比抗蝕劑圖形LIGA技術(shù)使得構(gòu)造任意形狀側(cè)面的微結(jié)構(gòu)集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的尺度可達(dá)幾百m 總體精確度可保證在m和亞m量級使用的材料可以是金屬，塑料，陶瓷以及它們的組合LIGA技術(shù)的應(yīng)用范圍復(fù)蓋各種不同技術(shù)領(lǐng)域范圍：微型

14、機(jī)械，顯微光學(xué)，集成光學(xué)，傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及化學(xué)醫(yī)藥和生物技術(shù)特點(diǎn)： LIGA技術(shù)使微機(jī)械元件，微光學(xué)元件，微傳感器以及微電子學(xué)可以集成在單芯片上形成微集成系統(tǒng)，這可以極大地減小整個(gè)系統(tǒng)的體積，降低功耗，提高執(zhí)行速度，對高技術(shù)發(fā)展和軍事工業(yè)具有巨大的吸引力。 工藝過程 第一步 （X-ray Lithography）同步輻射X射線通過掩摸輻照到涂在電鍍基底上的厚抗蝕劑上進(jìn)行曝光, 然后對曝光的抗蝕劑顯影，形成抗蝕劑圖形 第二步（Electroform Mould）進(jìn)行電鑄，去掉電鍍基底和作為圖形的抗蝕劑，得到一金屬微結(jié)構(gòu)型版 第三步（ Electroform structures）是一個(gè)回流鑄

15、塑高分子材料過程，即在導(dǎo)電塑料基底上形成電絕緣結(jié)構(gòu)。最后通過電鑄做成金屬結(jié)構(gòu)元件 LIGA技術(shù)工藝過程（1）輻照顯影電鑄（鍍）制模（鑄孔板）鑄塑型模LIGA技術(shù)工藝過程（2） LIGA技術(shù)應(yīng)用微靜電電機(jī) X射線熒光-元素分析同步輻射X射線熒光（SR-XRF）分析用于環(huán)境的監(jiān)測和凈化（1）X射線熒光（XRF）的產(chǎn)生Ka, bLa, b（2）質(zhì)子，光子和電子激發(fā)的XRF譜（3）熒光產(chǎn)額（4）熒光線系（5）熒光光譜（6）SR-XRF裝置固體靶XRF裝置（7）SR-XRF環(huán)境應(yīng)用特點(diǎn)（1）實(shí)驗(yàn)方法白光SR-XRF - 簡單快速單色光SR-XRF 高分辨率全反射SR-XRF 高靈敏度 （2）監(jiān)測和凈化對

16、像 水源, 土壤, 空氣，生物 近期實(shí)驗(yàn)方法的一些進(jìn)展a）高原子序數(shù)（Rh后面的元素）元素的探測第三代同步輻射源提供更強(qiáng)的硬X射線探測器改用測量范圍達(dá)到60keV的Ge探測器b）反射X射線熒光（TR-SR XRF）分析n 全反射的臨界角和X射線的波長成正比n 全反射時(shí)X射線進(jìn)入樣品的深度為nm量級n 探測限可以達(dá)到10-9或10-12g的水平c）XRF微區(qū)分析 （-SR XRF） n 中空毛細(xì)玻璃管聚焦X射線透鏡 SR-XRF用于環(huán)境的監(jiān)測和凈化- 我們的一些近期結(jié)果樣品:采自南極, 青島海域, 淮河流域, 舟山, 大別山, 合肥, 廬江, 滁州, 巢湖, 鳳臺等地 植物, 動(dòng)物及化石等共計(jì)7

17、72個(gè)樣品a）分析方法b）南極生態(tài)環(huán)境c）淮河流域（中下游）污染狀態(tài)d）青島海域污染變化e）礦山污染監(jiān)測f）金魚藻Fe/Mn峰強(qiáng)比 ：富營養(yǎng)污染度標(biāo)識g）植物元素富集特性近期結(jié)果無標(biāo)樣定量分析逃逸峰的測量和計(jì)算*和峰的測量與計(jì)算*植物的SR-XRF譜數(shù)據(jù)庫a）分析方法逃逸峰 - 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（植物葉，CoCl2） - 逃逸峰計(jì)算結(jié)果 和峰 - 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(ZnO)主峰 / 和峰的理論值與實(shí)驗(yàn)值比較b） 南極生態(tài)環(huán)境 苔蘚，地衣和海藻 苔蘚可生長條件與不同地質(zhì)相關(guān); 地衣可反映陸地生態(tài)系統(tǒng)中新土壤的特性; 海藻則處于海洋生態(tài)系統(tǒng)中，它們對陸地和海洋環(huán)境的變化十分敏感。海豹，貝殼，海鷗和企鵝 海洋動(dòng)物和

18、海鳥是食物鏈中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其骨，肉內(nèi)元素的變化反映了極地氣候，地質(zhì)和生態(tài)變遷。極地植物可做為全球污染指數(shù)的穩(wěn)定的指示樣品 Ca/K重元素動(dòng)物骨元素的變化，與極地食物鏈和極地環(huán)境變遷相關(guān)c）青島海域污染變化比較不同深度青島海藻14年元素含量變化，揭示海水(沿岸)污染加重1）樣品及生長帶物理環(huán)境影響海水污染深度分布2) 幾種海藻元素含量變化（99年/85年） 海蒿子 淺層污染 （Cr,Fe,Ni,Cu,Zn,As,Pb） 刺石松 深層污染 (Fe,Zn,Sr,Pb) (淺層污染 大于 深層污染) 樣品SS85SS9999/85Cr2.219.58860.30.3Mn78919137396436Fe8

19、21204424896521532.23Ni10.953.649123.722.6Cu18.840.921841.227.9Zn69.7121.017480.85737.09As4151075259-Sr400163481802851.58刺石松海蒿子99/85HH99HH85d）淮河流域（中下游）污染狀態(tài) 沿流向污染重元素含量增高 1）金魚藻（抗富營養(yǎng)污染植物）產(chǎn)地分布 2）沿流向金魚藻XFR譜的元素相對峰強(qiáng)（K歸一） Ti, Mn, Fe, Co含量增加主要是富營養(yǎng)污染（N，P，）六安正陽關(guān)蚌埠洪澤湖K100100100100Ca41.519.62343.7Ti0.50.13.85.6Mn23.143.655.687.8Fe16.862.593.3219Co0.30.60.71.8Ni0.51.90.20.3Cu0.91.10.81.0Zn2.73.02.45.3Br0.20.60.30.9Rb0.60.70.30.6Sr0.60.50.50.9e）礦山污染監(jiān)測 樣品： 金魚藻Fe峰強(qiáng)增加2倍（鐵礦污染）Cu峰強(qiáng)增加8倍（銅礦污染）f）金魚藻F