X射線技術(shù)介紹和應用

1、X射線技術(shù)介紹和應用X-ray Analysis 1. X射線的產(chǎn)生和性質(zhì)1.1 導論 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射線實驗系列化研究1. X射線的產(chǎn)生和性質(zhì)1.1 導論1.2 X射線的產(chǎn)生1.3 X射線的性質(zhì)1.1 導論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)元素的標識X射線1924塞格巴恩 (Siegbahn )X射線光譜學1927康普頓(Compton等六人) 康普頓效應1936德拜 (Debye) 化學1946馬勒 (Muller) 醫(yī)學1964霍奇金 (Hodgkin) 化學1979柯馬克和豪森菲爾德（Cormack/Hounsfield） 醫(yī)學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其他X射線管 固體靶源轉(zhuǎn)靶焦點和輻射譜 (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)實驗大廳 (Hefei)Hefei 電子儲存環(huán)北京同步輻射實驗室 (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 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射線光學反射光學平晶彎晶多層膜衍射光學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)面應用： 單色器，成像（2）單晶X射線光學(3)毛細管X射線透鏡(4)X射線波帶板 X射線探測器正比計數(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計數(shù)管電離室膠片，熒光屏2 X射線技術(shù)及應用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)實驗站顯

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（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抗蝕劑無機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 負性抗蝕劑 EPB, COP, SAR, RAY-PN - 光化學原理單組分：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（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)的應用范圍復蓋各種不同技術(shù)領(lǐng)域范圍：微型

14、機械，顯微光學，集成光學，傳感器和執(zhí)行機構(gòu)以及化學醫(yī)藥和生物技術(shù)特點： LIGA技術(shù)使微機械元件，微光學元件，微傳感器以及微電子學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）是一個回流鑄

15、塑高分子材料過程，即在導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)應用微靜電電機 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)境應用特點（1）實驗方法白光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 近期實驗方法的一些進展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的硬X射線探測器改用測量范圍達到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X射線進入樣品的深度為nm量級n 探測限可以達到10-9或10-12g的水平c）XRF微區(qū)分析 （-SR XRF） n 中空毛細玻璃管聚焦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, 動物及化石等共計7

17、72個樣品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峰強比 ：富營養(yǎng)污染度標識g）植物元素富集特性近期結(jié)果無標樣定量分析逃逸峰的測量和計算*和峰的測量與計算*植物的SR-XRF譜數(shù)據(jù)庫a）分析方法逃逸峰 - 實驗結(jié)果（植物葉，CoCl2） - 逃逸峰計算結(jié)果 和峰 - 實驗結(jié)果(ZnO)主峰 / 和峰的理論值與實驗值比較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（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峰強增加2倍（鐵礦污染）Cu峰強增加8倍（銅礦污染）f）金魚藻F