材料測試技術

第一章X射線的性質1-1引言1-2X射線的本質〔電磁輻射〕；1-3X射線的產生；1-4X射線譜；1-5X射線與物質相互作用；1-6X射線的探測與防護。.+高壓電源金屬靶電子束高能X射線1895年11月8日，德國物理學家倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)一種新的射線，由于對其本質不了解，稱為X射線，亦稱倫琴射線1-1引言(X射線發(fā)現(xiàn)的歷史)..一、X射線的特性〔初步認識〕能穿透可見光不能透過的物質，如黑紙；穿透能力與原子質量有關，輕元素物質易穿透；重元素物質不易穿透;可使許多物質發(fā)熒光;沿直線傳播，在電磁場中不發(fā)生偏轉;可通過陰極射線的加速電子打到金屬陽極產生;可使氣體產生電離;通過物質不發(fā)生反射、折射，通過普通光柵不引起衍射。.倫琴報告引起的反響：1896年元旦，倫琴將他的論文和第一批X射線照片復制件分送給一些著名物理學家舒斯特、彭加勒等，幾天后這個發(fā)現(xiàn)就傳遍了全世界；1月4日，X射線照片被列為在柏林物理學研究所舉辦的“紀念柏林物理學會成立50周年〞展覽會的展品；倫琴這篇論文3個月內被印行5次；1896年一年之內，關于X射線的書和小冊子有48種之多，研究論文達1000多篇；倫琴的報告成為用精煉和明晰的方式闡述科學研究成果的典范，到達“一字不能加，一字不能減〞的地步。在后來10年中，沒有人能夠再增添一些別的內容。.X射線不僅是第一種被發(fā)現(xiàn)的以射線命名的物質，它的發(fā)現(xiàn)直接導致了元素放射性的發(fā)現(xiàn)！X射線發(fā)現(xiàn)后,人們以為用太陽光照射熒光物質就能產生X射線.1896年,貝克勒爾對此展開研究,他用鈾的氧化物作為熒光物質,放在太陽下暴曬,確實讓底片感光了,當他進一步驗證的時候,烏云遮住了太陽,一連幾天都是陰天,但當他將底片洗出來之后,非常吃驚的發(fā)現(xiàn)底片曝光要比在太陽下強上百倍.最終導致了元素放射性的發(fā)現(xiàn),翻開了通往原子內部的大門.發(fā)現(xiàn)X射線后，倫琴獲得了國際性聲譽：1896年成為柏林、慕尼黑科學院的通訊院士，并被授予英國皇家學會的倫福德獎章；1901年，倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線成為世界上第一位諾貝爾物理學獎獲得者。.厄瓦爾德的博士論文工作1910年夏，厄瓦爾德開始攻讀博士，論文題目：“各向同性的諧振子在各向異性介質中的光學性質〞；厄瓦爾德向Groth請教選用哪一種各向異性的晶體，答復是用正交的CuSO4。厄瓦爾德在兩個正交方向計算出的雙折射率比實驗結果大3～4倍，而在另一個方向那么小6倍；因上述困惑，1911年圣誕節(jié)斯間厄瓦爾德向在光學方面有很高聲譽的勞厄請教，沒得到滿意的答案，但勞厄卻得到啟示：晶格間距很短，比可見光波長小得多。.1912年，勞厄等人利用晶體光柵觀察到X射線的衍射現(xiàn)象，證實X射線的本質是電磁波。勞厄發(fā)現(xiàn)產生的條件：慕尼黑大學當時的學術環(huán)境勞厄曾在普朗克指導下完成博士論文“平行平板干預現(xiàn)象的理論〞，當時正為?數(shù)理百科全書?物理卷撰寫波動光學一章，把一維條紋光柵推廣到二維格子光柵；從厄瓦爾德得到啟示：X射線在晶體中衍射的可能性，將二維光柵中的兩個公式再加上一個類似的第三個公式就行了。勞厄的想法沒有得到索末菲和維恩的支持，因為后者認為晶體中原子的熱騷動可能會破壞任何衍射現(xiàn)象。但得到一批年輕人的支持。就是結果出來，倫琴也將信將疑，一再要求重復實驗.1912年，勞厄(MaxvonLaue)，弗里德里希(Fdededchw)與尼平〔Knipping〕所做的實驗演示了X射線通過晶體所產生的衍射把戲，既證實了X射線具有波動性，又驗證了晶體具有周期性。對科學的開展產生了不可估量的影響。.勞厄實驗：1912年4月21日起，勞厄、Friedrich、Knipping合作，先將底片放在X射線源和CuSO4晶體之間〔背射〕，無結果，再把底片放在晶體后面〔透射〕，在透射斑點附近觀察到一些粗大的、橢圓型的弱斑點。重復實驗：側向移動晶體，得到相同的衍射圖；轉動晶體，原斑點消失，新斑點出現(xiàn)；移去晶體，一無所見。三人記錄上述實驗結果，并聯(lián)名簽署密封，在索末菲支持下于1912年5月4日上報巴伐利亞科學院。用ZnS晶體作實驗，得到非常清晰的四重對稱衍射圖〔如圖〕。發(fā)表論文“X射線的干預現(xiàn)象—理論局部，Laue；實驗局部，F(xiàn)riedrich，Knipping〞.弗里德利希和尼平的實驗裝置實驗的晶體為CuSO4底片上顯出有規(guī)那么的斑點.勞厄當時認為ZnS是簡單立方，用白光不能解釋為什么會有那么多衍射不出現(xiàn)，只好假設只有5種波長，這顯然是不正確的。...勞厄發(fā)現(xiàn)的影響：勞厄實驗結果發(fā)表以后，既證實了X射線的本質，又證明了晶體中原子的周期性；1914年，勞厄獲諾貝爾物理學獎，由于第一次世界大戰(zhàn)的影響，頒獎儀式推遲到1920年6月舉行，他在講演中肯定了當時慕尼黑大學的學術環(huán)境對發(fā)現(xiàn)X射線衍射的作用；厄瓦爾德1912年6月得知勞厄實驗后，重新看了他給勞厄的那個公式，發(fā)現(xiàn)只要用晶胞常數(shù)的倒數(shù)作為一種格子的平移周期〔他稱之為倒格子〕，再做一個與入射X射線波長有關的球〔即反射球〕，就可以解釋衍射的幾何關系，并于1913年在Phys.Zeit上發(fā)表相關論文。..1912年，英國物理學家布拉格父子利用X射線衍射方法測定了NaCl晶體結構，并推導出布拉格方程，開始了X射線晶體結構分析的歷史。

1915年布喇格父子獲諾貝爾物理學獎，小布喇格當年25歲，是歷屆諾貝爾獎最年輕的得主。.1916年，德拜〔Debye〕、謝樂〔Scherrer〕提出“粉末法〞；1928年，蓋革〔Geiger〕首先用記錄器來記錄X射線，導致X射線衍射儀的產生；目前X射線廣泛地應用于醫(yī)學、工程、材料、宇航事業(yè)上。例如：可進行人體探傷，晶體結構分析、無損探傷等。.至今已有八人次因X射線獲諾貝爾獎時間（年）科學家貢獻1901倫琴（德國）發(fā)現(xiàn)X射線1914勞厄（德國）晶體的X射線衍射1915布拉格父子（英國）用X射線分析晶體結構1917巴拉克（英國）發(fā)現(xiàn)元素的標識X輻射1924西格班（瑞典）X射線譜學1927康譜頓（美國）發(fā)現(xiàn)漫散X射線的波長變化1936化學德拜（荷蘭）對偶極矩、X射線衍射等的研究1946醫(yī)學馬勒（美國）發(fā)現(xiàn)X射線輻照可誘發(fā)突變11/28/2023.X射線和無線電波、紅外線、可見光、紫外線、γ射線、宇宙射線一樣，本質上同屬于電磁波。只不過彼此占據(jù)不同的波長范圍而已。X射線的波長很短，大約在0.01~100?之間，在電磁波譜中，它與紫外線及γ射線互相搭接。電磁波譜1-2X射線的本質.X射線雖然和可見光一樣〔沒有靜止質量，但有能量〕，與光傳播有關的一些現(xiàn)象〔如反射、折射、散射、干預、以及偏振〕都會發(fā)生，但由于相對可見光而言，X射線的波長要短得多〔光量子的能量相應要高得多〕，上述物理現(xiàn)象在表現(xiàn)方式上與可見光存在很大的差異。X射線只有當它幾乎平行的掠過光潔的固體外表時，才有可能發(fā)生類似于可見光那樣的全反射；X射線穿過不同媒質時，幾乎不發(fā)生偏折〔X射線的折射率十分接近1，只在106數(shù)量級上有差異〕。.EH電磁波傳播示意圖E：電場強度矢量H：磁場強度矢量電磁波是一種橫波，它由交替變化的電場和磁場組成。電場和磁場矢量總是以相同的周相，在兩個相互垂直的平面內作周期振動。電磁波的傳播方向總是與矢量E和H的振動方向垂直，傳播速度等于光速。在X射線的分析實驗中，我們記錄的是電場強度矢量E起作用的物理效應！.X射線波長的度量單位常用?！?〕或晶體學單位〔kX〕表示；通用的國際計量單位中用納米〔nm〕表示，它們之間的換算關系為：1nm=10?=10-9m1kX=1.0020772±0.000053?(1973年值)。〔1〕X射線的波動性.1.晶體結構分析：波長為0.25～0.05nm；2.金屬探傷：波長為0.1～0.005nm；3.用于光刻：波長為5~0.4nm4.醫(yī)學透視：波長為5～0.1nm，“軟X射線〞?！坝瞂射線〞硬X射線：波長較短的硬X射線能量較高，穿透性較強，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。軟X射線：波長較長的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于非金屬的分析。.〔2〕X射線的粒子性特征:光子形式輻射和吸收時具有的一定的質量、能量和動量。表現(xiàn)形式:在與物質相互作用時交換能量。如光電效應；二次電子等。X射線的頻率

、波長λ及其光子的能量ε、動量p之間存在如下關系：

式中h——普朗克常數(shù)，等于6.625×10-34J.s;c——X射線的速度，等于2.998×1010cm/s.

.相關習題：

1.試計算波長0.71?〔Mo-Kα〕和1.54?〔Cu-Kα〕的X射線束，其頻率和每個量子的能量？.習題解答.X射線的強度：1.波動性：單位時間內通過垂直于傳播方向的單位截面上的能量大小，I∝A2。2.粒子性：單位時間內通過垂直于傳播方向的單位截面的光量子數(shù)目。.小結X射線本質上屬于電磁波，它與無線電波、可見光等并沒有本質的區(qū)別；它所展示出來的一些特殊的屬性是由于其波長處于特定的范圍造成的；X射線可以分為硬X射線和軟X射線，波長短的稱為硬X射線，其能量高、穿透力強；波長長的稱為軟X射線，其能量低、穿透力差。.1-3X射線的產生(1)產生原理；(2)產生條件；(3)過程演示；(4)X射線管；

(5)其它X射線裝置。

.產生原理高速運動的帶電〔或不帶電〕粒子與物體碰撞后猝然減速，發(fā)生能量轉換，粒子的動能可局部轉化為X射線光能〔1％左右〕，而絕大局部〔99％左右〕能量轉變成熱能使物體溫度升高。.產生條件〔以電子為例〕1.產生自由電子；2.使電子作定向的高速運動;3.在其運動的路徑上設置一個障礙物使電子突然減速或停止。.接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X射線X射線X射線管剖面示意圖過程演示.

X射線管的結構

封閉式X射線管實質上就是一個大的真空〔〕二極管。根本組成包括：(1)陰極：發(fā)射電子，常為W絲。(2)陽極：亦稱靶，發(fā)射X射線，靶材主要有Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W等，軟X射線裝置常用Al。。(3)窗口：X射線射出通道，常用金屬鈹或硼酸鈹玻璃。(4)焦點：焦點是指陽極靶面被電子束轟擊的一塊面積，通常為長方形。.X射線的接收焦點的形狀及接收方向對著短邊：表觀焦點的形狀為正方形，其強度較高；對著長邊：表觀焦點的形狀為線形，其強度較弱。.特殊構造的X射線管(1)細聚焦X射線管；(2)旋轉陽極X射線管。市場上供給的種類(1)密封式燈絲X射線管；(2)可拆式燈絲X射線管..旋轉陽極〔轉靶〕X射線管旋轉陽極X射線管的技術關鍵是陽極靶面是高速旋轉的〔2000－6000r/m〕，電子束的轟擊不是固定在陽極靶面的同一點上，因此，玻璃管稱為固定靶，而旋轉陽極X射線管稱為轉靶。同時，轉靶與真空系統(tǒng)是別離的，其間用磁密封技術。在開啟X射線之前，必須預先開啟真空系統(tǒng)。優(yōu)點：功率大，旋轉靶功率可達12～18KW以上。.1-4X射線譜由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種類型：(1)連續(xù)X射線；(2)特征X射線，又稱〔或標識〕X射線。.連續(xù)X射線

具有連續(xù)波長的X射線，構成連續(xù)X射線譜，它和可見光相似，亦稱多色X射線。產生機理；短波限；X射線的強度。..產生機理

經典電動力學：一個高速運動著的電子到達靶面上時，因突然減速產生很大的付加速，這種負加速度一定會引起周圍電磁場的急劇變化，產生電磁波。量子理論：能量為eV的電子與陽極靶的原子碰撞時，電子失去自己的能量，其中局部以光子的形式輻射，碰撞一次產生一個能量為h的光子，這種輻射稱為韌致輻射，這樣的光子流即為X射線。單位時間內到達陽極靶面的電子數(shù)目是大量的，絕大多數(shù)電子要經歷屢次碰撞，產生能量各不相同的輻射，因此出現(xiàn)連續(xù)X射線。.連續(xù)X射線譜：將波長連續(xù)變化的X射線的強度繪制到一張由波長和強度組成的坐標系上就得到連續(xù)X射線譜，連續(xù)X射線譜表示一定工作電壓和電流下的X射線強度和波長的關系曲線。.短波限

連續(xù)X射線譜在短波方向有一個波長極限，稱為短波限λ0.它是由光子一次碰撞就耗盡能量所產生的X射線。它只與管電壓有關，不受其它因素的影響。相互關系為：式中e——電子電荷，等于4.803×10－10靜電單位；U——電子通過兩極時的電壓降〔靜電單位〕；h——普朗克常數(shù)，等于6.625×10－34J.s.相關習題試計算用50千伏操作時，X射線管中的電子在撞擊靶時的速度和動能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？.習題解答那么，速度為.X射線的強度

X射線的強度是指垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時間內所通過的光子數(shù)目的能量總和。常用的單位是J/cm2.s.即I=nh

.連續(xù)X射線強度最大值在1.5λ0,而不在λ0處。..連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強度。也是陽極靶發(fā)射出的X射線的總能量。實驗證明，I與管電流、管電壓、陽極靶的原子序數(shù)存在如下關系：且X射線管的效率為:.特征(標識)X射線1.特征X射線的特征2.產生機理;3.過程演示;4.K系激發(fā)機理5.莫塞萊定律；6.特征X射線的強度特征。.特征X射線的特征

當管電壓到達臨界電壓〔激發(fā)電壓〕后，靶被激發(fā)出特征X射線，其波長不隨管電壓、管電流的變化而變化，只與靶的原子序數(shù)有關，因此這種波長反映了物質的原子序數(shù)特征的X射線叫特征X射線。.產生機理

特征X射線譜的產生機理與陽極物質的原子內部結構緊密相關的。原子系統(tǒng)內的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個能級。在電子轟擊陽極的過程中，當某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內層電子擊出時，于是在低能級上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出特征X射線譜：h

n2

n1=En2－En1.KLM.K態(tài)〔擊走K電子〕L態(tài)〔擊走L電子〕M態(tài)〔擊走M電子〕N態(tài)〔擊走N電子〕擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量特征X射線產生過程K激發(fā)L激發(fā)K

輻射K

輻射L輻射過程演示.K系激發(fā)機理

K層電子被擊出時，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級電子向K層空位填充時產生K系輻射。L層電子填充空位時，產生Kα輻射；M層電子填充空位時產生Kβ輻射。產生K系激發(fā)要陰極電子的能量eUk至少等于擊出一個K層電子所作的功Wk。Uk就是激發(fā)電壓。...由能級可知Kβ輻射的光子能量大于Kα的能量，但K層與L層為相鄰能級，故L層電子填充幾率大，所以Kα的強度約為Kβ的5倍。.Kα是由兩條譜線Kα1和Kα2組成的，它們分別是電子從L3和L2子能級躍遷到K層空位時產生的，其波長相差0.004?左右，Kα1強度是Kα2的兩倍，Kα波長取兩條譜線的加權平均值：.莫塞萊定律

特征X射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質的原子能級結構，是物質的固有特性。莫塞萊定律：特征X射線譜的波長λ與原子序數(shù)Z關系為：其中K是與靶材物質主量子數(shù)有關的常數(shù)；稱作屏敝常數(shù)，與電子所在的殼層位置有關。莫塞萊定律是X射線熒光光譜分析和電子探針微區(qū)成分分析的理論根底。.特征X射線的強度特征

K系特征X射線的強度與管電壓、管電流的關系為：當工作電壓為K系激發(fā)電壓的3~5倍時，I特/I連最大，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。.連續(xù)譜和標識譜比較連續(xù)譜標識譜產生機理陰極電子與陽極原子碰撞，陰極電子一部分能量以光子形式輻射，其它能量轉化為熱能，也就是說連續(xù)X射線能量是從陰極電子轉化而來的。具有足夠能量的陰極電子擊出陽極原子內殼層電子后，陽極原子高能級電子向低能級躍遷，產生光子輻射，標識X射線能量來自陽極原子高能級的能量特征強度沿波長呈連續(xù)分布；有波長一定對應強度具有極值；有實驗規(guī)律U↑時，↑，↑，↓，↓；i↑時，↑，↑，和不變；Z↑時，↑，↑，和不變。V≥Vk時產生，只與Z有關；V↑時，↑，不變；i↑時，↑，不變。數(shù)學表達.1-5X射線與物質相互作用X射線與物質相互作用時，產生各種不同的和復雜的過程。就其能量轉換而言，一束X射線通過物質時，可分為三局部：一局部被散射，一局部被吸收，一局部透過物質繼續(xù)沿原來的方向傳播。X射線的散射；X射線的吸收；X射線的衰減規(guī)律；吸收限的應用；X射線的折射；總結。.X射線的散射X射線被物質散射時，產生兩種現(xiàn)象：相干散射；非相干散射。.相干散射X射線光子內層電子X射線光子全部全部.相干散射物質中的電子在X射線電場的作用下，產生強迫振動。這樣每個電子在各方向產生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發(fā)生的干預現(xiàn)象稱為相干散射。.非相干散射

入射波長越短，被照射物質元素越輕，非相干散射越顯著又稱康普頓－吳有訓效應.非相干散射

X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時電子獲得一局部動能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長增加。非相干散射是康普頓〔A.H.Compton〕和我國物理學家吳有訓等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應。非相干散射突出地表現(xiàn)出X射線的微粒特性，只能用量子理論來描述，亦稱量子散射。它會增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。.X射線的吸收物質對X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質時轉變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗。物質對X射線的吸收主要是由原子內部的電子躍遷而引起的。這個過程中發(fā)生X射線的光電效應和俄歇效應。光電效應；俄歇效應。...光電效應以X光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程。被擊出的電子稱為光電子，輻射出的次級特征〔標識〕X射線稱為熒光X射線。產生光電效應條件，X射線光子波長必須小于吸收限λk。.產生光電效應，X射線光子波長必須小于吸收限λk。激發(fā)K系光電效應時，X射線光子的能量必須大于〔臨界值應等于〕為擊出一個k層電子所作的功，即：從激發(fā)光電效應的角度講，λk稱為激發(fā)限波長；從X射線吸收的角度講，λk稱為吸收限波長?！?/p>

－K系激發(fā)頻率－K系激發(fā)限－K系激發(fā)電壓（kV）

.注意點：①熒光X射線的波長一定大于入射X射線的波長；②在X射線衍射分析中，X射線熒光輻射是有害的，它增加衍射圖象的背底，但在元素分析中，它又是X射線熒光光譜分析的根底。.原子在入射X射線光子或電子的作用下失掉K層電子，處于K激發(fā)態(tài)；當L層電子填充空位時，放出EL-Ek能量，產生兩種效應：(1)熒光X射線〔又稱二次特征X射線〕；(2)產生二次電離，使另一個核外電子成為二次電子——俄歇電子。俄歇電子.俄歇效應規(guī)律和特點：①俄歇電子的能量與激發(fā)源的能量無關，只取決于物質的原子能級結構，每種元素都有自己的特征俄歇電子能譜，它是元素的固有特性，所以可以利用俄歇電子能譜作元素的成份分析；②俄歇電子的能量很低，一般只有幾百電子伏特，因此只有外表幾層原子所產生的俄歇電子才能逸出物質外表被探測到，所以俄歇電子僅能帶來物質外表的化學成份信息；③隨著物質原子序數(shù)Z減小，被激物質原子發(fā)射俄歇電子的幾率增加，發(fā)射標識X射線的幾率降低，也就是說超輕元素或輕元素以發(fā)射俄歇電子為主。.X射線的衰減〔或吸收〕規(guī)律當一束X射線通過物質時，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強度衰減。衰減的程度與所經過物質中的距離成正比。式.質量衰減系數(shù)μm

表示單位質量物質對X射線強度的衰減程度。質量衰減系數(shù)與波長和原子序數(shù)Z存在如下近似關系：其中K為常數(shù)μm隨λ的變化是不連續(xù)的，其間被鋒利的突變分開。突變對應的波長為λK、λL等吸收限。..晶體的線型衰減系數(shù)晶體的線型衰減系數(shù)可由下式求得：其中μ為線型衰減系數(shù)，ρ為晶體密度，單位g/cm3，μm為質量衰減系數(shù)，P為晶體中各元素的質量百分比。..物質的衰減系數(shù)另一計