材料分析测试技术 ---第一章_X射线物理学基础.pdf

1 本 章 内 容本 章 内 容 X射线的本质射线的本质 X射线的产生射线的产生 X射线谱射线谱 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 X射线的探测与防护射线的探测与防护 2 1895年 德国物理学家年 德国物理学家伦琴伦琴 研究阴极射线时发现 由于对研究阴极射线时发现 由于对 其本质不了解 称为其本质不了解 称为X射线射线 亦称亦称伦琴射线伦琴射线 Roentgen 3 劳厄 1879 1960 德国物理学家 1912年发现了X射线通过晶体时 产生的衍射现象 从而导致了X 射线衍射技术的诞生 它成为研 究晶体内部结构的重要技术手段 他因此项成果于1914年获奖 4 L 布拉格 1890 1971 H 布拉格 1862 1942 布拉格父子于1913年借助X射线成功地测出 金刚石的晶体结构 并提出了 布拉格公 式 为最终建立现代晶体学打下了基础 于1915年获奖 当时 小布拉格年仅25岁 是至今为止最年轻的诺贝尔奖获得者 5 X射线的发现射线的发现 X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现 X射线1895年 放射 线1896年 电子1897年 之一 这一发现标志着现代物理学的产生 19世纪末 阴极射线是物理学研究课题 许多物理实验室都开展了这 方面的研究 1894年11月8日 德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一个黑 纸袋中 关闭了实验室灯源 他发现当开启放电线圈电源时 一块涂有氰 亚铂酸钡的荧光屏发出荧光 用一本厚书 2 3厘米厚的木板或几厘米厚 的硬橡胶插在放电管和荧光屏之间 仍能看到荧光 他又用盛有水 二硫 化碳或其他液体进行实验 实验结果表明它们也是 透明的 铜 银 金 铂 铝等金属也能让这种射线透过 只要它们不太厚 伦琴意识到这 可能是某种特殊的从来没有观察到的射线 它具有特别强的穿透力 他一 连许多天将自己关在实验室里 集中全部精力进行彻底研究 6个星期后 伦琴确认这的确是一种新的射线 1895年12月22日 伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片 1895年12月 28日 伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递交了第一篇研究通讯 一种 新射线 初步研究 伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线 因 为他当时无法确定这一新射线的本质 自伦琴发现X射线后 许多物理学家 都在积极地研究和探索 1905年和1909年 巴克拉曾先后发现X射线的偏振 现象 但对X射线究竟是一种电磁波还是微粒辐射 仍不清楚 1912年德国 物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象 证明了X射线的波动 性和晶体内部结构的周期性 发表了 X射线的干涉现象 一文 6 X射线的发现射线的发现 劳厄的文章发表不久 就引起英国布拉格父子的关注 当时老布拉格 WH Bragg 已是利兹大学的物理学教授 而小布拉格 WL Bragg 则 刚从剑桥大学毕业 在卡文迪许实验室 由于都是X射线微粒论者 两人都 试图用X射线的微粒理论来解释劳厄的照片 但他们的尝试未能取得成功 年轻的小布拉格经过反复研究 成功地解释了劳厄的实验事实 他以更简 洁的方式 清楚地解释了X射线晶体衍射的形成 并提出了著名的布拉格公 式 nX Zdsino这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性 更重要的 是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信息 1912年11月 年仅22岁 的小布位格以 晶体对短波长电磁波衍射 为题向剑桥哲学学会报告了上 述研究结果 老布拉格则于1913年元月设计出第一台X射线分光计 并利用 这台仪器 发现了特征X射线 小布拉格在用特征X射线分析了一些碱金属 卤化物的晶体结构之后 与其父亲合作 成功地测定出了金刚石的晶体结 构 并用劳厄法进行了验证 金刚石结构的测定完美地说明了化学家长期 以来认为的碳原子的四个键按正四面体形状排列的结论 这对尚处于新生 阶段的X射线晶体学来说是一个非常重要的事件 它充分显示了X射线衍射 用于分析晶体结构的有效性 使其开始为物理学家和化学家普遍接受 随着研究的深入 X射线被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工业 等领域 对于促进20世纪的物理学以至整个科学技术的发展产生了巨大而 深远的影响 7 X射线广泛地应用医学 工程 材料 宇航 事业上 例如 人体探伤 晶体结构分析 材料和构件无损探伤 8 X射线的本质是电磁波 波长处于紫外线的紫外线的 上端上端 因此 不能用肉眼观察到 9 1912年 德国物理学劳厄劳厄等人利用晶体光晶体光 栅栅观察到X射线的衍射衍射现象 证实X射线的本 质是电磁波 英国物理学家布拉格父子利用X射线衍射方 法测定了NaCl晶体结构 开始了X射线晶体结 构分析的历史 10 X射线的本质是电磁辐射 与可见光完全相 同 仅是波长短而已 X射线和可见光一样属于电磁辐射 但其波 长比可见光短得多 介于紫外线与 射线之 间 约为0 01 10nm的范围 11 X射线的波动性 X射线的本质为电磁波 其磁场分量在与物质 相互作用中效应很弱 所以只考虑电场分量A 一束沿y方向传播的波长为 的X射线波方程 表示为 2cos 0 t y AA 12 X射线的频率大约是可见光的103倍 所以它的光子 能量比可见光的光子能量大得多 表现明显的粒子 性 由于X射线波长短 光子能量大的两个基本特性 所以 X射线光学 几何光学和物理光学 虽然具有 和普通光学一样的理论基础 但两者的性质却有很 大的区别 X射线与物质相互作用时产生的效应和可 见光也迥然不同 13 X射线和其它电磁波一样 能产生反射 折射 散 射 干涉 衍射 偏振和吸收等现象 在通常实验条件下 很难观察到X射线的反射 对于所有的介质 X射线的折射率n都很接近于1 但小于1 所以几乎不能被偏折到任一有实际用 途的程度 不可能像可见光那样用透镜成像 14 因为 n 1 所以只有在极精密的工作中才需考虑 折射对X射线作用介质的影响 X射线能产生全反射 但是其掠射角极小 一般不 会超过20 30 在物质的微观结构中 原子和分子的距离 1 10埃左右 正好落在X射线的波长范围内 所以物质 特别是晶体 对X射线的散射和衍射能够传递极为 丰富的微观结构信息 15 大多数关于X射线光学性质的研究及其应用都集中 在散射和衍射现象上 尤其是衍射方面 X射线衍射方法是当今研究物质微观结构的主要方 法 16 硬X射线 波长较短的硬X射线能量较高 穿 透性较强 适用于金属部件的无损探伤及金属 物相分析 软X射线 波长较长的软X射线能量较低 穿 透性弱 可用于分析非金属的分析 X射线波长的度量单位常用埃 A 或晶体 学单位 kX 表示 通用的国际计量单位中用 纳米 nm 表示 它们之间的换算关系为 1nm 10A m 1kX 1 0020772 0 000053A 1973年值 17 粒子性 特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的 质量 能量和动量 表现形式为在与物质相互作用时交换能量 如光电效 应 二次电子等 X射线的频率 波长 以及其光子的能量 动量p 之间存在如下关系 式中h 普朗克常数 等于6 625 10 34J s c X射线的速度 等于2 998 1010cm s h p hc h 18 通过高速电子流轰击金属 靶能产生X射线 X射线管结构 19 X射线管是射线管是X射线产生器 由它产生射线产生器 由它产生X射线射线 原理 原理 高速运动的电子与物体碰撞时 发生能量转高速运动的电子与物体碰撞时 发生能量转 换 电子的运动受阻失去动能 其中换 电子的运动受阻失去动能 其中99 的能量转换的能量转换 为热量 而为热量 而1 的能量转换为的能量转换为X射线射线 20 X射线产生的三个基本条件射线产生的三个基本条件 产生自由电子产生自由电子 使电子作定向的使电子作定向的 高速运动高速运动 在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突 然减速或停止然减速或停止 21 X射线管的结构 封闭式X射线管实质上就是一个大的真空二极管 基本组成包括 阴极阴极 阴极是发射电子的地方 阳阳极极 亦称靶 是使电子突然减速和发射X射线的地方 窗口窗口 窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方 焦点焦点 焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方 正是从这块面积上发射 出X射线 22 接变压器 玻璃 钨灯丝 金属聚灯罩 铍窗口 金 属 靶 冷却水 电子 X射线 X射线 X射线管剖面示意图 回车键演示 40KV高压 220V400mA电流 23 当给阴极和阳极之间加上极高的电压 40KV 40mA 的高压时 阴极产生高速电子打击在阳极 Cu 上 产生热量和X射线 整个阴极和阳极封装在一个真实玻璃管中 在阳极 的四边 开设四个小窗口 两个为长形 两个为圆点 长形焦斑用于衍射仪 尺寸为1 10 2 而窗口与靶 面成3 5 24 灯丝 阳极 X RAY 窗口 两种焦斑 由长焦斑结窗口 6 得到 0 1 10mm2的有效投射线焦点射线束 由短焦斑得到1 1mm2的有效投射点焦 点射线束 25 其它光管 旋转阳极 普通光管由于阳极发热量大 需要用水 来冷却阳极 因此 功率不可能太大 目前一般为 2KW 如果使阳极转动 2000 10000转 分 可以解 决阳极熔化的问题 可以提高功率到90KW 此种产品 目前以日本理学公司的D max 2500为代表 26 X射线仪 包括 为X射线射线管提供40KV的高压电场的高压变压器 为加热阴极灯丝用的低压稳压电源 X光管 水冷却与自动控制系统 27 由由X射线管发射出来的射线管发射出来的X射线可以分为两射线可以分为两 种类型 种类型 连续连续X射线射线 标识标识X射线射线 28 连续连续X射线射线 具有连续波长的具有连续波长的X射线 构成连续射线 构成连续X射线谱 它和可射线谱 它和可 见光相似 亦称多色见光相似 亦称多色X射线射线 产生 产生机机理 理 能量为能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时 的电子与阳极靶的原子碰撞时 电子失去自己的能量 其中部分以光子的形式辐射 电子失去自己的能量 其中部分以光子的形式辐射 碰撞碰撞一次一次产生产生一一个能量为个能量为hv的光子的光子 这样的光子流即 这样的光子流即 为为X射线射线 单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极 单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极 大量的 绝大多数电子要经历多次碰撞 大量的 绝大多数电子要经历多次碰撞 产生能量产生能量各各 不相不相同同的辐射 因此出现的辐射 因此出现连续连续X射线谱射线谱 29 K态 击走K电子 L态 击走L电子 M态 击走M电子 N态 击走N电子 击走价电子 中性原子 Wk Wl Wm Wn 0 原子 的能 量 连续X射线产生过程 电子冲击阳级靶 30 连续连续X射线射线 连续连续X射线谱在短波方向有一个波长极限 称为短射线谱在短波方向有一个波长极限 称为短 波限 波限 SWL 它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X 射线 它只与管电压有关 不受其它因素的影响相互射线 它只与管电压有关 不受其它因素的影响相互 关系为 关系为 SWL hc heV max 31 连续 连续X射线射线 式中式中e 电子电荷 等于电子电荷 等于4 803 10 10静电单位静电单位 V 电子通过两极时的电压降 静电单位 电子通过两极时的电压降 静电单位 h 普朗克常数 等于普朗克常数 普朗克常数 等于普朗克常数 等于等于6 625 10 34J s X射线的频率射线的频率 C X射线的速度 射线的速度 2 998 1010cm s 短波限 短波限 cm 32 连续连续X射线射线 将所有常数代入将所有常数代入上上式式 可得可得 上上式计算结果单位式计算结果单位为为A 1nm 10A 上上式式表明表明 短波限只短波限只与管电与管电压有关压有关 V V 4 12 1000 300 108 4 1010310625 6 10 81027 0 33 连 续 谱 与 特 征 谱 34 X射线的强度是指行垂直X射线传播方向的单 位面积上在单位时间内所通过的光子数目光子数目的能能 量总和 量总和 常用的单位是J cm2 s X射线的强度I是由光子能量hv和它的数目n 两个因素决定的 即I nhv 连续X射线强度最大 值在1 5 0 而不在 0处 35 连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X 射线的总强度 也是阳极靶发射出的X射线的 总能量 实验证明 I与管电流 管电压 阳极靶的 原子序数存在如下关系 X射线管的效率为 m 1 I K iZV 连 2 1 1 KiZVX X K ZV iV 射线功率 射线管效率 电子流功率 36 标识X射线 是在连续谱的基础上叠加若干条具 有一定波长的谱线 它和可见光中的 单色相似 亦称单色X射线 特征 当电压增加到临界电压 时 标识谱线的波长不再变 强 度随电压增加 如钼靶K系标识X 射线有两个强度高峰为K 和K 波长分别为0 71 和0 63 37 产生 产生机机理理 标识标识X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构 紧密相关的 紧密相关的 原子原子系系统统内的电子内的电子按泡利按泡利不相容原理不相容原理和和 能量能量最低最低原理原理分分布布于于各各个能个能级级 在电子在电子轰击轰击阳阳极的极的过过 程程中 中 当某当某个个具有具有足够足够能量的电子能量的电子将阳将阳极极靶靶原子的内原子的内 层层电子电子击击出出时 于是在时 于是在低低能能级级上上出出现现空空位位 系系统统能量能量 升升高 高 处处于不于不稳稳定定激激发发态态 较较高能高能级级上的电子向上的电子向低低能能 级级上的上的空空位位跃迁跃迁 并并以以光子的光子的形式辐形式辐射射出标识出标识X射线射线 谱谱 38 产生机理 39 K态 击走K电子 L态 击走L电子 M态 击走M电子 N态 击走N电子 击走价电子 中性原子 Wk Wl Wm Wn 0 原 子 的 能 量 标识X射线产生过程 K 激 发 L 激 发 Ka 辐 射 K 辐 射 L 辐 射 40 K系系激激发发机机理理 K层电子被击出时 原子系统能量由基态升到层电子被击出时 原子系统能量由基态升到K 激发态 高能级电子向激发态 高能级电子向K层空位填充时产生层空位填充时产生K系系 辐射 辐射 L层电子填充空位时 产生层电子填充空位时 产生K 辐射 辐射 M层层 电子填充空位时产生电子填充空位时产生K 辐射 辐射 41 K系系激激发发机机理理 由能级可知 由能级可知K 辐射的光子能量大于 辐射的光子能量大于K 的能 的能 量 但量 但K层与层与L层为相邻能级 故层为相邻能级 故L层电子填充层电子填充 几率大 所以几率大 所以K 的强度约为 的强度约为K 的 的5倍倍 产生 产生K系激发必须阴极电子的能量系激发必须阴极电子的能量eVk至少等至少等 于击出一个于击出一个K层电子所作的功层电子所作的功Wk Vk就就是是激激发电发电 压压 42 标识标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶射线谱的频率和波长只取决于阳极靶 物质的原子能级结构 是物质的固有特性 且物质的原子能级结构 是物质的固有特性 且 存在如下关系存在如下关系 莫塞莱莫塞莱定定律律 标识标识X射线谱的波长 与原子射线谱的波长 与原子 序数序数Z关系为关系为 ZC 1 C 为常数 43 K系标识系标识X射线的强度与管电压 管电流的射线的强度与管电压 管电流的 关系为关系为 当当I标 标 I连连最 最大大 工工作电作电压压为为K系系激激发电发电压压的的 3 5倍倍时 时 连续连续谱谱造造成成的衍射的衍射背背影影最小最小 不不同同的的阳阳极极材料材料使用的使用的适宜工适宜工作电作电压压不不同同 n k VViKI 2标 44 a 某一特征K 线的最大发射强度 b K 线与连续谱线强度比 X射线管发射强度与管工作电压的关系 45 46 X射线与物质相互作用时 产生各种不同的和复杂射线与物质相互作用时 产生各种不同的和复杂 的过程 就其能量转换而言 一束的过程 就其能量转换而言 一束X射线通过物质时 射线通过物质时 可分为三部分可分为三部分 一部分一部分被散被散射射 一部分一部分被吸收被吸收 一部分一部分透过透过物质物质继继续续沿沿原原来来的的方方向向传播传播 47 X射线被物质散射时 产生两种现象射线被物质散射时 产生两种现象 相相干散干散射射 与原与原波长波长相相同同 非 非相相干散干散射射 改变改变波长波长 48 非相干散射 X射线光子与束缚 力不大的外层电子 或自由电子碰撞时电 子获得一部分动能成 为反冲电子 X射线 光子离开原来方向 能量减小 波长增加 49 非相干散射是康普顿 A H Compton 和我国物理 学家吴有训等人发现的 亦称康普顿效应 非相干 散射突出地表现出X射线的微粒特性 只能用量子理 论来描述 亦称量子散射 它会增加连续背影 给 衍射图象带来不利的影响 特别对轻元素更是如此 50 X射线的吸收 光电效应 以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程 被击出的电子称为光电子光电子 辐射出的次级标识 X射线称为荧光荧光X射线射线 产生光电效应 X射线光子波长必须小于吸吸 收收限 限 k 51 X射线的吸收 俄歇效应 原子在入射X射线光子或电子的作用下失掉K 层电子 处于K激发态 当L层电子填充空位时 放出E E能量 产生两种效应 荧光X射线 产生二次电离 使另一个核外电子成为二次 电子 俄歇电子 52 X射线的衰减 X射线的衰减规律 当一束X射线通过物质 时 由于散射和吸收的 作用使其透射方向上的 强度衰减 衰减的程度 与所经过物质中的距离 成正比 53 HH H x x x dxxx m eIeII dx I dI I II 0 0 线吸收系数 m 质量吸收系数 X射线的衰减 54 质量衰减系数 m 表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度 质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近 似关系 K为常数 m随 的变化是不连续的其间被尖锐的突变分 开 突变对应的波长为K吸收限 33 ZK m 55 物质的质量吸收系数 当入射当入射X射线的能量足够把内层电子轰出时 即光电效射线的能量足够把内层电子轰出时 即光电效 应 能量便被吸收 并会部分转化为元素二次辐射的能量 应 能量便被吸收 并会部分转化为元素二次辐射的能量 各个吸收限之间的区域内质量吸收系数符合下面的近似关系 各个吸收限之间的区域内质量吸收系数符合下面的近似关系 K 3Z3 式中式中K为常数 对于给定的波长 为常数 对于给定的波长 m随随Z的增大也有类的增大也有类 似的规律似