第一章X射线的性质

2020 4 6 材料分析测试技术 X射线的性质 2020 4 6 1 1引言 1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了一种新型的辐射 肉眼看不见 可使照相底片感光 并有很强的穿透力 X射线的本质 它与物质相互作用的基木原理己被深人研究 并在科学研究 医疗与技术工程上获得广泛应用 相应的设备和方法也在不断的发展中 2020 4 6 3 两个重要人物 伦琴 W C R ntgen 劳埃 M vonLaue 1895年伦琴在研究阴极射线时发现了X射线 1912年劳埃发现了X射线在晶体中的衍射现象 2020 4 6 2020 4 6 1 2X射线的本质 X射线属于电磁波或电磁辐射具有粒子性和波动性特点波长为10 8cm 与晶体的晶格常数同一数量级 2020 4 6 X射线和可见光相比 其波长比可见光短 介于紫外线与 射线之间 约为10 2到102埃的范围 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 2020 4 6 X射线以光子的形式辐射和吸收时具有质量 能量 动量波长短 能量和动量大 穿透能力强X射线的波动性表现在干涉和衍射X射线的粒子性表现与物质相互作用交换能量 2020 4 6 8 用于晶体结构分析的X射线波长 0 25 0 05nm 硬X射线 金属零件的无损探伤 0 1 0 005nm 用于医学透视及安检的X射线波长则很长 1 100nm 软X射线 2020 4 6 1 3X射线的产生及X射线管 X射线是由高速运动着的带电 或不带电 粒子与某种物质相撞击后猝然减速 且与该物质中的内层电子相互作用而产生的产生自由电子 电子定向高速运动 设置使其突然减速的障碍物X射线管 带冷却水的大灯泡 2020 4 6 X射线管实际上是一只真空二极管 它有两个电极 作为阴极的用于发射电子的灯丝 钨丝 和作为阳极的用于接受电子轰击的靶 又称对阴极 X射线管供电部分至少包含有一个使灯丝加热的低压电源和一个给两极施加高电压的高压发生器 由于总是受到高能量电子的轰击 阳极还需要强制冷却 当灯丝被通电加热至高温时 达2000 大量的热电子产生 在极间的高压作用下被加速 高速轰击到靶面上 高速电子到达靶面 运动突然受阻 其动能部分转变为辐射能 以X射线的形式放出 这种形式产生的辐射称为轫致辐射 2020 4 6 轰击到靶面上电子束的总能量只有极小一部分转变为X射线能 靶面发射的X射线能量与电子束总能量的比率 可用下面的近似公式表示 1 1 10 9ZV式中Z为靶材组成元素的原子序数 V为X射线管的极间电压 又称管电压 以伏特为单位 例如对于一只铜靶的X射线管 在30KV工作时 0 1 而一只钨靶的X射线管在100KV条件下工作时 也不过 0 8 可见X射线管产生X射线的能量效率是十分低的 但是 目前X射线管仍是最实用的发生X射线的器件 因为轰击靶面电子束的绝大部分能量都转化为热能 所以 在工作时X射线管的靶必须采取水冷 或其他手段 进行强制冷却 以免对阴极被加热至熔化 受到损坏 也是由于这个原故 X射线管的最大功率受到一定限制 决定于阳极材料的熔点 导热系数和靶面冷却手段的效果等因素 同一种冷却结构的X射线管的额定功率 因靶材的不同是大不相同的 例如 铜靶 铜有极佳的导热性 和钼靶 钼的熔点很高 的功率常为相同结构的铁 钴 铬靶的两倍 2020 4 6 2020 4 6 在晶体衍射实验中 常用的X射线管按其结构设计的特点可分为三种类型 1 可拆式管 这种X射线管在动真空下工作 配有真空系统 使用时需抽真空使管内真空度达到10 5毫帕或更佳的真空度 不同元素的靶可以随时更换 灯丝损坏后也可以更换 这种管的寿命可以说是无限的 2 密封式管 这是最常使用的X射线管 它的靶和灯丝密封在高真空的壳体内 壳体上有对X射线 透明 的X射线出射 窗孔 靶和灯丝不能更换 如果需要使用另一种靶 就需要换用另一只相应靶材的管子 这种管子使用方便 但若灯丝烧断后它的寿命也就完全终结了 密封式X射线管的寿命一般为1000 2000小时 它的报废往往并不是与因灯丝损坏 而是由于靶面被熔毁或因受到钨蒸气及管内受热部分金属的污染 致使发射的X射线谱线 不纯 而被废用 3 转靶式管 这种管采用一种特殊的运动结构以大大增强靶面的冷却 即所谓旋转阳极X射线管 是目前最实用的高强度X射线发生装置 管子的阳极设计成圆柱体形 柱面作为靶面 阳极需要用水冷却 工作时阳极圆柱以高速旋转 这样靶面受电子束轰击的部位不再是一个点或一条线段而是被延展成阳极柱体上的一段柱面 使受热面积展开 从而有效地加强了热量的散发 所以 这种管的功率能远远超过前两种管子 对于铜或钼靶管 密封式管的额定功率 目前只能达到2KW左右 而转靶式管最高可达90KW 2020 4 6 1 4X射线谱 由X射线管所得到的X射线 按其特征可以分成两部分 连续光谱和特征光谱 后者只与靶的组成元素有关 2020 4 6 15 1 4 1连续X射线谱 X射线强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱 连续谱受管电压U 管电流i和阳极靶材的原子序数Z的作用 其相互关系见图 连续谱的总强度决定于上述U i Z三因素 图1 图2 X射线波长从一最小值短波限 SWL向长波方向伸展 2020 4 6 16 连续谱的形成及存在短波限的量子力学解释 在管电压U作用下 电子到达阳极靶时动能为eU 若一个电子在与阳极靶碰撞时 把全部能量都给予一个光子 这就是一个光子所可能获得的最大能量 即h max eU 此光量子的波长即为短波限 SWL 如果一个电子射入物质后在发生有效碰撞 产生光量子 之前速度有所降低 则碰撞产生光量子的能量就会减小 由于多种因素使得发生有效碰撞的电子速度可以从零到初速连续的取值 因而出现了连续光谱 其波长自 m开始向长波方向伸展 连续光谱的短波限 SWL只决定于X射线管的工作高压 2020 4 6 X射线的强度是指垂直于X射线传播方向的单位面积上单位时间内光量子数目能量的总和 强度由光子的能量和光子的数目决定最大值不在 m 而在1 5 m选用重金属靶并施以高电压 2020 4 6 18 当加于X射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值UK时 在连续谱的某些特定的波长位置会出现一系列强度峰 峰窄而尖锐 它们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值 此波长可作为阳极靶材的标志或特征 故称为特征谱或标识谱 特征谱的波长不受管电压 管电流的影响 只决定于阳极靶材元素的原子序数 Mo靶 35kV 1 4 2特征X射线谱 2020 4 6 19 特征X射线产生的机理 经典原子模型 原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上 最内层 K层 能量最低 图 阴极射出的电子流轰击到靶面 如果能量足够高 靶内一些原子的内层电子会被轰出 使原子处于能级较高的激发态 2020 4 6 K层电子被击出称为K激发态 L层电子被击出称为L激发态 依次类推 图1 6b表示的是原子的基态和K L M N等激发态的能级图 原子的激发态是不稳定的 寿命不超过10 8秒 此时内层轨道上的空位将被离核更远轨道上的电子所补充 从而使原子能级降低 这时 多余的能量便以光量子的形式辐射出来 2020 4 6 图1 6a描述了上述激发机理 处于K激发态的原子 当不同外层的电子 L M N 层 向K层跃迁时放出的能量各不相同 产生的一系列辐射统称为K系辐射 基于上述机制产生的X射线 其波长只与原子处于不同能级时发生电子跃迁的能级差有关 而原子的能级是由原子结构决定的 因此 这些有特征波长的辐射将能够反映出原子的结构特点 我们称之为特征光谱 2020 4 6 莫塞莱定律K 与靶材物质主量子数有关的常数 屏蔽常数 与电子所在的壳层位置有关 2020 4 6 23 原子内层电子被击出而造成空位是产生特征辐射的前提 而欲击出靶材原子内层电子 比如K层电子 由阴极射来的电子的动能就必须大于 至少等于 K层电子与原子核的结合能EK 或K电子逸出所做的功WK 即eUK EK WK 这个UK便是阴极电子击出靶材原子K电子所需的临界激发电压 特征X射线的产生条件中为什么存在一个临界激发电压UK 2020 4 6 24 特征谱的强度随管电压 U 和管电流 i 的提高而增大 其关系的实验公式如下 I特 K3i U Un m 另外 X射线连续谱只增加衍射花样的背底 不利于衍射花样分析 因此总希望特征谱线强度与连续谱线强度之比越大越好 实践和计算表明 当工作电压为K系激发电压的3 5倍时 I特 I连最大 U 3 5 UK 2020 4 6 当X射线与物质相遇时 会产生一系列效应 这是X射线应用的基础 德国物理学家伦琴在发现X射线时就观察到它有可见光与其无法比拟的穿透力 可使荧光物质发光 可使气体或其它物质电离 能量转化 散射能量E1 吸收能量E2 透过物质E3 1 5X射线与物质的相互作用 2020 4 6 1 5 1X射线的散射X射线在穿过物质后强度衰减 除主要部分是由于真吸收消耗于光电效应和热效应外 还有一部分是偏离了原来的方向 即发生了散射 在散射波中有与原波长相同的相干散射和与原波长不同的不相干散射 相干散射当X射线与原子内受核束搏较紧的原子相遇 光量子能量不足以使原子电离 但电子可在X射线交变电场作用下发生受迫振动 这样的电子就成为一个电磁波的发射源 向周围辐射与入射X射线波长相同的辐射 因为各电子所散射的射线波长相同 有可能相互干涉 故称相干散射 2020 4 6 非相干散射X射线射入到物质中 有可能与物质中束缚较弱的电子发生碰撞 碰撞过程中 被碰撞的电子从入射X射线光量子上获得一部分能量 因而改变了电子本身的运动状态 这部分电子称为反冲电子 而入射X射线将一部分能量传递给反冲电子 损失了部分能量 因而引起了其振动频率降低 波长变长 并改变了其运动方向 这个现象就是非相干散射 它满足动量守恒和能量守恒条件 是弹性碰撞 非想干散射波与入射波的波长不相同 位相也不存在确定的关系 因此不能产生干涉效应 2020 4 6 1 5 2X射线的吸收射线穿过物质之后 强度会衰减 前面已经指出 这是因为X射线同物质相互作用时经历各种复杂的物理 化学过程 从而引起各种效应转化了入射线的部分能量 如下图所示 2020 4 6 实验证明 X射线穿透物质后的强度衰减与射线在物质中经过的距离成正比 假设入射线的强度为I0 进入一块密度均匀的吸收体 在x处时其强度为Ix 当通过厚度dx时强度的衰减为dI 定义 为X射线通过单位厚度时被吸收的比率 则有 dI Ix dx考虑边界条件并进行积分 则得 Ix I0e x式中 称为线衰减系数 x为试样厚度 2020 4 6 衰减至少应被视为物质对入射线的散射和吸收的结果 系数 应该是这两部分作用之和 但由于因散射而引起的衰减远小于因吸收而引起的衰减 故通常直接称 为线吸收系数 而忽略散射的部分 2020 4 6 Ix I0e x式中 为吸收体的密度 称为质量吸收系数 它是物质固有的特性 对于一定波长的入射X射线 每种物质都具有一定的值 质量吸收系数常用 m来表示 X射线被物质吸收的性质与物质的化学组成有关 由两种元素以上组成的化合物 混合物 溶液等物质的质量吸收系数 m可以由各组成元素的 进行线性加和得到 假定物质的各组成元素的 分别为 1 1 2 2 3 3 其质量百分数分别为x1 x2 x3 则物质的 m可按下式计算 m x1 1 1 x2 2 2 x3 3 3 2020 4 6 元素的质量吸收系数与入射线的波长和吸收元素原子序数有关 如图1 8a所示 对于一种元素其质量吸收系数 m随着波长的变化有若干突变 发生突变的波长称为吸收限 或称吸收边 在各个吸收限之间质量吸收系数随波长增加而增大 所以短波长的X射线 所谓硬X射线 穿透能力大 而长波长的X射线 所谓软X射线 则容易被物质吸收 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K为常数 对于给定的波长 m随Z的增大也有类似的规律 2020 4 6 光电效应当入射光量子的能量等于或略大于吸收体原子某壳层电子的结合能 即该层电子激发态能量 时 此光量子就很容易被电子吸收 获得能量的电子从内层溢出 成为自由电子 称光电子 原子则处于相应的激发态 这种原子被入射辐射电离的现象即光电效应 此效应消耗大量入射能量 表现为吸收系数突增 对应的入射波长即为吸收限 此时的吸收称为真吸收 X射线通过光电效应使被照物质处于激发态 这一激发态与由入射电子所引起的激发态完全相同 也要通过电子跃迁向较低能态转化 同时辐射被照物质的特征X射线 由入射X射线所激发出来的特征X射线称荧光辐射 二次X ray 亦存在K系 L系 荧光辐射 即当入射线光子能量大于或等于K电子结合能时 将K电子击出变成光电子 外层电子填补K空位 同时发出荧光X ray 2020 4 6 俄歇效应俄歇电子和荧光x射线二种过程的微观机制原子中1个K层电子被击出后 它就处于K激发态 其能量为 K 当有一个L层电子跃人K层填补空位 K电离就变为L电离 能量由 K变为 L 同时将有 K L的能量释放 能量释放会产生两种效应 种是应