材料分析方法 X射线物理学基础.ppt

1,第一章X射线物理学基础,本章内容X射线的本质X射线的产生X射线谱X射线与物质的相互作用X射线的探测与防护,2,X射线的发现,1895年，德国物理学家伦琴研究阴极射线时发现，由于对其本质不了解，称为X射线，亦称伦琴射线,Roentgen,3,X射线的发现,劳厄(18791960)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,X射线的发现,L.布拉格(18901971)H.布拉格(18621942),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，23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（WHBragg）已是利兹大学的物理学教授，而小布拉格（WLBragg）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：nXZdsino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射线的应用,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,X射线的本质是电磁波，波长处于紫外线的上端，因此，不能用肉眼观察到,9,X射线本质的揭示,1912年，德国物理学劳厄等人利用晶体光栅观察到X射线的衍射现象，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,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0.0110nm的范围,11,X射线的本质,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：,12,X射线的本质,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射线的本质,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,X射线的本质,因为n1，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2030在物质的微观结构中，原子和分子的距离（110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,X射线的本质,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,X射线的本质,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=m1kX=1.00207720.000053A(1973年值）,17,X射线的本质,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6.62510-34J.scX射线的速度，等于2.9981010cm/s.,18,X射线的产生原理,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射线的产生原理,X射线管是X射线产生器，由它产生X射线原理：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99%的能量转换为热量，而1%的能量转换为X射线,：,20,X射线的产生,X射线产生的三个基本条件产生自由电子使电子作定向的高速运动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,：,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：阴极是发射电子的地方阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方焦点：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）,X射线的产生过程演示,40KV高压,220V400mA电流,23,X射线的产生,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1102，而窗口与靶面成35,：,24,X射线束的形状,：,灯丝,阳极,X-RAY,窗口,两种焦斑,由长焦斑结窗口（6）得到0.110mm2的有效投射线焦点射线束，由短焦斑得到11mm2的有效投射点焦点射线束,25,X射线的产生,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（200010000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-max2500为代表,：,26,X射线的产生,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,X射线谱,由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：连续X射线标识X射线,：,28,连续X射线谱的产生机理,连续X射线具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线产生机理：能量为eV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，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X射线。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，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱,：,29,连续X射线谱的产生机理,：,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X射线谱的短波限计算,连续X射线连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限SWL.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关系为：,：,31,连续X射线谱的短波限,连续X射线式中e电子电荷，等于4.80310-10静电单位V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，等于6.62510-34JsX射线的频率CX射线的速度（2.9981010cm/s）短波限（cm),：,32,连续X射线谱的短波限计算,：,连续X射线将所有常数代入上式，可得：上式计算结果单位为A（1nm=10A)上式表明：短波限只与管电压有关,33,特征谱与连续谱图示,：,。,连续谱与特征谱,34,X射线谱强度,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的能量总和。常用的单位是J/cm2.sX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1.50,而不在0处,：,35,X射线管的效率,：,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,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,标识X射线谱的产生机理,产生机理标识X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。原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱,：,38,标识X射线谱的产生机理,产生机理,：,39,标识X射线谱生产过程,：,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系辐射的产生,K系激发机理K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K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生K辐射；M层电子填充空位时产生K辐射,：,41,K系X射线的产生机理,K系激发机理由能级可知K辐射的光子能量大于K的能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充几率大，所以K的强度约为K的5倍产生K系激发必须阴极电子的能量eVk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk就是激发电压,：,42,莫塞来定律,：,标识X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。且存在如下关系莫塞莱定律：标识X射线谱的波长与原子序数Z关系为,C，为常数,43,X射线谱,：,K系标识X射线的强度与管电压、管电流的关系为当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压的3-5倍时，连续谱造成的衍射背影最小不同的阳极材料使用的适宜工作电压不同,44,X射线谱,：,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,45,46,4X射线与物质的相互作用,X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X射线通过物质时，可分为三部分一部分被散射一部分被吸收一部分透过物质继续沿原来的方向传播,：,47,散射方向偏离,X射线被物质散射时，产生两种现象相干散射与原波长相同非相干散射改变波长,：,48,非相干散射,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,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,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，辐射出的次级标识X射线称为荧光X射线产生光电效应，X射线光子波长必须小于吸收限k,：,51,X射线的吸收俄歇效应,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射线的衰减规律,：,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,X射线的衰减规律,：,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,：,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,55,：,物质的质量吸收系数,当入射X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。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：/=K3Z3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,56,吸收限的应用吸收限主要是由光电效应引起的：当X射线的波长等于或小于时光子的能量E到击出一个K层电子的功W，X射线被吸收，激发光电效应。使m突变性增大吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有三个副层，有三个吸收限,：,57,：,滤波片使X射线管产生的X射线单色化，常采用滤波片法。利用滤波片的吸收限进行滤波，除去不需要的K线，使用滤波片是最简单的单色化方法，但只能获得近似单色的X射线。原子序数低于靶元素原子序数1或2的元素，其K吸收限波长正好在靶元素的K和K波长之间，因此对于每种元素作为靶的X射线管，理论上都能找到