X-ray工作原理剖析

1、X-RAY的工作原理石英晶体是各向异性之晶体，石英晶片的切割方位稍有不同，温度特性就有很大的差别。X光定向就是目前準確測定晶片 方位的最佳方法.一、X射线的产生原理：1. X射线管中的阴板（灯丝）所发射的电子快速轰击阳板（靶面）,使阳极中的原子受到轰击后，K层电子脱离轨道转移到能量较高的外层（或者将电子层中的电子轰岀该原子系统 ，从而产生电离）。同时，外层电子跃入内层空位，跃迁中能量转化具有一定波长和频率的光子，这种射线称为XX对于不同材料的阳极（靶子），其射线波长是不同的。如表:靶子元素原子序數Ka1（埃）Ka2（埃）Ka*（埃）K B （埃）入k （埃）Vk（千 伏）適宜的工作電 壓（千伏

2、）被強烈吸收射元素KaK BCr242.289622.293512.29092.084802.07015.9820-25TiScCaVFe261.935971.939911.93731.756531.74337.1025-30CrVTiMnCo271.788921.792781.79021.620751.60817.7130MnCrVFeNi281.657841.661691.65911.500101.48808.2930-35FeMnCrCoCu291.540511.544331.54181.392171.38048.2635-40CoFeNbNiMo420.709260.713540.71

3、070.632250.619820.050-55YSrRuNb,ZrAg470.559410.563810.56090.497010.485525.555-60RuMoNbPb,Rh因此，我们在为X光机高压时，需要暖机30分钟，其作用就是让X射线管中产生一定量的光子，这样才会保證X射线在晶体中的衍射强度。我们通常采用铜靶X光管。銅靶所产生的特征X射线有K a和K B两种，而K a又有 K a 1与K a 2两种，它们波长分别为：入 K a 1=1.53748A入 K a 2=1.5412A入 K B =1.3892A三种射线强度比为：K a 1: K a 2: K B =50:100:22所以

4、，我们又习惯称之为 X光反射。 入射光即入射X射线，反射线即衍射光，界面即相应的原子面。 為了提高 定向的精準度和消除 K B射線的影響，可在X光管的窗口加一個濾光片，銅靶的濾光片采用為 0.021mm的鎳片.2. X射线管在使用的过程中，会产生高温，因此在使用之前一定要检查排风扇的使用状况。二、X射线在晶体中的衍射状况1. X射线进入晶体后，即引起晶体中原子周 圍的电子产生振动（跃迁），随着振動就产生X射线（稱為次X射線），它的 频率和波长与原X射线相同，而强度甚弱.单一原子产生的X射线是微不足到的，但晶體中的原子呈週期性重复 排列，因此，所發生的X射線会发生干涉现象，其干涉结果是X射线的互

5、相重叠而加强，或互相抵消而减弱.晶体中各原子所放出的X射线在不同的方位上，其行程也不同，只有当某个方向行程差等于波长整数时，各原子所产生的X射线将形成一系列的球面波，(如图)- 2抵衍射-1級衍射O怨衍射1怨衍射2银衍射由一系列等距扌非列質點爲中心發出散身寸波的疊加沿着这些波面作公切线，其法线方向即为散射波相互叠加的方向，从而在该方向产生衍射.平行於原子排列的公切線稱為0級，衍射束的波前順次相差一個波長的球面波公切線為一級衍射 ，按射線束波前依此類推可以得到1,2,3級衍射，隨著衍射级別的升高，其衍射角增大，而衍射強度減弱。故在晶體定向時，盡可能選用一級衍射.2. 布拉格定律：產生”反射”勺條

6、件是相鄰網面所反射的X射線的行程差等於波長的整數倍.桁拉格方程n 入=2dsin 0n:1,2,3,衍射級次入:X射線波長d:原子面間距0 :x射線與原子面間夾角3. 衍射强度的大小取决于以下几点：(1)X光机的电流的大小.X光机的电流越大，电子轰击铜靶所产生的光就会越多，光子越多，对晶体内部的原子层反射强度就会大，从而衍射强度就会越大.(2) 衍射强度同时还会与网面中原子密度有关，网面中原子密度越大，其衍射强度就会越大.网面原子密度越小，其衍射强度就会越弱.(3) 衍射强度除与网面中原子密度有关外，还与原子在网面中排列的规整程度有关，不规整的排列势必引起散射，使衍射强度减弱，帮晶体质量差或结

7、构不完整的晶体，其衍射强度较差.(全Z与半Z的质量差可用衍射强度来判断，其它条件固定的情况下)(4) 石英晶体的表面粗糙度同样也会影响晶体的衍射强度.由于刀刃钻石粒度粗，分布不均，机器振动大，切割速度太快，使石英芯片表面的格架受到严重的破坏层，将对X射线产生杂乱无章的漫反射.同时，也消耗了一部份入射X光的能量，从而使衍射强度减弱.三、AT切割测角方法及其误差AT切割一边X轴平行，而沿着X轴从Z轴旋转35 13切岀来的，旋转Y切割片，经切割研磨，轮廓外形成形后 的毛片在X光机上，从原子面能很准确测出其原子面与切割面的夹角.以及从结晶軸切出的晶片面的角度，是决定频率温度特性的最基本的要素.1.晶體

8、切面與原子面成一定角度而又平行於垂直棱這种情況是原子面在水平測量方向與切型面成夾角a，而在垂直方向原子面與切割面平行 。此种情況多見於 AT、BT等Y切族。（見圖）。裝置面2Q切聽甜聽鈔且平行于原子面的法線ON 與切面法線ON的夾角也等於a ，X射線0A,反射線0B與原子面的夾角均為a圖中Z Z”切面與原子面的夾角a。它可以由有關表中查出切型面Z 與Z軸的夾角ZZ 和原子面與Z軸夾角ZZ ，然後計算二者差值，求岀a =Z N=ZZ ”ZZ I 厂 I對於a值有兩种情況：a0或区01） a 0說明原子面與光軸的夾角比切面與光軸夾角大的情況。這時測角計算可知，測光軸的兩個測量角分別是g1與g2,而

9、g1與g2分別是OA和OB與切面的夾角。從圖中可以明顯地看出，由於X射線的反射不是來自片子表面，而是發生在原子面上，因此，入射X射線與切面的夾角g1不等於B ,而等於B與a之和，即g1= 0+ a同理有g2= 0 -a從圖中還可以看出 OA、OB、ON、ON 均同在一個平面（測角儀平面）內。在其平面內轉動石英晶片就會改變反射狀況。即雖然 g1和g2的值將依石英晶片中的每一個個別位置而有所不同 ，但電 离管的裝置仍在2 0位置。這是因為入射線 OA與切面的夾角g1=0 + a。反射線OB與切面的夾g2=0 -a，兩角之和始終 等於20。1列如:AT35 :從圖中可以查得所用原子（0110）; Z

10、Z ”=383該原子面的衍射角0=1320。所以有：a =38 3-35 =313 g1= 0 +a =1310+313=1613g2= 0 - a =13 20313=10072) a 0 ,即原子面與光軸的夾角小於切面與光軸的夾角的情況g1= 0 - ag2= 0 + a匚.：|: BT50 從圖中查得BT50。切型所用原子面為(0223)與光軸的夾角ZZ ” =4914,此原子面的衍射角為 34 05,所以有：a =494 -50-16g1= 0 - a =345-(-16 )=34 1(腊下)g2= 0 + a =345+(-16 )=33 9(腊上)2.晶體切面和原子面成一定角度面又

11、不平行於水平棱如圖所示。陰影所示的平面為原子面；OA為入射線；OB為反射線；ON為切面的法線；ON 為原子面的法線OB為OB在水平面上的投影；OA為入射線的延長線。由反射定理知：/BOA等於2 0 ,而其投影為g1+g2(大度盤的角度)g1和g2分別為兩個測量角。原子面法線N 與切面法線N在同一平面上，夾角為a。反射線與其在測角儀平面上的投影構成B角。g1與g2見下式1式：Cos(g1+g2)=Cos2 0 / Cos BSing1=Sin 0 / Cos aSin B =2 Sin 0 Sin ag2=(g1+g2)- g1例如:計算AT35。切型電軸方向的兩個測角g1和g2值所以：因為:a

12、 =38 13,-35=3130 =1310Sin B =2 Sin3 3Sin130=2*0.056*0.231=0.0258查表得:1 9B角一般要求小於 5:不然會由於仰角太大，至使電離管接收不到反射的 X射線。如若選取的原子面使B大於 5。時必須重新選取原子面，才能定向。將數代入式中：Cos(g1+g2)= Cos2 9 / Cos B = Cos260/Cos1 9=0.8936/0.9996=0.8939g1+ g2=26 7Sin g仁Sin 9 / Cos a = Sin13 0 Cos33 =0.2306/0.9984=0.2309g仁 131g2=(g1+g2)- g1=2

13、6 7-131=136因為電軸對頻率溫度系數影響不大，而g1和g2計算值与(0111)原子面的衍射角9 =130誤差不大，所以在一般測量中常常使用130AT Cut由XX角引起的ZZ角之測角誤差XX Angle（）3. 由上圖可知，如要控制在+/-15秒以內,XX 角B最少要控制在10分以下。X光線裝置的回轉軸固定晶片的基準面所形成 的角也是同樣的道理。4. 把切割及研磨時所引起的結晶破壞層減少到最低程度，而且把X射線放成單一眼化，也就是將X射線先在原子面折射一次的X射線復折測角法。通常#1500研磨砂磨出來的晶片只能測到+/-30”為限,如果要高精密測角，以X光復折射測角法，最少也要用#30

14、00（平均粒度為5卩）研磨出來的平面度才可以。如果經過etching測角的精度就可以大大的提高。5. X射線測量方法是高精密機械及電器測量之配合，要把這些機器設置在恆溫恆濕的空調室內才可以。四.X-RAY光機常用的幾种機型：丹東機臺YX-2、YX-4、2991、2992與自動角度機2993。這幾种機型中YX-4在國內比較常用，因其測角誤差為土 15”, 且測角方式采用雙晶形式（X光線雙折射法）。這几种機型的工作原理有單晶形式與雙晶形式雙种:（如圖）定向儀光路示意圖（1）定向儀光路示意圖通過X射線雙折射，減少X射線能量，過濾出弱射線與散射線，這樣可以提升測試精度.在平常所使用的幾种 X-RAY機型中,要做到維護、保養與使用并重，機台維護、保養的好壞，決定著X-RAY測試精度。在x光機使用時，經常用到的樣品角度數如下表晶體名稱切型(晶面)92 9石英(SiO2)AT.CT13 20260