X射线物理基础

1材料分析技术主讲东南大学材料科学与工程学院万克树材料学院A楼：Room420

答疑时间：周一上午

keshuwan@

2023年1月15日2第一章X射线分析

X射线物理基础2学时X射线衍射（XRD）原理2学时XRD方法2学时XRD图谱与物相分析4学时X射线光谱分析2学时3X射线物理基础历史与背景产生X射线谱与物质相互作用探测安全4X射线的发现1895年，德国物理学家伦琴（WilhelmKonradRiSntgen，1845—1923）发现X射线;

并因此荣获1901年首届诺贝尔物理学奖科学发现发现与发明发现不是遇到/碰到合理的假设或解释更为重要51895-1897年伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分性质，并作出合理正确的判断和解释。6X射线的发现1880-1895X射线在阴极射线相关研究中被多次发现。其中：1896“我们不能要求伦琴射线的发现权，因为我们没有作出发现。我们能提出的顶多就是：先生们，您们记住六年前的这一天，世界上第一张用阴极射线得到的图片就是在宾夕法尼亚大学物理实验室得到的。”7X射线的基本性质与应用医学诊断、治疗工业探伤，安全检查材料科学：物相分析、元素组成分析……可穿透物体。穿透力与物质的原子序数有关。同一波长的X-射线，对原子序数低的物质穿透力强，对原子序数高的物质穿透力弱。难以用透镜聚焦，折射系数接近1。使某些物质发出荧光—可见光。使物质的原子电离和激发，使气体导电。可引起化学反应，使照相胶片感光，用于X-射线摄影。可在生命组织中诱发生物效应，用作治疗。8X射线与诺贝尔奖1901

伦琴(Roentgen) 发现X射线1914

劳埃（Laue） 晶体的X射线衍射1915

布拉格父子(Bragg) 分析晶体结构1917 巴克拉(Barkla) 发现元素的标识X射线1924

塞格巴恩(Siegbahn) X射线光谱学1927

康普顿(Compton)六人

康普顿效应1936

德拜(Debye) 化学(粉晶XRD)1954

泡林(Pauling) 化学（XRD测化学键）1964

霍奇金(Hodgkin) 化学（XRD测胰岛素结构）1988

米歇尔(Michel)三人

化学（XRD测光和作用蛋白结构）1946

马勒(Muller) 医学（X射线致果蝇基因突变）1979

柯马克和豪森菲尔德（Cormack/Hounsfield）医学X-CT9X射线的本质－电磁辐射波长：0.001～10nm,介于紫外线和射线之间波粒二象性波性：X射线的传播过程有干涉、衍射等现象粒子性：与原子、电子等物质相互作用，具有粒子性（光量子流或光子），光子的能量E＝h＝hc/10X射线的本质－电磁辐射描述X-射线的物理参数：反映X-射线”质”的“硬度”反映X-射线”量”的“强度”光子个数“射线谱”光子能量硬X射线0.01nm<<0.1nm软X射线>0.1nm韧致辐射（Brakingradiation）同步辐射（Synchrotronradiation）X射线的产生X射线的产生---产生机理12X射线的产生---产生源X射线管封闭式热阴极X射线管，小功率旋转阳极X射线管，大功率同步辐射源等离子体源放射性同位素宇宙射线其他13X射线管阴极灯丝，产生电子高压（真空），加速电子靶阻挡电子，将电子能量转变为X-射线光子其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高。14封闭X射线管因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。目前有100kW的旋转阳极，其功率比普通x射线管大数十倍。旋转阳极开放管3000rpm16同步辐射X射线高能电子束的产生与加速高能电子束以接近光速的速度沿圆形轨道运动，产生电磁辐射非常昂贵，多用户，国家投资17同步辐射X射线光特点辐射光的波长覆盖面大且连续可调具有很高的亮度有强的辐射功率有好的准直性脉冲光源，有特定的时间结构同步辐射是偏振光同步辐射是“光谱纯”的光高度稳定性可计算性18X射线谱（X射线管产生）X射线谱：强度随波长变化的关系曲线λminλ相对强度I连续X射线特征X射线19连续X射线谱产生原因：---由于高速电子受靶极阻挡而产生的轫致辐射---电子进入靶内的深度不同，电子动能转化为辐射能有各种可能值，因而X射线的波长是连续变化的

Iλ波长极限强度最大值20短波限假设：

电子动能全部转为电磁辐射量子理论解释电子轰击靶材产生韧致辐射的极限最短波长（最高频率）。短波限只与管电压有关，不受其它因素影响。21连续X射线谱特点：每条曲线都有一个强度最大值和波长极限强度随波长连续变化连续谱中的强度最大值不在波长极限（光子能量最大处），而是在波长极限的1.5倍处。其强度与管电压V、管电流i、阳极靶材的原子序数Z有关I连续＝KiZVm，常数K（≈1.1~1.4×10－9（V－1））,m（≈2）。

机理：高速电子进入核区，核区库仑场存在，速度发生变化，取连续值。辐射出X-射线，注意大部分变成热。其光子能量呈连续变化，称韧致辐射，或称刹车辐射。

Iλ波长极限强度最大值22连续谱变化规律i1i2i3λI管流i3>i2>

i1IλIλ不同阳极WAgMoI连续＝KiZVm23特征（标识）X射线谱特点：具有特定的波长。叠加在连续谱上。与加速电压无关，而与靶材料有关。

当管电压超过某一特定值Vk时产生。产生原因：与阳极靶原子中内层电子跃迁过程有关。24特征X射线谱原子系统内的电子按包利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级，能级是不连续的，K层靠近原子核，能量最低。管电压增加到一定数值，高能电子轰击原子电子脱离原轨道，体系处于不稳定的激发态。电子从高能级向低能级的跃迁将以光子的形式辐射出标识谱。25特征X射线谱电子跃迁服从规则主量子数∆n≠0角量子数∆l=126特征X射线谱Kα是由Kα1和Kα2两条谱线组成，与原子内层电子能级的精细结构有关。27特征X射线谱的波长特征X射线谱的波长只取决于阳极靶材料的原子序数，是物质的固有特性。（莫塞莱定律）：式中：K—常数（与靶材物质总量子数有关）

σ—常数（与电子所在壳层位置有关）

z—靶材料的原子序数28特征X射线谱的强度IK=Bi(V-VK)n式中：B、n—常数，n=1.5~1.7i—管电流

V—工作电压

VK—K系激发电压29激发电压开始产生特征（标识）谱线的临界电压。电子具足够能量把靶中原子某一能级上的电子打掉产生特征X射线所必须达到的最低电压。同一靶材料VK>VL>VM不同靶材料的原子结构不同，各自的激发电压不同，辐射的波长也不同。30利用特征X射线时

X射线管最佳工作电压利用特征X射线时，连续谱的背底增加背景V=（3～5）VK时，I标/I连最大。31比较内容连续谱特征谱谱线特征谱线形态I沿λ连续分布有λo、λmI不连续分布有λKα、λKβ

电压变化V↗，

λo、λm↙λ不变电流变化i↗，

λo、λm不变λ不变靶材料原子序数变化λ变λ变机理原子核刹车辐射电子跃迁辐射X射线谱小结32X射线与物质的相互作用I0I散射X射线电子荧光X射线热能相干散射非相干散射光电子俄歇电子电子对

入射X-射线通过物质时，光子渐渐损失掉，在入射方向，射线愈来愈弱，衰减。

衰减的过程主要有三种：散射，光电吸收和电子对生成。33X射线相干散射X射线光子与原子内束缚紧的电子相碰撞时（弹性碰撞），光子能量可认为不受损失，只改变方向。然而对入射线方向来说，强度衰减同一方向上各散射波如果符合相干条件，相互干涉后，能量集中在某些方向，得到一定的花样。相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础34X射线非相干散射：康普顿散射

作用对象：X射线与物质原子的外层电子或自由电子相互作用。入射X射线光子把一部分能量传给电子。波长变长。电子沿一角度反冲弹出，动能通过电离和激发过程最后变成热消耗掉；光子并不消失，但能量减小（从而它的频率降低，方向改变，这个光子称散射光子；能量守恒、动量守恒推导出波长改变取决于方向X射线粒子性的直接实验验证。351922年10月，美国芝加哥大学康普顿-吴有训效应1927年提供15种元素散射谱线作为佐证36光电效应电子被光子击出：“光电子”产生。光子本身消失了物质的原子被电离，原壳层处留下空位“光电子”继续撞击物质中的其它原子，它的动能以热的形式消耗在附近晶格中；但有部分光电子逃逸出表面利用光电效应产生的光电子可以进行X射线光电子能谱分析(XPS)1921年37光电效应-荧光X射线伴随光电效应：荧光X射线:当外层电子向空穴跃迁时，多余能量以X射线的形式放出X射线荧光分析（XRF）38俄歇效应伴随光电效应俄歇电子：外层电子向内层空位跃迁时，多余的能量传递给其它外层电子，使之脱离原子而成为俄歇电子俄歇电子能谱分析（AES）39电子对生成作用对象：X-射线与物质原子在原子区相互作用

过程：

X-射线光子的能量>1.02MeV

产生电子对（一个电子和一个正电子）二者静止质量所对应于的能量各为：二种粒子的质量均转变为能量产生二能量均为0.511Mev的光子（射线），方向相反。40不同原子序数、不同光子能量下，衰减系数各成分所占的主要区段

41X射线的吸收

宏观强度衰减规律

I＝I0e－lxl－线吸收系数：表示单位厚度的物质对X射线的吸收；

---与X射线的波长，吸收物质，吸收物质的物理状态有关。l

＝m，m－质量吸收系数：表示单位质量物质对X射线的吸收

---与吸收体的原子序数及X射线波长有关，

---与吸收体的密度（疏密，比如气体还是固体）无关42质量吸收系数元素对不同波长X射线的可查表，也可计算求得，一般情况下，光电效应为主：式中：K—常数

Z—吸收体的原子序数

λ—X射线波长吸收系数随着原子序数和波长剧烈变化43吸收系数影响因素44质量吸收系数的加和性化合物、陶瓷、合金等物质的是按组分元素的加权平均求得：

—吸收体中各元素质量百分数—吸收体中各元素的质量吸收系数45当X射线的λ由大变小逼近λK时

因入射X射线光子能量(与波长有关)恰好能激发某元素原子能级，X射线能量被大量吸收

产生突变。不连续处：吸收限相应的吸收限波长为λK，λL等。46吸收限(Absorptionedge)吸收限是由光电效应引起的。X射线的λλK时，产生光电效应

X射线光子被吸收，光子的能量转变为光电子、俄歇电子和荧光X射线的能量，使发生突然↑。故λK称为吸收限。吸收限两侧随着λ的变化基本遵循经验公式，只是k值各不相同。47滤波片利用特征X射线进行物相分析时，只用单色Kα谱线，须将Kβ等滤掉，需使用滤波片。滤波片材料根据阳极靶元素而定，满足下列关系：

λKα(靶)＞λK(片)＞λKβ(靶)Z靶＜40时，Z滤波片=Z靶－1Z靶＞40时，Z滤波片=Z靶－2滤波片是利用吸收限两边吸收系数相差悬殊的特点。滤波片的厚度对滤波质量影响很大，应选择适当的厚度。I0I散射X射线电子荧光X射线热能相干散射非相干散射光电子俄歇电子电子对XRDXPSAESXRF49X射线与物质相互作用小结宏观效应--X射线强度衰减，是X射线成像分析的物理基础射线成像XCT微观机制--X射线被散射,吸收散射：相干散射XRD

非相干散射吸收：XPS;

XRF；AUS50X射线探测器气体电离室正比计数器G-M计数管闪烁探测器非晶硅（硒）平板探测器半导体探测器影像板（imageplate）X射线CCD微多道板胶片，荧光屏51

气体电离室X射线光子电离高压气体电离雪崩电信号高压发生雪崩的阈值电场：E~106V/m52

正比计数器和G-M计数管两者都是以气体电离为基础的。每个X射线光子进入计数管产生一次电子雪崩，继而产生一个易于探测的电压脉冲。当电压一定时，正比计数器所产生的脉冲大小与被吸收的X射线光子的能量呈正比。如：吸收一个CuKα光子（hv=9000ev）产生一个1.0mV的电压脉冲。吸收一个MoKα光（hv=20000ev）产生一个2.2mV的电压脉冲；正比计数器的电压脉冲为mV量级。盖革计数器由盖革(Geiger)和弥勒(Mueller)发明，制造简单、价格便宜、使用方便；死时间长，仅能用于计数。53

闪烁探测器（NaI）闪烁探测器是利用射线在某些物质中产生的可见光来探测X射线的闪烁体光电倍增管(打拿极)反射层管座分压器高压多道或单道光阴极阳极荧光光子光电子暗盒窗前置放大器

优点：闪烁晶体(NaI)能吸收所有的入射光，吸收效率接近100％。缺点：本底脉冲过高，即使在没有X射线入射时仍会产生“无照明电流”的脉冲。54非晶硅（