第1章X射线的物理学基础2012

1、,第一章 X射线物理学基础,本章主要内容, 1-1 X射线的产生及其性质 1-2 X射线谱 1-3 X射线与物质相互作用 1-4 X射线的衰减规律及其应用 1-5 X射线的探测与防护, 1-1 X射线的产生及性质,X射线的本质 X射线和可见光一样，都显示波粒二象性，故两者的本质是相同的， 都会产生干涉、衍射、吸收和光电效应等现象，两者的主要差别于波长不同。 X射线是由高能量粒子轰击原子所产生的电磁辐射，电磁辐射的辐射能是由光子传输的，而光子所取的路径是由波动场引导。 X射线这种波、粒二象性，可随不同的实验条件表现出来。显示其波动性有：以光速直线传播、反射、折射、衍射、偏振和相干散射；显示其微粒

2、性有：光电吸收、非相干散射、气体电离和产生闪光等。,X射线的波长范围 X射线是一种波长较短的电磁辐射： 波长0.01 10nm；能量：124 keV - 0.124 keV 其短波段与射线长波段相重叠，其长波段则与真空紫外的短波段相重叠。,X射线的能量 量子理论将X射线看成由一种量子或光子组成的粒子流，每个光子具有的能量为： (依据X射线的波长即可计算出其能量),X射线的本质,习惯上，称波长短的X射线为硬X射线，波长长的X射线为软X射线。软、硬表示X射线穿透物质的能力。射线越硬，即其波长越短，则穿透物质的能力就越大。 用于结构分析和成分分析的一般为软X射线，用于医学透视的为硬X射线。 X射线波

3、长的度量单位常用埃（）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=10=10-9m 1kX=1.00207720.000053 (1973年值）,人们根据X射线的干涉和衍射现象，确定了X射线具有波动性。然而，波动理论对X射线的短波限、光电效应、荧光辐射和康谱顿散射等现象则无法解释。所以，波动性仅仅是X射线本性的一个方面。在大量科学实验的基础上，人们又认识到X射线本质的另一个方面粒子性。即X射线在空间传播时，也具有粒子性。,X射线的性质： 1）X射线能使照相底片感光； 2）X射线有很大的贯穿本领； 3）X射线能使某些物质的原子、分子电离； 4

4、）X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光； 5）X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质,综上所述，X射线和一切微观粒子（电子、中子、质子等）一样，都同时具有波动性及粒子性双重特性，简称波粒二象性。它的波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传播，反映了物质运动的连续性；它的粒子性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动能，反映了物质运动的分立性。 波粒二象性是X射线的客观属性，二者是相互补充的，在不同的实验条件下，它们有时波动性表现明显，有时粒子性表现明显。由于X射线波长短，频率高，光子能量相对来说比较大，因此它的粒子性比较明显。,此外，X射

5、线具有很强的穿透物质的能力，经电场和磁场时不发生偏转，当穿过物质时X射线可被偏振化、可被吸收而强度衰减，它能使空气或其他气体电离，能激发荧光效应，使照相底片感光，并能杀死生物细胞与组织等。 由于X射线具有上述一系列性质，使它成为研究晶体结构、进行元素分析、工业探伤和医疗透视等多种问题的有力工具。,迷人的X光片在X射线下，任何东西都会很美！,1-1-2 X射线的产生,大量实际所用X射线是由X射线管产生的，不论是探伤用X光机还是照相法用的X光机和X射线衍射仪，都包括：高压发生器（包括整流部分），控制线路、X射线管及探测记录系统。其中，X射线管和探测记录系统是X射线仪特有的。本节主要介绍X射线管，而

6、探测系统将在后面的章节里讨论。至于高压发生器和控制部分属于一般电气装置，可查阅有关电工书籍。,一、X射线管的种类,关于阴极射线管式发生器，自伦琴以来已有了很多发展，突出表现在X射线管的功率、光强上，因光强越强，灵敏度就越高，分辨率也越好，还可减少实验的时间。当然，在结构、材料等许多方面也有许多变化。从构造上来讲可分为两类，即密封式X射线管及旋转阳极式X射线管。 X射线管实际上就是一只特殊的高压二极真空管，其中有阴极和阳极，外有玻璃壳。按发生电子的方式来分，有： 1、热阴极X射线管； (1)密封式灯丝X射线管；(2)可拆式灯丝X射线管。 2、冷阴极X射线管,X射线管的种类,密封式X射线管实际上就

7、是一只特殊的高压二极真空管，其中有阴极和阳极，外有玻璃壳。按发生电子的方式来分，有： 1、热阴极X射线管； (1)密封式灯丝X射线管；(2)可拆式灯丝X射线管。 2、冷阴极X射线管,X射线管,二、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： (1)阴极：阴极是发射电子的地方。 (2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。,(3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。 (4)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。,X射线管的结构为：,精密陶瓷X射线管,近年来Philips公司推出了一种陶瓷管，其构造与前述封闭

8、管基本一样，只是用陶瓷代替了玻璃。,三、X射线光源的新发展,(1)旋转阳极X射线管：一般的X射线管，往往因受散热的限制，管功率不大，主要原因是功率过大，会造成阳极靶过热而烧熔。所以发展了一种旋转阳极的X射线管。其阳极靶是一个用金属作成的圆盘，利用电动机使阳极以每分钟数千转的速度旋转，这样使得靶面受电子束轰击的位置随时间改变，因此可以达到散热快的效果。其制造困难之处在于转动部分的真空密封问题。旋转阳极X射线管的功率可比固定阳极管的功率大数十倍。目前已有100KW的旋转阳极X射线管。,旋转阳极X射线管的关键技术是使阳极靶高速旋转（20006000转/min），这带来了如何密封真空和密封冷却水的问题

9、。 旋转阳极X射线管的另一特点是德国生产的阳极靶是由铜和钼两种材料混合制成的。故同时可以得到两种不同波长的X射线，可选择使用。 最流行的、操作管理比较方便的转靶X射线发生器的总功率已从6kW、12kW发展到现在的18kW。靶的直径一般小于100mm，比较轻，操作方便。,D/max2550VPC仪器外观,X射线衍射实验仪器 转靶机,X光管室 X光管室（内有Mo阳极，在高压作用下发射X射线） 热电偶列阵，测量温度。,旋转靶台,（2）同步辐射,什么是同步辐射 （SR-Synchrotron Radiation) ? * 同步辐射的特性 (宽光谱、高强度、高准直性、高偏振、快脉冲) * 同步辐射在微结

10、构研究中的应用,同步辐射光源的发展历史,电磁场理论早就预言：在真空中以光速运动的相对论带电粒子在二极磁场作用下偏转时，会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。1947年人类在电子同步加速器上首次观测到这种电磁波，并称其为同步辐射，后来又称为同步辐射光，并称产生和利用同步辐射光的科学装置为同步辐射光源或装置。,同步辐射光源的发展历史,30多年来，同步辐射光源已经历了三代的发展，它的主体是一台电子储存环。第一代同步辐射光源的电子储存环是为高能物理实验而设计的，只是“寄生”地利用从偏转磁铁引出的同步辐射光，故又称“兼用光源”；第二代同步辐射光源的电子储存环则是专门为使用同步辐射光而设计的，主要从偏

11、转磁铁引出同步辐射光；,同步辐射光源的发展历史,第三代同步辐射光源的电子储存环对电子束发射度和大量使用插入件进行了优化设计，使电子束发射度比第二代小得多，因此同步辐射光的亮度大大提高，并且从波荡器等插入件可引出高亮度、部分相干的准单色光。第三代同步辐射光源根据其光子能量覆盖区和电子储存环中电子束能量的不同，又可进一步细分为高能光源、中能光源和低能光源。凭借优良的光品质和不可替代的作用，第三代同步辐射光源已成为当今众多学科基础研究和高技术开发应用研究的最佳光源。,同步辐射光的特性,宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具有从远红外、可见光、紫外直到 X射线范围内的连续光谱，并且能根据使用者的需要获得

12、特定波长的光。 高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小，几乎是平行光束，堪与激光媲美。 高偏振：从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子轨道平面上是完全的线偏振光，此外，可以从特殊设计的插入件得到任意偏振状态的光。,同步辐射光的特性,高纯净：同步辐射光是在超高真空中产生的，不存在任何由杂质带来的污染，是非常纯净的光。 高亮度：同步辐射光源是高强度光源，有很高的辐射功率和功率密度，第三代同步辐射光源的 X射线亮度是 X光机的上千亿倍。 窄脉冲：同步辐射光是脉冲光，有优良的脉冲时间结构，其宽度在10-1110-8秒(几十皮秒至几十纳秒)之间可调，脉冲之间的间隔为几

13、十纳秒至微秒量级，这种特性对“变化过程”的研究非常有用，如化学反应过程、生命过程、材料结构变化过程和环境污染微观过程等。,同步辐射光的特性,可精确预知：同步辐射光的光子通量、角分布和能谱等均可精确计算，因此它可以作为辐射计量特别是真空紫外到 X射线波段计量的标准光源。 此外，同步辐射光还具有高度稳定性、高通量、微束径、准相干等独特而优异的性能。,已运行的SR装置 70 80多个 正在建设和计划中 20多个 关于世界各地同步辐射装置的状况详细信息可以从下列两个网站得到：http:/srs.dl.ac.uk/SRWORLD/index.html http: /www.ssrl-slac.stanf

14、/sr-sources.html （SR装置的水平是国家经济实力的标志）,同步辐射如此强大，以致被一些人认为是深刻影响人类生活的四大革命性光源之一。这四大革命性光源是： 1、1879年美国发明家爱迪生发明的电光源； 2、1895年德国科学家伦琴发现的X光； 3、20世纪60年代由美国和前苏联的一批科学家研制成的激光光源； 4、同步辐射，1998年美国的第三代高能同步辐射源（Advanced Photo Source，APS)的投入使用曾被美国“Science”杂志评为继克隆羊多利及“探路者”火星之旅以后的当年世界十大发明之第三，可见同步辐射的重要。,世界上主要的同步辐射装置,欧洲

15、：ESRF(6GeV)； 法国 （2个）; 英国（1个）; 德国 （5个）;俄罗斯（9个）,美国：APS(7Gev) 10个,日本：Spring 8 (8GeV) 7个,中国的同步辐射装置,北京 BSRF 第一代 1.5-2.8GeV 运行 合肥 NSRL 第二代 0.8 MeV 运行 新竹 SRRC 第三代 1.5GeV 运行 上海 SSRF 第三代 3.5GeV 运行 (GeV：千兆电子伏；MeV：兆电子伏）,其他：瑞典、瑞士、荷兰、乌克兰、亚美尼亚、韩国、印度、巴西等,世界上最大的同步辐射光源 Spring-8 (日本),台湾同步辐射研究中心 ( SRRC),实验大厅 (Hefei),北

16、京同步辐射实验室 (BSRF),上海同步辐射光源,投资12亿元的我国最大的科学装置“第三代同步辐射光源”在上海开工建设，这是我国继北京正负电子对撞机之后的又一个类似的大科学工程.“上海光源”即第三代同步辐射光源，是由中科院和上海市政府共同共建设的一项国家级科学大工程，因其落户上海故称为“上海光源”。该工程是我国目前投资最大的一项科学工程，总投资为12亿元人民币，其中国家安排投资4亿元，上海市和中科院各出资4亿元。光源建设地点在上海市张江高科技园区，预计建设周期52个月，于2009年建成。上海光源装置建成后，届时其规模将位居全球第四，设施水平将达到世界一流。,先进的第三代同步辐射光源,上海同步辐

17、射装置( Shanghai Synchrotron Radiation Facility，简称 SSRF)，是一台世界先进的中能第三代同步辐射光源。上海同步辐射装置的电子储存环电子束能量为3.5GeV(35亿电子伏特)，仅次于世界上仅有的三台高能光源(美、日、欧各一台)，居世界第四，超过其它所有的中能光源； X射线的亮度和通量被优化在用户最多的区域。,先进的第三代同步辐射光源,上海同步辐射装置是国家级大科学装置和多学科的实验平台，由全能量注入器、电子储存环、光束线和实验站组成。全能量注入器提供电子束并使其加速到所需能量，电子储存环储存电子束并提供同步辐射光，光束线对引出的同步辐射光进行传输、加

18、工，提供给实验站上的用户使用。,(一)提供电子束的全能量注入器,全能量注入器包括电子直线加速器、增强器和注入/引出系统，其作用是向电子储存环提供所需的电子束。电子枪产生的能量为10万电子伏特的电子束，先被约40米长的电子直线加速器加速到3亿电子伏特能量，然后被注入到周长约158米的增强器中，由增强器继续加速到35亿电子伏特，再经过注入/引出系统注入到电子储存环。这种把电子束加速到了电子储存环运行能量的注入器叫全能量注入器。整个注入过程必须通过一套专门设计的时序控制系统来“精确指挥”。,(二)产生同步辐射光的电子储存环,电子储存环是一个周长为396米的闭合环形高科技装置，相当于一个学校400米环

19、形跑道的操场，用来储存35亿电子伏特高能电子束。电子储存环是同步辐射光源的主体与核心，其性能直接决定了同步辐射光源性能的优劣。它由真空度为10-9乇的超高真空室、高精度磁铁系统、高频加速腔、高灵敏的束流探测仪器和控制系统等组成。高精度磁铁系统是储存环的主要部件，包括40台二极偏转磁铁、200台四极聚焦磁铁和140台六极色品磁铁。根据设计要求，这些磁铁按特定顺序沿环排列，形成一个呈20周期的消色散磁聚焦结构，每周期含有一段7米或5米长的直线段。为保证向用户提供在空间位置上高度稳定的同步辐射光，电子束轨道的稳定需要被控制在微米量级.,(三)光束线“桥梁”,光束线沿着电子储存环的外侧分布，它是用户实

20、验站与电子储存环之间的“桥梁”，对从电子储存环引出的同步辐射光，按用户要求进行再加工，如分光、准直、聚焦等，并输送到用户实验站。它包括安装在真空管道内的一系列精密光学系统，涉及的主要光学元件有准直狭缝、聚焦镜、单色仪(光栅或晶体)和反射镜等，这些特殊的现代光学器件对材料、工艺、精度、控制和冷却等都有十分苛刻的要求。此外它还有快速真空阀和辐射防护闸以实施真空和辐射安全的连锁保护 .,(四)探索自然奥秘的实验站,实验站是科学家和工程师利用同步辐射光揭开科学秘密、开发高新技术产品的综合科技平台。在这里同步辐射光被“照射”到各种各样的实验样品上，同时科学仪器纪录下实验样品的各种反应信息或变化，经高速计

21、算机处理后变成一系列反映自然奥秘的曲线或图像。,上海同步辐射光源的特性,上海同步辐射光源除了具有第三代同步辐射光源共同的特性之外，还具有：(1)高效性：总共将建设近50条光束线和上百个实验站，所有这些实验站都是为准确探测同步辐射光与实验样品的各种相互作用而精心设计的。首批拟建的7条光束线、实验站和4个后备实验站已于1999年底通过了国内外的专家评审，它们是：硬 X射线生物大分子晶体学、硬 X射线吸收精细结构( X AFS)、硬 X射线高分辨衍射与散射、硬 X射线微聚焦及应用、医学应用、软 X射线相干显微学、 L IGA及光刻，以及红外等后备实验站。,上海同步辐射光源的特性,今后，上海同步辐射光

22、源将陆续向广大用户提供扫描光电子能谱、扫描透射 X射线显微、 X射线荧光显微、 X射线非弹性散射等实验站。向用户的供光机时将超过5000小时/年，每天可容纳几百名来自海内外不同学科领域或公司企业的科学家/工程师，日以继夜地在各自的实验站上同时使用同步辐射光。(2)灵活性：上海同步辐射光源可运行于单束团、多束团、高通量、高亮度和窄脉冲等多种模式，可依据用户需求快速变换运行模式，以满足用户的多种需求。(3)前瞻性：上海同步辐射光源的科学寿命至少30年，电子直线加速器同时用于发展深紫外区高增益自由电子激光。,广阔的应用前景,利用上海同步辐射光源的高亮度、短波长的同步辐射光在空间分辨上的优势，将可以进

23、行许多前沿学科的探索。生物学家依托同步辐射光，能获得生物大分子的三维结构，进而研究其结构与功能之间的关系；而通过对病毒外壳蛋白、癌症基因及其表达物等病原三维结构的详细了解，有望设计出能与该病原特异结合的药物小分子，以阻断病原对细胞的感染，或抑制其致病的功能，这就是基于分子结构的药物设计新概念。材料科学家利用同步辐射光，可以清楚地揭示出材料中原子的精确构造和有价值的电磁结构参数等信息，它们既是理解材料性能的“钥匙”，也是设计新颖材料的原理来源，所以材料科学家和他们所服务的企业成了第三代同步辐射光源的大用户。,广阔的应用前景,利用上海同步辐射光源的高亮度、窄脉冲的同步辐射光在时间分辨上的优势，将可

24、以实现在分子水平上直接观察生命现象和物质运动过程。对于生命科学来说，静态地了解生物大分子或生物体的结构只是第一层次的研究，生物大分子或生物体结构变化的实时观察则是更高层次的研究。上海同步辐射光源为这一类动态过程的研究开启了大门，预计在不远的将来，人们将有可能像看电影那样直接观察生物大分子之间相互作用的精细过程，生命科学的研究将进入一个崭新的天地。,对于材料科学来说，上海同步辐射光源将可以使我国材料科学家获得发生在原子水平的材料形成过程的动态图像，这些过程包括生长机制、相变过程、固态作用、裂缝扩散、高分子聚合物硬变、交界面过程和其他与时间相关的过程，它们是发明优秀新材料不可或缺的“源头信息”。而

25、对于作为同步辐射光源的基本用户的化学科学来说，上海同步辐射光源将是我国化学科学跻身世界前列的必不可少的现代工具，将使我国化学科学家可以直接观测小至1立方微米的化学样品在化学反应期间原子的重新排列和位置，跟踪发生在快于10-9秒(十亿分之一秒)的化学过程，在最基础的水平上掌握形成新化学产品的整个过程。,利用上海同步辐射光源的高亮度、能量可选的同步辐射光，将大大提高对生命体内结构与形态的观察精度。通过同步辐射 X光显微成像和断层扫描成像技术能够直接获取活细胞结构图像。基于上海同步辐射光源强度高、能量可选的 X射线，发展起来的“双色减影心血管造影”新技术，可以为心血管病的早期诊断提供安全、快速、高清

26、晰的诊断方法。最近，利用第三代同步辐射 X光源射线横向相干性好的特性，发展了 X射线相位反衬成像技术，能够清晰地拍摄出吸收反衬很弱的软组织如血管、神经等的照片，有望发展出不需要造影剂的“心血管造影术”。,利用上海同步辐射光源在空间分辨、时间分辨上的优势，将大大促进和加快我国的蛋白质结构基因组学研究。目前，人类基因组测序已完成，但这只是生命科学进入新时代的开端。因为要从根本上掌握生命现象基本规律，必须了解基因载体蛋白质分子的三维结构，破解其结构与功能的关系。测定蛋白质分子三维结构的最有效的手段是 X射线蛋白质晶体衍射。由于蛋白质晶体体积小(几十个微米)，且分子数目少，要求所用的 X射线光具有高亮

27、度。如用 X光机束测一套蛋白质晶体衍射数据的话，需要几十个小时；用二代光源，需要几十分钟；用第三代光源则只要几秒钟。另外，同步光源还具有短脉冲(小于100皮秒)时间结构，为实时观测生物分子结构动态变化过程提供了可能性，将把生命科学研究带入一个崭新的时代。,同步辐射光源已经成为材料科学、生命科学、环境科学、物理学、化学、医药学、地质学等学科领域的基础和应用研究的一种最先进的、不可替代的工具，并且在电子工业、医药工业、石油工业、化学工业、生物工程和微细加工工业等方面具有重要而广泛的应用。上海同步辐射光源将成为我国迎接知识经济时代、创立国家知识创新体系的必不可少的国家级大科学装置。,同步辐射较之常规

28、光源有许多优点。它在科学、技术、医学等众多方面解决了一批常规实验室无法解决的问题，做出了重大贡献。同步辐射装置是一个庞然大物，小的有一个礼堂大，大的要比足球场还大许多。美国斯坦福大学的50GeV的电子直线加速器长达3.2Km（正在建设）。要建造这样一个装置，投资是很大的。,北京同步辐射装置（BSRF） 简史,1983. 6 批准BEPC 规划 1984. 6 批准BEPC 同步辐射规划 1985. 6 同步辐射实验室成立 1986. 12 开始光束线设计 1987. 3 开始加工前端区部件 . 11 安装前端区 1988. 7 在前端区窗口第一次观察到同步光 1989. 1 安装第一个插入件

29、4W1 .4 开始装4W1A (形貌学)、4W1B (EXAFS)、 4B9A(衍射)、及4B9B(光电子能谱) 束线 .11 形貌学线站安装完毕 1990.5 成功进行第一个晶体样品形貌学同步辐射实验,90年代初的12大厅,90年代初的13大厅,90年代后期，12实验厅建设新束线 包括7条光束线，用于形貌学、X射线荧光分析、高压衍射实验、X射线衍射、X射线小角散射、光电子谱、XAFS、漫散射实验研究。,90年代后期，13厅建造新束线,引出窗口 7 插入件 4 光束线 13 增加: 生物大分子、高压、真空紫外 LIGA、荧光分析、软X光应用 中能束线、 X光漫散射 实验站 13,2003 年的

30、BSRF,BEPC,4w1,漫散射,XAFS,X-射线成像,4B9,衍射和小角散射,光电子能谱,3B1,光刻,VUV,3W1,软X射线光学,4W1B,4W1A,4B9B,4B9A,3B1B,3B1A,3W1A,3W1B,1W1,荧光分析,4W2,生物大分子,高压,3B3,中能束线,LIGA,13条光束线 13个实验站,Beam Line,Station,生物大分子晶体学实验站（2003）,2003年6月开始运行,同步辐射装置是一个服务于多个学科的实验技术平台，是科技前沿研究不可或缺的先进手段。 (基础研究、应用研究、技术开发） 同步辐射是一个用户装置 同步辐射装置是一个特殊模式的大科学设施，不

31、断在发展。,研究领域,每年为用户提供专用机时2000小时左右，部分光束线可以兼用运行 每年要为60多个科研单位的200多个课题提供服务 课题主要来自863、973、国家和部门的重大科技计划、自然科学基金等,SARS病毒主蛋白酶（ SARS-CoV Mpro）晶体结构,SARS-CoV Mpro与抑制剂复合物,抑制剂电子密度,抑制剂在酶表面的结合情况,LHC-II是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物，这种复杂的分子体系镶嵌在生物膜中，具有很强的疏水性，难以分离和结晶。对其晶体结构的测定是国际公认的高难课题，也是一个国家结构生物学研究水平的重要标志。03年利用北京同步辐射实验室生物大分子晶体学线

32、站获得了该晶体的高分辨率衍射数据，最终获得2.72分辨率的晶体结构。,(3)脉冲X射线发生器,这是60年代发展起来的新型X射线管，它是一种高压电脉冲下形成的脉冲X射线，它的脉冲速度非常快(仅几十毫微秒)例如，X射线管在80KV高压下产生的电流达10002000A，这种管子可以进行快速闪光衍射照相，对于研究生物，相变及其他动态瞬时的过程极为有利,这种管子的主要元件是一个低阻耗的电容，使它充电后，在瞬时经过射线管放电，从而得到瞬时超强电流用这种管子研究相变过程时，技术上的困难是闪光要和相变过程同步，要求在毫微秒数量级上相对应，故需要计算机控制,（）细聚焦,常用的密封式和可折式热阴极射线管中，虽然采

33、用了一些聚焦阴极射线束的措施，但所得焦点的线度仍为几毫米而在进行结构分析时，为了提高分辨本领及精确度，通常利用线度为十分之几毫米的光阑来限制原入射线束，因而所利用的只是其中一小部分，大部分辐射均浪费掉,更主要的是由于焦点面积大，焦点上最大的比功率（单位面积上的功率）只能达到50200瓦/2，故需要很长的摄照时间（几小时至几十小时），效率很底 当缩小焦点的线度时，焦点的比功率可以显著提高，这是因为当焦点缩小时，热传导的条件大为改善的缘故细聚焦射线管就是采用一套极好的静电透镜或电磁透镜，使电子束高度聚焦，焦点尺寸为几微米到几十微米，比功率可提高到10千瓦/2，应当指出，随着焦点的缩小，必须减小管电

34、流强度，才不致于烧熔化阳极靶,故细聚焦射线管的功率比普通射线管的功率低（只有几十瓦），所提高的是比功率，但是比功率决定辐射的强度，从而决定衍射线强度所以使用细聚焦管，暴光时间可以大大缩短此外，小焦点的重要作用还在于可以产生细的衍射线条，这不仅有助于提高分辨率，而且还可进行一些特殊的精细结构分析,(5)离子轰击法,很早以前，人们就发现用高速运动的离子轰击靶面也能产生标识射线，但是很少应用。这是因为离子和电子相比，每一次碰撞产生的标识射线光子数目很少。但是近年来，人们发现离子射线谱中基本上不存在连续谱，从而使谱线的峰情景比提高了两个数量级，所以这种谱线可以用于射线光谱分析，并且在探针分析中它只要求

35、较小的样品尺寸，这是由于由于一个适当能量的离子只能进入固态样品几百埃的深度，所以利用这种探针可以探测不同深度表层内的成分变化，所以，这种谱线在射线光谱分析中有很大的前途。,上述这些射线新光源的发展，除了可以实现衍射花样及衍射象的高速拍摄，实时观察及样品的动态研究方面外，他们还被广泛利用在射线印刷术、软射线谱学及射线天文学方面的研究，为开拓新的研究领域创造了有利条件。, 1-2X射线谱,射线的强度随波长而变化的关系曲线称之为射线谱。由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：其一是含有从某一短波限开始，直到波长等于无穷大的一系列波长所构成的连续X射线谱，它和可见光的白光相似，故也称白色射线。另一

36、种是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，构成标识（特征）X射线，它和可见光中的单色光相似，故也可称为单色射线。,X射线的产生,X射线是由高能量粒子（电子）轰击原子所产生的电磁辐射，包括： 连续谱(或韧致辐射) 特征X射线,1-2-1、连续X射线谱,连续X射线是高速运动的电子被阳极靶突然减速而产生的。,产生机理； 演示过程； 短波限； X射线的强度。,各种不同条件下X射线谱,实验规律： 1、当管压一定时，不同管流i下的短波限相同，且连续谱之强度与管流成正比（图a）。 2、当逐步增加X射线管的管压时，各波长的相对强度一致增高；最高强度的射线对应的波长逐渐变短（曲线峰位向左移动）；有一短波

37、限0存在，且0逐渐变小，即向左方向移动，与此同时波谱变宽（图b）。 3、当管压一定时，不同原子序数Z的靶之短波限0相同，且连续谱之强度正比于原子序数（图c）。 由上述的实验规律表明，管压既影响连续X射线谱的强度，也影响其波长范围，而管流和原子序数不影响短波限0 ，短波限0仅与管压有关。,二、产生机理,要解释连续X射线谱产生的原因，需要同时应用经典物理学及量子理论的知识。 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的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相

38、同的辐射，因此出现连续X射线谱。,可是，经典理论无法解释这种连续X射线谱为什么会有一个短波限存在（因为根据上述理论，连续X射线谱的波长应当是由零一直到无穷大），而应用量子理论便可得到很简单的说明。 量子理论认为，当能量为eV的电子与阳极靶的原子相碰撞时，电子失去自己的能量，其动能的一部分转化为一个或几个X射线光子，其余部分将转变为热能，在与阳极相碰撞的众多电子中，总有一些电子是通过一次碰撞把其动能毫无损失地全部转化为X射线光子的能量。此时一个光子的能量为：,即所产生的光子达到了最高的能量，最短的波长和最大的频率。 由上式可得出，在一定管压V时，连续X射线的短波限0=min。 式中e电子电荷，等

39、于 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,上式清楚地表明，每个管电压值对应一定的短波限，并且短波限只与管电压有关，与管电流i和靶的原子序数Z无关，所得理论结果与实验规律完全符合。 (上式中波长用，管压用KV表示 ),例 题,设X射线管的工作电压为80kV，试计算X光子的最大能量和最短波长？,三、X射线的强度,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.s. X射线的强度I是由光子能量h和它的数目n两个因素决定的,即I=nh.正由于此,所以连续X射线强度最大值并不在光子能量最大的0处,而是在大约

40、1.50的地方.,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，也就是阳极靶发射出的X射线总能量，有 实验证明，它与管流i，管压V，阳极靶的光子序数Z存在如下关系： 式中K1和m都是常数，m2，K11.11.510-6/伏。应当指出，阳极靶又能影响连续谱的强度，而不影响连续谱波长的分布。,若输入X射线管的功率，即电子流给予阳极的能量为iv，则产生连续X射线的效率或称X射线管的效率为: 例如，钨靶Z=74，当管电压为100KV时，X射线管的效率1%。,四、效率,由于管中电子的能量绝大部分在和阳极靶撞击时生成热能而损失，只有极小部分输入的能量转化为X射线能量、故效率极低。因此，必须采用高熔

41、点的钨(3410)，钼(2610 )或导热性能良好的银，铜等金属作阳极，并加高效水冷以尽可能提高管电压来获得较高效率与较强的X射线。,1-2-2、标识（特征）X射线谱,标识X射线谱是在连续谱的基础上产生的。如果当管电压超过某一临界值V激后（例如钼靶超过20千伏），强度分布曲线I（）将产生显著的变化，即在连续谱的基础上产生波长一定的谱线，构成标识X射线谱。若继续增加管电压时，标识谱之波长不变，只是强度相应地增加。,右图是钼靶K系标识X射线谱，它有两个强度高峰，分别位于波长0.71和0.63处，前者称为K辐射，后者称为K辐射。,从原子物理学知道，原子内的电子按照鲍林不相容原理和能量最低原理分布在各

42、个能级上（电子轨道），用记号K、L、M、N表示。K层最靠近原子核，能量最低，稳定性最强。 当外来电子将 K层 的一个电子击出后，这时原子就处于高能的不稳定状态(激发态)，必然自发地向稳定态过渡。此时位于较外层较高能量的 L层 电子可以跃迁到K层。,在跃迁的过程中，前后存在能量差异，其差异即等于 K层 与 L层 的能级差， E EL-EK h 该差值能量将以X射线的形式放射出去。 放射出的X射线的波长 h/E 必然是仅取决于原子序数。 这种由LK的跃迁产生的X射线我们称为K辐射， MK为K辐射， NK为 K辐射。不过离原子核越远的轨道产生跃迁的几率越小。 我们把这种K、K、及K等辐射称之为特征谱

43、。,在由LK跃迁产生K辐射时，由于原子核的L电子层有三个亚层，三个亚层之间有微小的能量差异。能发生电子跃迁的是第二和第三亚层。 E EL-EK h hc/ 所产生的K射线就分为K1和K2。其中K1的强度是K2的两倍。前者的波长比后者稍微短一点。 比如Cu ， K1 1.5405 K2 1.5443 另外其射线 K 1.3921,通常情况下，在特征谱中，K1、K2、K的强度分布如下： IK1：IK22：1， IK： IK=5：1 由于 K1、K2的波长很接近，所以在很多情况下，都是按二者的加权平均值作为K射线的波长，计算方法如下： K = （2K1 +K2 ）3 至于K射线，因其波长差异较大，必

44、须设法去掉和消弱其强度。,二、产生机理,标识X射线谱的产生机理可以用原子物理中玻尔模型来解释，或用能级间电子跃迁来说明。按玻尔模型电子分布于K、L、M、N等（见下图），K层能级最低，离核最近，其他层依次增加，而每一层的电子都有一定限额。,假定K层被激发后由L层跃迁来一个电子填充，其降低的能量L-K将以一个X射线光子的形式辐射出来，辐射的频率由原子的能级差决定： 上式就是由L层K层所产生的K射线的波长表示式，同理由M K层的称为K射线等等，这就构成了K系标识谱。,常用X光管适宜工作电压,在任何元素的K线系中，最强的谱线是1 和2他们是从L和L跃迁到K产生的。 而K，它是M K所产生的结果，线比起

45、线来强度要弱得多，由上表和下图可知：,为什么K线比K波长短而强度低？ 由于K层和M层上电子的能量差比K层和L层上电子的能量差大，因而电子由M层跃迁到K层时所产生的K线的波长较之电子由La层跃迁到K层时所产生的K线的波长短。 K线的强度只有K1的1/5，是因为电子由L层跃迁到K层的几率比由M层跃迁到K层的几率大5倍的缘故，使得产生的K线的光子数目小5倍左右，而光子数目是正比于X射强度的。 严格地讲，属于同一层上的各个电子，其能量并不完全相同，即同一能级层上还有其精细结构，能量差固定，就产生谱线的双重线现象，所以K线还有K1与K2之分。,产生K系激发要阴极电子的能量eVk至少等于击出一个K层电子所

46、作的功Wk。Vk就是激发电压。 eVk= Wk 。 标识谱的强度I标，它随管电压的增加而增大，对某一条K谱线来说，其强度为： K2为常数，n值约等于1.5，Vk为激发电压。 V/Vk=35倍时IK/I连最大. 对于常用的几种靶的工作电压见书P18。,问题：为什么特征X射线的产生存在一个临界激发电压？X射线管的工作电压与其靶材的临界激发电压有什么关系？为什么？,答：要使内层电子受激发，必须给予施加大于或等于其结合能的能量，才能使其脱离轨道，从而产生特征X射线，而要施加的最低能量，就存在一个临界激发电压。X射线管的工作电压一般是其靶材的临界激发电压的3-5倍，这时特征X射线对连续X射线比例最大，背

47、底较低。,三莫塞莱定律,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：,莫塞莱利用上述规律，并用实验测出的X 射线标识谱线的频率来确定元素在周期表上排列的序号Z,发现只在 Co-Ni,Ar-K,Te-I等相邻元素处与原来按原子量大小排列的次序不符。改动后能使周期表上元素的化学、物理性质的周期性规律更符合实际。因此莫塞莱把按 X射线谱排列的序号称为原子序数，认为这正是元素原子核所带的正电荷数，也是决定元素化学、物理性质的最主要因素。,莫塞莱两大贡献是：通过莫塞莱定律将原子序数和特征X射线频率的关系，

48、推导出了多个未知元素的原子序数，所以，“原子序数缔造者”的称号，莫塞莱是永远当之无愧的。 另一重大贡献是将X射线谱同玻尔的光谱理论联系起来，成为X射线光谱分析的基本依据。,莫塞莱的研究成果对元素周期律的发展起了重要的作用。它不仅使元素周期律有了更科学的基础，并且消除了门捷列夫周期表中某些元素与元素周期律相违背的现象。如氩和钾、钴和镍、蹄与碘三对元素的排列并不按照门捷列夫周期表随原子量增大的顺序而依次排列。莫塞莱的工作还确定了从氢到铀之间的原子总数，并给人们提供了一种识别新元素的方法X射线分析法。莫塞莱定律为X射线光谱分析奠定了基础，表明X射线的特征谱是在定性分析中最可靠的方法之一。,亨利莫塞莱

49、,亨利莫塞莱Henry Gwyn Jeffreys Moseley (* 1887年11月23日生于英格兰的Weymouth; 1915年8月10日卒于土耳其的格利博卢 , 英国物理学家，原子序数的发现者。 1906年莫塞莱进入牛津大学的三一学院（Trinity College (Oxford)）。毕业后与欧内斯特卢瑟福共同工作于曼彻斯特大学。第一年他主要致力于教学工作，几年后完成教学任务的莫塞莱全力投身于科研。,1913年莫塞莱在研究元素的X-射线标识谱时发现，以不同元素材料作为产生X-射线的靶实验时，所产生的特征X-射线的波长不同。他把测得五十多个元素所产生的特征X-射线按波长排列后，发现

50、其次序与元素周期表中的次序一致，他称这个次序为原子序数，原子序数就是原子核的正电荷数，认为元素性质是其原子序数的周期函数，证明了元素的主要特性由其原子序数决定，而不是由原子量决定，确立了原子序数与原子核电荷之间的关系。关于原子序数的发现被称为莫塞莱定律。,这时爆发了第一次世界大战，莫塞莱立即应征入伍，当上了工程兵中尉。当时的人们还很不理解科学对人类社会的重要性，因此不认为有什么理由不让莫塞莱与千百万其他军人一样去战场出生入死。卢瑟福曾设法争取派莫塞莱从事科学工作，但没有成功。1915年6月13日，莫塞莱乘船开赴土耳其，两个月之后在格利博卢阵亡，为一场无足轻重而稀里糊涂的战役送了命。他的死并没有

51、带给英国和全世界任何好处（如果硬要找的话，倒也有一点，就是他把自己的财产遗赠给英国皇家学会）。从他已取得的成就来看（他死时才二十七岁），在战争所杀害的无数人当中，要数他的死给人类造厉的损失最大。 如果莫塞莱能活下来的话，无论科学的发展多么难以逆料，他会获得诺贝尔物理学奖这一点则是可以肯定的。西格班继承了莫塞莱的研究工作，并获得了诺贝尔奖。, 1-3 X射线与物质相互作用,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。,X射线的散射 ； X射线的吸收 ； X射线的衰减规律；

52、 吸收限的应用； X射线的折射； 总结 。,1-3-1 X射线的散射,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。,一、相干散射,物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。又由于经典电动力学理论可很好地解释这种电子散射现象及其定量关系，因而又称为经典散射，相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的理论基础。 实际上，相干散射并不损失射线的能量，而只是改变了它的传播方向，但对入射线方向来说，却起到了强度衰减的作用。,相干散射的强度,由一个电子所引起的散射X射线强度

53、： 其中Ie为在与入射线成2方向，与电子相距R的一点，由一个电子所引起的散射X射线强度，这是非偏振X光的汤姆逊散射公式。,称作偏振因数（或偏振因子），它表明一束非偏振的X射线经电子散射后，散射线部分地被偏振化了，偏振化的程度取决于散射角2的大小，入射线被一个电子散射的强度是弱的，如果偏振因数为3/4，则在R=1cm处，一个电子的散射强度一般是入射光强度的610-26倍，而在R=1A处，却只为入射光的610-10倍。,上述理论计算，也可适用于重粒子（如质子等，mp1840me）则相应的散射强度也只有电子的1/18402倍，因此，忽略原子核对X光散射是合理的。 Thomson公式在X射线结构分析中

54、有着重要的意义，因为任一物体的散射因子就定义为相当于按Thomson公式来散射的电子数，即以一个电子对X射线的散射强度作为一个自然单位。 还须指出：上式仅适用于入射X射线为非偏振光的情况，经过单色器后的X射线，因已有部分偏振化，上述偏振因素不适用，有关偏振因素的修正，将在后面有关章节介绍。,二、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。 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

55、。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。,康普顿,Arthur Holy Compton 18921962 美国人 1927 获得诺贝尔物理学奖,生平,1892年9月10日生于俄州伍斯特。1913年在伍斯特学院以最优异的成绩毕业并成为普林斯顿大学的研究生，1914年获硕士学位，1916年获博士学位，后在明尼苏达大学任教。1920年起任圣路易斯华盛顿大学物理系主任，1923年起任芝加哥大学物理系教授，1945年返回华盛顿大学任校长，1953年起改任自然科学史教授，直到1961年退休。,康普顿效应是近代物理学的一大发现，它进一步证实了爱因斯坦的光子理论，揭示出光的二象性，从而导

56、致了近代量子物理学的诞生和发展；另一方面康普顿效应也阐明了电磁辐射与物质相互作用的基本规律。因此，无论从理论或实验上，它都具有极其深远的意义,康普顿实验指出,散射光中除了和入射光波长相同的射线之外，还出现一种波长大于的新的射线。,改变波长的散射,康普顿散射,康普顿效应,我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还发现：,原子量小的物质康普顿散射较强，原子量大的物质康普顿散射较弱；,当散射角增加时，波长改变也随着增加；在同一散射角下，所有散射物质的波长改变都相同。,吴有训，1897年4月2日出生，江西高安人。物理学家。1920年毕业于南京高等师范学校。1921年在美国芝加哥大学留学，1926年获美国

57、芝加哥大学物理学博士学位，后任该大学物理研究室助手和讲师。与康普顿合作对康普顿效应进行系统研究。1924年与康普顿一起发表论文钼的Ka射线被轻元素散射的波长，1925年与康普顿、比尔登共同研究了密封在盒子中的散射X射线光谱效应的实验，同时他独立地研究了X射线被反冲电子散射的强度。1930年在英国自然杂志发表论文经单原子气体全散射的X射线的强度，这是中国物理学家在国内的研究成果载于国外科学学报的第一篇文章。,他的关于X射线在多原子气体中散射的研究，在理论上发展了康普顿的X射线散射效应。1934年任清华大学物理系主任，继续从事X射线对多原子气体的散射的研究。1948年选聘为中央研究院院士。中国科学

58、院研究员、副院长，中国物理学会理事长。主要从事近代物理学特别是X射线散射光谱方面的研究工作，是中国开展近代物理学实验研究的先驱者之一。1950年任中国科学院副院长。1955年选聘为中国科学院院士（学部委员）。1977年11月30日去世。,经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难,根据经典电磁波理论，当电磁波通过散射物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。,无法解释波长改变和散射角的关系。,光子理论对康普顿效应的解释,光子理论认为康普顿效应是高能光子和低能自由电子作弹性碰撞的结果，具体解释如下：,若光子和散射物外层电子（相当于自由电子）相碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少，因此波长变长，频率变低。,若光子和被原子核束缚很紧的内层电子相碰撞时，就相当于和整个原子相碰撞，由于光子质量远小于原子质量，碰撞过程中光子传递给原子的能量很少， 碰撞前后光子能量几乎不变，故在散射光中仍然保留有波长0的成分。,