章節(jié)X射線物理基礎(chǔ)市公開課金獎市賽課一等獎?wù)n件

第一章X射線物理基礎(chǔ)偉大物理學(xué)家,X射線創(chuàng)造者------倫琴第1頁第1頁緒.1895年德國物理學(xué)家---“倫琴”發(fā)覺X射線.1895-1897年倫琴弄清楚了X射線產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分性質(zhì).19倫琴獲諾貝爾獎.19勞埃進(jìn)行了晶體X射線衍射試驗(yàn)第2頁第2頁X射線最早應(yīng)用在X射線發(fā)覺后幾種月醫(yī)生就用它來為病人服務(wù)右圖是紀(jì)念倫琴發(fā)覺X射線100周年發(fā)行紀(jì)念封第3頁第3頁X射線性質(zhì)

人肉眼看不見X射線，但X射線能使氣體電離，使照相底片感光，能穿過不透明物體，還能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光。X射線呈直線傳播，在電場和磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)穿過物體時(shí)僅部分被散射。X射線對動物有機(jī)體（其中包括對人體）能產(chǎn)生巨大生理上影響，能殺傷生物細(xì)胞。第4頁第4頁X射線本質(zhì)

X射線也是電磁波一個(gè)，波長在10－8cm左右第5頁第5頁X射線含有波粒二相性X射線強(qiáng)度是衍射波振幅平方（），也是單位時(shí)間內(nèi)通過單位截面光量子數(shù)目。第6頁第6頁1-3X射線產(chǎn)生及X射線管X射線產(chǎn)生：X射線是高速運(yùn)動粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中內(nèi)層電子互相作用而產(chǎn)生。第7頁第7頁X射線管結(jié)構(gòu)為：第8頁第8頁X射線管（1）陰極——發(fā)射電子。普通由鎢絲制成，通電加熱后釋放出熱輻射電子。（2）

陽極——靶，使電子忽然減速并發(fā)出X射線。（3）

窗口——X射線出射通道。既能讓X射線出射，又能使管密封。窗口材料用金屬鈹或硼酸鈹鋰構(gòu)成林德曼玻璃。窗口與靶面常成3-6°斜角，以減少靶面對出射X射線阻礙。第9頁第9頁X射線管（4）

高速電子轉(zhuǎn)換成X射線效率只有1%，其余99%都作為熱而散發(fā)了。因此靶材料要導(dǎo)熱性能好，慣用黃銅或紫銅制作，還需要循環(huán)水冷卻。因此X射線管功率有限，大功率需要用旋轉(zhuǎn)陽極

（5）

焦點(diǎn)——陽極靶表面被電子轟擊一塊面積，X射線就是從這塊面積上發(fā)射出來。焦點(diǎn)尺寸和形狀是X射線管主要特性之一。焦點(diǎn)形狀取決于燈絲形狀，螺形燈絲產(chǎn)生長方形焦點(diǎn)

X射線衍射工作中希望細(xì)焦點(diǎn)和高強(qiáng)度；細(xì)焦點(diǎn)可提升分辨率；高強(qiáng)度則可縮短暴光時(shí)間

第10頁第10頁旋轉(zhuǎn)陽極

上述慣用X射線管功率為500～3000W。當(dāng)前尚有旋轉(zhuǎn)陽極X射線管、細(xì)聚焦X射線管和閃光X射線管。因陽極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束轟擊部位不斷改變，故提升功率也不會燒熔靶面。當(dāng)前有100kW旋轉(zhuǎn)陽極，其功率比普通X射線管大數(shù)十倍。

第11頁第11頁旋轉(zhuǎn)陽極第12頁第12頁加速器中能夠引出X射線第13頁第13頁加速器中能夠引出X射線

第14頁第14頁加速器中能夠引出X射線第15頁第15頁加速器中能夠引出X射線第16頁第16頁X射線譜--------

連續(xù)X射線譜X射線強(qiáng)度與波長關(guān)系曲線，稱之X射線譜。在管壓很低時(shí)，小于20kv曲線是連續(xù)改變，故稱之連續(xù)X射線譜，即連續(xù)譜。第17頁第17頁對連續(xù)X射線譜解釋1依據(jù)典型物理學(xué)理論，一個(gè)帶負(fù)電荷電子作加速運(yùn)動時(shí)，電子周圍電磁場將發(fā)生急劇改變，此時(shí)必定要產(chǎn)生一個(gè)電磁波，或至少一個(gè)電磁脈沖。由于極大數(shù)量電子射到陽極上時(shí)間和條件不也許相同，因而得到電磁波將含有連續(xù)各種波長，形成連續(xù)X射線譜。

第18頁第18頁對連續(xù)X射線譜解釋2量子力學(xué)概念，當(dāng)能量為ev電子與靶原子整體碰撞時(shí)，電子失去自己能量，其中一部分以光子形式輻射出去，每碰撞一次，產(chǎn)生一個(gè)能量為hv光子，即“韌致輻射”。大量電子在抵達(dá)靶面時(shí)間、條件均不同，而且還有多次碰撞，因而產(chǎn)生不同能量不同強(qiáng)度光子序列，即形成連續(xù)譜。極限情況下，能量為ev電子在碰撞中一下子把能量全部轉(zhuǎn)給光子，那么該光子取得最高能量和含有最短波長，即短波限λ0。都有一個(gè)最短波長，稱之短波限λ0，強(qiáng)度最大值在λ01.5倍處。eV=hvmax=hc/λ0λ0=1.24/V（nm）第19頁第19頁X射線管效率

X射線管效率η，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X射線百分?jǐn)?shù)，即伴隨原子序數(shù)Z增長，X射線管效率提升，但即使用原子序數(shù)大鎢靶，在管壓高達(dá)100kv情況下，X射線管效率也僅有1﹪左右，99％能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

第20頁第20頁X射線譜--------

特性X射線譜當(dāng)管電壓超出某臨界值時(shí)，特性譜才會出現(xiàn)，該臨界電壓稱激發(fā)電壓。當(dāng)管電壓增長時(shí)，連續(xù)譜和特性譜強(qiáng)度都增長，而特性譜相應(yīng)波長保持不變。鉬靶X射線管當(dāng)管電壓等于或高于20KV時(shí)，則除連續(xù)X射線譜外，位于一定波長處還疊加有少數(shù)強(qiáng)譜線，它們即特性X射線譜。鉬靶X射線管在35KV電壓下譜線，其特性x射線分別位于0.63?和0.71?處，后者強(qiáng)度約為前者強(qiáng)度五倍。這兩條譜線稱鉬K系

第21頁第21頁特性X射線產(chǎn)生機(jī)理特性X射線產(chǎn)生機(jī)理與靶物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)相關(guān)。原子殼層按其能量大小分為數(shù)層，通慣用K、L、M、N等字母代表它們名稱。但當(dāng)管電壓達(dá)到或超出某一臨界值時(shí)，則陰極發(fā)出電子在電場加速下，能夠?qū)形镔|(zhì)原子深層電子擊到能量較高外部殼層或擊出原子外，使原子電離。陰極電子將自已能量予以受激發(fā)原子，而使它能量增高，原子處于激發(fā)狀態(tài)。假如K層電子被擊出K層，稱K激發(fā)，L層電子被擊出L層，稱L激發(fā)，其余各層依這類推。產(chǎn)生K激發(fā)能量為WK＝hυK，陰極電子能量必須滿足eV≥WK＝hυK，才干產(chǎn)生K激發(fā)。其臨界值為eVK＝WK，VK稱之臨界激發(fā)電壓。第22頁第22頁特性X射線產(chǎn)生機(jī)理處于激發(fā)狀態(tài)原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)傾向，此時(shí)外層電子將填充內(nèi)層空位，相應(yīng)伴伴隨原子能量減少。原子從高能態(tài)變成低能態(tài)時(shí)，多出能量以X射線形式輻射出來。因物質(zhì)一定，原子結(jié)構(gòu)一定，兩特定能級間能量差一定，故輻射出特性X射波長一定。當(dāng)K電子被打出K層時(shí)，如L層電子來填充K空位時(shí)，則產(chǎn)生Kα輻射。此X射線能量為電子躍遷前后兩能級能量差，即

第23頁第23頁特性X射線命名辦法同樣當(dāng)K空位被M層電子填充時(shí)，則產(chǎn)生Kβ輻射。M能級與K能級之差不小于L能級與K能級之差，即一個(gè)Kβ光子能量不小于一個(gè)Kα光子能量；但因L→K層躍遷幾率比M→K遷附幾率大，故Kα輻射強(qiáng)度比Kβ輻射強(qiáng)度大五倍左右。顯然，當(dāng)L層電子填充K層后，原子由K激發(fā)狀態(tài)變成L激發(fā)狀態(tài)，此時(shí)更外層如M、N……層電子將填充L層空位，產(chǎn)生L系輻射。因此，當(dāng)原子受到K激發(fā)時(shí)，除產(chǎn)生K系輻射外，還將伴生L、M……等系輻射。除K系輻射因波長短而不被窗口完全吸取外，其余各系均因波長長而被吸取。Kα雙線產(chǎn)生與原子能級精細(xì)結(jié)構(gòu)相關(guān)。L層8個(gè)電子能量并不相同，而分別位于三個(gè)亞層上。Kα雙線系電子分別由LⅢ和LⅡ兩個(gè)亞層躍遷到K層時(shí)產(chǎn)生輻射，而由LI亞層到K層因不符合選擇定則（此時(shí)Δl＝0），因此沒有輻射。第24頁第24頁小結(jié)連續(xù)譜(軟X射線)高速運(yùn)動粒子能量轉(zhuǎn)換成電磁波譜圖特性:強(qiáng)度隨波長連續(xù)改變是衍射分析背底;是醫(yī)學(xué)采用特性譜(硬X射線)高能級電子回跳到低能級多出能量轉(zhuǎn)換成電磁波僅在特定波長處有尤其強(qiáng)強(qiáng)度峰衍射分析采用第25頁第25頁莫色萊定律特性X射線譜頻率（或波長）只與陽極靶物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)相關(guān)，而與其它外界原因無關(guān)，是物質(zhì)固有特性。1913～19莫色萊發(fā)覺物質(zhì)發(fā)出特性譜波長與它本身原子序數(shù)間存在下列關(guān)系：

依據(jù)莫色萊定律，將試驗(yàn)結(jié)果所得到未知元素特性X射線譜線波長，與已知元素波長相比較，能夠擬定它是何元素。它是X射線光譜分析基本依據(jù)第26頁第26頁X射線與物質(zhì)互相作用X射線與物質(zhì)互相作用，是一個(gè)比較復(fù)雜物理過程。一束X射線通過物體后，其強(qiáng)度將被衰減，它是被散射和吸取結(jié)果，并且吸取是造成強(qiáng)度衰減主要原因。第27頁第27頁X射線散射當(dāng)X射線通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)原子電子在電磁場作用下將產(chǎn)生受迫振動，其振動頻率與入射X射線頻率相同。任何帶電粒子作受迫振動時(shí)將產(chǎn)生交變電磁場，從而向四周輻射電磁波，其頻率與帶電粒子振動頻率相同。由于散射線與入射線波長和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，故稱為相干散射。相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象基礎(chǔ)。

X射線經(jīng)束縛力不大電子（如輕原子中電子）或自由電子散射后，能夠得到波長比入射X射線長X射線，且波長隨散射方向不同而改變。這種散射現(xiàn)象稱為康普頓散射或康普頓一吳有訓(xùn)散射,也稱之為不相干散射，是因散射線分布于各個(gè)方向，波長各不相等，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。第28頁第28頁不相干散射入射X射線碰到約束松電子時(shí)，將電子撞至一方，成為反沖電子。入射線能量對電子作功而消耗一部份后，剩余部份以X射線向外輻射。散射X射線波長（λ‘）比入射x射線波長（λ）長，其差值與角度α之間存在如右關(guān)系：不相干散射在衍射圖相上成為連續(xù)背底，其強(qiáng)度隨（sinθ/λ）增長而增大，在底片中心處（λ射線與底片相交處）強(qiáng)度最小，α越大，強(qiáng)度越大。

第29頁第29頁小結(jié)相干散射由于是相干波因此能夠干涉加強(qiáng).只有相干散射才干產(chǎn)生衍射,因此相干散射是X射線衍射基礎(chǔ)不相干散射由于不相干散射不能干涉加強(qiáng)產(chǎn)生衍射,因此不相干散射只是衍射背底第30頁第30頁X射線吸取

物質(zhì)對X射線吸取，是指X射線通過物質(zhì)時(shí)光子能量變成了其它形式時(shí)能量。有時(shí)將X射線通過物質(zhì)時(shí)造成能量損失稱為真吸取。X射線通過物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)，使入射X射線能量變成光電子、俄歇電子和熒光X射線能量，使X射線強(qiáng)度被衰減，是物質(zhì)對X射線真吸取過程。第31頁第31頁光電效應(yīng)---光電子和熒光X射線

第32頁第32頁光電效應(yīng)1激發(fā)K系光電效應(yīng)時(shí)，入射光子能量必須等于或大于將K電子從K層移至無窮遠(yuǎn)時(shí)所作功WK，即將激發(fā)限波長λK和激發(fā)電壓VK聯(lián)絡(luò)起，即式中VK以V為單位。（1－4）式和（1－11）式形式上非常相同，但物理意義完全不同。前者說明連續(xù)譜短波限λ0隨管電壓增高而減小，而后者說明每種物質(zhì)K激發(fā)限波長都有它自己特定值。從X射線激發(fā)光電效應(yīng)角度，稱λK為激發(fā)限；然而，從X射線被物質(zhì)吸取角度，則稱λK為吸取限。

第33頁第33頁光電效應(yīng)2-----俄歇效應(yīng)

俄歇（Auger，M.P.）在1925年發(fā)覺，原子中K層一個(gè)電子被打出后，它就處于K激發(fā)狀態(tài)，其能量為EK。假如一個(gè)L層電子來填充這個(gè)空位，K電離就變成L電離，其能量由EK變成EL，此時(shí)將釋放EK-EL能量。釋放出能量，也許產(chǎn)生熒光X射線，也也許予以L層電子，使其脫離原子產(chǎn)生二次電離。即K層一個(gè)空位被L層兩個(gè)空位所代替，這種現(xiàn)象稱俄歇效應(yīng).從L層跳出原子電子稱KLL俄歇電子。每種原子俄歇電子均含有一定能量，測定俄歇電子能量，即可擬定該種原子種類，因此，能夠利用俄歇電子能譜作元素成份分析。但是，俄歇電子能量很低，普通為幾百eV，其平均自由程非常短，人們能夠檢測到只是表面兩三個(gè)原子層發(fā)出俄歇電子，因此，俄歇譜儀是研究物質(zhì)表面微區(qū)成份有力工具。

第34頁第34頁光電效應(yīng)2-----俄歇效應(yīng)

第35頁第35頁光電效應(yīng)小結(jié)光電子被X射線擊出殼層電子即光電子,它帶有殼層特性能量,因此可用來進(jìn)行成份分析(XPS)俄歇電子高能級電子回跳,多出能量將同能級另一個(gè)電子送出去,這個(gè)被送出去電子就是俄歇電子帶有殼層特性能量(AES)二次熒光高能級電子回跳,多出能量以X射線形式發(fā)出.這個(gè)二次X射線就是二次熒光也稱熒光輻射同樣帶有殼層特性能量第36頁第36頁小結(jié)散射散射無能力損失或損失相對較小相干散射是X射線衍射基礎(chǔ),只有相干散射才干產(chǎn)生衍射.散射是進(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)分析工具吸取吸取是能量大幅度轉(zhuǎn)換,多數(shù)在原子殼層上進(jìn)行,從而帶有殼層特性能量,因此是揭示材料成份原因吸取是進(jìn)行材料成份分析工具能夠在分析成份同時(shí)告訴你元素價(jià)態(tài)第37頁第37頁一束強(qiáng)度為I0X射線束，通過厚度為H物體后，強(qiáng)度被衰減為IH。為了得到強(qiáng)度衰減規(guī)律，現(xiàn)取離表面為x一薄層dx進(jìn)行分析。設(shè)X射線束穿過厚度為X物體后，強(qiáng)度波衷減為，而穿過厚度為x＋dx物質(zhì)后強(qiáng)度為I-dI，則通過dx厚一層引起強(qiáng)度衰減為dI。試驗(yàn)證實(shí)，X射線透過物質(zhì)時(shí)引起強(qiáng)度衰減與所通過距離成正比

X射線衰減規(guī)律

第38頁第38頁X射線衰減規(guī)律對（1-12）式積分求出強(qiáng)度為I0X射線從物體表面（即x＝0）穿透厚度H后強(qiáng)度IH:

IH＝I0exp(-μH)

式中IH/I0稱穿透系數(shù)，而μ為線衰減系數(shù)。（1-13）式是X射線透視學(xué)基本公式。線衰減系數(shù)μ＝－1n（IH/I0）/H表示單位體積物質(zhì)對X射線衰減程度，它與物質(zhì)密度ρ成正比，即與物質(zhì)存在狀態(tài)相關(guān)。現(xiàn)將（1-13）式改寫成：IH＝I0e-(μ/ρ)ρH＝I0e-μmρH

式中μm＝μ/ρ稱質(zhì)量衷減系數(shù)，其單位為cm2

／g。工作中有時(shí)需要計(jì)算i個(gè)元素構(gòu)成化合物、混合物、合金和溶液等質(zhì)量衰減系數(shù)μm。由于μm與物質(zhì)存在狀態(tài)無關(guān)，因此衰減系數(shù)可按下式求得：μm=ω1μm1+ω2μm2+…ωiμmi

第39頁第39頁X射線吸取曲線X射線通過物質(zhì)時(shí)衰減，是吸取和散射造成。假如用σm仍表示散射系數(shù)，τm表示吸取系數(shù)。在大多數(shù)情況下吸取系數(shù)比散射系數(shù)大得多，故μm≈τm。質(zhì)量吸取系數(shù)與波長三次方和元素原子序數(shù)三次方近似地成百分比，因此第40頁第40頁X射線衰減從熒光X射線產(chǎn)生機(jī)理，能夠解釋圖1－11中吸取突變。當(dāng)入射波長非常短時(shí)，它能夠打出K電子，形成K吸取。但因其波長太短，K電子不易吸取這樣光子能量，因此衰減系數(shù)小。伴隨波長逐步增長，K電子也越來越容易吸取這樣光子能量，因此衰減系數(shù)也逐步增大，直到K吸取限波長為止。假如入射X射線波長比λK稍大一點(diǎn)，此時(shí)入射光子能量已無法打出K電子，不產(chǎn)生K吸取。而對L層電子來說，入射光子能量又過大，也不易被吸取，因此，入射X射線波長比λK稍大一點(diǎn)時(shí)，衰減系數(shù)有最小值。同理，能夠解釋K吸取限至L吸取限之間曲線改變規(guī)律。第41頁第41頁X射線衰減小結(jié)宏觀表現(xiàn)強(qiáng)度衰減與穿過物質(zhì)質(zhì)量和厚度相關(guān)是X射線透射學(xué)基礎(chǔ)這就是質(zhì)厚襯度微觀機(jī)制散射和吸取消耗了入射線能量這與吸波原理是同樣第42頁第42頁吸取限應(yīng)用---X射線濾波片選擇

在一些衍射分析工作中，我們只希望是kα輻射衍射線條，但X射線管中發(fā)出X射線，除kα輻射外，還含有Kβ輻射和連續(xù)譜，它們會使衍射把戲復(fù)雜化。取得單色光辦法之一是在X射線出射路徑上放置一定厚度濾波片，能夠簡便地將Kβ和連續(xù)譜衰減到能夠忽略程度。

第43頁第43頁濾波片選擇規(guī)則

1：Z靶＜40時(shí)，Z濾＝Z靶-1；2：Z靶＞40時(shí)，Z濾＝Z靶-2第44頁第44頁濾波片

慣用靶材及其匹配濾波片數(shù)據(jù)列入表1-1。按表中厚度制作波濾片，濾波后Kβ/Kα強(qiáng)度比為1/600。假如濾波片太厚，即使Kβ能夠進(jìn)一步衰減，但kα也相應(yīng)衰減。實(shí)踐表明，當(dāng)Kα強(qiáng)度被衰減到本來二分之一時(shí)，Kβ/Kα強(qiáng)度比將由本來1/5降為濾波后1/500左右，這對大多數(shù)衍射分析工作已