1、X 射线在测试仪器中的应用X 射线简介X 射线（X-ray） ，又被称为艾克斯射线、伦琴射线或 X 光，是一种波长范围在 0.01 纳米到 10 纳米之间（对应频率范 30PHz 到 30EHz）的电磁辐射形式，具波粒二象性。X 射线最初用于医学成像诊断和 X 射线结晶学。X 射线也是游离辐射等这一类对人体有危害的射线。一般来说，较大之原子有较大机会吸收 X 射线光子。人体软组织由较细之原子组成而骨头含较多钙离子，所以骨头较软组织吸引较多 X 射线。因此，X 射线可以用作检查人体结构。X 射线生产原理产生 X 射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属 靶。撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能
2、会以光子形式放出，形成 X 光光谱的连续部分，称之为制动辐射。通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出波长在 0.1 纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些部分，形成了 X 光谱中的特征线，此称为特性辐射。X 射线的应用（1）医学领域放射医学是医学的一个专门领域，它使用放射线照相术和其他技术产生诊断图像，这可能是 X 射线技术应用最广泛的地方。 X 射线的用途主要是探测骨骼的病变，但对于探测软组织的病变也相当有用。常见的例子有胸腔 X 射线，用来诊断肺部疾病，如
3、肺炎、肺癌或肺气肿；而腹腔 X 射线则用来检测肠道梗塞，自由气体及自由液体。某些情况下，使用 X 射线诊断还存在争议，例如 结石或肾结石。借助计算机，人们可以把不同角度的 X 射线影像合成成三维图像，在医学上常用的电脑断层扫描（CT 扫描）就是基于这一原理。（2）工业领域X 射线可激发荧光、使气体电离、使感光乳胶感光，故 X 射线可用电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。（3）研究领域晶体的点阵结构对 X 射线可产生显著的衍射作用， X 射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段。X 射线在各种仪器中的应用X 射线衍射仪1、当 X 射线波长 已知时，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品
4、,可从一堆任意取向的晶体中，从每一 角符合布拉格条件的反射面得到反射。测出 后，利用布拉格公式即可确定点阵平面间距 d、晶胞大小和晶胞类型;2、利用 X 射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐(DebyeScherrer)法的理论基础，测定衍射线的强度,就可进一步确定晶胞内原子的排布。3、而在测定单晶取向的劳厄法中所用单晶样品保持固定不变动，以辐射线束的波长 作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布拉格条件,故选用连续 X 射线束。再把结构已知晶体用来作测定，则在获得其衍射线方向 后,便可计算 X 射线的波长 ，从而判定产生特征 X 射线的元素。这便是 X 射线谱术,可用于分析金属和合金的成分。4、目
5、前 X 射线衍射(包括 X 射线散射)已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。5、物相分析是 X 射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。6、X 射线粉末衍射仪用途：判断物质是否为晶体，判断是何种晶体物质，判断物质的晶型，计算物质结构的应力，定量计算混合物质的比例，计算物质晶体结构数据，和其他专业相结合会有更广泛的用途，比如可以通过晶体结
6、构来判断物质变形，变性，反应程度等。7、X 射线单晶衍射仪用途：晶体结构的成功测定，晶体结构的测定使性能的异同从结构上得到了合理的解释，有效成分晶体结构的测定进一步将从天然产物中提取的方法改变为人工合成，改变了过去神农尝百草型的经验寻找药物的方法。X 射线荧光光谱仪分析对象主要有各种磁性材料（NdFeB、SmCo 合金、FeTbDy） 、钛镍记忆合金、混合稀土分量、贵金属饰品和合金等，以及各种形态样品的无标半定量分析，对于均匀的颗粒度较小的粉末或合金，结果接近于定量分析的准确度。X 荧光分析快速，某些样品当天就可以得到分析结果。适合课题研究和生产监控。X 射线荧光光谱仪分为波长色散、能量色散、
7、非色散 X 荧光、全反射 X 荧光。（1）波长色散 X 射线荧光光谱采用晶体或人工拟晶体根据 Bragg 定律将不同能量的谱线分开，然后进行测量。波长色散 X 射线荧光光谱一般采用 X 射线管作激发源，可分为顺序式(或称单道式或扫描式)、同时式(或称多道式)谱仪、和顺序式与同时式相结合的谱仪三种类型。顺序式通过扫描方法逐个测量元素，因此测量速度通常比同时式慢，适用于科研及多用途的工作。同时式则适用于相对固定组成，对测量速度要求高和批量试样分析, 顺序式与同时式相结合的谱仪结合了两者的优点。（2）能量色散 X 射线荧光光谱采用脉冲高度分析器将不同能量的脉冲分开并测量。 能量色散 X 射线荧光光谱
8、仪可分为具有高分辨率的光谱仪，分辨率较低的便携式光谱仪，和介于两者之间的台式光谱仪。高分辨率光谱仪通常采用液氮冷却的半导体探测器，如 Si(Li)和高纯锗探测器等。低分辨便携式光谱仪常常采用正比计数器或闪烁计数器为探测器，它们不需要液氮冷却。采用电致冷的半导体探测器，高分辨率谱仪已不用液氮冷却。同步辐射光激发 X 射线荧光光谱、质子激发 X 射线荧光光谱、放射性同位素激发 X 射线荧光光谱、全反射X 射线荧光光谱、微区 X 射线荧光光谱等较多采用的是能量色散方式。（3）非色散谱仪不是采用将不同能量的谱线分辨开来，而是通过选择激发、选择滤波和选择探测等方法使测量分析线而排除其他能量谱线的干扰，因
9、此一般只适用于测量一些简单和组成基本固定的样品。（4）如果 n1n2，则介质 1 相对于介质 2 为光密介质，介质 2 相对于介质 1 为光疏介质。对于 X 射线，一般固体与空气相比都是光疏介质。所以，如果介质1 是空气，那么 12，即折射线会偏向界面。如果 1 足够小，并使 2=0，此时的掠射角 1 称为临界角 临界。当 1 临界时，界面就象 镜子一样将入射线全部反射回介质 1 中，这就是全反射现象。X 射线光电子能谱仪对固体样品的元素成分进行定性、定量或半定量及价态分析。 固体样品表面的组成、化学状态分析，广泛应用于元素分析、多相研究、化合物结构鉴定、富集法微量元素分析、元素价态鉴定。此外
10、在对氧化、腐蚀、摩擦、润滑、燃烧、粘接、催化、包覆等微观机理研究；污染化学、尘埃粒子研究等的环保测定；分子生物化学以及三维剖析如界面及过渡层的研究等方面有所应用。晶体生长方法晶体简介晶体是在物相转变的情况下形成的。物相有三种，即气相、液相和固相。只有晶体才是真正的固体。由气相、液相转变成固相时形成晶体，固相之间也可以直接产生转变。晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：介质达到过饱和、 过冷却阶段； 成核阶段；生长阶段。晶体生长方法1) 提拉法（Czochralski,Cz ）所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体
11、的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。这种方法的主要优点是：(a) 在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b) 晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c) 可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成
12、污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。2) 热交换法（Heat Exchange Method, HEM ）热交换法是由 D. Viechnicki 和 F. Schmid 于 1974 年发明的一种长晶方法。其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠 He 作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，
13、整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM 法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM 可用于生长具有特定形状要求的晶体。由于这种方法在生长晶体过程中需要不停的通以流动氦气进行热交换，所以氦气的消耗量相当大，如30 mm的圆柱状坩埚就需要每分钟38升的氦气流量，而且晶体生长周期长，He 气体价格昂贵，所以长晶成本很高。3) 温梯法（Temperature Gradient Technique, T
14、GT）导向温度梯度法 (TGT) 是中国科学院上海光学精密机械研究所的专利技术。其结晶原理与上述热交换法相似，也是采用石墨发热体、Mo 保温屏、Mo坩埚，氩气保护气氛。温梯法和热交换法的主要不同在于前者采用水冷却技术而后者采用 He 气冷却；而且 TGT 的温场主要靠调整石墨发热体、Mo 保温屏、Mo 坩埚的形状和位置，发热体的功率以及循环冷却水的流量来调节，使之自下向上形成一个合适的温度梯度。温梯法整个生长装置处于相对稳定的状态，坩埚和籽晶都不转动，这样坩埚中既没有因熔体密度引起的自然对流，又没有因机械搅拌引起的强迫对流，固液界面不受干扰，具有更稳定的热场。4) 坩埚下降法（垂直布里奇曼法，
15、Vertical Bridgman method, VB）坩埚下降法又称为布里奇曼斯托克巴格法，是从熔体中生长晶体的一种方法。通常坩埚在结晶炉中下降，通过温度梯度较大的区域时，熔体在坩埚中，自下而上结晶为整块晶体。这个过程也可用结晶炉沿着坩埚上升方式完成。与提拉法比较该方法可采用全封闭或半封闭的坩埚，成分容易控制；由于该法生长的晶体留在坩埚中，因而适于生长大块晶体，也可以一炉同时生长几块晶体。另外由于工艺条件容易掌握，易于实现程序化、自动化。该方法的缺点是不适于生长在结晶时体积增大的晶体，生长的晶体通常有较大的内应力。同时在晶体生长过程中也难于直接观察，生长周期比较长。5) 水平布里奇曼法（H
16、orizontal Bridgman method, HB）水平布里奇曼法是由BarIIacapob研制成功的一种制备大面积定型薄片状晶体的方法。其结晶原理如图5所示，将原料置于舟型坩埚中，使坩埚水平通过加热区，原料熔化并结晶。为了能够生长有严格取向的晶体，可以在坩埚顶部的籽晶槽中放入籽晶来诱导生长。该方法具有以下一些特点：(1) 开放式的坩埚便于观察晶体的生长情况；(2) 由于熔体的高度远小于其表面尺寸，有利于去除挥发性杂质，另外还有利于降低对流强度，提高结晶过程的稳定性；(3) 开放式的熔体表面使在结晶的任意阶段向熔体中添加激活离子成为可能；(4) 通过多次结晶的方法，可以对原料进行化学提
17、纯。6) 激光加热基座法（Laser-Heated Pedestal Growth, LHPG）用提拉法生长晶体主要的缺点之一是坩埚对熔体的污染，而在坩埚内结晶成型的方法如下降法等又存在附加应力和寄生成核的问题，另外，生长晶体的品种也受坩埚熔点的限制，于是基座法就应运而生。它是把大直径的晶体原料局部熔化，用籽晶从熔化区域引晶生长，实际上就是无坩埚引上法。它不存在坩埚的污染，生长温度也不受坩埚熔点的限制。由于加热的范围小，可以用高功率弧光灯聚焦加热，也可以用激光加热，它是目前拉制晶体纤维和试制新型晶体的重要手段。7) 泡生法（Kyropoulos, KY）这种方法是将一要受冷的籽晶与熔体接触，如
18、果界面的温度低于凝固点，则籽晶开始生长。为了使晶体不断长大，就需要逐渐降低熔体的温度，同时旋转晶体，以改善熔体的温度分布。也可以缓慢的（或分阶段的）上提晶体，以扩大散热面。晶体在生长过程中或生长结束时不与坩埚壁接触，这就大大减少了晶体的应力。不过，当晶体与剩余的熔体脱离时，通常会产生较大的热冲击。70 年代以后，该方法已较少用于生长同成分熔化的化合物，而多用于含某种过量组分的体系，可认为目前常用的高温溶液顶部籽晶法是该方法的改良和发展。8) 顶部籽晶助熔剂法 (Top Seeded Solution Growth, TSSG)助熔剂法 (早期称为熔盐法)生长晶体十分类似于溶液生长法。因为这种方
19、法的生长温度较高，故一般地也称作高温溶液生长法。它是将晶体的原成分在高温下溶解于低熔点助熔剂内，形成均匀的饱和溶液，然后通过缓慢降温或其他办法，形成过饱和溶液，使晶体析出。助熔剂法生长晶体有许多突出的特点，和其他生长晶体的方法相比，这种方法的适用性很强，几乎对所有的材料，都能够找到一些适当的助熔剂，从中将其单晶生长出来。这对于研究工作特别有用，因为许多工作希望在单晶体上进行，而并不一定要求单晶体的尺寸很大。助熔剂法生长温度低，许多难熔的化合物和在熔点极易挥发或由于变价而分解释放出气体的材料，以及非同成分熔融化合物，直接从其熔液中常常不可能生长完整的单晶，而助熔剂法却显示出独特的能力。只要采用适当的措施，用此法生长出的晶体可以比熔体生长的晶体热应力更小、更均匀完整。这种方法的缺点是许多助熔剂都有不同程度的毒性，其挥发物还常常腐蚀或污染炉体；晶体生长的速度较慢、生长周期长、晶体一般较小。
