X射线物理学基础.ppt

X射线物理基础,技术物理系 康利平,X射线的发现及性质,伦琴，1895年发现X射线，1901年获诺贝尔物理学奖,具有穿透性,X射线,阴极射线实验,,,使底片感光,,使荧光物质发出荧光,,,X射线的性质,肉眼看不见，但能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。 呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。 对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。,X射线最早的应用,在X射线发现后几个月医生就用它来为病人服务 右图是纪念伦琴发现X射线100周年发行的纪念封,X射线的本质,波长很短的电磁波，1912年由劳埃证实 波长在0.01~10nm 硬X射线，波长约0.25~0.05nm，用于X射线衍射，其中0.1~0.005nm用于金属部件的无损探伤 波长很长的软X射线，用于医学透视,X射线具有波粒二相性,能量 动量 X射线的强度是衍射波振幅的平方 也是单位时间内通过单位截面的光量子数目。 X射线绝对强度难以测定，衍射中通常用相对强度表示,X射线的产生,,X射线的产生：高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生X射线 可通过X射线管获得 几个基本条件：产生自由电子、使电子做定向高速运动、在电子运动路径上设置使其突然减速的障碍物,X射线管的结构,,X射线管的结构,阴极C——发射热电子。一般由钨丝制成，通电加热后释放出热辐射电子。 阳极A——靶，使电子突然减速并发出X射线。 窗口——X射线出射通道。既能有足够的强度维持管内的高真空，又要对X射线的吸收较小。一般用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6°的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。,C,X射线管,高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发了。所以靶材料要导热性好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极 焦点——靶表面被电子轰击的一块面积，X射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点 X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分辨率；高强度则可缩短曝光时间,旋转阳极,上述常用X射线管的功率为500～3000W。目前还有旋转阳极X射线管、细聚焦X射线管和闪光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,加速器中可以引出X射线,加速器中引出X射线,,加速器中引出X射线,连续X射线谱,X射线强度与波长的关系曲线，称之X射线谱。 在管电压很低（小于20kV）时，射线从最小值λSWL向长波方向伸展，强度在λm处有一最大值。这种强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱 λSWL称该管电压下的短波限,连续谱与U、i、Z的关系,i、Z不变，提高U，谱线强度整体提高，λSWL和λm减小 U、Z不变，提高i，谱线强度一致提高，λSWL和λm不变 U、i相同，Z越高，谱线强度越大，但λSWL和λm相同,X射线管的效率,连续谱的总强度： X射线管的效率η，是指电子流能量中用于产生X射线的百分数，当仅产生连续谱时，其效率为：,,X射线管的效率,管电压越高，阳极靶材的原子序数越大，X射线管的效率越高。 K1很小，约（1.1～1.4）×10-9V-1，即使用原子序数大的钨靶（Z＝74），在管电压高达100kv的情况下，X射线管的效率也仅有1﹪左右. 99％的能量都转变为热能, 所以阳极多用高熔点金属制造，如W、Ag、Mo、Cu、N、Co、Fe、Cr等，并通循环水冷却,连续谱的经典物理学解释,根据经典物理学的理论，一个高速运动的电子到达靶面，因突然减速而产生很大的负加速度，这种负的加速度一定会引起电子周围的电磁场发生急剧变化，此时必然要产生电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。,连续谱的量子力学解释,在管电压U作用下，电子到达靶的动能为eU，若一个电子与靶碰撞时，把全部能量给予一个光子，这就是一个光量子能获得的最大能量，即 eU = hνmax = hc/λSWL 此光量子的波长即为短波限，即 λSWL = hc/eU=1240/U （nm） 大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，每次碰撞产生一个光量子，因而产生波长大于λSWL的不同波长的光子序列，即形成连续谱。,特征X射线谱,当管电压超过某临界值UK时，在连续谱的某些特定波长位置上出现一系列强度很强、波长范围很窄的线状光谱，称为特征谱或标识谱。 特征谱的波长不受U、i的影响，只取决于阳极靶材元素的原子序数Z。 莫塞莱定律： 即,特征谱的产生机理,原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字母代表它们的名称。各壳层能量由内向外逐渐增加（都为负） 若撞击靶的热电子具有足够高的能量，以致将内层电子击出成为自由电子即二次电子，此时原子系统处于激发状态（高能态），必然会自发向稳态（低能态）过渡。这一转化是由高能级的电子向低能级的空位跃迁的方式完成的。 如果K层电子被击出，称K激发，若L层电子跃迁到K层，多余能量以X射线光量子的形式辐射，即Kα特征谱线；若M层电子向K层空位补充，则辐射波长更短的Kβ谱线。,特征谱的产生机理,对原子序数为Z的物质来说，各能级的能量是固定的，其大小与Z和能级数n有关，所以谱线的波长是一定的。 L层内尚有能量差别很小的亚能级，故Kα特征谱线是由Kα1谱线和Kα2谱线组成的 刚好能击出靶材k层电子的动能 ，Uk 称为靶材物质的k层临界激发电压，越靠近内层激发电压越高；Uk还与Z有关。,特征谱产生机理,,,特征谱线的波长,自由电子能量为零，则每壳层电子能量为 K层，n＝1；L层，n＝2；M层，n＝3；.... 辐射谱线的能量为,得 即莫塞莱定律 其中，R里德伯常数,,特征X射线的命名方法,如K层（n＝1）电子被击出，由L层（n＝2）跃迁填补空位，则辐射的射线称为Kα（Δn＝1）射线；若由M层跃迁引发的辐射，则此射线称为Kβ（ Δn＝ 2）射线。 L层内尚有能量差别很小的亚能级，故Kα特征谱线是由Kα1谱线和Kα2谱线组成的 若L层电子被击出，则射线为L系 若M层电子被击出，则射线为M系,特征谱的强度随管电压U和管电流i的提高而增大 K3为常数；Un为特征谱的激发电压，对K系，Un＝Uk；m为常数，K系m＝1.5；L系m＝2,各特征谱线比较,多晶体的衍射分析中总希望应用以特征谱为主的单色光源，即应有尽可能高的I特/I连 对K系谱线，当U/Uk＝4时I特/I连获最大，所以X射线管适宜的工作电压U≈(3～5)Uk,对比,莫塞莱定律的应用,特征X射线谱的频率（或波长）只与阳极靶物质的原子结构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固有特性。1913～1914年莫色莱发现物质发出的特征谱波长与它本身的原子序数间存在以下关系： 根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。它是X射线光谱分析的基本依据,,X射线与物质的相互作用,X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。会产生一系列效应，这是X射线应用的基础 入射到某物质的X射线分为散射、穿透和吸收三部分,透射系数和吸收系数,强度为I0的入射线照射到厚度为t的均匀物质上，透过深度为x处厚度为dx的物质后其强度的衰减dIx/dx与dx成正比，即 μl称线吸收系数，X射线通过单位厚度（即单位体积）物质的相对衰减量。,左式积分得透射系数,质量吸收系数,单位体积内物质的质量随其密度而异，所以μl对一确定的物质也不是一个常量。为表达物质本质的吸收特性，提出质量吸收系数μm， 则有,μm的物理意义：X射线通过单位面积上单位质量的物质后强度的相对衰减量。 多元素的化合物、固溶体活混合物的μm仅取决于各组元的质量吸收系数μmi及各组元的质量分数ωi ，即,,,,吸收限,质量吸收系数决定于吸收物质的原子序数Z和X射线的波长： X射线的波长越短，穿透能力就越强，吸收系数越小 但μm并非连续变化，而是在某些波长位置上突然升高，出现了吸收限 每种物质都有本身确定的一系列吸收限，吸收限的存在暴露了吸收的本质,X射线的真吸收,X射线通过物质时产生光电效应和荧光辐射或俄歇效应，使入射X射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光X射线的能量，使X射线强度被衰减，是物质对X射线的真吸收过程。 真吸收还包括Ｘ射线穿过物质时引起的热效应,光电效应,当入射光量子的能量等于或略大于吸收体原子某壳层电子的结合能时，此光量子就很容易被电子吸收，获得能量的电子从内层溢出称为自由电子，称光电子。原子则处于相应的激发态，这种原子被入射辐射电离的现象即光电效应,光电效应消耗大量入射能量，表现为吸收系数突增，相应的入射波长即为吸收限。 使K层电子变成自由电子需要的能量是ωk 则 νk、λk分别是K吸收限的频率和波长,入射谱与吸收谱,处于激发态的原子也要通过电子跃迁向低能态转化，同时辐射被照物质的特征X射线（荧光X射线，二次X射线）。这个过程称为荧光效应，与由热电子入射激发特征X射线的过程完全相同。 荧光辐射，主要应用于重元素（Z>20）化学成分的分析 同一元素的X射线发射谱与其吸收谱的关系,荧光效应,,,俄歇（auger）效应,如果原子中一个K层电子被入射光量子击出后，L层一个电子跃迁填补空位，多余能量不以荧光X射线辐射，而是另一个L层电子获得跃出成为自由电子，这样的一个K层空位被两个L层空位代替的过程称为俄歇效应 跃出的L层电子称KLL俄歇电子，每种原子的俄歇电子均具有一定的能量，测定俄歇电子的能量，即可确定该种原子的种类，所以，可以利用俄歇电子能谱作元素的成分分析。 俄歇电子的能量很低，人们能够检测到的只是表面两三个原子层发出的俄歇电子，因此，俄歇效应应用于轻元素表层的分析。,俄歇效应,,,吸收限的应用——滤波片的选择,在一些衍射分析工作中，我们只希望利用kα辐射，但X射线管中发出的X射线包含kα、Kβ和连续谱，它们会使衍射花样复杂化。 可以利用吸收限两侧吸收系数差很大的现象制成滤波片，得到基本的单色光源,滤波片的选择规则,滤波片材料的K吸收限位于光源λkα和λkβ之间即λkα(光源) <λk(滤波片)< λkβ(光源) ，他对Kβ吸收很强烈而对λkα吸收很少。 调整滤波片的厚度，使滤波后的Ikα≈600Ikβ Z靶＜40时，Z滤＝Z靶-1 Z靶≥40时，Z滤＝Z靶-2,吸收限的应用——阳极靶材的选择,进行衍射分析时，总希望试样对X射线少吸收，获得高的衍射强度＆低的背底 应选择靶的Kα谱位于试样元素K吸收限的右近邻（稍大于λK）或左面远离λK的低μ处 如Fe试样用Co或Fe靶，Al试样用Cu或Mo靶 Z靶≤Z试样+1,,靶的Kα谱即λx,X射线的散射,物质对X射线的散射主要是电子与X射线相互作用的结果 物质中的核外电子分为两大类：原子核束缚不紧的和原子核束缚较紧的电子 X射线照射到物质表面后对于这两类电子会产生两种散射效应,相干散射(弹性散射或汤姆逊散射),当X射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞后，光能量不足以使原子电离，但电子可在X射线交变电场作用下产生受迫振动，向四周辐射振动频率与入射X射线相同的射线。 任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场，从而向四周辐射电磁波，其频率与带电粒子的振动频率相同。 由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。,不相干散射（康普敦-吴有训效应）,X射线经束缚力不大的电子（如轻原子中的电子）或自由电子散射后，可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿一吴有训散射，也称之为不相干散射，是因散射线分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干涉现象。 能量为hv的光子与自由电子或受核束缚较弱的电子碰撞，将一部分能量给与电子，使其能量提高成为反冲电子，光子损失了能量并改变了方向，能量减少为hv′，显然v>v′，即λ<λ ′。 可以用一个光子与一个电子的弹性碰撞机制来描述，由动量守恒和能量守恒定律来推导散射线的波长增大值△λ= λ’-λ≈0.0024(1-cosθ) 不相干散射在衍射图相上成为连续的背底。,,,,X射线产生及其与物质相互作用小结,X射线的安全防护,人体过量接受射线照射会引起损伤 《射线防护规定》GBJ8-74国家标准 重金属铅可以强烈吸收射线，用铅玻璃屏蔽。,总结,本章主要讲述三个问题: 1.X射线的性质,本质和X射线的产生 2.X射线谱---连续谱,特征谱 3.X射线与物质的相互作用,总结,关于X射线的性质,本质和X射线的产生 1.了解X射线有哪些性质! 2.X射线的本质是电磁波,具有波粒二相性. 3.X射线的产生定义:高速运动的粒子遇阻嘎然停止,其能量可以X射线形式释放. 4.X射线管结构与工作原理,总结,关于X射线谱---连续谱,特征谱 1.连续谱产生机理的二种解释(经典,量子),什么是短波限?为什么会出现短波限？ 2.特征谱产生机制、特征谱的命名方法、 临界激发电压、激发限,总结,关于X射线与物质的相互作用 1.宏观效应----X射线强度衰减 2.微观机制----X射线被散射,吸收 (1)散射---相干散射,康谱顿散射 (2)吸收---产生光电子,二次荧光,俄歇电子 (3)什么是吸收限?如何选择滤波片、靶材?,