X射线物理基础 .ppt

1 1材料分析技术材料分析技术主讲主讲主讲主讲 东南大学材料科学与工程学院东南大学材料科学与工程学院东南大学材料科学与工程学院东南大学材料科学与工程学院 万克树万克树 材料学院材料学院材料学院材料学院A A楼：楼：楼：楼：Room 420Room 420 答疑时间：周一上午答疑时间：周一上午答疑时间：周一上午答疑时间：周一上午 20242024年年年年6 6月月月月1010日日日日2 2第一章 X射线分析X射线物理基础射线物理基础 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3 3X射线物理基础历史与背景产生产生X射线谱射线谱与物质相互作用与物质相互作用探测安全4 4X射线的发现1895年，德国物理学家伦琴（Wilhelm Konrad RiSntgen，18451923）发现X射线;并因此荣获并因此荣获1901年首届诺贝尔物理学奖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5 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。6 6X射线的发现1880-1895 X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。”7 7X射线的基本性质与应用医学诊断、治疗医学诊断、治疗工业探伤，安全检查工业探伤，安全检查材料科学：物相分析、元素组成分析材料科学：物相分析、元素组成分析l l可穿透物体。穿透力与物质的原子序数有关。同一波长的可穿透物体。穿透力与物质的原子序数有关。同一波长的X-X-射线，对原子序数低的物质穿透力强，对原子序数高的射线，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。物质穿透力弱。l l难以用透镜聚焦，折射系数接近难以用透镜聚焦，折射系数接近1 1。l l使某些物质发出荧光使某些物质发出荧光可见光。可见光。l l使物质的原子电离和激发，使气体导电。使物质的原子电离和激发，使气体导电。l l可引起化学反应，使照相胶片感光，用于可引起化学反应，使照相胶片感光，用于X-X-射线摄影。射线摄影。l l可在生命组织中诱发生物效应，用作治疗。可在生命组织中诱发生物效应，用作治疗。8 8X射线与诺贝尔奖19011901伦琴伦琴 (Roentgen)(Roentgen)发现发现X X射线射线19141914劳埃（劳埃（LaueLaue）晶体的晶体的X X射线衍射射线衍射19151915布拉格父子布拉格父子 (Bragg)(Bragg)分析晶体结构分析晶体结构19171917 巴克拉巴克拉 (Barkla)(Barkla)发现元素的标识发现元素的标识X X射线射线19241924塞格巴恩塞格巴恩 (Siegbahn)(Siegbahn)X X射线光谱学射线光谱学19271927康普顿康普顿(Compton)(Compton)六人六人 康普顿效应康普顿效应19361936德拜德拜 (Debye)(Debye)化学化学(粉晶粉晶XRD)XRD)19541954泡林泡林(Pauling)(Pauling)化学（化学（XRDXRD测化学键）测化学键）19641964霍奇金霍奇金 (Hodgkin)(Hodgkin)化学（化学（XRDXRD测胰岛素结构）测胰岛素结构）19881988米歇尔米歇尔(Michel)(Michel)三人三人化学（化学（XRDXRD测光和作用蛋白结构）测光和作用蛋白结构）19461946马勒马勒 (Muller)(Muller)医学（医学（X X射线致果蝇基因突变）射线致果蝇基因突变）19791979柯马克和豪森菲尔德（柯马克和豪森菲尔德（Cormack/HounsfieldCormack/Hounsfield）医学医学X-CTX-CT9 9X射线的本质电磁辐射波长：波长：0.0010.00110 nm,10 nm,介于紫外线和介于紫外线和 射线之间射线之间波粒二象性波粒二象性 波性：波性：X X射线的传播过程有干涉、衍射等现象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（光量子流或光子），光子的能量 E Eh h h h c/c/1010X射线的本质电磁辐射描述描述描述描述X-X-射线的物理参数：射线的物理参数：射线的物理参数：射线的物理参数：反映反映X-X-射线射线”质质”的的“硬度硬度”反映反映X-X-射线射线”量量”的的“强度强度”光子个数光子个数“射线谱射线谱”光子能量光子能量硬硬X X射线射线 0.01nm0.01nm 0.1nm0.1nm0.1nm韧致辐射韧致辐射韧致辐射韧致辐射（Braking radiationBraking radiation）同步辐射同步辐射同步辐射同步辐射（Synchrotron radiationSynchrotron radiation）X射线的产生X射线的产生-产生机理1212X射线的产生-产生源X射线管封闭式热阴极封闭式热阴极X X射线管，小功率射线管，小功率旋转阳极旋转阳极X X射线管，大功率射线管，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1313X射线管阴极灯丝，阴极灯丝，产生电子产生电子产生电子产生电子高压（真空），高压（真空），加速电子加速电子加速电子加速电子靶阻挡电子，将电子能量转变为靶阻挡电子，将电子能量转变为X-X-射线光子射线光子射线光子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。1414封闭封闭封闭封闭X X射射射射线管线管线管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。旋转阳极开放管旋转阳极开放管旋转阳极开放管旋转阳极开放管3000 rpm1616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1717同步辐射X射线光特点辐射光的波长覆盖面大且连续辐射光的波长覆盖面大且连续可调可调 具有很高的亮度具有很高的亮度 有强的辐射功率有强的辐射功率 有好的准直性有好的准直性 脉冲光源，有特定的时间结构脉冲光源，有特定的时间结构 同步辐射是偏振光同步辐射是偏振光 同步辐射是同步辐射是“光谱纯光谱纯”的光的光 高度稳定性高度稳定性 可计算性可计算性1818X射线谱（X射线管产生）X X射线谱：强度随波长变化的关系曲线射线谱：强度随波长变化的关系曲线min相对强度I连续X射线特征X射线1919连续X射线谱产生原因：产生原因：-由于高速电子受靶极阻挡而产生的轫致辐射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 I波长极限波长极限波长极限波长极限强度最大值强度最大值强度最大值强度最大值2020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。2121连续X射线谱特点特点特点特点：l l每条曲线都有一个每条曲线都有一个强度最大值强度最大值强度最大值强度最大值和和波长极限波长极限波长极限波长极限l l强度随波长连续变化强度随波长连续变化l l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），而是在波长极限的限的1.51.5倍处。倍处。l l其强度与管电压其强度与管电压V V、管电流、管电流i i、阳极靶材的原子序数、阳极靶材的原子序数Z Z有关有关 I I连续连续KiZVKiZVm m，常数，常数K K（1.11.41.11.410109 9（V V1 1）,m,m（2 2）。）。机理：机理：l l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。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。l l辐射出辐射出X-X-射线，注意大部分变成热。射线，注意大部分变成热。l l其光子能量呈连续变化，称韧致辐射，或称刹车辐射。其光子能量呈连续变化，称韧致辐射，或称刹车辐射。I波长极限波长极限波长极限波长极限强度最大值强度最大值强度最大值强度最大值2222连续谱变化规律i1i2i3I管流i3 i2 i1II不同阳极WAgMoI连续KiZVm2323特征（标识）X射线谱特点特点：具有特定的波长。具有特定的波长。叠加在连续谱上。叠加在连续谱上。与加速电压无关与加速电压无关 ，而，而与靶材料有关与靶材料有关。当管电压超过某一特定值当管电压超过某一特定值V Vk k时产生。时产生。产生原因产生原因：与阳极靶原子中内层电子跃迁过程有关。2424特征X射线谱原子系统内的电子按原子系统内的电子按包利包利包利包利不相容原理不相容原理不相容原理不相容原理和和能量最低原能量最低原能量最低原能量最低原理理理理分布于各个能级，能级分布于各个能级，能级是不连续的，是不连续的，K K层靠近原层靠近原子核，能量最低。子核，能量最低。管电压增加到一定数值，管电压增加到一定数值，高能电子轰击原子电子脱高能电子轰击原子电子脱离原轨道，体系处于不稳离原轨道，体系处于不稳定的激发态。定的激发态。电子从高能级向低能级的电子从高能级向低能级的跃迁将以光子的形式辐射跃迁将以光子的形式辐射出出标识谱标识谱。2525特征X射线谱电子跃迁服从规则电子跃迁服从规则主量子数 n 0角量子数 l=12626特征X射线谱K K 是由是由K K11和和K K22两条两条谱线组成，与原子内层电子谱线组成，与原子内层电子能级的精细结构有关。能级的精细结构有关。2727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）常数（与电子所在壳层位置有关）z靶材料的原子序数2828特征X射线谱的强度 IK=B i(V-VK)n式中：B、n常数，n=1.51.7 i 管电流 V工作电压 VKK系激发电压2929激发电压开始产生开始产生特征（标识）谱线特征（标识）谱线的的临界电压临界电压。电子具足够能量把靶中原子电子具足够能量把靶中原子某一能级上的电子打掉产生某一能级上的电子打掉产生特征特征X X射线所必须达到的最低射线所必须达到的最低电压。电压。同一靶材料同一靶材料 V VK K V VL L V VMM不同靶材料的原子结构不同，不同靶材料的原子结构不同，各自的激发电压不同，辐射各自的激发电压不同，辐射的波长也不同。的波长也不同。3030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=（35）VK时，I标/I连最大。3131比比 较较 内内 容容连续谱连续谱特征谱特征谱谱谱线线特特征征谱谱 线线 形形 态态I I沿沿连续分布连续分布有有o o、m mI I不连续分布不连续分布有有KK、KK 电电 压压 变变 化化V V ，o o、mm 不变不变 电电 流流 变变 化化i i ，o o、mm不变不变 不变不变 靶材料原子靶材料原子序数变化序数变化 变变 变变 机机 理理原子核刹车辐射原子核刹车辐射电子跃迁辐射电子跃迁辐射X射线谱小结 3232X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过程主要有三种：散射，光电吸收和 电子对生成。3333X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，不受损失，只改变方向只改变方向。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3434X射线非相干散射：康普顿散射 作用对象：作用对象：X X射线与物质原子的外层电子或自由电子相互作射线与物质原子的外层电子或自由电子相互作用。用。入射入射X X射线光子把一部分能量传给电子。波长变长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；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，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；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能量守恒、动量守恒推导出波长改变取决于方向 X X射线粒子性的直接实验验证。射线粒子性的直接实验验证。35351922年10月，美国芝加哥大学康普顿-吴有训效应 1927年年提供提供15种元种元素散射谱线素散射谱线作为佐证作为佐证3636光电效应l l电子被光子击出：电子被光子击出：“光电子光电子”产生。产生。光子本身消失了光子本身消失了l l物质的原子被电离，原壳层物质的原子被电离，原壳层处留下空位处留下空位 l l“光电子光电子”继续撞击物质中继续撞击物质中的其它原子，它的动能以热的其它原子，它的动能以热的形式消耗在附近晶格中；的形式消耗在附近晶格中；但有部分光电子逃逸出表面但有部分光电子逃逸出表面l l利用光电效应产生的光电子利用光电效应产生的光电子可以进行可以进行X X射线光电子能谱射线光电子能谱分析分析(XPS)(XPS)1921年年3737光电效应-荧光X射线伴随光电效应：l 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lX射线荧光分析（XRF）3838俄歇效应伴随光电效应l 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l俄歇电子能谱分析（A E S）3939电子对生成作用作用作用作用对象：对象：对象：对象：X-X-射线与物质原子在原子区相互作用射线与物质原子在原子区相互作用 过程过程：X-X-射线光子的能量射线光子的能量 1.02 MeV1.02 MeV 产生电子对（一个电子和一个正电子）产生电子对（一个电子和一个正电子）产生电子对（一个电子和一个正电子）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：二者静止质量所对应于的能量各为：二者静止质量所对应于的能量各为：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。4040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4141X射线的吸收宏观强度衰减规律 II0elx l l线吸收系数：表示单位厚度的物质对线吸收系数：表示单位厚度的物质对线吸收系数：表示单位厚度的物质对线吸收系数：表示单位厚度的物质对X X射线的吸收；射线的吸收；射线的吸收；射线的吸收；-与与与与X X射线的波长，吸收物质，吸收物质的物理状态射线的波长，吸收物质，吸收物质的物理状态射线的波长，吸收物质，吸收物质的物理状态射线的波长，吸收物质，吸收物质的物理状态有关。有关。有关。有关。l l mm，mm质量吸收系数：表示质量吸收系数：表示质量吸收系数：表示质量吸收系数：表示单位质量物质对单位质量物质对单位质量物质对单位质量物质对X X射线的吸收射线的吸收射线的吸收射线的吸收 -与吸收体的原子序数及与吸收体的原子序数及与吸收体的原子序数及与吸收体的原子序数及X X射线波长有关，射线波长有关，射线波长有关，射线波长有关，-与吸收体的密度（疏密，比如气体还是固体）无关与吸收体的密度（疏密，比如气体还是固体）无关与吸收体的密度（疏密，比如气体还是固体）无关与吸收体的密度（疏密，比如气体还是固体）无关4242质量吸收系数元素对不同波长元素对不同波长X X射线的射线的 可查表，也可计算可查表，也可计算求得，一般情况下，光电效应为主：求得，一般情况下，光电效应为主：式中：式中：KK常数常数 ZZ吸收体的原子序数吸收体的原子序数 XX射线波长射线波长吸收系数随着原子序数和波长剧烈变化吸收系数随着原子序数和波长剧烈变化4343吸收系数影响因素4444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4545当当当当X X射线的射线的射线的射线的 由大变小逼近由大变小逼近由大变小逼近由大变小逼近 K K时时时时因入射因入射X X射线光子能量射线光子能量(与波长有关与波长有关)恰好能激发某元素原子能恰好能激发某元素原子能级，级，X X射线能量被大量吸收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K，L等。4646吸收限(Absorption edge)吸收限是由吸收限是由光电效应引起的光电效应引起的光电效应引起的光电效应引起的。X X射线的射线的 K K时，产生光电效应时，产生光电效应 X X射线光子被吸收，光子的能量转变为光电子、俄歇电射线光子被吸收，光子的能量转变为光电子、俄歇电子和荧光子和荧光X X射线的能量，使射线的能量，使 发生突然发生突然。故。故 K K称为吸收称为吸收限。限。吸收限两侧随着吸收限两侧随着 的变化基本遵循经验公式的变化基本遵循经验公式 ，只是只是k k值各不相同。值各不相同。4747滤波片利用特征利用特征X X射线进行物相分析时，只用单色射线进行物相分析时，只用单色K K 谱线，须将谱线，须将K K 等滤掉，等滤掉，需使用滤波片。需使用滤波片。滤波片材料根据阳极靶元素而定，满足下列关系滤波片材料根据阳极靶元素而定，满足下列关系 ：KK(靶靶靶靶)K K(片片片片)KK(靶靶靶靶)Z Z靶靶4040时，时，Z Z滤波片滤波片=Z=Z靶靶1 1 Z Z靶靶4040时，时，Z Z滤波片滤波片=Z=Z靶靶2 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。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XRDXRDXPSXPSAESAESXRFXRF4949X射线与物质相互作用小结宏观效应宏观效应-X-X射线强度衰减，是射线强度衰减，是X X射线成像分析射线成像分析的物理基础的物理基础 射线成像射线成像射线成像射线成像X XCTCT微观机制微观机制-X-X射线被散射射线被散射,吸收吸收散射散射散射散射：相干散射：相干散射 XRDXRD 非相干散射非相干散射 吸收吸收吸收吸收：XPSXPS;XRFXRF；AUSAUS5050 X射线探测器气体电离室正比计数器正比计数器G-MG-M计数管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（image plate）X射线CCD微多道板胶片，荧光屏5151 气体电离室X X射线光子射线光子电离电离高压气体电离雪崩高压气体电离雪崩电信号电信号高压高压发生雪崩的阈值电场：发生雪崩的阈值电场：E 106V/m5252 正比计数器和G-M计数管两者都是以气体电离为基础的。每个两者都是以气体电离为基础的。每个X X射线光子进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。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当电压一定时，正比计数器所产生的脉冲大小与被吸收的收的X X射线光子的能量呈正比。如：吸收一个射线光子的能量呈正比。如：吸收一个CuKCuK光光子（子（hv=9000evhv=9000ev）产生一个）产生一个1.0 mV1.0 mV的电压脉冲。吸收的电压脉冲。吸收一个一个MoKMoK光（光（hv=20000evhv=20000ev）产生一个）产生一个2.2 mV2.2 mV的电压的电压脉冲；正比计数器的电压脉冲为脉冲；正比计数器的电压脉冲为mVmV量级。量级。盖革计数器由盖革计数器由盖革盖革(Geiger)(Geiger)和弥勒和弥勒(Mueller)(Mueller)发明，发明，制造制造简单、价格便宜、使用方便；死时间长，仅能用于计简单、价格便宜、使用方便；死时间长，仅能用于计数。数。5353 闪烁探测器（NaI）闪烁探测器闪烁探测器是利用射线在某些物质中产生的可见光可见光来探测X射线的闪烁体闪烁体光电倍增管光电倍增管(打拿打拿极极)反射层反射层管座管座分压器分压器高压高压多道或单道多道或单道光阴极光阴极阳极阳极荧光光荧光光子子光电子光电子暗盒暗盒窗窗前置放大器前置放大器 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。5454非晶硅（硒）平板探测器X X射线光子射线光子 闪烁体闪烁体可见光可见光 光电二极管光电二极管电荷信号电荷信号 非晶硅薄膜非晶硅薄膜模拟电信号模拟电信号数字电信号数字电信号用非晶硒可把X光直接转化为电信号5555半导体探测器Si（Li）/Ge（Li）X X射线光子射线光子半导体电离半导体电离电子孔穴迁移电子孔穴迁移载流子收集载流子收集电信号电信号半导体中的平均电离能与入射光子/粒子能量无关分辨能力强，分析速度快，检测效率100%.室温下产生电子噪声和热噪声。需液氮冷却。探头(晶体前置放大器低温装置)；谱放大器(稳定性，抗过载，极零调节，基线恢复等);多道脉冲幅度分析器(一般大于4000道)；计算机(谱解析软件及定量分析软件)。5656X射线的安全与防护辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生育等。X射线对人体影响的程度取决于：X射线的波长、强度、照射时间、照射部位等。铅可强烈吸收X射线。用铅（玻璃、围裙、眼镜）进行屏蔽。5757X射线物理基础小结历史与背景：了解产生：掌握产生：掌握X射线谱：重点掌握射线谱：重点掌握与物质相互作用：重点掌握与物质相互作用：重点掌握探测：了解安全：了解5858 练习练习1)1)为为何何X X射射线线管管的的窗窗口口由由BeBe制制成成，而而其其屏屏蔽蔽装装置置由由PbPb制成？制成？2)2)试试计计算算用用5050千千伏伏操操作作时时，X X射射线线管管中中的的电电子子在在撞撞击击靶靶时时的的速速度度和和动动能能，所所发发射射的的X X射射线线短短波波限限为为多多少少？3)3)请算出请算出CrCr靶在靶在75kV 75kV 下白色下白色X X射线的短波限射线的短波限0 0 值。值。4)4)请请 分分 别别 计计 算算 Mo Mo K K (=0.071nm)(=0.071nm)和和 Cu Cu K K(=0.154nm)(=0.154nm)X X射线的频率射线的频率f f和能量和能量E E。