现代材料检测第一章 射线物理学基础幻灯片.ppt

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1、现代材料检测 第一章 射线物理学基础1 1第1页，共61页，编辑于2022年，星期日概 论材料分析测试技术：是关于材料成分、物相结构、微观形貌和晶体缺陷等的现代分析、检测技术及其有关理论知识的科学。第2页，共61页，编辑于2022年，星期日概 论材料显微组织结构和成分？材料显微组织结构和成分？-以控制材料性能以控制材料性能？显微组织结构显微组织结构（相成分及分布、晶体结构、晶体缺陷、晶粒大小和形貌、界面、内应力等）-性能性能（力学、物理）采用现代检测分析技术：三个部分第3页，共61页，编辑于2022年，星期日本课程内容及要求1.内容：X射线衍射分析射线衍射分析的基本原理、实验方法及应用；透射电

2、镜、扫描电镜等电子透射电镜、扫描电镜等电子显微分析技术显微分析技术的基本原理与方法及应用；高聚物材料等分析测试技术基本原理及应高聚物材料等分析测试技术基本原理及应用。用。2.课时分配：课时分配：16+2；18+4；14+2第4页，共61页，编辑于2022年，星期日第5页，共61页，编辑于2022年，星期日2.目的：掌握基本原理、过程、装备及应用，掌握基本知识、技能、必要的基础理论。3.要求：不同材料，正确选择其分析检测方法；能分析检测结果；可以与检测专业人员商讨材料分析研究的实验方案；具备从事材料分析检测工作的基本能力和新技术的自学能力。第6页，共61页，编辑于2022年，星期日4.难点：测试

3、方法的基本原理及其相关理论的了解5.重点：测试技术的应用根据不同的材料及其性能要求采取相应的分析测试技术并分析其结果第7页，共61页，编辑于2022年，星期日X射线的应用包括：射线的应用包括：物相分析：物相分析：测得的点阵平面间距及衍射强度测得的点阵平面间距及衍射强度 测定点阵参数测定点阵参数 取向分析：测定单晶取向和多晶的结构取向分析：测定单晶取向和多晶的结构 晶粒大小晶粒大小 宏观应力：宏观应力：测量点阵平面在不同方向上的间距的变化测量点阵平面在不同方向上的间距的变化 对晶体结构不完整性的研究：对层错、位错等对晶体结构不完整性的研究：对层错、位错等 合金相变：有序无序转变等合金相变：有序无

4、序转变等结构分析：对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参结构分析：对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据数、对称性、原子位置等晶体学数据 液态金属和非晶态金属研究非晶态金属和液态金属结构液态金属和非晶态金属研究非晶态金属和液态金属结构 第8页，共61页，编辑于2022年，星期日底片显影后的手指骨世界上第一位诺贝尔奖获得者？Frau Rntgens handFrau Rntgens hand第9页，共61页，编辑于2022年，星期日第一章第一章 X射线的性质射线的性质1.X射线的发现与产生射线的发现与产生1.1 X1.1 X射线的发现：射线的发现：

5、1895年，德国物理学家伦琴在研究真空管高压放电现象时年，德国物理学家伦琴在研究真空管高压放电现象时偶然发现，也叫伦琴射线。因此，偶然发现，也叫伦琴射线。因此，1901年成为世界上第一年成为世界上第一位诺贝尔奖获得者。位诺贝尔奖获得者。第10页，共61页，编辑于2022年，星期日与与X X射线及晶体衍射有关的射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者部分诺贝尔奖获得者第11页，共61页，编辑于2022年，星期日1895年，德国物理学家伦琴（Rntgen,W.C.）发现X射线1912年，德国物理学家劳厄（Von.Laue,M）等人发现X射线 在晶体中的衍射现象，确证X射线是一种电磁波电磁波1912年

6、，英国物理学家布喇格父子(Bragg,W.H;Bragg,V.L.)开创X射线晶体结构分析的历史第12页，共61页，编辑于2022年，星期日 凡是高速运动的电子流或其它高能辐射流（如凡是高速运动的电子流或其它高能辐射流（如 射线，射线，X X射线，射线，中子流等）被突然减速时均能产生中子流等）被突然减速时均能产生X X射线。射线。1.2 X射线的产生：射线的产生：第13页，共61页，编辑于2022年，星期日1.2 X1.2 X射线的产生：射线的产生：射线的产生：射线的产生：高速运动着的带电（或不带电）与某种物质相撞击后突然减速或停高速运动着的带电（或不带电）与某种物质相撞击后突然减速或停止运动

7、，粒子的大部分动能（约止运动，粒子的大部分动能（约9999）都转变为热能，小部分能量）都转变为热能，小部分能量（约（约1 1）转化为）转化为 X X 射线能量。射线能量。图11 X射线管剖面示意图第14页，共61页，编辑于2022年，星期日1.2.1 X射线产生的基本条件：射线产生的基本条件：1.产生自由电子；2.使电子作定向高速运动；3.在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物；第15页，共61页，编辑于2022年，星期日1.2.2 X射线产生装置示意图解释：射线产生装置示意图解释：1.阴极 发射电子；2.阳极 又称为靶。使电子突然减速并发射X射线；3.铍窗口 X射线射出的通道。要求足够的

8、强度以维持管内的高真空，对X射线的吸收较小。第16页，共61页，编辑于2022年，星期日1.3 X射线的本质射线的本质属电磁波或电磁辐射，具有波粒二象性（波动性和粒子性）。波粒二象性是X射线的客观属性，不同条件下分别突出地表现其两方面地特性我们需同时接受波动性和粒子性两种模型我们需同时接受波动性和粒子性两种模型 第17页，共61页，编辑于2022年，星期日1.3 X射线的本质射线的本质波动性表现为：以波动的形式传播，具有一定的频率和波长 波动性特征反映在物质运动的连续性和在传播过程中发生的干涉、衍射现象第18页，共61页，编辑于2022年，星期日1.3 X射线的本质射线的本质 粒子性突出表现为

9、：在与物质相互作用和交换能量的时候在与物质相互作用和交换能量的时候 X射线由大量的粒子流(能量能量E E、动量、动量P P、质量、质量m)m)构成，粒子构成，粒子流称为光子流称为光子 当X X射线与物质相互作用时，光子只能整个被原子射线与物质相互作用时，光子只能整个被原子或电子吸收或散射（以一个光子的能量为单位）或电子吸收或散射（以一个光子的能量为单位）第19页，共61页，编辑于2022年，星期日波长(0.001-10nm)能量和动量很大，具有穿透性。晶体结构分析(0.25-0.05nm)电磁波谱波动性和粒子性参量之间关系：h hc/h为普朗克常数 桥梁作用第20页，共61页，编辑于2022年

10、，星期日2.X射线谱射线谱 X X射线管阳极靶发射出的射线管阳极靶发射出的X X射线谱分为射线谱分为两类：连续两类：连续X X射线谱和特征射线谱和特征X X射线谱。射线谱。第21页，共61页，编辑于2022年，星期日图图21 各管电压下各管电压下Mo阳极的阳极的X射线谱射线谱返回返回第22页，共61页，编辑于2022年，星期日2.1 2.1 连续连续X X射线谱定义射线谱定义定义：定义：波长在一定范围连续分布的波长在一定范围连续分布的波长在一定范围连续分布的波长在一定范围连续分布的X X射线，射线，I I I I和和和和 构成连续构成连续构成连续构成连续X射线谱射线谱当管压很低（小于当管压很低

11、（小于当管压很低（小于当管压很低（小于20KV 20KV 时），由某一短波限时），由某一短波限时），由某一短波限时），由某一短波限0 0开始直到开始直到波长无穷大波长无穷大，波长连续分布波长连续分布波长连续分布波长连续分布随管压增高，随管压增高，随管压增高，随管压增高，X X X X射线强度增高，连续谱峰值所对应的波长射线强度增高，连续谱峰值所对应的波长射线强度增高，连续谱峰值所对应的波长射线强度增高，连续谱峰值所对应的波长（1.5 1.5 1.5 1.5 0处处处处)向短波端移动向短波端移动 0 0 正比于正比于正比于正比于1/V,1/V,与靶元素无关与靶元素无关与靶元素无关与靶元素无关第2

12、3页，共61页，编辑于2022年，星期日强度强度I I：由单位时间内通过与：由单位时间内通过与X X射线传播方向垂射线传播方向垂直的单位面积上的光量子数的能量总和决定直的单位面积上的光量子数的能量总和决定（粒子性观点描述）（粒子性观点描述）单位时间通过垂直于传播方向的单位截面上的单位时间通过垂直于传播方向的单位截面上的能量大小，与能量大小，与A A2 2成正比（波动性观点描述）成正比（波动性观点描述）第24页，共61页，编辑于2022年，星期日2.2 2.2 短波限的出现短波限的出现 对对X X射线管施加不同电压时，在射线管施加不同电压时，在X X射线射线的强度的强度I I 随波长随波长变化的

13、关系曲线中，在变化的关系曲线中，在各种管压下的连续谱都存在一个最短的各种管压下的连续谱都存在一个最短的波长值波长值0，称为短波限。，称为短波限。第25页，共61页，编辑于2022年，星期日a.经典电动力学概念解释：一个高速运动电子到达靶面时，因突然减速产生很大的负加速度，负加速度引起周围电磁场的急剧变化，产生电磁波，且具有不同波长，形成连续X射线谱。2.3 2.3 连续连续X X射线谱的形成：射线谱的形成：第26页，共61页，编辑于2022年，星期日b.量子理论解释：*电子与靶经过多次碰撞，逐步把能量释放到零，同时产生电子与靶经过多次碰撞，逐步把能量释放到零，同时产生一系列能量为一系列能量为h

14、 hi i的光子序列，形成连续谱 *存在 ev=hmaxmax，max=hc/=hc/0,0为短波限，从而推为短波限，从而推出出 0 01.24/V（nm)（V V为电子通过两极时的电压降，与管压有关）。*一般一般 ev h,在极限情况下，极少数电子在一次碰撞在极限情况下，极少数电子在一次碰撞中将全部能量一次性转化为一个光量子中将全部能量一次性转化为一个光量子第27页，共61页，编辑于2022年，星期日C.X射线连续谱变化规律解释：01.24/V（nm)式说明，短波限只与管压有关，固定管压，改变管电流和靶时，0不变。管压增高，电子与靶碰撞次数及X射线光量子的能量增高，所以连续谱各波长的强度相应

15、增高，各曲线峰值对应的值和0都向短波方向移动。第28页，共61页，编辑于2022年，星期日2.4 X2.4 X射线管的效率射线管的效率 KZV 为提高效率，Z，V必大。常选用钨靶，高管电压。K为常数，Z为阳极靶原子序数，V为管电压 第29页，共61页，编辑于2022年，星期日3.特征（标识）特征（标识）X射线谱射线谱3.1 特征X X射线谱的定义射线谱的定义对于一定元素的靶，当管压小于某一限度时，只激发连续谱，对于一定元素的靶，当管压小于某一限度时，只激发连续谱，管压增高，射线谱曲线只向短波方向移动，总强度增高，本质管压增高，射线谱曲线只向短波方向移动，总强度增高，本质上无变化。上无变化。当管

16、压超过某一临界值后，在连续谱某几个特定波长特定波长的地方，强度突然显著增大，峰窄且尖锐，这些峰对应的波长只与靶的原子序数有关，与管压和管电流无关。因这种强度与管压和管电流无关。因这种强度峰的波长反映了物质的原子序数特征，故叫峰的波长反映了物质的原子序数特征，故叫特征特征X X射线，由特，由特征征X X射线构成的射线构成的X射线谱叫特征射线谱叫特征X射线谱。射线谱。（图（图31）第30页，共61页，编辑于2022年，星期日3.2 临界激发电压产生特征产生特征X X射线射线需要的最低电压叫激发电压。（见图。（见图3 31 1）第31页，共61页，编辑于2022年，星期日图31 特征X射线谱和K 双

17、重线第32页，共61页，编辑于2022年，星期日3.3 特征X X射线谱产生的机理高速运动的粒子（电子或光子）将靶材原子核外电子击出去，或击到原子系统外，或填到未满的高能级上，原子的系统能量升高，处于激发态。为趋于稳定，原子系统自发向低能态转化：较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，这一降低的能量以一个光子的形式辐射出来变成光子能量，且这降低能量为固定值（因原子序数固定），因而固定，所以辐射出特征X射线谱。第33页，共61页，编辑于2022年，星期日K系激发（K系辐射）：原子处于激发态后，外层电子便向内层跃迁，同时辐射出特征X射线。我们把K层电子被击出的过程叫K系激发，随之的电子跃迁所引起的辐

18、射叫K系辐射。（图32）第34页，共61页，编辑于2022年，星期日 图图3 32 2 原子能级示意图原子能级示意图第35页，共61页，编辑于2022年，星期日3.3 3.3 特征X X射线谱产生的机理？临界激发电压 eVk=-Ek=Wk？K 线比K 线波长长而强度高：能量差kL=hc/K KM=hc/K,kL K;跃迁几率L K 5倍跃迁几率M K，故I K I K 第36页，共61页，编辑于2022年，星期日不同阳极靶元素的原子序数与特征谱波长之间的关系不同阳极靶元素的原子序数与特征谱波长之间的关系：莫塞莱定律：特征X射线谱的频率或波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，与其他外界因素无关。

19、是X X射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分析的理论基础。利用标样定K和和，确定原子序数确定原子序数Z Z。第37页，共61页，编辑于2022年，星期日在X射线衍射中，主要是利用K线作辐射源因为：L系和M系射线波长太长，容易被物质吸收；X射线连续谱只增加衍射花样的背底，不利于衍射花样的分析，希望I特征/I连续 越大越好当工作电压为K系激发压3-5倍时，I特征/I连续 最大第38页，共61页，编辑于2022年，星期日4.X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用X射线的散射；X射线的吸收；X射线的衰减规律；吸收限的应用；实验室条件下对X射线的安全防护第39页，共61页，编辑于2022年，星期日4

20、.X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 当一束当一束当一束当一束X X射线通过物质时，其能量可分为三部分，即一部分射线通过物质时，其能量可分为三部分，即一部分射线通过物质时，其能量可分为三部分，即一部分射线通过物质时，其能量可分为三部分，即一部分被散射被散射被散射被散射，一部分一部分一部分一部分被吸收被吸收被吸收被吸收，而其余部分则，而其余部分则，而其余部分则，而其余部分则透过物质继续沿原来的方向传播。透过物质继续沿原来的方向传播。透过物质继续沿原来的方向传播。透过物质继续沿原来的方向传播。第40页，共61页，编辑于2022年，星期日4.X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 散射能

21、量；吸收能量；透过物质传播的能量。4.1 x-射线的散射（两种散射效应）相干散射：对象：物质原子中束缚较紧的内层电子能量来源：撞击光子的全部能量效应：电子绕其平衡位置发生受迫振动，并作为新波源向四周辐射电磁波，叫X射线散射波特点：散射波之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的光干涉条件，可发生干涉作用故称为相干散射。(一个电子散射X射线的强度Ie）第41页，共61页，编辑于2022年，星期日一个电子将X射线散射后，在距电子为R处P点的强度Ie可表示为：第42页，共61页，编辑于2022年，星期日汤姆孙公式的分析：电子对电子对X X射线的散射特点：与入射波频率无关与入射波频率无关强度与到电子

22、的距离的平方成反比，散射线强度很弱，是强度与到电子的距离的平方成反比，散射线强度很弱，是大量电子散射波干涉结果大量电子散射波干涉结果一束非偏振的入射一束非偏振的入射Xrayray经过电子散射后，其散射强度在空间各个方向是不相同的，被偏振化了第43页，共61页，编辑于2022年，星期日汤姆孙公式的分析：汤姆孙公式的分析：汤姆孙公式的分析：汤姆孙公式的分析：2 2 0 0，散射强度最大为，散射强度最大为1 1，垂直方向为，垂直方向为1/21/2偏振化的程度取决于散射角偏振化的程度取决于散射角2 2 的大小。的大小。将将 称为偏振因子（极化因子）。称为偏振因子（极化因子）。任何物质的散射因子定义为相

23、当于汤姆孙公式散射的电子数（绝对单任何物质的散射因子定义为相当于汤姆孙公式散射的电子数（绝对单位位），晶体中散射的基本单元是电子。，晶体中散射的基本单元是电子。(原子核散射强度极弱原子核散射强度极弱)第44页，共61页，编辑于2022年，星期日非相干散射：对象：物质原子中束缚力不大的外层电子或价电子或金属晶体中的自由电子能量来源：撞击光子的一部分动能效应：成为反冲电子，原X射线光子因部分能量损失，波长增加，与原方向偏离2 角特点：量子散射波散布于空间各方向、频率不相同、位相不存在确定关系，不能发生干涉作用故称为非相干散射。第45页，共61页，编辑于2022年，星期日4.2 x-射线的衰减物质对

24、X射线的吸收：X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗，其强度发生衰减。主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应光电效应(荧光荧光X射线射线射线射线)和俄歇效应。俄歇效应。第46页，共61页，编辑于2022年，星期日4.2.1 二次特征辐射光电效应是入射X射线的光量子与物质原子中电子相互碰撞时产生的物理效应。当入射光量子的能量足够大时，可以从被照射物质的原子内部击出一个电子，同时原子的外层高能态电子要向内层空位跃迁，辐射出波长一定的特征X射线。这种由X射线激发所产生的特征X射线称为二次特征X射线或荧光X射线。4.2 x-射线的吸收第47页，共6

25、1页，编辑于2022年，星期日激发二次特征辐射时，入射X射线光量子的能量被激发出的电子吸收，并转变为电子能量，使电子逸出原子外，这种电子称光光电子电子，也称光电效应光电效应。第48页，共61页，编辑于2022年，星期日4.2.1 二次特征辐射产生K系荧光辐射时，入射光子的能量必须大于或等于K层电子的逸出功：Vk 为K系辐射的激发电压第49页，共61页，编辑于2022年，星期日4.2.1 二次特征辐射K系辐射的激发限：只有入射X射线的 K1.24/VK(nm)时，才能产生K系荧光辐射，在讨论光电效应产生条件时，K 叫K系辐射激发限；在讨论X射线被物质吸收（光电吸收）时，K 叫吸收限。第50页，共

26、61页，编辑于2022年，星期日4.2.2 俄歇电子 入射X射线光子激发物质原子中的电子，产生电子跃迁，同时将释放能量，一种方式是产生荧光辐射；另一种是被邻近电子或较外层电子所吸收，促使该电子受激发逸出原子外，变成二次电子，叫俄歇电子。第51页，共61页，编辑于2022年，星期日图图4 41 1 光电子、俄歇电子和荧光光电子、俄歇电子和荧光X X射线三种过程示意图射线三种过程示意图见第52页，共61页，编辑于2022年，星期日4.2 x-射线的衰减4.2.3 X4.2.3 X射线的衰减规律（物质对射线的衰减规律（物质对X X射线的吸收与吸收系数）射线的吸收与吸收系数）当当X X射线通过物质时，

27、由于散射和吸收等作用，其强度发生衰减，其射线通过物质时，由于散射和吸收等作用，其强度发生衰减，其衰减量正比于通过物质的厚度衰减量正比于通过物质的厚度dx dx 线吸收系数线吸收系数 ：dI/I=dI/I=dx X dx X射线在传播方向上，单位长度的强度射线在传播方向上，单位长度的强度衰减程度。衰减程度。质量吸收系数质量吸收系数 m m：mm /物质密度物质密度 mmK K3 3 Z Z3 3 （单位重量物质对（单位重量物质对X X射线的衰减量）射线的衰减量）随随减小，减小，m m 减小，至减小，至kk时，突变增大。时，突变增大。k k吸收限吸收限第53页，共61页，编辑于2022年，星期日因

28、此，当波长变短时，质量吸收系数变小因此，当波长变短时，质量吸收系数变小当波长减小到K时，质量吸收系数突变（增大），这是时，质量吸收系数突变（增大），这是由于入射光子能量由于入射光子能量h h 达到了激发该物质K K层电子的数值，从而大量被吸收，同时引起二次特征辐射。当当X射线通过多种元素组成的物质时，其质量吸收系数为：射线通过多种元素组成的物质时，其质量吸收系数为：NN种元素组成，Wi为各元素的质量分数，为第i元素的质量吸收吸收第54页，共61页，编辑于2022年，星期日物质对X射线的吸收由两种方式：I.散射吸收，能量占极少部分II.真吸收：是激发原子内部电子跃迁及热振动引起的，如物质吸收X射

29、线时产生的光电效应（逃出光电子）、荧光X X射线、俄歇电子等 上述吸收构成用质量吸收系数上述吸收构成用质量吸收系数/表征的全吸收。表征的全吸收。4.2 x-射线的吸收第55页，共61页，编辑于2022年，星期日4.3 吸收限的应用吸收限的应用4.3.1 4.3.1 为了滤掉 K 线，得到波长较单一的X X射线射线质量吸收系数为质量吸收系数为m m、吸收、吸收限为 K的物质，可以强烈地吸收 K 这些波长的入射X射线，对于 K 的的X射线吸收很少。因此选择射线吸收很少。因此选择 K 滤波片滤波片 K KK（见图4-2)滤波片材料是根据靶材元素确定的：表滤波片材料是根据靶材元素确定的：表1-2当Z靶

30、40时，Z片片 Z靶靶1当Z靶 4040时，Z Z片片 Z靶2第56页，共61页，编辑于2022年，星期日图4-2 铜辐射在通过镍率波片以前a和以后b的强度比较，虚线为镍的质量吸收系数第57页，共61页，编辑于2022年，星期日4.3.2 阳极靶的选择为避免入射X射线在试样上产生荧光X射线，且被试样吸收最小，若试样的K系吸收限为 k，则应选择靶的K 略大于 k 一般由如下经验公式：Z靶 Z试样1第58页，共61页，编辑于2022年，星期日如何选用靶材？例如：分析Fe试样时，应该用Co靶或Fe靶，而不能用Ni靶因为Fe的k0.17429nm，Ni靶的K 射线 波长k0.16591nm,Fe26 Co27 Ni28第59页，共61页，编辑于2022年，星期日小结：X射线与物质相互作用的能量转换过程：第60页，共61页，编辑于2022年，星期日5.实验室条件下对实验室条件下对X射线的安全防护射线的安全防护X光操作的注意事项：最大限度减少X射线泄漏。不要直接暴露在X射线光束下在需要屏蔽的地方采用铅屏或铅玻璃屏，因重金属铅可强烈吸收铅。第61页，共61页，编辑于2022年，星期日