第二章 x射线的产生和性质

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1、X射线晶体学,邢丽丽 xinglili 东北大学理学院 建筑馆110,第二章 x射线的产生和性质,主要内容,2.1 X射线的产生 2.2 X射线的性质 2.3 X射线谱 2.4 X射线与物质的相互作用 2.5 X射线的探测与防护,2.1 X射线的产生,X射线的发生,1895年,德国物理学家伦琴(W.K.Rntgen,1845-1923)发现：用高速电子冲击固体时，有一种新射线从固体上发出来。 显而易见的特点:它能穿过不透明物质。人类历史上第一次观察到了人手骨骼的影象。 以数学上惯用的假定词X作为它的代名词.,X射线的获得,灯丝,真空,高压,X射线,金属靶,电子,一.真空管中以高电压加速电子束轰

2、击金属靶。 二.同步回旋加速器中产生：强度高、单色性好、频率可选择。 三.用X射线或低能射线激发（XIX）二次X射线。,x-射线通常是在真空度为10-310-5 Pa的x-射线管内，由高电压加速的一束高速运动的电子，冲击阳极金属靶而产生的。此中包括三个条件: 产生自由电子（如通过烧灯丝，热发射产生自由电子）; (b) 在一万至十万伏的高压下使自由电子加速，由阴极灯丝射向阳极金属靶； (c) 通过阳极金属靶对高速电子实施拦截。 x-射线是波长范围在约110000pm的电磁波，用于测 定晶体结构的x-射线，波长为50250pm,X射线管基本工作原理,X射线管的额定功率,特殊结构的X射线管,X射线衍

3、射仪,组成： （1）为X射线管提供稳定的数万伏高压电场的高压变压器； （2）为加热阴极灯丝用的低压稳压电源； （3）为设备操作所需的自动控制和指示装置。,同步辐射 光是一种电磁波，也是一种粒子，叫做光子。可以用波长或者频率表征光波，也可以用能量表征光波。光的波长可从10-4厘米到10-16厘米，相应于光子的能量为100电子伏到10E12电子伏。波长越短，能量越高. 在雨中快速转动雨伞时，沿伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。利用弯转磁铁可以强迫高能电子束团在环形的同步加速器以接近于光速作回旋运动，在切线方向会有电磁波发射出来。,同步辐射光源自1947年代诞生以来，已有近60年的历史，随着应用研究

4、工作不断深入，应用范围不断拓展，对同步辐射光源的要求也不断提高，并经历了三代的快速历史发展阶段。 第一代同步辐射光源是寄生于高能物理实验专用的高能对撞机的兼用机，如北京光源（BSR）就是寄生于北京正负电子对撞机（BEPC）的典型第一代同步辐射光源；第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用储存环的专用机，如合肥国家同步辐射实验室（HLS）；第三代同步辐射光源是基于性能更高的同步辐射专用储存环的专用机，如上海光源(SSRF)。 目前世界上已建成的第一代同步辐射光源有17台，第二代有23台，第三代有13台（包括我国台湾及南韩的各1台），正在建造和设计的第三代同步辐射光源有12台。预计到2010年前后，每

5、天将有上万名科学家和工程师同时使用这些同步辐射光源，从事前沿学科研究和高新技术开发。 第一代、第二代、第三代同步辐射光源之间的最主要的区别，是在于作为发光光源的电子束斑尺寸或电子发射度的迥异。例如第二代的合肥同步辐射光源，其电子束发射度约150纳米弧度，而第三代的上海光源，其电子束发射度约4纳米弧度，二者相差近40倍，结果得到的光亮度差1600倍，近三个量级！另一显著差别是可使用的插入件的数量悬殊，第二代光源仅能安装几个插入件，而第三代光源可有十几个到几十个插入件。由于插入件产生的光较之弯转磁铁产生的光具有更高的亮度和更好的性能，可见插入件数量的多寡可直观地表征光源的性能的优劣。,200MeV

6、,425keV,3.5GeV,同步辐射光的特点 高强度 如用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。高亮度的特性决定了同步辐射光源可以用来做许多常规广源所无法进行的工作。 宽波谱 同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射 线一直延伸到硬X射线（如图），是目前唯一能 覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。 利用单色器可以随意选择所需要的波长，进行单 色光的实验。 高准直性 利用同步辐射光学元件引出的同步辐射广源具有 高度的准直性，经过聚焦，可大大提高光的亮度， 可进行极小样品和材料中微量元素的研究。 脉冲性 同

7、步辐射光是由与储存环中周期运动的电子束团 辐射发出的，具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。 利用这种特性，可研究与时间有关的化学反应、 物理激发过程、生物细胞的变化等。 偏振性 与可见光一样，储存环发出的同步辐射光根据观察 者的角度可具有线偏振性或圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。,同步辐射应用,1895年德国物理学家伦琴发现了X射线，后人为了纪念他，将其称为伦琴射线。 伦琴在实验室的发现结果表明：X射线是用人的肉眼不可看见的，但是能够使某些物质（铂氰化钡）发出可见的荧光；具有感光性，能使照相的底片感光；具有激发本领，使气体电离。 实际观测还表明：X射线沿直线传播，经过电场时不发生偏转；

8、具有很强的穿透能力，波长越短，穿透物质的能力越大；与物质能相互作用。 另外，X射线通过物质时可以被吸收，使其强度衰减，偏振化即经过物质后，某些方向强度强，某些方向强度弱；能够杀死生物细胞，在实验中需要特别保护。,2.2 X射线的一些基本特性 不引起人们的视觉，但可使荧光物质发光，使照相底片感光，使固、液、气体物质电离。 一般不反射，折射很小，折射率近似为1，1-n10-510-6，可以衍射。 对物质有很强的穿透力。 能够杀伤生物细胞。,X射线是一种波长较短的电磁波，是由高能电子的减速或由 原子内层轨道电子的跃迁产生的，本质与可见光相同 。 波长范围：1000.01，一般用于晶体衍射波长2.50

9、.5。 用于金属材料探伤的波长在10.05。 X射线谱：连续谱、标识谱。 不能被磁场所偏转。,2.3 X射线谱 （1）连续谱,X射线管的高压增加时，（保持管电流不变），可得不同的 强度-波长曲线。产生机理：高能电子的减速。,钨靶连续x射线谱,特点： 电压加的越大，强度I越高； 强度I均有最高值，电压越大，I的最高值向短 波方向移动； 每个电压下的曲线均有一个短波极限0。,形成机制,能量转换的几种形式,（2）标识谱（特征谱）,以K系为例,产生机制,X射线管真空度约为10-6mmHg（133.322Pa）；高压：3060kV。 几率最大的是L层电子往K层空轨道跃迁，其次是M层电子往K层空轨道跃迁。

10、 在X射线激光难题学所使用的衍射方法中，除劳埃法是使用白色光之外，其他方法都是使用特征波长的单色X射线。 不同的金属由于其电子能态不同，所发出的特征X射线的波长也不同。这是应用X射线光谱方法鉴定各种不同元素的主要依据。,以Cu靶为例，当电压达到3540 kV时，x光电管内被加速的电子足以将Cu原子内层的K电子（即1s电子）轰击出来，然后次内层L电子(2s和2p电子)补入K层中的空位。由于L层和K层的能级间隔是固定的，发射出=1.5418的CuK射线。一般在实验中，在产生K射线的同时，还有由于M层（即3s、3p、3d）电子补入K层时所辐射出的K射线，（Cu K=1.3922）。,2.4 X射线和

11、晶体的相互作用,X射线的吸收,X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射的X射线的能量变成了光电子，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X射线真吸收的过程。,晶体吸收的x-射线一部分以光电效应与晶体相 互作用，产生光电子和频率低于原生x-射线的次生 荧光射线（产生次生荧光射线和产生原生特征x-射 线的机理相同）； 另一部分则以散射效应与晶体相作用（x-射线 散射指物质中的电子与x-射线相互作用，使x-射线 进入晶体后一部分改变了方向的现象），由于原子 核质量较大，在x-射线的作用下，位移小，散射效 应很小，故散射主要在x射线与电子之间发生。散 射有相干散射与不相干散射之

12、分，其中不相干散射 的机理可示意如下：,由于次生x射线的方向和波长均发生变化故称为不相干散射。,散射过程的一般描述,相干散射所产生的次生x射线，其波长、周相与 原生 x-射线都相同，只是方向有了变化。 相干散射是x-射线在晶体中产生衍射的基础。 相干散射的机理为：当晶体中的电子在x射线电磁场 的作用产生受迫振动时，每一受迫振动的电子便成 为新的电磁波波源向空间各个方向辐射球面电磁 波，由于电子随着原生x射线的电场起伏振动，其振 动频率和周相与原生x射线相一致，所以，由电子振 动产生的散射波也是x射线，称为次生x射线。 由于这些次生x射线符合相干条件，它们将产生 干涉现象，即它们通过叠加而产生相

13、互加强或消弱 的现象。,由于晶体内部具有点阵式的周期结构，我们可 以将诸电子或原子产生次级x射线的干涉分为两类情 况来讨论： 一是由点阵中阵点上的原子或电子所产生的次生x射线互相干涉的情况; 二是与点阵点所代表的结构基元的具体内容有关的点，或者说与晶胞中原子的分布位置有关的点所产生的次生x射线间相互干涉的情况. 前者决定晶体的衍射方向，后者决定晶体的衍射强度。,X射线强度的减弱 假定：X射线束通过很薄的一层物质时，光强的减弱与 这一层物质的厚度dx及射线束强度I呈正比，,积分后得,X射线的减弱（散射和吸收）是X射线和原子的电子相互作 用的结果。不仅与厚度有关，并且还决定于物质的性质（原子 序数

14、Z）和物质的密度（）。 减弱系数与入射X射线的波长有关。波长越长，减 弱程度越大，对物质的穿透能力越弱。,对于短波长，特别是对于常用阳靶金属材料（CrMo）所给出的白色连续辐射波段，由轻的元素所组成的晶体物质所产生的散射效应将比吸收效应更为严重。 随晶体物质的元素的原子序数的增加，特别是波长的增加，物质对入射光的吸收效应增强速度比散射效应的增强速度快得多。 常用的阳靶金属材料（ CrMo）的特征K射线，即使在有机晶体中，吸收效应已经占优势，而散射效应可以忽略不计。,吸收极限：曲线上的一系列断点。 产生原因：物质吸收X射线后将使 物质中原子的某些电子改变其量子状 态，X射线波长变大，其光量子能量 下降并到一极限值时，光量子的能量 不能使电子的量子能态过渡，这个能量的量子不能被吸 收。,吸收现象的应用,为了获得单色波长，需将K射线及白色射线除去，一种方法是选择一种金属，它的吸收限波长位于K和K之间，用这种金属薄片作滤波片，吸收掉K射线。,几种阳靶材料所发射的特征X射线波长及相应的滤波材料,2.5 X射线探测与防护,