X射线的性质重点.pptVIP

材料分析测试技术——X射线的性质 1.1引言 1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了一种新型的辐射，肉眼看不见，可使照相底片感光，并有很强的穿透力。X射线的本质、它与物质相互作用的基木原理己被深人研究，并在科学研究、医疗与技术工程上获得广泛应用，相应的设备和方法也在不断的发展中。 1.2 X射线的本质 X射线属于电磁波或电磁辐射 具有粒子性和波动性特点 波长为10-8cm，与晶体的晶格常数同一数量级 X射线以光子的形式辐射和吸收时具有质量、能量、动量 波长短，能量和动量大，穿透能力强 X射线的波动性表现在干涉和衍射 X射线的粒子性表现与物质相互作用交换能量 1.3 X射线的产生及X射线管 X射线是由高速运动着的带电（或不带电）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的 产生自由电子；电子定向高速运动；设置使其突然减速的障碍物 X射线管——带冷却水的大灯泡 X射线管实际上是一只真空二极管， 它有两个电极：作为阴极的用于发射电子的灯丝（钨丝）和作为阳极的用于接受电子轰击的靶（又称对阴极）。 X射线管供电部分至少包含有一个使灯丝加热的低压电源和一个给两极施加高电压的高压发生器。 由于总是受到高能量电子的轰击，阳极还需要强制冷却。 当灯丝被通电加热至高温时（达2000℃），大量的热电子产生，在极间的高压作用下被加速，高速轰击到靶面上。高速电子到达靶面，运动突然受阻，其动能部分转变为辐射能，以X射线的形式放出，这种形式产生的辐射称为轫致辐射。 轰击到靶面上电子束的总能量只有极小一部分转变为X射线能，靶面发射的X射线能量与电子束总能量的比率ε可用下面的近似公式表示： ε= 1.1×10－9 Z V 式中Z为靶材组成元素的原子序数，V为X射线管的极间电压（又称管电压），以伏特为单位。例如对于一只铜靶的X射线管，在30KV工作时，ε= 0.1%，而一只钨靶的X射线管在100KV条件下工作时，也不过ε= 0.8%。可见X射线管产生X射线的能量效率是十分低的，但是，目前X射线管仍是最实用的发生X射线的器件。 　 因为轰击靶面电子束的绝大部分能量都转化为热能，所以，在工作时X射线管的靶必须采取水冷（或其他手段）进行强制冷却，以免对阴极被加热至熔化，受到损坏。也是由于这个原故，X射线管的最大功率受到一定限制，决定于阳极材料的熔点、导热系数和靶面冷却手段的效果等因素。同一种冷却结构的X射线管的额定功率，因靶材的不同是大不相同的。例如，铜靶（铜有极佳的导热性）和钼靶（钼的熔点很高）的功率常为相同结构的铁、钴、铬靶的两倍。 在晶体衍射实验中，常用的X射线管按其结构设计的特点可分为三种类型： 1. 可拆式管——这种X射线管在动真空下工作，配有真空系统，使用时需抽真空使管内真空度达到10－5毫帕或更佳的真空度。不同元素的靶可以随时更换，灯丝损坏后也可以更换，这种管的寿命可以说是无限的。 2. 密封式管——这是最常使用的X射线管，它的靶和灯丝密封在高真空的壳体内。壳体上有对X射线“透明”的X射线出射“窗孔”。靶和灯丝不能更换，如果需要使用另一种靶，就需要换用另一只相应靶材的管子。这种管子使用方便，但若灯丝烧断后它的寿命也就完全终结了。密封式X射线管的寿命一般为1000—2000小时，它的报废往往并不是与因灯丝损坏，而是由于靶面被熔毁或因受到钨蒸气及管内受热部分金属的污染，致使发射的X射线谱线“不纯”而被废用。 3. 转靶式管——这种管采用一种特殊的运动结构以大大增强靶面的冷却，即所谓旋转阳极X射线管，是目前最实用的高强度X射线发生装置。管子的阳极设计成圆柱体形，柱面作为靶面，阳极需要用水冷却。工作时阳极圆柱以高速旋转，这样靶面受电子束轰击的部位不再是一个点或一条线段而是被延展成阳极柱体上的一段柱面，使受热面积展开，从而有效地加强了热量的散发。所以，这种管的功率能远远超过前两种管子。 对于铜或钼靶管，密封式管的额定功率，目前只能达到2 KW左右，而转靶式管最高可达90 KW。 1.4 X射线谱 由X射线管所得到的X射线，按其特征可以分成两部分：连续光谱和特征光谱，后者只与靶的组成元素有关。 X射线的强度是指垂直于X射线传播方向的单位面积上单位时间内光量子数目能量的总和。 强度由光子的能量和光子的数目决定 最大值不在λm，而在1.5λm 选用重金属靶并施以高电压 图1.6a描述了上述激发机理。处于K激发态的原子，当不同外层的电子（L、M、N…层）向 K层跃迁时放出的能量各不相同，产生的一系列辐射统称为K系辐射。 基于上述机制产生的X射线，其波长只与原子处于不同能级时发生电子跃迁的能级差有关，而原子的能级是由原子结构决定的，因此，这些有特征波长的辐射将能够反映出原子的结构特点，我们称之为特征光谱。