X射线及高能粒子束发光解析.ppt

X射线及高能粒子束发光,主要内容,一：基础知识的普及1.发光机理，2.发展历史等二：研究现状：目前的基于X射线及高能粒子束的突破性研究等三：当下的研究瓶颈及解决方案的设想,1.1x射线激发发光,1.1.1x射线的产生由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。凡是以高速运动的电子，都能产生X射线。电子由于被急剧的阻止而失去自身的动能，此动能的大部分转化成热，一小部分转化为X射线辐射出来，如下图1.1，x射线是一种电磁波，波长0.001-1nm，也可以看做一种点此震荡的中性粒子束，每个x射线光子具有一定的能量,同时服从光的反射，衍射，等一般规律。,其中的两种辐射类型：,加速后的电子撞击金属靶。撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能（其中的1%）会以光子形式放出，形成X光光谱的连续部分，称之为制动辐射。加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出波长在0.1纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些部分，形成了X光谱中的特征线，此称为特性辐射。,1.1.2：x射线激发发光原理,x射线照射发光材料时，在基质晶格中会产生大量次级电子，这些次级电子可能进一步轰击基质晶格产生新波长的x射线。随后，新波长x射线再次被基质吸收并重复上述过程，导致二次电子的倍增。二次电子倍增的结果是激发晶体价带顶的电子到导带底，产生热激发电子空穴对，这些电子空穴对复合时就会产生发光现象。,1.1.3X射线激发发光的应用简介（材料）,a.当X射线发光材料以多晶粉末的形式被应用的时候，通常被称为“x射线荧光粉”，而以单晶的形式被应用时，称为“闪烁体”。下面介绍几个重要的应用：,（1）x射线直接观察屏：使用X射线荧光粉，要求屏的发光峰值接近人眼的光谱灵敏度曲线，即发光峰在520-560nm之间。（2）x射线增感屏：使用X射线荧光粉，其中的感光乳胶对本身对x光吸收很少，主要是屏中的荧光粉吸收x射线而发光，使乳胶感光。（3）x射线光激励存储荧光屏：使用X射线存储荧光粉。（4）x射线断层扫描技术荧光屏：该屏使用的是闪烁体，也就是透明单晶。,图1.2给出了配用增感屏的医疗x射线诊断系统原理。X射线通过患者身体后，由涂在屏上的x射线荧光粉进行检测。荧光粉把x射线激发能转换成光辐射，并使照相胶片感光。,区别：增感屏接收器使用的是x光胶片，图片在胶片上成像。存储发光屏接收器是图像转换板，通过存储发光屏暂时将x射线浅影按x射线剂量的比例存储起来，然后用一个调焦的He-Ne激光器发出的红色激光束对转换板进行扫描，用光电倍增管读取x射线信息，将光信号转变成电信号，存储在计算机中，最终将图像显示。,其中的x射线荧光光谱仪工作原理,x射线荧光光谱仪内部工作原理,用X射线照射固体时，由于光电效应，原子的某一能级的电子被击出物体之外，此电子称为光电子。如果X射线光子的能量为h，电子在该能级上的结合能为Eb，射出固体后的动能为Ec，则它们之间的关系为：h=Eb+Ec+Ws式中Ws为功函数，它表示固体中的束缚电子除克服各别原子核对它的吸引外，还必须克服整个晶体对它的吸引才能逸出样品表面，即电子逸出表面所做的功。上式可另表示为：Ebh-Ec-Ws可见，当入射X射线能量一定后，若测出功函数和电子的动能，即可求出电子的结合能。由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出，因而测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。这正是光电子能谱仪的基本测试原理。,2.1X射线发光材料的研究回顾,1896年:Pupin制备了第一种用作X射线发光材料为，其具有多晶体的晶体形貌，用它制作的浆液涂布增感屏可形成致密发光层，能有效降低光的散射与折射，但是它的X射线发射效率仅5%。1967-1994年:Bril等人又做出突出性研究，如下表显示：2003年：Liu等人研究了氧化物X射线发光特性等近年来，kandarakis等人提出稀土硫氧化物是一种非常好的x射线发光材料基质。,1.1.4：x射线发光的最新研究和实验,在中国科学院以及苏州大学相互合作下，基于上海光源XEOL(XRayExcitedOpticalluminescence)实验装置，在国内同步辐射装置上首次实现了纳秒时间分辨X射线激发发光光谱（TRXEOL）实验方法。整套TRXEOL实验装置由定时系统、光谱仪系统和核电子学系统三部分组成。TRXEOL实验技术是利用同步辐射X射线脉冲激发样品，在其后200ns左右的时间间隔内测量、记录并分析样品发光衰减过程。通过调节同步辐射X射线的能量，选择性地激发样品中不同的元素，进而可以确定样品的发光中心，与发光产额的XAFS方法相结合，可以进一步确定发光材料中发光体的局域结构.,特别是在研究具有复杂结构的发光材料，例如：纳米半导体材料、稀土闪烁材料、有机电致发光材料(OLED)等发光材料的发光机理，具有非常强大有效的作用。,挑战：为了实现纳秒量级时间分辨率的TRXEOL技术，需要解决了两个关键问题：其一，储存环电子束团实现了混合填充模式。加速器物理组在实现了一种混合填充模式（5mA单束团和225mA多束团，单束团前后的时间间隔约220ns），该模式仅初步经达到基本实验要求。其二，标定了储存环的时间结构以及精确地确定了样品的发光时间，定时系统是上海光源主定时系统在光束线站的延伸，提供的同步触发脉冲信号与单束团产生的X射线脉冲通过延时在样品点同步，同步精度现今仅可达6ps。,2.高能粒子束放光极光现象,极光诗歌！自然的规律安在？在半夜时升起了晨曦，这不是太阳设置的宝座，也不是冰封的海洋，而是闪动的火焰。啊！冰冷的火笼罩着我们，啊！虽说是夜里，白天却来到了人间。,是什么令明亮的射线在黑夜中抖动，又是什么在天空中触发了颀长的火？如同没有雷暴云的闪电，从地面向高空攀登，它究竟怎样成为凝结的蒸气仲冬时节变成了喷涌的火？罗蒙诺索夫俄,目前,许多科学家正在对极光作深入的研究.人们看到的极光,主要是带电粒子流中的电子造成的而且,极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量.用一个形象比喻,可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面.沉降粒子为电视机的电子束,地球大气为电视