X-ray工作原理

1、X-RAY 的工作原理 石英晶体是各向异性之晶体, 石英晶片的切割方位稍有不同, 温度特性就有很大的差别。X光定向就是目前準確測定晶片方位的最佳方法.一、 X射线的产生原理:1. X射线管中的阴板(灯丝)所发射的电子快速轰击阳板(靶面), 使阳极中的原子受到轰击后, K层电子脱离轨道转移到能量较高的外层(或者将电子层中的电子轰出该原子系统, 从而产生电离)。同时, 外层电子跃入内层空位, 跃迁中能量转化具有一定波长和频率的光子, 这种射线称为X射线。 对于不同材料的阳极(靶子), 其射线波长是不同的。如表: 靶子元素原子序數Ka1(埃)Ka2(埃)Ka*(埃)K (埃)k (埃)Vk(千伏)適

2、宜的工作電壓(千伏)被強烈吸收射元素KaKCr242.289622.293512.29092.084802.07015.9820-25TiScCaVFe261.935971.939911.93731.756531.74337.1025-30CrVTiMnCo271.788921.792781.79021.620751.60817.7130MnCrVFeNi281.657841.661691.65911.500101.48808.2930-35FeMnCrCoCu291.540511.544331.54181.392171.38048.2635-40CoFeNbNiMo420.709260.71

3、3540.71070.632250.619820.050-55YSrRuNb,ZrAg470.559410.563810.56090.497010.485525.555-60RuMoNbPb,Rh因此, 我们在为X光机高压时, 需要暖机30分钟, 其作用就是让X射线管中产生一定量的光子, 这样才会保證X射线在晶体中的衍射强度。我们通常采用铜靶X光管。銅靶所产生的特征X射线有K和K两种, 而K又有 K1与K2 两种, 它们波长分别为: K1=1.53748A0 K2=1.5412A0 K=1.3892A0三种射线强度比为: K1: K2: K=50:100:22所以, 我们又习惯称之为X光反射。

4、 入射光即入射X射线, 反射线即衍射光, 界面即相应的原子面。為了提高定向的精準度和消除K射線的影響,可在X光管的窗口加一個濾光片,銅靶的濾光片采用為0.021mm的鎳片 .2. X射线管在使用的过程中, 会产生高温, 因此在使用之前一定要检查排风扇的使用状况。. 二、 X射线在晶体中的衍射状况1. X射线进入晶体后, 即引起晶体中原子周圍的电子产生振动(跃迁), 随着振動就产生X射线(稱為次X射線), 它的频率和波长与原X射线相同, 而强度甚弱. 单一原子产生的X射线是微不足到的,但晶體中的原子呈週期性重复排列,因此,所發生的X射線会发生干涉现象,其干涉结果是X射线的互相重叠而加强, 或互相

5、抵消而减弱.晶体中各原子所放出的X射线在不同的方位上, 其行程也不同, 只有当某个方向行程差等于波长整数时, 各原子所产生的X射线将形成一系列的球面波, (如图)沿着这些波面作公切线, 其法线方向即为散射波相互叠加的方向, 从而在该方向产生衍射.平行於原子排列的公切線稱為0級, 衍射束的波前順次相差一個波長的球面波公切線為一級衍射, 按射線束波前依此類推可以得到1,2,3級衍射, 隨著衍射级別的升高, 其衍射角增大, 而衍射強度減弱。故在晶體定向時,盡可能選用一級衍射.2. 布拉格定律: 產生”反射”的條件是相鄰網面所反射的X射線的行程差等於波長的整數倍. n=2dsin n:1,2,3,衍射

6、級次 :X射線波長 d:原子面間距 :x射線與原子面間夾角3.衍射强度的大小取决于以下几点: (1)X光机的电流的大小. X光机的电流越大, 电子轰击铜靶所产生的光就会越多, 光子越多, 对晶体内部的原子层反射强度就会大, 从而衍射强度就会越大. (2) 衍射强度同时还会与网面中原子密度有关, 网面中原子密度越大, 其衍射强度就会越大. 网面原子密度越小, 其衍射强度就会越弱. (3) 衍射强度除与网面中原子密度有关外,还与原子在网面中排列的规整程度有关, 不规整的排列势必引起散射, 使衍射强度减弱, 帮晶体质量差或结构不完整的晶体, 其衍射强度较差. (全Z与半Z的质量差可用衍射强度来判断,

7、 其它条件固定的情况下)(4) 石英晶体的表面粗糙度同样也会影响晶体的衍射强度. 由于刀刃钻石粒度粗, 分布不均, 机器振动大, 切割速度太快, 使石英芯片表面的格架受到严重的破坏层, 将对X射线产生杂乱无章的漫反射. 同时, 也消耗了一部份入射X光的能量, 从而使衍射强度减弱. 三、 AT切割测角方法及其误差AT切割一边X轴平行, 而沿着X轴从Z轴旋转3513切出来的, 旋转Y切割片, 经切割研磨, 轮廓外形成形后的毛片在X光机上, 从原子面能很准确测出其原子面与切割面的夹角. 以及从结晶軸切出的晶片面的角度, 是决定频率温度特性的最基本的要素. 1. 晶體切面與原子面成一定角度而又平行於垂

8、直棱 這种情況是原子面在水平測量方向與切型面成夾角, 而在垂直方向原子面與切割面平行。 此种情況多見於AT、BT等Y切族。(見圖)。原子面的法線ON與切面法線ON的夾角也等於,X射線OA, 反射線OB與原子面的夾角均為。 圖中ZZ”為切面與原子面的夾角。它可以由有關表中查出切型面Z與Z軸的夾角ZZ和原子面與Z軸夾角ZZ”,然後計算二者差值, 求出 =ZZ”=ZZ”-ZZ 對於值有兩种情況: 0或 0 1) 0 說明原子面與光軸的夾角比切面與光軸夾角大的情況。這時測角計算可知, 測光軸的兩個測量角分別是g1與g2, 而g1與g2分別是OA 和OB與切面的夾角。從圖中可以明顯地看出, 由於X射線的

9、反射不是來自片子表面, 而是發生在原子面上, 因此, 入射X射線與切面的夾角g1不等於, 而等於與之和, 即 g1= + 同理有g2= -從圖中還可以看出OA、OB、ON、ON均同在一個平面(測角儀平面)內。在其平面內轉動石英晶片就會改變反射狀況。即雖然g1和g2的值將依石英晶片中的每一個個別位置而有所不同, 但電离管的裝置仍在2位置。這是因為入射線OA與切面的夾角g1=+。反射線OB與切面的夾g2=-, 兩角之和始終等於2。例如: AT35, 從圖中可以查得所用原子(0110); ZZ”=3813;該原子面的衍射角=1320。所以有: =3813-35=313 g1=+=1320+313=1

10、633 g2=-=1320-313=1007 2) 0 , 即原子面與光軸的夾角小於切面與光軸的夾角的情況 g1=-g2=+例如: BT50, 從圖中查得BT50切型所用原子面為(0223)與光軸的夾角ZZ”=4944, 此原子面的衍射角為3405, 所以有: =4944-50=-16 g1=-=3405-(-16)=3421(腊下) g2=+=3405+(-16)=3349(腊上) 2. 晶體切面和原子面成一定角度面又不平行於水平棱 如圖所示。陰影所示的平面為原子面; OA為入射線; OB為反射線; ON為切面的法線; ON為原子面的法線;OB為OB在水平面上的投影; OA為入射線的延長線。

11、由反射定理知:BOA等於2, 而其投影為g1+g2(大度盤的角度)。g1和g2分別為兩個測量角。原子面法線N與切面法線N在同一平面上, 夾角為。反射線與其在測角儀平面上的投影構成角。g1與g2見下式1式: Cos(g1+g2)=Cos2/ Cos Sing1=Sin/ CosSin=2 SinSin g2=(g1+g2)- g1例如:計算AT35切型電軸方向的兩個測角g1和g2值因為: =3813-35=313=1320所以: Sin=2 Sin313Sin1320 =2*0.056*0.231 =0.0258 查表得: 129 角一般要求小於5, 不然會由於仰角太大, 至使電離管接收不到反射

12、的X射線。如若選取的原子面使大於5時, 必須重新選取原子面, 才能定向。 將數代入式中: Cos(g1+g2)= Cos2/ Cos= Cos2640/ Cos129=0.8936/0.9996=0.8939 g1+ g2=2627Sin g1=Sin/ Cos= Sin1320/ Cos313=0.2306/0.9984=0.2309g1=1321g2=(g1+g2)- g1=2627-1321=1316 因為電軸對頻率溫度系數影響不大, 而g1和g2計算值与(0111)原子面的衍射角=1320誤差不大, 所以在一般測量中常常使用1320。秒) 3. 由上圖可知,如要控制在+/-15秒以內,

13、XX角最少要控制在10分以下。X光線裝置的回轉軸固定晶片的基準面所形成的角也是同樣的道理。 4. 把切割及研磨時所引起的結晶破壞層減少到最低程度,而且把X射線放成單一眼化,也就是將X射線先在原子面折射一次的X射線復折測角法。 通常#1500研磨砂磨出來的晶片只能測到+/-30”為限,如果要高精密測角,以X光復折射測角法,最少也要用#3000(平均粒度為5)研磨出來的平面度才可以。如果經過etching測角的精度就可以大大的提高。 5. X射線測量方法是高精密機械及電器測量之配合,要把這些機器設置在恆溫恆濕的空調室內才可以。四. X-RAY光機常用的幾种機型: 丹東機臺YX-2、YX-4、2991、2992與自動角度機2993。這幾种機型中YX-4在國內比較常用, 因其測角誤差為15”, 且測角方式采用雙晶形式(X光線雙折射法)。這几种機型的工作原理有單晶形式與雙晶形式雙种:(如圖)通過X射線雙折射, 減少X射線能量, 過濾出弱射線與散射線, 這樣可以提升測試精度.在平常所使用的幾种X-RAY機型中, 要做到維護、保養與使用并重, 機台維護、保養的好壞, 決定著X-RAY測試精度。 在x光機使用時,經常用到的樣品角度數如下表:晶體名稱切型(晶面)2石英(SiO2)AT.CT13 202640(AT)石英(