材料分析测试方法

1、第一章 X射线物理基础伟大的物理学家,X射线发明者-伦琴绪.1895年德国物理学家年德国物理学家-“伦琴伦琴”发现发现X射线射线.1895-1897年伦琴搞清楚了年伦琴搞清楚了X射线的产生、传射线的产生、传播、穿透力等大部分性质播、穿透力等大部分性质.1901年伦琴获诺贝尔奖年伦琴获诺贝尔奖.1912年劳埃进行了晶体的年劳埃进行了晶体的X射线衍射实验射线衍射实验X射线最早的应用 在在X X射线发现后几个月射线发现后几个月医生就用它来为病人医生就用它来为病人服务服务 右图是纪念伦琴发现右图是纪念伦琴发现X X射线射线100100周年发行的纪周年发行的纪念封念封X X射线的性质射线的性质 人的肉眼

2、看不见人的肉眼看不见X射线，但射线，但X射线能使气体射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。物体，还能使荧光物质发出荧光。 X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。偏转；当穿过物体时仅部分被散射。 X射线对动物有机体（其中包括对人体）能射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。胞。X射线的本质 X射线也是电磁波的一种，波长在108cm左右X射线具有波粒二相性hp hchAI21-3 X射

3、线的产生及X射线管X X射线的产生：射线的产生：X射线是高速运动的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。X射线管的结构为：X射线管 （1） 阴极发射电子。一般由钨丝制成，通电加热后释放出热辐射电子。 （2） 阳极靶，使电子突然减速并发出X射线。 （3） 窗口X射线出射通道。既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。X射线管 （4） 高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的

4、功率有限，大功率需要用旋转阳极（5） 焦点阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点 X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分辨率；高强度则可缩短暴光时间旋转阳极 上述常用上述常用X X射线管的功率射线管的功率为为5005003000W3000W。目前还有。目前还有旋转阳极旋转阳极X X射线管、细聚射线管、细聚焦焦X X射线管和闪光射线管和闪光X X射线管。射线管。 因阳极不断旋转，电子束因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提轰击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔

5、靶面。高功率也不会烧熔靶面。目前有目前有100kW100kW的旋转阳极，的旋转阳极，其功率比普通其功率比普通X X射线管大射线管大数十倍。数十倍。 旋转阳极加速器中可以引出X射线加速器中可以引出X射线 加速器中可以引出X射线加速器中可以引出X射线X射线谱-连续连续X X射线谱射线谱 X X射线强度与波长的射线强度与波长的关系曲线，称之关系曲线，称之X X射射线谱。线谱。 在管压很低时，小在管压很低时，小于于20kv20kv的曲线是连的曲线是连续变化的，故称之续变化的，故称之连续连续X X射线谱，即连射线谱，即连续谱。续谱。对连续X射线谱的解释1 根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运

6、动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。 对连续X射线谱的解释2 量子力学概念，当能量为ev的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子，即“韧致辐射”。 大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。 极限情况下，能量为ev的电子在碰撞中一下子把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短波长，即短波限0

7、。都有一个最短波长，称之短波限0，强度的最大值在0的1.5倍处。 eVeV = = hvhvmaxmax = hc/ = hc/0 0 0 0 = 1.24/V = 1.24/V （nmnm）X射线管的效率 X射线管的效率，是指电子流能量中用于产生X射线的百分数， 即 随着原子序数Z的增加，X射线管的效率提高，但即使用原子序数大的钨靶，在管压高达100kv的情况下，X射线管的效率也仅有1左右，99的能量都转变为热能。 KZViZiZVKXX2射线管功率射线总强度连续X射线谱-特征特征X X射线谱射线谱当管电压超过某临界值时，特征谱当管电压超过某临界值时，特征谱才会出现，该临界电压称激发电压。才

8、会出现，该临界电压称激发电压。当管电压增加时，连续谱和特征谱当管电压增加时，连续谱和特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长强度都增加，而特征谱对应的波长保持不变。保持不变。 钼靶钼靶X X射线管当管电压等于或高于射线管当管电压等于或高于20KV20KV时，则除连续时，则除连续X X射线谱外，位于射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱线，一定波长处还叠加有少数强谱线，它们即特征它们即特征X X射线谱。射线谱。钼靶钼靶X X射线管在射线管在35KV35KV电压下的谱线，电压下的谱线，其特征其特征x x射线分别位于射线分别位于0.630.63和和0.710.71处，后者的强度约为前者强度处，后者的强

9、度约为前者强度的五倍。这两条谱线称钼的的五倍。这两条谱线称钼的K K系系 特征特征X X射线的产生机理射线的产生机理 特征特征X X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。 原子壳层按其能量大小分为数层，通常用原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K K、L L、M M、N N等字等字母代表它们的名称。母代表它们的名称。 但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。高的

10、外部壳层或击出原子外，使原子电离。 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量增高，原子处于激发状态。增高，原子处于激发状态。 如果如果K K层电子被击出层电子被击出K K层，称层，称K K激发，激发，L L层电子被击出层电子被击出L L层，层，称称L L激发，其余各层依此类推。激发，其余各层依此类推。 产生产生K K激发的能量为激发的能量为W WK KhhK K，阴极电子的能量必须满足，阴极电子的能量必须满足 eVWeVWK KhhK K，才能产生，才能产生K K激发。其临界值为激发。其临界值为eVeVK KW WK K ，V VK

11、K称之临界激发电压。称之临界激发电压。特征特征X X射线的产生机理射线的产生机理 处于激发状态的原子有自发回处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的高能态变成低能态时，多出的能量以能量以X射线形式辐射出来。因射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一定，两物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量差一定，故特定能级间的能量差一定，故辐射出的特征辐射出的特征X射波长一定。射波长一定。 当当K电子被打出电子被打出K层时，如层时，如L层

12、层电子来填充电子来填充K空位时，则产生空位时，则产生K辐射。此辐射。此X射线的能量为电射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，子跃迁前后两能级的能量差，即即 LKLKKhhWWh特征特征X X射线的命名方法射线的命名方法 同样当同样当K空位被空位被M层电子填充时，则产生层电子填充时，则产生K辐射。辐射。M能级能级与与K能级之差大于能级之差大于L能级与能级与K能级之差，即一个能级之差，即一个K光子的光子的能量大于一个能量大于一个K光子的能量；光子的能量；但因但因LK层跃迁的几率比层跃迁的几率比MK迁附几率大，故迁附几率大，故K辐射强度比辐射强度比K辐射强度大五倍辐射强度大五倍左右。左右。 显然，

13、显然，当当L层电子填充层电子填充K层后，原子由层后，原子由K激发状态变成激发状态变成L激激发状态，此时更外层如发状态，此时更外层如M、N层的电子将填充层的电子将填充L层空位，层空位，产生产生L系辐射。因此，当原子受到系辐射。因此，当原子受到K激发时，除产生激发时，除产生K系辐系辐射外，还将伴生射外，还将伴生L、M等系的辐射。除等系的辐射。除K系辐射因波长系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。 K双线的产生与原子能级的精细结构相关。双线的产生与原子能级的精细结构相关。L层的层的8个电个电子的能量并不相同，而分别位于三个

14、亚层上。子的能量并不相同，而分别位于三个亚层上。K双线系双线系电子分别由电子分别由L和和L两个亚层跃迁到两个亚层跃迁到K层时产生的辐射，而层时产生的辐射，而由由LI亚层到亚层到K层因不符合选择定则（此时层因不符合选择定则（此时l0），因此没），因此没有辐射。有辐射。小结连续谱连续谱(软软X射射线线)高速运动的高速运动的粒子能量转粒子能量转换成电磁波换成电磁波谱图特征谱图特征: :强度随波长强度随波长连续变化连续变化是衍射分析的是衍射分析的背底背底; ;是医学采用的是医学采用的特征谱特征谱(硬硬X射射线线)高能级电子高能级电子回跳到低能回跳到低能级多余能量级多余能量转换成电磁转换成电磁波波仅在特

15、定波仅在特定波长处有特别长处有特别强的强度峰强的强度峰衍射分析采用衍射分析采用莫色莱定律 特征特征X射线谱的频率（或波长）只与阳极靶物质射线谱的频率（或波长）只与阳极靶物质的原子结构有关，而与其他外界因素无关，是物的原子结构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固有特性。质的固有特性。19131914年莫色莱发现物质发年莫色莱发现物质发出的特征谱波长与它本身的原子序数间存在以下出的特征谱波长与它本身的原子序数间存在以下关系：关系： 根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比射线谱线波长，与已知的元素波长相比

16、较，可以确定它是何元素。较，可以确定它是何元素。它是它是X射线光谱分析射线光谱分析的基本依据的基本依据 ZK1X射线与物质的相互作用X X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。一束一束X X射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果，射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。并且吸收是造成强度衰减的主要原因。X射线的散射 当当X X射线通过物质时，物质原子射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，其振动频率与入射受迫振动，其振动频

17、率与入射X X射线的频率相同。射线的频率相同。 任何带电粒子作受迫振动时将产任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场，从而向四周辐射生交变电磁场，从而向四周辐射电磁波，其频率与带电粒子的振电磁波，其频率与带电粒子的振动频率相同。动频率相同。 由于散射线与入射线的波长和频由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称上各散射波符合相干条件，故称为为相干散射相干散射。相干散射是。相干散射是X X射线射线在晶体中产生衍射现象的基础。在晶体中产生衍射现象的基础。 X射线经束缚力不大的电子（如轻原子中的电子）或自由电子散射后，可以得到波长

18、比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿一吴有训散射,也称之为不相干散射，是因散射线分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干涉现象。不相干散射 入射X射线遇到约束松的电子时，将电子撞至一方，成为反冲电子。入射线的能量对电子作功而消耗一部份后，剩余部份以X射线向外辐射。散射X射线的波长（）比入射x射线的波长（）长，其差值与角度之间存在如右关系： 不相干散射在衍射图相上成为连续的背底，其强度随（sin/）的增加而增大，在底片中心处（射线与底片相交处）强度最小，越大，强度越大。 cos10243. 0 小结相干散射相干散射因为是相干波所以可以干涉加强因为

19、是相干波所以可以干涉加强. .只有相干散射才能产生衍射只有相干散射才能产生衍射, ,所以相所以相干散射是干散射是X X射线衍射基础射线衍射基础不相干散射不相干散射因为不相干散射不能干涉加强产生因为不相干散射不能干涉加强产生衍射衍射, ,所以不相干散射只是衍射的背所以不相干散射只是衍射的背底底X射线的吸收 物质对X射线的吸收，是指X射线通过物质时光子的能量变成了其他形式时能量。 有时将X射线通过物质时造成的能量损失称为真吸收。 X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射X射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光X射线的能量，使X射线强度被衰减，是物质对X射线的真吸收过程。光电效应 -光电子和荧

20、光X射线 光电效应1 激发K系光电效应时，入射光子的能量必须等于或大于将K电子从K层移至无穷远时所作的功WK，即 将激发限波长K和激发电压VK联系起 ，即 式中VK以V为单位。（14）式和（111）式形式上非常相似，但物理意义完全不同。前者说明连续谱的短波限0随管电压的增高而减小，而后者说明每种物质的K激发限波长都有它自己特定的值。 从X射线激发光电效应的角度，称K为激发限；然而，从X射线被物质吸收的角度，则称K为吸收限。 kkkhch3104 .12kkkkkkVeVhchceV光电效应2- 俄歇效应 俄歇（Auger，M.P.）在1925年发现，原子中K层的一个电子被打出后，它就处于K激发

21、状态，其能量为EK。如果一个L层电子来填充这个空位，K电离就变成L电离，其能量由EK变成EL，此时将释放EK-EL的能量。释放出的能量，可能产生荧光X射线，也可能给予L层的电子，使其脱离原子产生二次电离。即K层的一个空位被L层的两个空位所代替，这种现象称俄歇效应. 从L层跳出原子的电子称KLL俄歇电子。每种原子的俄歇电子均具有一定的能量，测定俄歇电子的能量，即可确定该种原子的种类，所以，可以利用俄歇电子能谱作元素的成分分析。不过，俄歇电子的能量很低，一般为几百eV，其平均自由程非常短，人们能够检测到的只是表面两三个原子层发出的俄歇电子，因此，俄歇谱仪是研究物质表面微区成分的有力工具。 光电效应

22、2- 俄歇效应 光电效应小结光电子光电子被被X X射线击出壳层的电子即射线击出壳层的电子即光电子光电子, ,它带有它带有壳层的特征能量壳层的特征能量, ,所以可用来进行成分分析所以可用来进行成分分析(XPS)(XPS)俄歇电子俄歇电子 高能级的电子回跳高能级的电子回跳, ,多余能量将同能级的另多余能量将同能级的另一个电子送出去一个电子送出去, ,这个被送出去的电子就是这个被送出去的电子就是俄歇电子俄歇电子带有壳层的特征能量带有壳层的特征能量(AES)(AES)二次荧光二次荧光 高能级的电子回跳高能级的电子回跳, ,多余能量以多余能量以X X射线形式射线形式发出发出. .这个二次这个二次X X射

23、线就是射线就是二次荧光二次荧光也称荧也称荧光辐射同样带有壳层的特征能量光辐射同样带有壳层的特征能量小结散射散射散射无能量损失或损失相对较小散射无能量损失或损失相对较小相干散射是相干散射是X X射线衍射基础射线衍射基础, ,只有相干散射才只有相干散射才能产生衍射能产生衍射. .散射是进行材料晶体结构分析的工具散射是进行材料晶体结构分析的工具吸收吸收吸收是能量的大幅度转换吸收是能量的大幅度转换, ,多数在原子壳层多数在原子壳层上进行上进行, ,从而带有壳层的特征能量从而带有壳层的特征能量, ,因此是揭因此是揭示材料成分的因素示材料成分的因素吸收是进行材料成分分析的工具吸收是进行材料成分分析的工具可

24、以在分析可以在分析成分成分的同时告诉你的同时告诉你元素价态元素价态 一束强度为I0的X射线束，通过厚度为H的物体后，强度被衰减为IH。 为了得到强度的衰减规律，现取离表面为x的一薄层dx进行分析。设X射线束穿过厚度为X的物体后，强度波衷减为，而穿过厚度为xdx的物质后的强度为I-dI，则通过dx厚的一层引起的强度衰减为dI。 实验证明，X射线透过物质时引起的强度衰减与所通过的距离成正比 xIIdIdIIdIX X射线的衰减规律射线的衰减规律 X X射线的衰减规律射线的衰减规律 对（1-12）式积分求出强度为I0的X射线从物体表面（即x0）穿透厚度H后的强度IH: IHI0exp(-H) 式中I

25、H/I0称穿透系数，而为线衰减系数。（1-13）式是X射线透视学的基本公式。 线衰减系数1n（IH/I0）/H表示单位体积物质对X射线的衰减程度，它与物质的密度成正比，即与物质的存在状态有关。现将（1-13）式改写成： IHI0e-(/) HI0e-mH 式中m/称质量衷减系数， 其单位为cm2 g。 工作中有时需要计算i个元素组成的化合物、混合物、合金和溶液等的质量衰减系数m。由于m与物质的存在状态无关，因此衰减系数可按下式求得： m=1m1+2m2+imi X X射线的吸收曲线射线的吸收曲线 X X射线通过物质时的衰减，射线通过物质时的衰减，是吸收和散射造成的。是吸收和散射造成的。 如果用

26、如果用m m仍表示散射系仍表示散射系数，数，m m表示吸收系数。表示吸收系数。在大多数情况下吸收系在大多数情况下吸收系数比散射系数大得多，数比散射系数大得多，故故m mm m。质量吸收。质量吸收系数与波长的三次方和系数与波长的三次方和元素的原子序数的三次元素的原子序数的三次方近似地成比例，因此方近似地成比例，因此33ZKmX X射线的衰减射线的衰减 从荧光从荧光X X射线的产生机理，可以解释图射线的产生机理，可以解释图1 11111中的中的吸收突变。当入射波长非常短时，它能够打出吸收突变。当入射波长非常短时，它能够打出K K电电子，形成子，形成K K吸收。但因其波长太短，吸收。但因其波长太短，

27、K K电子不易吸电子不易吸收这样的光子能量，因此衰减系数小。收这样的光子能量，因此衰减系数小。 随着波长的逐渐增加，随着波长的逐渐增加，K K电子也越来越容易吸收这电子也越来越容易吸收这样的光子能量，因此衰减系数也逐渐增大，直到样的光子能量，因此衰减系数也逐渐增大，直到K K吸收限波长为止。吸收限波长为止。 如果入射如果入射X X射线的波长比射线的波长比K K稍大一点，此时入射稍大一点，此时入射光子的能量已无法打出光子的能量已无法打出K K电子，不产生电子，不产生K K吸收。而吸收。而对对L L层电子来说，入射光子的能量又过大，也不易层电子来说，入射光子的能量又过大，也不易被吸收，因此，入射被

28、吸收，因此，入射X X射线的波长比射线的波长比K K稍大一点稍大一点时，衰减系数有最小值。同理，可以解释时，衰减系数有最小值。同理，可以解释K K吸收限吸收限至至L L吸收限之间曲线的变化规律。吸收限之间曲线的变化规律。X X射线的衰减小结射线的衰减小结宏观表现宏观表现强度衰减与穿过物质的质量和厚度有关强度衰减与穿过物质的质量和厚度有关是是X X射线透射学的基础射线透射学的基础这就是质厚衬度这就是质厚衬度微观机制微观机制散射和吸收消耗了入射线的能量散射和吸收消耗了入射线的能量这与吸波原理是一样的这与吸波原理是一样的吸收限的应用吸收限的应用 -X射线滤波片的选择 在一些衍射分析工作中，我在一些衍

29、射分析工作中，我们只希望是们只希望是kk辐射的衍射线辐射的衍射线条，但条，但X X射线管中发出的射线管中发出的X X射射线，除线，除kk辐射外，还含有辐射外，还含有KK辐射和连续谱，它们会使辐射和连续谱，它们会使衍射花样复杂化。衍射花样复杂化。 获得单色光的方法之一是在获得单色光的方法之一是在X X射线出射的路径上放置一定射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地厚度的滤波片，可以简便地将将KK和连续谱衰减到可以忽和连续谱衰减到可以忽略的程度。略的程度。 滤波片的选择规则 1：Z靶靶40时，时，Z滤滤Z靶靶-1； 2：Z靶靶40时，时，Z滤滤Z靶靶-2滤波片 常用靶材及其匹配的滤波片的数

30、据列入表常用靶材及其匹配的滤波片的数据列入表1-11-1。按。按表中厚度制作的波滤片，表中厚度制作的波滤片，滤波后滤波后K/KK/K的强度比的强度比为为1/6001/600。如果滤波片太厚，虽然如果滤波片太厚，虽然KK可以进一步可以进一步衰减，但衰减，但kk也相应衰减。实践表明，当也相应衰减。实践表明，当KK强度强度被衰减到原来的一半时，被衰减到原来的一半时，K/KK/K的强度比将由原的强度比将由原来的来的1/51/5降为滤波后的降为滤波后的1/5001/500左右左右，这对大多数衍，这对大多数衍射分析工作已经满意。在滤波片材料选定之后，射分析工作已经满意。在滤波片材料选定之后，可按需要的衰减比用公式（可按需要的衰减比用公式（1-141-14）计算滤波片的）计算滤波片的厚度。厚度。 吸收限的应用吸收限的应用 -阳极靶材料的选择 在在X X射线衍射晶体结构分析工作中，我们不希望入射线衍射晶体结构分析工作中，我们不希望入射的射的X X射线激发出样品的大量荧光辐射。大量的荧射线激发出样品的大量荧光辐射。大量的荧光辐射会增加衍射花样的背底，使图象不清晰。光辐射会增加衍射花样的背底，使图象不清晰。避免