X射线的产生和性质

1、X 射线的产生和性质导论伦琴 (Roentgen)劳厄(Laue)布拉格父子(Bragg)(Barkla)塞格巴恩(Siegbahn )康普顿 (Compton 等六人 )德拜(Debye)马勒(Muller)霍奇金 (Hodgkin)柯马克和豪森菲尔德(Siegbahn)固体靶源X 射线管发现 X 射线 (1895)晶体的 X 射线衍射分析晶体结构发现元素的标识X 射线X 射线光谱学康普顿效应化学医学化学医学Cormack/Hounsfield)X 射线产生物理19011914191519171924192719361946196419791981转靶焦点和辐射electron rnnude

2、Schematic drawings of two types of rotating anode for high-power x-ray tubes.Reduction in apparent 日斯 of focal spot.谱(Kramer Law)c a 2，601 toa 海 ij *w连续谱I(E) = P0KZn(E0-E)/E0I(E) - IntensityE x-ray energy(Delta= 1eV) W/eVK - constantP0 incident power (W)Z - target atom number n 1E0 incident electron

3、 energy (KeV)特征谱I(E尸BN(Z)F(x)(E 0-Ec)mB - ConstantF(x) - Target material Cons.Ec - Critical energy同步辐射同步辐射（合肥）实验大厅（Hefei）1 . 20OMeV电子直线加速器2 .速调管走廊3,开关翻铁4,磁分析器5 .索流输运线6 .植物理实尬大厅7 .克流弃置箱S . gOOMeV电孑楮存环Hefei电子储存环U10U7CU7B800MeV电子储存环北京同步辐射实验室（BSRF）BSRF (Beijing)同步辐射和谱分布蝠射电子睛存坏电子注入c 1谐分布SR辐射的能量和功率 (Larmo

4、r formula)(per e-, per run)v - Electron velocityc - Light velocity-Magnet radiuse - electron chargeE - Electron energym - electron massIn practical units, E - GeV, - m, B - kG, Beam, current I A"A")=88.47兀4/A/：(Jtev) = 88,47/：J/p = 2.654总辐射功率(magnet length L)Q (ku) = 1.267xlO-2£2(Ge?r

5、)< B2(kG) ><B2 >:Average功率谱分布(Integrated to all angle)- Second Bessel function-Critical wavelength andenergy.，3尸 2P实用单位:4(A) = 5.59 0/£3=1864p (BE2)c(keV) = 2218E* / p = 0.06651EE?功率角分布 (intgrated to all wavelength)P(v1)-Angle between photo and instant obbit plane等离子体源Fe等离子体源Fig 3 E

6、xposure system diagramZ-压缩气体等离子体源乂射线气体等离子体辐射的X射线谱几种源的谱比较光子波氏Mm1241上4Z4 0.12410毋rf被at器Al ；波得器. Undulator io16JO10NSLSX1连熟请110 加SRil团体靶港谱PEP波慎器黎山卬根扭摞器 用旱萨r血8弯跳(2 5 8%)册子能地/eVX射线的性质X射线的吸收/ = ' exp(-/rf)Line absorption coefficient"】二 log(/0/Z)/r(cw)Mass absorption coefficient% = / P(cMAtom abso

7、rption coefficient4 =/7 A!N(cnr / atom)Mol absorption coefficient="夕）/（C。/）Photo absorption sectiona = juA/N重要!！1 .对混合物和化合物凡、= £ (ha - mass ratios)2 .对连续X射线= X一different ivave/ength)- photo electron + scattering + e + ,e'/ , 和Z的关系-Bragg-Pierce定律fj/p - KZ，/i?(c机)吸收限和跳跃比IJUO口一 口EB0OUQndJ

8、oxE岩J1 1 li”iI - I i li t ri L i i i _ 1 _ I二1 5()302t>151098 keVx-rsiy enei gyX射线光学1 .反射光学a）平晶b）弯晶c）多层膜2 .衍射光学a）晶体b）波带板c）光栅3 .吸收a）吸收片X射线反射镜1 .折射率:-折射因子-衰减因子2 .反射率：44(wn + 用 +厂(0 4"" ccs6Hg"F - /二Q1二y(siir g _Q +(sin：，-a尸 + 尸尸)单晶X射线光学1 .材料：Si, Ge,Crystal2 .形状：平晶，弯晶，球面柱面，环面，超环面3.应用:

9、单色器，成像Bending of . cyEindncaj mirror柱面镜毛细管X射线透镜Focusing X-Ray Lens0 5 cmSp*1S«irceX射线波带板X射线探测器正比计数器*NaI (Tl)闪烁探测器*Si (Li)探测器*Ge (Li)探测器Si PIN探测器*Ge PIN探测器*多(单)丝室X射线CCD微多道板G-M计数管电离室胶片，荧光屏Debye 法X射线衍射（XRD ）VvrlKQl c HU eci torSR parallel powder diffractometerAxial 5! ItsSilliiil chainn#heut fnori

10、&clvamalofMun btamPr o morwchr amatcr «its3收hshng Hal-plate qptdes+anzoniol and werii&ai entranc# sligKapkon(Cernik * 1990b)同步辐射（SR） XRD装置 （BSRF）Ill，il算用黑一/A 9 nm 1fl S.4 纲长做哈卜工的K射蜕坨射曲躅，理轮力弹爆犀的比较.Laue 法#al»iBnje巾；的intcmitxapfi*ftwrimonit"Sfl-EJL：4匕号crbFastMeshutterFlnhob Fwgcc

11、olIrRQtorI* T-!自管窣非J 3产十flop*Gomomtttr纳米微晶Fe的X射线衍射曲线与理论计算结果的比较图 8-27 HaresLuiv 求 Laue 3Mt?rd diagram蛋白质的Laue衍射图扩展的X射线吸U攵边(EXAFS )XANES : 30 40eV光电子多重散射EXAFS :大于 40eV光电子/散射波干涉X射线形貌（白光形貌和双晶形貌）NtSO4,6H2Or (a)1.0atm(b) 0.1Pa,门光x射线形貌图X射线成像（XRI ）层析术（吸收）显微术（吸收）全息术（衍射）减法造影（吸收）其它扫描X射线显微镜装置探榭器i* >.S 14透刖扫描

12、软M照次显唱精京理31X射线显微术实验站显微图DEVZ MINDRt MIN9 G«V Electron bumFkhju £ SiLMH 几-myrpl 蚂拉 of (jell 3皿0.Nfl gut *-*& USC Oft I Ik ori|jrMl tpCKimcn. Ilw Ewo F 喀 ures are ruid 匕 / diffrrvnl造影装置!. fjipetitwriHrt sciup for sAc unirn- UftSiagraphTt a RL2的工兔耳造影（注入BaFBr）Bh injected in, ,1f aSR source,

13、 rabbit auricle imagefilm/screcn image system*X射线小角散（XRS）KBtlenra n口后丽种不同形式的非晶&0工的X射线光刻（XRL ）嵯胤/娃片 同盟35 I "0. I L jaf £ "用源 （几何因子P谐和空间分布） 反射镇£俵棘于波长和角度的反射） 撑麟 f举服和吸收停）-抗蚀剂恭数Frtsuul桁射他学键.哌收）SR X射线光刻装置（XRL ）X-ray 掩膜(mask)掩膜基膜(2-4 m)吸收体 H wmXAu.W, la) (BN. SiN. Si. SiO掩膜支撑环（Pyrex

14、 5 mm）掩膜X-ray 抗蚀剂(resist)分类：光抗蚀剂X射线抗蚀剂电子束抗蚀剂有机抗蚀剂 无机抗蚀剂单组分 双组分 三组分负性抗蚀剂正性抗蚀剂单组分负性抗蚀剂吸收光rAAAA交联吸收光7X77 , 7y + /z正性抗蚀剂燧剪切双组分基本树脂材料+含卤族元素的光敏感剂三组分Novalok树脂基体提供良好的抗干刻蚀特性对辐射灵敏的组分辐照后吸收光子产生强Bronsted酸阻溶剂对光子不敏感但对酸很敏感可溶产物月一光敏剂f叫阳溶剂分解1反应过程正性抗蚀剂0.41.00.0* QQ2M皿0 4比就。尊岫。口M,。口。D(mJ/cm')正性抗蚀剂的衬度曲线p = Don = D0.7

15、资料PMMA (poly(methyl methacrylate)-聚甲基丙烯酸甲酯positive tone, polymer chain scission typeElectron beam, DUV , x-ray and multi-level lithographyBasic Parameters:Molecular weight50 - 950 kg/molSolids content4% -10%Glass-transition temperature85 - 106%refractive index1.49 (for 950k at 6328?)SolventChloroben

16、zene,chorobenzene/xyleneMIBK (methyl-iso-butyl-ketone)MEK (methyl-ethyl-kotone)specific gravity0.79 - 0.85 (MIBK)1.08 - 1.14 (chlorobenzene)Flash point28OC -chlorobenzene17 OC - MIBKAppearancecolorless liquidFiltration0.20 mSensitive wavelength200 - 240nmStore conditionsone year, 10 - 21%负性抗蚀齐1J ( E

17、PB, COP, SAR, RAY-PN )负性抗蚀剂的衬度曲线logDiDologDoD0.7分辨率光电子光电子和Auger电子空间分布由Grun射程描述:rg0.0461.75EP抗蚀剂密度Ep光子能量（KeV）prg单位：m=4.5nm (C K ), 0.83nm (Ru L )和 0.46nm (Al K )rg = 5nm, 35nm 和 65nmX-ray 光亥1J机(stepper)些结果抗蚀剂图形抗蚀剂图形LIGA技术1 .制作三维立体微结构元件2 . X射线光刻技术3 .极大高宽比抗蚀剂图形LIGA技术使得构造任意形状侧面的微结构集成系统1 .结构的尺度可达几百 m2 .总

18、体精确度可保证在 m和亚 m量级3 .使用的材料可以是金属，塑料，陶瓷以及它们的组合4 . LIGA技术的应用范围复盖各种不同技术领域范围微型机械，显微光学，集成光学，传感器和执行机构以及化学医药 和生物技术特点LIGA技术使微机械元件，微光学元件，微传感器以及微电子学可以 集成在单芯片上形成微集成系统，这可以极大地减小整个系统的体积， 降低功耗，提高执行速度，对高技术发展和军事工业具有巨大的吸引力。工艺过程1 .第一步(X-ray Lithography)同步辐射X射线通过掩摸辐照到涂在电镀基底上的厚抗蚀剂上 进行曝光，然后对曝光的抗蚀剂显影，形成抗蚀剂图形2 .第二步(Electrofor

19、m Mould)进行电铸，去掉电镀基底和作为图形的抗蚀剂，得到一金属微结 构型版3 .第三步(Electroform structures)是一个回流铸塑高分子材料过程，即在导电塑料基底上形成电绝缘结构。最后通过电铸做成金属结构元件Mist -H.3圜 一 SubttrilsReiht itructuroMeiai siruclurenrsdiaNonDevdopmenlGllvl»MnngGilr plite .Mould InsertMouM tabricaiiflnModding mmMould nrilngPlattlc fractureUnmouldlngFinishing

20、工艺过程（1）ElectroformingMetalPlastic structureGate plate Injection holeMetal plateMicrostructure工艺过程（2）LIGA技术应用微静电电机EPhotaeledrnnSeparation nozzle as an exampleof atrbitrary lateral hapmg4X射线荧光（XRF ）-元素分析同步辐射X射线荧光（SR-XRF ）分析用于环境的监测和净化X射线荧光（XRF）的产生Incoming radiation from x-ray tube or radioisotope.质子，光子

21、和电子激发的XRF谱荧光产额、/线系SR-XRF装置10 hV同步辐射样品Figure 2. W urk d iiigi am u I I 2000 W固体靶XRF装置SR-XRF环境应用特点实验方法1 .白光SR-XRF -简单快速2 .单色光SR-XRF -高分辨率监测和净化对像1. 水源2. 土壤3. 空气4. 生物X 射线实验系列化研究近期实验方法的一些进展高原子序数（Rh 后面的元素）元素的探测第三代同步辐射源提供更强的硬X 射线探测器改用测量范围达到60keV 的 Ge 探测器反射X射线荧光（TR-SR XRF）分析全反射的临界角和X 射线的波长成正比全反射时X 射线进入样品的深度

22、为nm 量级探测限可以达到10-9或10-12g的水平XRF 微区分析（-SR XRF）中空毛细玻璃管聚焦X 射线透镜SR-XRF 用于环境的监测和净化- 我们的一些近期结果样品 :采自南极, 青岛海域, 淮河流域, 舟山 , 大别山 , 合肥 , 庐江 , 滁州 ,巢湖 , 凤台等地植物 , 动物及化石等共计772 个样品近期结果分析方法1.无标样定量分析2.逃逸峰的测量和计算*loaoo1COOO100-150300交口*500遒骸 t. 1 KSeV/iZ)in oo逃逸峰-实验结果（植物叶，CoCl2）o.s»,41.20.20.0Ar K Ca Gi Ti V CrMh P

23、s Ca Ni Cu 2ri GaGiAs元素逃逸峰计算结果3.和峰的测量与计算*1060150021301aChanriel nimber和峰-实验结果（ZnO）IODmJeEU% -Un 口 UKawooooWOOD100D-100TiO2ZnOKa4Ka （实验）产b （实验）产KPKa-HCa （计算）/样品主峰/和峰的理论值与实验值比较南极生态环境1 .台鲜，地衣和海澡苔薛可生长条件与不同地质相关；地衣可反映陆地生态系统 中新土壤的特性；海藻则处于海洋生态系统中，它们对陆地和海 洋环境的变化十分敏感。2 .海豹，贝壳，海鸥和企鹅海洋动物和海鸟是食物链中关键环节，其骨，肉内元素的变 化

24、反映了极地气候，地质和生态变迁。Fe南极海膜JL00101&&&青居海膜Clhannel nunntjer极地植物可做为全球污染指数的稳定的指示样品54.5x10Ar Ca Sc Ti Mn Fe Co Cu Zn As Se Sr Zr Hg Pb54.0x1053.5x1053.0x1052.5x10强 5峰 2.0x1051.5x1051.0x1045.0x10动物骨元素的变化，与极地食物链和极地环境变迁相关淮河流域（中下游）污染状态1.沿流向污染重元素含量增高金鱼藻（抗富营养污染植物）产地分布2.沿流向金鱼藻XFR谱的元素相对峰强（K归一）Ti, Mn, Fe,

25、 Co含量增加主要是富营养污染（N, P,）六安正阳关蚌埠洪泽湖K100100100100Ca41.519.623-43.7Ti0.50.13.95.6Mn2X743.655.6S7.8Fc16*862.593.3279Co0.30.60.7t8Ni0.51.90.203Cu0.91.10.81.0Zn2.73.02.45.3Br0.20.60J0.9Rb0.60.70.30.6Sr0.60.50.509青岛海域污染变化比较不同深度青岛海藻14年元素含量变化，揭示海水（沿岸）污 染加重1.样品及生长带a）物理环境影响 b）海水污染深度分布2.几种海藻元素含量变化（99年/85年）a)海蒿子-浅

26、层污染(Cr,Fe,Ni,Cu,Zn,As,Pb)b）刺石松-深层污染（Fe,Zn,Sr,Pb）战层污染大于深层污染）丽海高了利石松1DIS51DB999/85SS85SS995/S5a2,219.5886030.3Mn78919137396436Fe82120442.4*965”532.23Nt10.953.64.9123.722.6Cu1比840.92-1841,227.9Zn69.7121.01. 7480.S5737.05As41510752.59-Sr40 L63481802851.58矿山污染监测样品：金鱼藻Fe峰强增加2倍（铁岁污柒）5 - 0 -Cu峰强增加8倍（铜矿污染）金鱼藻Fe/Mn峰强比iaoo:二 g*Ar 'ii no -w f :i 口 ?- J .- y- J %: r U：海:“>”、'； T- G里工r；手"1£J, 1仁,1 -,*：=三芝Ca Mn Fe Cti Zn Rh程：富营养污染度标识题上Je7埠及' Ni Cu；t Zn % 三'Jk：,Pul0六安.4 !_I J ;丁 W