材料测试技术

第一章X射线的性质1-1引言1-2X射线的本质〔电磁辐射〕；1-3X射线的产生；1-4X射线谱；1-5X射线与物质相互作用；1-6X射线的探测与防护。.+高压电源金属靶电子束高能X射线1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现一种新的射线，由于对其本质不了解，称为X射线，亦称伦琴射线1-1引言(X射线发现的历史)..一、X射线的特性〔初步认识〕能穿透可见光不能透过的物质，如黑纸；穿透能力与原子质量有关，轻元素物质易穿透；重元素物质不易穿透;可使许多物质发荧光;沿直线传播，在电磁场中不发生偏转;可通过阴极射线的加速电子打到金属阳极产生;可使气体产生电离;通过物质不发生反射、折射，通过普通光栅不引起衍射。.伦琴报告引起的反响：1896年元旦，伦琴将他的论文和第一批X射线照片复制件分送给一些著名物理学家舒斯特、彭加勒等，几天后这个发现就传遍了全世界；1月4日，X射线照片被列为在柏林物理学研究所举办的“纪念柏林物理学会成立50周年〞展览会的展品；伦琴这篇论文3个月内被印行5次；1896年一年之内，关于X射线的书和小册子有48种之多，研究论文达1000多篇；伦琴的报告成为用精炼和明晰的方式阐述科学研究成果的典范，到达“一字不能加，一字不能减〞的地步。在后来10年中，没有人能够再增添一些别的内容。.X射线不仅是第一种被发现的以射线命名的物质，它的发现直接导致了元素放射性的发现！X射线发现后,人们以为用太阳光照射荧光物质就能产生X射线.1896年,贝克勒尔对此展开研究,他用铀的氧化物作为荧光物质,放在太阳下暴晒,确实让底片感光了,当他进一步验证的时候,乌云遮住了太阳,一连几天都是阴天,但当他将底片洗出来之后,非常吃惊的发现底片曝光要比在太阳下强上百倍.最终导致了元素放射性的发现,翻开了通往原子内部的大门.发现X射线后，伦琴获得了国际性声誉：1896年成为柏林、慕尼黑科学院的通讯院士，并被授予英国皇家学会的伦福德奖章；1901年，伦琴因发现X射线成为世界上第一位诺贝尔物理学奖获得者。.厄瓦尔德的博士论文工作1910年夏，厄瓦尔德开始攻读博士，论文题目：“各向同性的谐振子在各向异性介质中的光学性质〞；厄瓦尔德向Groth请教选用哪一种各向异性的晶体，答复是用正交的CuSO4。厄瓦尔德在两个正交方向计算出的双折射率比实验结果大3～4倍，而在另一个方向那么小6倍；因上述困惑，1911年圣诞节斯间厄瓦尔德向在光学方面有很高声誉的劳厄请教，没得到满意的答案，但劳厄却得到启示：晶格间距很短，比可见光波长小得多。.1912年，劳厄等人利用晶体光栅观察到X射线的衍射现象，证实X射线的本质是电磁波。劳厄发现产生的条件：慕尼黑大学当时的学术环境劳厄曾在普朗克指导下完成博士论文“平行平板干预现象的理论〞，当时正为?数理百科全书?物理卷撰写波动光学一章，把一维条纹光栅推广到二维格子光栅；从厄瓦尔德得到启示：X射线在晶体中衍射的可能性，将二维光栅中的两个公式再加上一个类似的第三个公式就行了。劳厄的想法没有得到索末菲和维恩的支持，因为后者认为晶体中原子的热骚动可能会破坏任何衍射现象。但得到一批年轻人的支持。就是结果出来，伦琴也将信将疑，一再要求重复实验.1912年，劳厄(MaxvonLaue)，弗里德里希(Fdededchw)与尼平〔Knipping〕所做的实验演示了X射线通过晶体所产生的衍射把戏，既证实了X射线具有波动性，又验证了晶体具有周期性。对科学的开展产生了不可估量的影响。.劳厄实验：1912年4月21日起，劳厄、Friedrich、Knipping合作，先将底片放在X射线源和CuSO4晶体之间〔背射〕，无结果，再把底片放在晶体后面〔透射〕，在透射斑点附近观察到一些粗大的、椭圆型的弱斑点。重复实验：侧向移动晶体，得到相同的衍射图；转动晶体，原斑点消失，新斑点出现；移去晶体，一无所见。三人记录上述实验结果，并联名签署密封，在索末菲支持下于1912年5月4日上报巴伐利亚科学院。用ZnS晶体作实验，得到非常清晰的四重对称衍射图〔如图〕。发表论文“X射线的干预现象—理论局部，Laue；实验局部，Friedrich，Knipping〞.弗里德利希和尼平的实验装置实验的晶体为CuSO4底片上显出有规那么的斑点.劳厄当时认为ZnS是简单立方，用白光不能解释为什么会有那么多衍射不出现，只好假设只有5种波长，这显然是不正确的。...劳厄发现的影响：劳厄实验结果发表以后，既证实了X射线的本质，又证明了晶体中原子的周期性；1914年，劳厄获诺贝尔物理学奖，由于第一次世界大战的影响，颁奖仪式推迟到1920年6月举行，他在讲演中肯定了当时慕尼黑大学的学术环境对发现X射线衍射的作用；厄瓦尔德1912年6月得知劳厄实验后，重新看了他给劳厄的那个公式，发现只要用晶胞常数的倒数作为一种格子的平移周期〔他称之为倒格子〕，再做一个与入射X射线波长有关的球〔即反射球〕，就可以解释衍射的几何关系，并于1913年在Phys.Zeit上发表相关论文。..1912年，英国物理学家布拉格父子利用X射线衍射方法测定了NaCl晶体结构，并推导出布拉格方程，开始了X射线晶体结构分析的历史。

1915年布喇格父子获诺贝尔物理学奖，小布喇格当年25岁，是历届诺贝尔奖最年轻的得主。.1916年，德拜〔Debye〕、谢乐〔Scherrer〕提出“粉末法〞；1928年，盖革〔Geiger〕首先用记录器来记录X射线，导致X射线衍射仪的产生；目前X射线广泛地应用于医学、工程、材料、宇航事业上。例如：可进行人体探伤，晶体结构分析、无损探伤等。.至今已有八人次因X射线获诺贝尔奖时间（年）科学家贡献1901伦琴（德国）发现X射线1914劳厄（德国）晶体的X射线衍射1915布拉格父子（英国）用X射线分析晶体结构1917巴拉克（英国）发现元素的标识X辐射1924西格班（瑞典）X射线谱学1927康谱顿（美国）发现漫散X射线的波长变化1936化学德拜（荷兰）对偶极矩、X射线衍射等的研究1946医学马勒（美国）发现X射线辐照可诱发突变11/28/2023.X射线和无线电波、红外线、可见光、紫外线、γ射线、宇宙射线一样，本质上同属于电磁波。只不过彼此占据不同的波长范围而已。X射线的波长很短，大约在0.01~100Å之间，在电磁波谱中，它与紫外线及γ射线互相搭接。电磁波谱1-2X射线的本质.X射线虽然和可见光一样〔没有静止质量，但有能量〕，与光传播有关的一些现象〔如反射、折射、散射、干预、以及偏振〕都会发生，但由于相对可见光而言，X射线的波长要短得多〔光量子的能量相应要高得多〕，上述物理现象在表现方式上与可见光存在很大的差异。X射线只有当它几乎平行的掠过光洁的固体外表时，才有可能发生类似于可见光那样的全反射；X射线穿过不同媒质时，几乎不发生偏折〔X射线的折射率十分接近1，只在106数量级上有差异〕。.EH电磁波传播示意图E：电场强度矢量H：磁场强度矢量电磁波是一种横波，它由交替变化的电场和磁场组成。电场和磁场矢量总是以相同的周相，在两个相互垂直的平面内作周期振动。电磁波的传播方向总是与矢量E和H的振动方向垂直，传播速度等于光速。在X射线的分析实验中，我们记录的是电场强度矢量E起作用的物理效应！.X射线波长的度量单位常用埃〔Å〕或晶体学单位〔kX〕表示；通用的国际计量单位中用纳米〔nm〕表示，它们之间的换算关系为：1nm=10Å=10-9m1kX=1.0020772±0.000053Å(1973年值)。〔1〕X射线的波动性.1.晶体结构分析：波长为0.25～0.05nm；2.金属探伤：波长为0.1～0.005nm；3.用于光刻：波长为5~0.4nm4.医学透视：波长为5～0.1nm，“软X射线〞。“硬X射线〞硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属的分析。.〔2〕X射线的粒子性特征:光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量。表现形式:在与物质相互作用时交换能量。如光电效应；二次电子等。X射线的频率

、波长λ及其光子的能量ε、动量p之间存在如下关系：

式中h——普朗克常数，等于6.625×10-34J.s;c——X射线的速度，等于2.998×1010cm/s.

.相关习题：

1.试计算波长0.71Å〔Mo-Kα〕和1.54Å〔Cu-Kα〕的X射线束，其频率和每个量子的能量？.习题解答.X射线的强度：1.波动性：单位时间内通过垂直于传播方向的单位截面上的能量大小，I∝A2。2.粒子性：单位时间内通过垂直于传播方向的单位截面的光量子数目。.小结X射线本质上属于电磁波，它与无线电波、可见光等并没有本质的区别；它所展示出来的一些特殊的属性是由于其波长处于特定的范围造成的；X射线可以分为硬X射线和软X射线，波长短的称为硬X射线，其能量高、穿透力强；波长长的称为软X射线，其能量低、穿透力差。.1-3X射线的产生(1)产生原理；(2)产生条件；(3)过程演示；(4)X射线管；

(5)其它X射线装置。

.产生原理高速运动的带电〔或不带电〕粒子与物体碰撞后猝然减速，发生能量转换，粒子的动能可局部转化为X射线光能〔1％左右〕，而绝大局部〔99％左右〕能量转变成热能使物体温度升高。.产生条件〔以电子为例〕1.产生自由电子；2.使电子作定向的高速运动;3.在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。.接变压器玻璃钨灯丝金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X射线管剖面示意图过程演示.

X射线管的结构

封闭式X射线管实质上就是一个大的真空〔〕二极管。根本组成包括：(1)阴极：发射电子，常为W丝。(2)阳极：亦称靶，发射X射线，靶材主要有Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W等，软X射线装置常用Al。。(3)窗口：X射线射出通道，常用金属铍或硼酸铍玻璃。(4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的一块面积，通常为长方形。.X射线的接收焦点的形状及接收方向对着短边：表观焦点的形状为正方形，其强度较高；对着长边：表观焦点的形状为线形，其强度较弱。.特殊构造的X射线管(1)细聚焦X射线管；(2)旋转阳极X射线管。市场上供给的种类(1)密封式灯丝X射线管；(2)可拆式灯丝X射线管..旋转阳极〔转靶〕X射线管旋转阳极X射线管的技术关键是阳极靶面是高速旋转的〔2000－6000r/m〕，电子束的轰击不是固定在阳极靶面的同一点上，因此，玻璃管称为固定靶，而旋转阳极X射线管称为转靶。同时，转靶与真空系统是别离的，其间用磁密封技术。在开启X射线之前，必须预先开启真空系统。优点：功率大，旋转靶功率可达12～18KW以上。.1-4X射线谱由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：(1)连续X射线；(2)特征X射线，又称〔或标识〕X射线。.连续X射线

具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。产生机理；短波限；X射线的强度。..产生机理

经典电动力学：一个高速运动着的电子到达靶面上时，因突然减速产生很大的付加速，这种负加速度一定会引起周围电磁场的急剧变化，产生电磁波。量子理论：能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中局部以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为h的光子，这种辐射称为韧致辐射，这样的光子流即为X射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是大量的，绝大多数电子要经历屡次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线。.连续X射线谱：将波长连续变化的X射线的强度绘制到一张由波长和强度组成的坐标系上就得到连续X射线谱，连续X射线谱表示一定工作电压和电流下的X射线强度和波长的关系曲线。.短波限

连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限λ0.它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。相互关系为：式中e——电子电荷，等于4.803×10－10静电单位；U——电子通过两极时的电压降〔静电单位〕；h——普朗克常数，等于6.625×10－34J.s.相关习题试计算用50千伏操作时，X射线管中的电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的X射线短波限为多少？.习题解答那么，速度为.X射线的强度

X射线的强度是指垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。常用的单位是J/cm2.s.即I=nh

.连续X射线强度最大值在1.5λ0,而不在λ0处。..连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系：且X射线管的效率为:.特征(标识)X射线1.特征X射线的特征2.产生机理;3.过程演示;4.K系激发机理5.莫塞莱定律；6.特征X射线的强度特征。.特征X射线的特征

当管电压到达临界电压〔激发电压〕后，靶被激发出特征X射线，其波长不随管电压、管电流的变化而变化，只与靶的原子序数有关，因此这种波长反映了物质的原子序数特征的X射线叫特征X射线。.产生机理

特征X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出特征X射线谱：h

n2

n1=En2－En1.KLM.K态〔击走K电子〕L态〔击走L电子〕M态〔击走M电子〕N态〔击走N电子〕击走价电子中性原子WkWlWmWn0原子的能量特征X射线产生过程K激发L激发K

辐射K

辐射L辐射过程演示.K系激发机理

K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生Kα辐射；M层电子填充空位时产生Kβ辐射。产生K系激发要阴极电子的能量eUk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Uk就是激发电压。...由能级可知Kβ辐射的光子能量大于Kα的能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充几率大，所以Kα的强度约为Kβ的5倍。.Kα是由两条谱线Kα1和Kα2组成的，它们分别是电子从L3和L2子能级跃迁到K层空位时产生的，其波长相差0.004Å左右，Kα1强度是Kα2的两倍，Kα波长取两条谱线的加权平均值：.莫塞莱定律

特征X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。莫塞莱定律：特征X射线谱的波长λ与原子序数Z关系为：其中K是与靶材物质主量子数有关的常数；称作屏敝常数，与电子所在的壳层位置有关。莫塞莱定律是X射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分析的理论根底。.特征X射线的强度特征

K系特征X射线的强度与管电压、管电流的关系为：当工作电压为K系激发电压的3~5倍时，I特/I连最大，连续谱造成的衍射背影最小。.连续谱和标识谱比较连续谱标识谱产生机理阴极电子与阳极原子碰撞，阴极电子一部分能量以光子形式辐射，其它能量转化为热能，也就是说连续X射线能量是从阴极电子转化而来的。具有足够能量的阴极电子击出阳极原子内壳层电子后，阳极原子高能级电子向低能级跃迁，产生光子辐射，标识X射线能量来自阳极原子高能级的能量特征强度沿波长呈连续分布；有波长一定对应强度具有极值；有实验规律U↑时，↑，↑，↓，↓；i↑时，↑，↑，和不变；Z↑时，↑，↑，和不变。V≥Vk时产生，只与Z有关；V↑时，↑，不变；i↑时，↑，不变。数学表达.1-5X射线与物质相互作用X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三局部：一局部被散射，一局部被吸收，一局部透过物质继续沿原来的方向传播。X射线的散射；X射线的吸收；X射线的衰减规律；吸收限的应用；X射线的折射；总结。.X射线的散射X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射；非相干散射。.相干散射X射线光子内层电子X射线光子全部全部.相干散射物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干预现象称为相干散射。.非相干散射

入射波长越短，被照射物质元素越轻，非相干散射越显著又称康普顿－吴有训效应.非相干散射

X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时电子获得一局部动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。非相干散射是康普顿〔A.H.Compton〕和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。.X射线的吸收物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应。光电效应；俄歇效应。...光电效应以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击出的电子称为光电子，辐射出的次级特征〔标识〕X射线称为荧光X射线。产生光电效应条件，X射线光子波长必须小于吸收限λk。.产生光电效应，X射线光子波长必须小于吸收限λk。激发K系光电效应时，X射线光子的能量必须大于〔临界值应等于〕为击出一个k层电子所作的功，即：从激发光电效应的角度讲，λk称为激发限波长；从X射线吸收的角度讲，λk称为吸收限波长。——

－K系激发频率－K系激发限－K系激发电压（kV）

.注意点：①荧光X射线的波长一定大于入射X射线的波长；②在X射线衍射分析中，X射线荧光辐射是有害的，它增加衍射图象的背底，但在元素分析中，它又是X射线荧光光谱分析的根底。.原子在入射X射线光子或电子的作用下失掉K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位时，放出EL-Ek能量，产生两种效应：(1)荧光X射线〔又称二次特征X射线〕；(2)产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子——俄歇电子。俄歇电子.俄歇效应规律和特点：①俄歇电子的能量与激发源的能量无关，只取决于物质的原子能级结构，每种元素都有自己的特征俄歇电子能谱，它是元素的固有特性，所以可以利用俄歇电子能谱作元素的成份分析；②俄歇电子的能量很低，一般只有几百电子伏特，因此只有外表几层原子所产生的俄歇电子才能逸出物质外表被探测到，所以俄歇电子仅能带来物质外表的化学成份信息；③随着物质原子序数Z减小，被激物质原子发射俄歇电子的几率增加，发射标识X射线的几率降低，也就是说超轻元素或轻元素以发射俄歇电子为主。.X射线的衰减〔或吸收〕规律当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。式.质量衰减系数μm

表示单位质量物质对X射线强度的衰减程度。质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近似关系：其中K为常数μm随λ的变化是不连续的，其间被锋利的突变分开。突变对应的波长为λK、λL等吸收限。..晶体的线型衰减系数晶体的线型衰减系数可由下式求得：其中μ为线型衰减系数，ρ为晶体密度，单位g/cm3，μm为质量衰减系数，P为晶体中各元素的质量百分比。..物质的衰减系数另一计