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X射线的性质.ppt
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1、材料分析测试技术材料分析测试技术X射线的性质射线的性质2024/5/12 2024/5/12 周日周日.1.1引言 1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了一种新型的辐射,肉眼看不见,可使照相底片感光,并有很强的穿透力。X射线的本质、它与物质相互作用的基木原理己被深人研究,并在科学研究、医疗与技术工程上获得广泛应用,相应的设备和方法也在不断的发展中。2024/5/12 2024/5/12 周日周日.3两个重要人物:伦琴(W.C.Rntgen)劳埃(M.von Laue)1895年伦琴在研究阴极射线时发现了X射线。1912年劳埃发现了X射线在晶体中的衍射现象。2024/5/12 2024
2、/5/12 周日周日.2024/5/12 2024/5/12 周日周日.1.2 X射线的本质X射线属于电磁波或电磁辐射具有粒子性和波动性特点波长为10-8cm,与晶体的晶格常数同一数量级2024/5/12 2024/5/12 周日周日.X射线和可见光相比,其波长比可见光短,介于紫外线与射线之间,约为102到102埃的范围。频率大约是可见光的103倍,所以它的光子能量比可见光的光子能量大得多,表现明显的粒子性。由于X射线波长短,光子能量大的两个基本特性。2024/5/12 2024/5/12 周日周日.X射线以光子的形式辐射和吸收时具有质量、能量、动量波长短,能量和动量大,穿透能力强X射线的波动
3、性表现在干涉和衍射X射线的粒子性表现与物质相互作用交换能量2024/5/12 2024/5/12 周日周日.8 用于晶体结构分析的X射线波长:0.250.05nm(硬X射线)金属零件的无损探伤:0.10.005nm 用于医学透视及安检的X射线波长则很长:1100nm(软X射线)2024/5/12 2024/5/12 周日周日.1.3 X射线的产生及X射线管X射线是由高速运动着的带电(或不带电)粒子与某种物射线是由高速运动着的带电(或不带电)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而产生的产生自由电子;电子定向高速运
4、动;设置使其突然减速的产生自由电子;电子定向高速运动;设置使其突然减速的障碍物障碍物X射线管射线管带冷却水的大灯泡带冷却水的大灯泡2024/5/12 2024/5/12 周日周日.X射线管实际上是一只真空二极管,射线管实际上是一只真空二极管,它有两个电它有两个电极:作为阴极的用于发射电子的灯丝(钨丝)和极:作为阴极的用于发射电子的灯丝(钨丝)和作为阳极的用于接受电子轰击的靶(又称对阴极)。作为阳极的用于接受电子轰击的靶(又称对阴极)。X射线管供电部分至少包含有一个使灯丝加热的低射线管供电部分至少包含有一个使灯丝加热的低压电源和一个给两极施加高电压的高压发生器。压电源和一个给两极施加高电压的高压
5、发生器。由于总是受到高能量电子的轰击,阳极还需要强由于总是受到高能量电子的轰击,阳极还需要强制冷却。制冷却。当灯丝被通电加热至高温时(达当灯丝被通电加热至高温时(达2000),大量),大量的热电子产生,在极间的高压作用下被加速,高的热电子产生,在极间的高压作用下被加速,高速轰击到靶面上。高速电子到达靶面,运动突然速轰击到靶面上。高速电子到达靶面,运动突然受阻,其动能部分转变为辐射能,以受阻,其动能部分转变为辐射能,以X射线的形式射线的形式放出,这种形式产生的辐射称为轫致辐射。放出,这种形式产生的辐射称为轫致辐射。2024/5/12 2024/5/12 周日周日.轰击到靶面上电子束的总能量只有极
6、小一部分转变为轰击到靶面上电子束的总能量只有极小一部分转变为X射线能,靶面发射的射线能,靶面发射的X射线能量与电子束总能量的比率射线能量与电子束总能量的比率可用下面的近似公式表示:可用下面的近似公式表示:=1.1109 Z V 式中式中Z为靶材组成元素的原子序数,为靶材组成元素的原子序数,V为为X射线管的极间射线管的极间电压(又称管电压),以伏特为单位。例如对于一只铜电压(又称管电压),以伏特为单位。例如对于一只铜靶的靶的X射线管,在射线管,在30KV工作时,工作时,=0.1%,而一只钨靶,而一只钨靶的的X射线管在射线管在100KV条件下工作时,也不过条件下工作时,也不过=0.8%。可见可见X
7、射线管产生射线管产生X射线的能量效率是十分低的,但是,射线的能量效率是十分低的,但是,目前目前X射线管仍是最实用的发生射线管仍是最实用的发生X射线的器件。射线的器件。因为轰击靶面电子束的绝大部分能量都转化为热能,所因为轰击靶面电子束的绝大部分能量都转化为热能,所以,在工作时以,在工作时X射线管的靶必须采取水冷(或其他手段)射线管的靶必须采取水冷(或其他手段)进行强制冷却,以免对阴极被加热至熔化,受到损坏。进行强制冷却,以免对阴极被加热至熔化,受到损坏。也是由于这个原故,也是由于这个原故,X射线管的最大功率受到一定限制,射线管的最大功率受到一定限制,决定于阳极材料的熔点、导热系数和靶面冷却手段的
8、效决定于阳极材料的熔点、导热系数和靶面冷却手段的效果等因素。同一种冷却结构的果等因素。同一种冷却结构的X射线管的额定功率,因射线管的额定功率,因靶材的不同是大不相同的。例如,铜靶(铜有极佳的导靶材的不同是大不相同的。例如,铜靶(铜有极佳的导热性)和钼靶(钼的熔点很高)的功率常为相同结构的热性)和钼靶(钼的熔点很高)的功率常为相同结构的铁、钴、铬靶的两倍。铁、钴、铬靶的两倍。2024/5/12 2024/5/12 周日周日.2024/5/12 2024/5/12 周日周日.在晶体衍射实验中,常用的在晶体衍射实验中,常用的X射线管按其结构设计的特点可分为三种射线管按其结构设计的特点可分为三种类型:
9、类型:1.可拆式管可拆式管这种这种X射线管在动真空下工作,配有真空系统,使用射线管在动真空下工作,配有真空系统,使用时需抽真空使管内真空度达到时需抽真空使管内真空度达到105毫帕或更佳的真空度。不同元素的毫帕或更佳的真空度。不同元素的靶可以随时更换,灯丝损坏后也可以更换,这种管的寿命可以说是无靶可以随时更换,灯丝损坏后也可以更换,这种管的寿命可以说是无限的。限的。2.密封式管密封式管这是最常使用的这是最常使用的X射线管,它的靶和灯丝密封在高真射线管,它的靶和灯丝密封在高真空的壳体内。壳体上有对空的壳体内。壳体上有对X射线射线“透明透明”的的X射线出射射线出射“窗孔窗孔”。靶和。靶和灯丝不能更换
10、,如果需要使用另一种靶,就需要换用另一只相应靶材灯丝不能更换,如果需要使用另一种靶,就需要换用另一只相应靶材的管子。这种管子使用方便,但若灯丝烧断后它的寿命也就完全终结的管子。这种管子使用方便,但若灯丝烧断后它的寿命也就完全终结了。密封式了。密封式X射线管的寿命一般为射线管的寿命一般为10002000小时,它的报废往往并小时,它的报废往往并不是与因灯丝损坏,而是由于靶面被熔毁或因受到钨蒸气及管内受热不是与因灯丝损坏,而是由于靶面被熔毁或因受到钨蒸气及管内受热部分金属的污染,致使发射的部分金属的污染,致使发射的X射线谱线射线谱线“不纯不纯”而被废用。而被废用。3.转靶式管转靶式管这种管采用一种特
11、殊的运动结构以大大增强靶面的冷这种管采用一种特殊的运动结构以大大增强靶面的冷却,即所谓旋转阳极却,即所谓旋转阳极X射线管,是目前最实用的高强度射线管,是目前最实用的高强度X射线发生装置射线发生装置。管子的阳极设计成圆柱体形,柱面作为靶面,阳极需要用水冷却。管子的阳极设计成圆柱体形,柱面作为靶面,阳极需要用水冷却。工作时阳极圆柱以高速旋转,这样靶面受电子束轰击的部位不再是一工作时阳极圆柱以高速旋转,这样靶面受电子束轰击的部位不再是一个点或一条线段而是被延展成阳极柱体上的一段柱面,使受热面积展个点或一条线段而是被延展成阳极柱体上的一段柱面,使受热面积展开,从而有效地加强了热量的散发。所以,这种管的
12、功率能远远超过开,从而有效地加强了热量的散发。所以,这种管的功率能远远超过前两种管子。前两种管子。对于铜或钼靶管,密封式管的额定功率,目前只能达到对于铜或钼靶管,密封式管的额定功率,目前只能达到2 KW左右,左右,而转靶式管最高可达而转靶式管最高可达90 KW。2024/5/12 2024/5/12 周日周日.1.4 X射线谱由X射线管所得到的X射线,按其特征可以分成两部分:连续光谱和特征光谱,后者只与靶的组成元素有关。2024/5/12 2024/5/12 周日周日.151.4.1连续X射线谱 X射线强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱。连续谱受管电压U,管电流i和阳极靶材的原子序数Z的作
13、用,其相互关系见图:连续谱的总强度决定于上述U、i、Z三因素:图1图2 X射线波长从一最小值短波限SWL向长波方向伸展2024/5/12 2024/5/12 周日周日.16 连续谱的形成及存在短波限的量子力学解释:在管电压U作用下,电子到达阳极靶时动能为eU,若一个电子在与阳极靶碰撞时,把全部能量都给予一个光子,这就是一个光子所可能获得的最大能量,即hmax=eU,此光量子的波长即为短波限SWLSWL,如果一个电子射入物质后在发生有效碰撞(产生光量子)之前速如果一个电子射入物质后在发生有效碰撞(产生光量子)之前速度有所降低,则碰撞产生光量子的能量就会减小。由于多种因素度有所降低,则碰撞产生光量
14、子的能量就会减小。由于多种因素使得发生有效碰撞的电子速度可以从零到初速连续的取值,因而使得发生有效碰撞的电子速度可以从零到初速连续的取值,因而出现了连续光谱,其波长自出现了连续光谱,其波长自m开始向长波方向伸展。开始向长波方向伸展。连续光谱的短波限连续光谱的短波限SWL只决只决定于定于X射线管的工作高压。射线管的工作高压。2024/5/12 2024/5/12 周日周日.X射线的强度是指垂直于X射线传播方向的单位面积上单位时间内光量子数目能量的总和。强度由光子的能量和光子的数目决定最大值不在m,而在1.5m选用重金属靶并施以高电压 2024/5/12 2024/5/12 周日周日.18当加于X
15、射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值UK时,在连续谱的某些特定的波长位置会出现一系列强度峰,峰窄而尖锐。它们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值,此波长可作为阳极靶材的标志或特征。故称为特征谱或标识谱。特征谱的波长不受管电压、管电流的影响,只决定于阳极靶材元素的原子序数。Mo靶35kV1.4.2 1.4.2 特征特征X X射线谱射线谱 2024/5/12 2024/5/12 周日周日.19 特征X射线产生的机理经典原子模型原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上。最内层(K层)能量最低。图阴极射出的电子流轰击到靶面,阴极射出的电子流轰击到靶面,如果能量足够高,靶内一些原子如果能量
16、足够高,靶内一些原子的内层电子会被轰出,使原子处的内层电子会被轰出,使原子处于能级较高的激发态于能级较高的激发态2024/5/12 2024/5/12 周日周日.K层电子被击出称为层电子被击出称为K激发态,激发态,L层电子被击出称为层电子被击出称为L激发态,激发态,依次类推。图依次类推。图1.6b表示的是原子的基态和表示的是原子的基态和K、L、M、N等激等激发态的能级图,原子的激发态是不稳定的,寿命不超过发态的能级图,原子的激发态是不稳定的,寿命不超过10-8秒,此时内层轨道上的空位将被离核更远轨道上的电子所秒,此时内层轨道上的空位将被离核更远轨道上的电子所补充,从而使原子能级降低,这时,多余
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