X射线衍射基础课件教材.docx

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X射线衍射基础课件教材

X射线衍射基础

目　　录

1概述

2X射线的产生

3X射线管工作条件的确定

4X射线光谱

     4.1连续光谱

     4.2特征光谱

5物质对X射线的吸收，实验波长及滤波片的选择

     5.1线吸收系数

      5.2质量吸收系数

      5.3吸收系数与波长及元素的关系

       5.4实验波长的选择

       5.5滤波片

6晶体对X射线的衍射

     6.1衍射几何方程

       6.2多晶X射线的衍射强度

7X射线的检测

     7.1荧光板

       7.2照相方法

       7.3正比计数管

       7.4闪烁计数管

       7.5固体检测器

       7.6位敏正比计数管

       7.7成像屏

       7.8X射线电视

8X射线的防护

1.1概述

1895年伦琴（W.C.Roentgen）研究阴极射线管时，发现管的对阴极能放出一种有穿透力的肉眼看不见的射线。

由于它的本质在当时是一个"未知数"，故称之为X射线。

这一伟大发现当即在医学上获得非凡的应用——X射线透视技术。

1912年劳埃（M.VonLaue）以晶体为光栅，发现了晶体的X射线衍射现象，确定了X射线的电磁波性质。

此后，X射线的研究在科学技术上给晶体学及其相关学科带来突破性的飞跃发展。

由于X射线的重大意义和价值，所以人们又以它的发现者的名字为其命名，称之为伦琴射线。

X射线和可见光一样属于电磁辐射，但其波长比可见光短得多，介于紫外线与γ射线之间，约为10－2到102埃的范围（图1.1）。

X射线的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，所以，X射线光学（几何光学和物理光学）虽然具有和普通光学一样的理论基础，但两者的性质却有很大的区别，X射线与物质相互作用时产生的效应和可见光也迥然不同。

图1.1电磁波谱

X射线和其它电磁波一样，能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。

但是，在通常实验条件下，很难观察到X射线的反射。

对于所有的介质，X射线的折射率n都很接近于1（但小于1），所以几乎不能被偏折到任一有实际用途的程度，不可能像可见光那样用透镜成像。

因为n≈1，所以只有在极精密的工作中才需考虑折射对X射线作用介质的影响。

X射线能产生全反射，但是其掠射角极小，一般不会超过20'～30'。

在物质的微观结构中，原子和分子的距离（1～10埃左右）正好落在X射线的波长范围内，所以物质（特别是晶体）对X射线的散射和衍射能够传递极为丰富的微观结构信息。

可以说，大多数关于X射线光学性质的研究及其应用都集中在散射和衍射现象上，尤其是衍射方面。

X射线衍射方法是当今研究物质微观结构的主要方法。

X射线穿透物质时都会被部分吸收,其强度将被衰减变弱；吸收的程度与物质的组成、密度和厚度有关。

在此过程中X射线与物质的相互作用是很复杂的，会引起多种效应，产生多种物理、化学过程。

例如，它可以使气体电离；使一些物质发出可见的荧光；能破坏物质的化学键，引起化学分解，也能促使新键的形成，促进物质的合成；作用于生物细胞组织，还会导致生理效应，使新陈代谢发生变化甚至造成辐射损伤。

然而，就X射线与物质之间的物理作用而言，可以分为两类：

入射线被电子散射的过程以及入射线能量被原子吸收的过程。

X射线散射的过程又可分为两种，一种是只引起X射线方向的改变，不引起能量变化的散射，称为相干散射，这是X射线衍射的物理基础；另一种是既引起X射线光子方向改变，也引起其能量的改变的散射，称为不相干散射或康普顿散射（或康普顿效应），此过程同时产生反冲电子（光电子）。

物质吸收X射线的过程主要是光电效应和热效应。

物质中原子被入射X射线激发，受激原子产生二次辐射和光电子，入射线的能量因此被转化从而导致衰减。

二次辐射又称为荧光X射线，是受激原子的特征射线，与入射线波长无关。

荧光辐射是X射线光谱分析的依据。

如果入射光子的能量被吸收，却没有激发出光电子，那么其能量只是转变为物质中分子的热振动能，以热的形式成为物质的内能。

综上所述，X射线的主要物理性质及其穿过物质时的物理作用可以概括地用下图表示:

图1.2X射线的物理性质和穿过物质时的作用

1.2X射线的产生

现在人们已经发现了许多的X射线产生机制，其中最为实用的能获得有足够强度的X射线的方法仍是当年伦琴所采用的方法——用阴极射线（高速电子束）轰击对阴极（靶）的表面。

各种各样专门用来产生X射线的X射线管工作原理可用下图表示：

图1.3X射线管的工作原理

　　X射线管实际上是一只真空二极管，它有两个电极：

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）。

X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。

由于总是受到高能量电子的轰击，阳极还需要强制冷却。

当灯丝被通电加热至高温时（达2000℃），大量的热电子产生，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，运动突然受阻，其动能部分转变为辐射能，以X射线的形式放出，这种形式产生的辐射称为轫致辐射。

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X射线能量与电子束总能量的比率ε可用下面的近似公式表示：

ε=1.1×10－9ZV（1.1）

式中Z为靶材组成元素的原子序数，V为X射线管的极间电压（又称管电压），以伏特为单位。

例如对于一只铜靶的X射线管，在30KV工作时，ε=0.1%，而一只钨靶的X射线管在100KV条件下工作时，也不过ε=0.8%。

可见X射线管产生X射线的能量效率是十分低的，但是，目前X射线管仍是最实用的发生X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，所以，在工作时X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。

也是由于这个原故，X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效果等因素。

同一种冷却结构的X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。

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类型：

1.可拆式管——这种X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10－5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限的。

2.密封式管——这是最常使用的X射线管，它的靶和灯丝密封在高真空的壳体内。

壳体上有对X射线“透明”的X射线出射“窗孔”。

靶和灯丝不能更换，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了。

密封式X射线管的寿命一般为1000—2000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部分金属的污染，致使发射的X射线谱线“不纯”而被废用。

3.转靶式管——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X射线管，是目前最实用的高强度X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。

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。

对于铜或钼靶管，密封式管的额定功率，目前只能达到2KW左右，而转靶式管最高可达90KW。

1.3X射线管工作条件的确定

大多数晶体衍射实验都需要使用单一波长的X射线。

特征谱线的存在，尤其是强度很大而且分得很开的Kα线的存在，给晶体衍射实验带来极大的方便。

因为只要适当选择工作条件，一只X射线管就可视为近似单色的辐射源。

如何确定X射线管的最佳工作条件呢？

这需要分析特征光谱强度与连续光谱强度之比随着X射线管的工作电压的改变是如何改变的。

实验证明，特征光谱的强度Ic是管电流i及管电压V的函数：

Ic=C·i·（V－Vk）n（1.2）

式中指数n约1.5，Vk为特征谱线的激发电压，C为比例常数。

设W为X射线管可以采用的最大功率，则管电流i最多等于W/V，故特征光谱的最大强度Ic将为：

Ic=C·W·（V－Vk）1.5/V

      =C·W·Vk0.5·（V/Vk-1）1.5/（V/Vk）           （1.3）

Ic作为V/Vk的函数可用图1.4中的曲线a表示：

电压V越高，特征线的强度越大，但是它的增加变慢。

连续光谱的总强度Iw是与W、Z、V成正比的（式1.1），我们可推求特征光谱与连续光谱的强度比：

Ic/Iw=（1/Vk0.5）·（V/Vk-1）1.5/（V/Vk）2/Z（1.4）

图1.4中的曲线b给出了对于某一对阴极，Ic/Iw作为V/Vk函数的曲线图：

它初随V/Vk增大而迅速增加，直到V/Vk增至3左右以后，在一个比较大的范围内维持不变，而后缓慢地减小。

对于给定的V/Vk，对阴极元素的原子序数越大，则连续光谱所占的比例也越高，因为Iw正比于Z。

　　　　　　　　　　　　曲线a:

某一特征Kα线的最大发射强度

　　　　　　　　　　　　曲线b:

Kα线与连续谱线强度比

图1.4X射线管发射强度与管工作电压的关系

从上面的分析可知：

在实验中，当需要用一个管子的特征谱线（例如用其Kα线）作为单色辐射源时，最有利的管压应该为该特征谱线激发电压的三倍以上。

但也不宜太高，若太高，连续光谱所占的比例也增加（虽然比较慢）。

对于原子序数较小的对阴极，其Kα线的能量与其波长附近同宽度带连续光谱的能量相比较虽然较高，例如在30KV下工作的Cu靶X射线管，发射光束中CuKα辐射的强度约为其附近连续光谱强度的90倍，但是在X射线管的光束总能量中，特征光谱只占很小的一个份额，因为Ic/Iw是远小于1的。

所以，当需要使用“单色”射线时，除应选用适当的工作电压外，还必须选择适当的“单色化”手段。

当同一宽带的连续光谱起作用时，必须注意到它的作用是否可以同Kα线单独作用相比拟。

当需要“白色”X射线时，通常使用钨靶X射线管在50KV以上工作比较合适。

在此条件下，光谱中只含有弱的钨的L线；K线仅在电压高于69KV时才会出现，但是此时它们的强度还是很弱的，因为V/Vk才略大于1。

1.4X射线光谱

由X射线管所得到的X射线，其波长组成是很复杂的。

按其特征可以分成两部分：

连续光谱和特征光谱（图1.5），后者只与靶的组成元素有关。

这两部分射线是基于两种不同的机制产生的。

1.4.1连续光谱

连续光谱又称为“白色”X射线，包含了从短波限λm开始的全部波长，其强度随波长变化连续地改变。

从短波限开始随着波长的增加强度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向于零（图1.5）。

连续光谱的短波限λm只决定于X射线管的工作高压。

图1.5X射线管产生的X射线的波长谱

目前还没有一个简单的理论能够对连续光谱变化的现象给予全面的清楚的解释，但应用量子理论可以简单说明为什么连续光谱具有一个短波极限。

该理论认为，当能量为eV的电子和物质相碰撞产生光量子时，光量子的能量至多等于电子的能量，因此辐射必定有一个频率上限νm，此上限值应由下面的关系式决定：

hνm=hC/λm=eV（1.5）

式中h为普朗克常数，C为光速。

当V以伏特为单位，波长λ以埃为单位时，短波极限