X射线的产生和性质USTC.docx
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X射线的产生和性质USTC
X射线的产生和性质
导论
⏹1901 伦琴（Roentgen）发现X射线（1895）
⏹1914 劳厄（Laue）晶体的X射线衍射
⏹1915 布拉格父子（Bragg）分析晶体结构
⏹1917巴克拉（Barkla）发现元素的标识X射线
⏹1924 塞格巴恩（Siegbahn）X射线光谱学
⏹1927 康普顿（Compton等六人）康普顿效应
⏹1936 德拜（Debye）化学
⏹1946 马勒（Muller）医学
⏹1964 霍奇金（Hodgkin）化学
⏹1979柯马克和豪森菲尔德（Cormack/Hounsfield）医学
⏹1981塞格巴恩（Siegbahn）物理
X射线产生
⏹固体靶源
X射线管
转靶
焦点和辐射
谱（KramerLaw）
连续谱
I（E）=P0KZn（E0-E）/E0
I（E）-Intensity
E–x-rayenergy（Delta=1eV）W/eV
K-constant
P0–incidentpower（W）
Z-targetatomnumber
n1
E0–incidentelectronenergy（KeV）
特征谱
I（E）=BN（Z）F（x）（E0-Ec）m
B–Constant
F（x）–TargetmaterialCons.
Ec–Criticalenergy
⏹同步辐射
同步辐射（合肥）
实验大厅（Hefei）
Hefei电子储存环
800MeV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
SR辐射的能量和功率（Larmorformula）
（pere-,perrun）
v–Electronvelocity
c–Lightvelocity
-Magnetradius
e–electroncharge
E–Electronenergy
m–electronmass
Inpracticalunits,E-GeV,-m,B–kG,Beam,currentI–A
总辐射功率（magnetlengthL）
功率谱分布（Integratedtoallangle）
实用单位:
功率角分布（intgratedtoallwavelength）
⏹等离子体源
Fe等离子体源
Z-压缩气体等离子体源
气体等离子体辐射的X射线谱
几种源的谱比较
X射线的性质
⏹X射线的吸收
Lineabsorptioncoefficient
Massabsorptioncoefficient
Atomabsorptioncoefficient
Molabsorptioncoefficient
Photoabsorptionsection
重要!
!
1.对混合物和化合物
2.对连续X射线
/,和Z的关系-Bragg-Pierce定律
吸收限和跳跃比
⏹X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：
单晶X射线光学
1.材料：
Si，Ge，Crystal
2.形状：
平晶，弯晶，球面
柱面，环面，超环面
3.应用：
单色器，成像
柱面镜
毛细管X射线透镜
X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
SiPIN探测器**
GePIN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
X射线衍射（XRD）
⏹Debye法
同步辐射（SR）XRD装置（BSRF）
纳米微晶Fe的X射线衍射曲线与理论计算结果的比较
⏹Laue法
蛋白质的Laue衍射图
扩展的X射线吸收边（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）
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
⏹X射线显微术实验站
⏹显微图
⏹造影装置
⏹兔耳造影（注入BaFBr）
X射线小角散（XRS）
X射线光刻（XRL）
SRX射线光刻装置（XRL）
⏹X-ray掩膜（mask）
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
正性抗蚀剂负性抗蚀剂
◆单组分
◆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
◆正性抗蚀剂
正性抗蚀剂的衬度曲线
p=D0n=D0.7
[资料]
PMMA（poly（methylmethacrylate））-聚甲基丙烯酸甲酯
positivetone,polymerchainscissiontype
Electronbeam,DUV,x-rayandmulti-levellithography
BasicParameters:
Molecularweight
50-950kg/mol
Solidscontent
4%-10%
Glass-transitiontemperature
85-106%
refractiveindex
1.49（for950kat6328Å）
Solvent
Chlorobenzene,chorobenzene/xylene
MIBK（methyl-iso-butyl-ketone）
MEK（methyl-ethyl-kotone）
specificgravity
0.79-0.85（MIBK）
1.08-1.14（chlorobenzene）
Flashpoint
28OC–chlorobenzene
17OC-MIBK
Appearance
colorlessliquid
Filtration
0.20m
Sensitivewavelength
200-240nm
Storeconditions
oneyear,10-21%
◆负性抗蚀剂（EPB,COP,SAR,RAY-PN）
负性抗蚀剂的衬度曲线
◆分辨率
光电子和Auger电子空间分布
由Grun射程描述:
=4.5nm（CK）,0.83nm（RuL）和0.46nm（AlK）
rg=5nm,35nm和65nm
⏹X-ray光刻机（stepper）
一些结果
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m
2.总体精确度可保证在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-rayLithography）
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（ElectroformMould）
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（Electroformstructures）
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
工艺过程
（1）
工艺过程
（2）
◆LIGA技术应用
微静电电机
X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
Kα,β
Lα,β
⏹质子，光子和电子激发的XRF谱
⏹荧光产额
⏹荧光线系
⏹荧光光谱
⏹SR-XRF装置
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
3.全反射SR-XRF–高灵敏度
◆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-SRXRF）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为nm量级
◆探测限可以达到10-9或10-12g的水平
XRF微区分析（-SRXRF）
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**
逃逸峰-实验结果（植物叶，CoCl2）
逃逸峰计算结果
3.和峰的测量与计算**
和峰-实验结果（ZnO）
主峰/和峰的理论值与实验值比较
4.植物的SR-XRF谱数据库
◆南极生态环境
1.苔藓，地衣和海藻
苔藓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
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