X射线的产生和性质USTC.docx

1、X射线的产生和性质USTCX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)

2、 物理X射线产生 固体靶源 X射线管 转靶 焦点和辐射 谱 (Kramer Law) 连续谱I(E) = P0KZn(E0-E)/E0I(E) - IntensityE x-ray energy(Delta= 1eV) W/eVK - constant P0 incident power (W)Z - target atom numbern 1E0 incident electron energy（KeV）特征谱 I(E)=BN(Z)F(x)(E0-Ec)mB ConstantF(x) Target material Cons.Ec Critical energy 同步辐射 同步辐射 (合肥)

3、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 (Larmor 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 总辐射功率 (magnet length L

4、) 功率谱分布 (Integrated to all angle)实用单位: 功率角分布 ( intgrated to all wavelength) 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 Line absorption coefficient Mass absorption coefficient Atom absorption coefficient Mol absorption coefficient Photo absorption section 重要!1. 对混合物和化合物2. 对连续X射线/,

5、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， Crystal2. 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 Si PIN探测器* Ge PIN探测器* 多（单）丝室 X射线CCD 微多

6、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）SR X射线光刻装置（XRL

7、） 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 = D0 n = D0.7资料PMMA (poly(methyl methacrylate) - 聚甲基丙烯酸甲酯positive tone, polymer chain scission ty

8、peElectron beam, DUV, x-ray and multi-level lithographyBasic Parameters:Molecular weight 50 - 950 kg/molSolids content4% - 10%Glass-transition temperature85 - 106%refractive index1.49 (for 950k at 6328)SolventChlorobenzene,chorobenzene/xyleneMIBK (methyl-iso-butyl-ketone)MEK (methyl-ethyl-kotone)spe

9、cific 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 (C K), 0.83nm (R

10、u L) 和0.46nm (Al K)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

11、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（Electroform 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工艺过程（1）工艺过程（2） LIGA技术应用微静电电机

12、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K, L, 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（

13、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*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