1X射线分析原理

第一章X射线物理学基础本章主要内容§1-1X射线的产生及其性质§1-2X射线谱§1-3X射线与物质相互作用§1-4X射线的衰减规律及其应用§1-5X射线的探测与防护§1-1X射线的产生及性质◆X射线的本质X射线和可见光一样，都显示波粒二象性，故两者的本质是相同的，都会产生干涉、衍射、吸收和光电效应等现象，两者的主要差别于波长不同。X射线是由高能量粒子轰击原子所产生的电磁辐射，电磁辐射的辐射能是由光子传输的，而光子所取的路径是由波动场引导。X射线这种波、粒二象性，可随不同的实验条件表现出来。显示其波动性有：以光速直线传播、反射、折射、衍射、偏振和相干散射；显示其微粒性有：光电吸收、非相干散射、气体电离和产生闪光等。•X射线的波长范围•X射线是一种波长较短的电磁辐射：波长0.01~10nm；能量：124keV-0.124keV•其短波段与γ射线长波段相重叠，其长波段则与真空紫外的短波段相重叠。g-raysX-raysUVVisual0.0010.010.11.010.0100200nm•X射线的能量•量子理论将X射线看成由一种量子或光子组成的粒子流，每个光子具有的能量为：(依据X射线的波长即可计算出其能量))(24.1)(nmchhkeVE公式MgKCaKFeKPbLE(keV)1.2533.697.05710.55(nm)=1.24/E(nm)0.98950.33600.17570.1175X射线的本质◆习惯上，称波长短的X射线为硬X射线，波长长的X射线为软X射线。软、硬表示X射线穿透物质的能力。射线越硬，即其波长越短，则穿透物质的能力就越大。用于结构分析和成分分析的一般为软X射线，用于医学透视的为硬X射线。◆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=10-9m人们根据X射线的干涉和衍射现象，确定了X射线具有波动性。然而，波动理论对X射线的短波限、光电效应、荧光辐射和康谱顿散射等现象则无法解释。所以，波动性仅仅是X射线本性的一个方面。在大量科学实验的基础上，人们又认识到X射线本质的另一个方面—粒子性。即X射线在空间传播时，也具有粒子性。•X射线的性质：•1）X射线能使照相底片感光；•2）X射线有很大的贯穿本领；•3）X射线能使某些物质的原子、分子电离；•4）X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；•5）X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质•综上所述，X射线和一切微观粒子（电子、中子、质子等）一样，都同时具有波动性及粒子性双重特性，简称波粒二象性。它的波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传播，反映了物质运动的连续性；它的粒子性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动能，反映了物质运动的分立性。•波粒二象性是X射线的客观属性，二者是相互补充的，在不同的实验条件下，它们有时波动性表现明显，有时粒子性表现明显。由于X射线波长短，频率高，光子能量相对来说比较大，因此它的粒子性比较明显。•此外，X射线具有很强的穿透物质的能力，经电场和磁场时不发生偏转，当穿过物质时X射线可被偏振化、可被吸收而强度衰减，它能使空气或其他气体电离，能激发荧光效应，使照相底片感光，并能杀死生物细胞与组织等。•由于X射线具有上述一系列性质，使它成为研究晶体结构、进行元素分析、工业探伤和医疗透视等多种问题的有力工具。迷人的X光片~~在X射线下，任何东西都会很美！！1-1-2X射线的产生•大量实际所用X射线是由X射线管产生的，不论是探伤用X光机还是照相法用的X光机和X射线衍射仪，都包括：高压发生器（包括整流部分），控制线路、X射线管及探测记录系统。其中，X射线管和探测记录系统是X射线仪特有的。本节主要介绍X射线管，而探测系统将在后面的章节里讨论。至于高压发生器和控制部分属于一般电气装置，可查阅有关电工书籍。一、X射线管的种类•关于阴极射线管式发生器，自伦琴以来已有了很多发展，突出表现在X射线管的功率、光强上，因光强越强，灵敏度就越高，分辨率也越好，还可减少实验的时间。当然，在结构、材料等许多方面也有许多变化。从构造上来讲可分为两类，即密封式X射线管及旋转阳极式X射线管。•X射线管实际上就是一只特殊的高压二极真空管，其中有阴极和阳极，外有玻璃壳。按发生电子的方式来分，有：•1、热阴极X射线管；(1)密封式灯丝X射线管；(2)可拆式灯丝X射线管。•2、冷阴极X射线管X射线管的种类•密封式X射线管实际上就是一只特殊的高压二极真空管，其中有阴极和阳极，外有玻璃壳。按发生电子的方式来分，有：•1、热阴极X射线管；(1)密封式灯丝X射线管；(2)可拆式灯丝X射线管。•2、冷阴极X射线管X射线管二、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。基本组成包括：•(1)阴极：阴极是发射电子的地方。•(2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。mmHg7510~10(3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。(4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出X射线。精密陶瓷X射线管•近年来Philips公司推出了一种陶瓷管，其构造与前述封闭管基本一样，只是用陶瓷代替了玻璃。D/max2550VPC仪器外观•X射线衍射实验仪器–转靶机§1-2X射线谱Ｘ射线的强度Ｉ随波长λ而变化的关系曲线称之为Ｘ射线谱。由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：其一是含有从某一短波限λ０开始，直到波长等于无穷大λ∞的一系列波长所构成的连续X射线谱，它和可见光的白光相似，故也称白色Ｘ射线。另一种是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，构成标识（特征）X射线，它和可见光中的单色光相似，故也可称为单色Ｘ射线。X射线的产生•X射线是由高能量粒子（电子）轰击原子所产生的电磁辐射，包括：-连续谱(或韧致辐射)-特征X射线1-2-1、连续X射线谱•连续X射线是高速运动的电子被阳极靶突然减速而产生的。•产生机理；•演示过程；•短波限；•X射线的强度。各种不同条件下X射线谱•实验规律：•1、当管压一定时，不同管流i下的短波限相同，且连续谱之强度与管流成正比（图a）。•2、当逐步增加X射线管的管压时，各波长的相对强度一致增高；最高强度的射线对应的波长逐渐变短（曲线峰位向左移动）；有一短波限λ0存在，且λ0逐渐变小，即向左方向移动，与此同时波谱变宽（图b）。•3、当管压一定时，不同原子序数Z的靶之短波限λ0相同，且连续谱之强度正比于原子序数（图c）。•由上述的实验规律表明，管压既影响连续X射线谱的强度，也影响其波长范围，而管流和原子序数不影响短波限λ0，短波限λ0仅与管压有关。二、产生机理•要解释连续X射线谱产生的原因，需要同时应用经典物理学及量子理论的知识。•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，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，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极大的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。•可是，经典理论无法解释这种连续X射线谱为什么会有一个短波限存在（因为根据上述理论，连续X射线谱的波长应当是由零一直到无穷大），而应用量子理论便可得到很简单的说明。•量子理论认为，当能量为eV的电子与阳极靶的原子相碰撞时，电子失去自己的能量，其动能的一部分转化为一个或几个X射线光子，其余部分将转变为热能，在与阳极相碰撞的众多电子中，总有一些电子是通过一次碰撞把其动能毫无损失地全部转化为X射线光子的能量。此时一个光子的能量为：即所产生的光子达到了最高的能量，最短的波长和最大的频率。由上式可得出，在一定管压V时，连续X射线的短波限λ0=λmin。•式中e—电子电荷，等于静电单位；V—电子通过两极时的电压降（静电单位）；h—普朗克常数，等于minmax2λhchνevmV21ε1010803.4sj3410625.6eVhc0•上式清楚地表明，每个管电压值对应一定的短波限，并且短波限只与管电压有关，与管电流i和靶的原子序数Z无关，所得理论结果与实验规律完全符合。•(上式中波长用Å，管压用KV表示)V4.120设X射线管的工作电压为80kV，试计算X光子的最大能量和最短波长？三、X射线的强度•X射线的强度是指在垂直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.•X射线的强度I是由光子能量hν和它的数目n两个因素决定的,即I=nhν.正由于此,所以连续X射线强度最大值并不在光子能量最大的λ0处,而是在大约1.5λ0的地方.•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，也就是阳极靶发射出的X射线总能量，有•实验证明，它与管流i，管压V，阳极靶的光子序数Z存在如下关系：•式中K1和m都是常数，m≈2，K1≈1.1~1.5×10-6/伏。应当指出，阳极靶能影响连续谱的强度，而不影响连续谱波长的分布。miZVKI1连dII0)(连•若输入X射线管的功率，即电子流给予阳极的能量为iv，则产生连续X射线的效率或称X射线管的效率η为:例如，钨靶Z=74，当管电压为100KV时，X射线管的效率﹤1%。ZVKiViZVKXX121电子流功率射线功率射线管效率四、效率•由于管中电子的能量绝大部分在和阳极靶撞击时生成热能而损失，只有极小部分输入的能量转化为X射线能量、故效率极低。因此，必须采用高熔点的钨(3410℃)，钼(2610℃)或导热性能良好的银，铜等金属作阳极，并加高效水冷以尽可能提高管电压来获得较高效率与较强的X射线。1-2-2、标识（特征）X射线谱•标识X射线谱是在连续谱的基础上产生的。如果当管电压超过某一临界值V激后（例如钼靶超过20千伏），强度分布曲线I（λ）将产生显著的变化，即在连续谱的基础上产生波长一定的谱线，构成标识X射线谱。若继续增加管电压时，标识谱之波长不变，只是强度相应地增加。右图是钼靶K系标识X射线谱，它有两个强度高峰，分别位于波长0.71Å和0.63Å处，前者称为Kβ辐射，后者称为Kα辐射。•从原子物理学知道，原子内的电子按照鲍林不相容原理和能量最低原理分布在各个能级上（电子轨道），用记号K、L、M、N……表示。K层最靠近原子核，能量最低，稳定性最强。•当外来电子将K层的一个电子击出后，这时原子就处于高能的不稳定状态(激发态)，必然自发地向稳定态过渡。此时位于较外层较高能量的L层电子可以跃迁到K层。•在跃迁的过程中，前后存在能量差异，其差异即等于K层与L层的能级差，•ΔE＝EL-EK＝hν•该差值能量将以X射线的形式放射出去。•放射出的X射线的波长λ＝h/ΔE必然是仅取决于原子序数。•这种由L→K的跃迁产生的X射线我们称为Kα辐射，M→K为Kβ辐射，N→K为Kγ辐射。不过离原子核越远的轨道产生跃迁的几率越小。•我们把这种Kα、Kβ、及Kγ等辐射称之为特征谱。•在由L→K跃迁产生Kα辐射时，由于原子核的L电子层有三个亚层，三个亚层之间有微小的能量差异。能发生电子跃迁的是第二和第三亚层。•ΔE＝EL-EK＝hν＝hc/λ•所产生的Kα射线就分为Kα1和Kα2。其中Kα1的强度是Kα2的两倍。前者的波长比后者稍微短一点。•比如Cu，λKα1＝1.5405Å•λKα2＝1.5443Å•另外其β射线λKβ＝1.3921Å•通常情况下，在特征谱中，Kα1、Kα2、Kβ的强度分布如下：•IKα1：IKα2＝2：1，IKα：IKβ=5：1•由于Kα1、Kα2的波长很接近，所以在很多情况下，都是按二者的加权平均值作为Kα射线的波长，计算方法如下：•λKα=（2λKα1+λKα2）／3•至于Kβ射线，因其波长差异较大，必须设法去掉和消弱其强度。•在任何元素的K线系中，最强的谱线是α1和α2他们是从LⅢ和LⅡ跃迁到K产生的。•而Kβ，它是MⅢ→K所产生的结果，β线比起α线来强度