材朝、室微姐双法构决定性能」 第一章X射线物理学基础 1895年德国物理学家伦琴(W.C.6 ntgen)在研究阴极射线时发现了一种新型的辆射 它们是肉跟看不见的，但可使照相底片感光，并有很强的穿透力，由于当时尚不了解这种辐 射的性质，故称其为X射线。而今，X射线的性质、它与物质相互作用的基本原理已被深 入研究，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地发 展中。 硬 第一节X射线的性质 型×羽林：职大 X射线是一种波长很短的电藏波，这是1912年由劳埃(M.von Laue)指导下的著名衍 射实验所证实的。品体衔射实验的成功，还揭 s-1 A mn 示了物质内部原子规则推列的特征。在电磁波 谱上，X射线处于紫外线与Y射线之间（图 102 105 1-1),测量其波长的单位是纳米(nm,1nm= 7利线 10”m)。X射线的波长在0.01-10mm范围内 用于衍射分析的X射线波长范围为Q.05- 8 X射线 0.25m。本质为电磁波的X射线，其磁场分量 1o7 在与物质的相互作用中效应很弱，所以只考虑 它的电场分量4。一束沿y轴方向传播的波长为 10 红外线 10 短无规电波 A=Aeo2a(子-叫) (1-1) 10 Io 1o1m 式中，A。为电场强度探幅：”为频率(c/A);c 广餐装段og 为光速；：为时间。 长无线电被 若以中表示其相位，即中=2π人，令0= 2秒，则式(1-1)可写成 10 (1-1a) A Ageite-) 图11电磁波谱 其指数式 (1-b) 当1=0时，A=Ae,e称为相位因子。 菲幅的平证也强被 与所有的基本粒子一样，X射线县有波粒二相性，油于其波长较短，它的粒子性往往表 现突出，故X射线也可视为一束具有一定能量的光量子流)每个光量子的能量E和动量P 分别为
6暖材料分析方法 E=如=e (1-2) p=k=hu 入成充 (1-3) 式中，h为普朗克常量(P anck's constant),h=6.626×10-J·$。 第二节X射线的产生及X射线谱 通常获得X射线是利用一种类似热阴极二极管的装置，用一定材料制作的板状阳极 (A,称为靶)和阴极(C,灯丝)密封在一个玻璃金属管壳内，阴极通电加热，在阳极和 阴极间加以直流高压U(数千伏至数十千伏)，则阴极产生的大量热电子©将在高压电场作 用下飞向阳极，在它们与阳极碰撞的瞬间产生 /X射线 予得：伤好 X射线。产生X射线的基本电气线路如图12 战：颜 所示。用仪器检测此X射线的波长，发现其中 靶材 包含两种类型的波谱，即连续X射线谱和特征 X射线谱（或标识X射线谱） 一、连续X射线谱 X射线 在X射线管两极间加以高压U,并维持 定的管电流i,所得到的X射线强度与波长的 关系如图T3所示，其特点是X射线波长从 最小值A向长波方向伸展，强度在入处有- 最大值。这种强度随波长连续变化的谱线称连 续X射线谱。入称该管电压下的短波限。 连续谱受管电压U、管电流：和阳极靶材 图12产生X射线的基本电气线路 的原子序Z的作用，其相互关系的实验规律如下： 1)当提高管电压U时(、Z不变)，各波长X射线的强度都提高，短波限w和强度 最大值对应的A.诚小，如图13a所示。 2)当保持管电压一定，提高管电流i,各波长X射线的强度一致提高，但Aw1和A.不 变，如图13b所示。 3)在相同的管电压和管电流下，阳极靶材的原子序数Z越高，连续谱的强度越大，但 As和A相同，如图13c所示。 连续谱的总强度取决于上述U、Z三个因素，即 =厂a)dA=Kz (14) 式中，K为常数。 当X射线管仅产生连续谱时，其效室n为 勿-告=k20 可见管电压越高，阳极粑材的原子序越大，X射线管的效率越高。但由于常数K,是个 放.很小的数【1.1-14)×10v],故即使采用鹤用极(2=74.管电压为10OV时，其 以刷仪窃字自由.比x作晚句、高速2力 融3真：⑧花雨酒动欧临上及胃使日阳能竦队能得份
阳奔亚射对所为上：将生数明，粉期钙视安. 第一章X射线物理学基础驪L7 a b) 图13管电压、管电流和阳极靶的原子序对连续诺的影响 ®)管电压的影响b)管电淀的影响©)阳极花原子序的影扇 效率仍很低，刀=1%。碰撞阳极纪的电子束的大部分能量都耗费在使更极起发热，所以阳 极靶多用高熔点金属阁置，如W、Ag、Mo、Ca、Ni、Co、FC、Cr等，且X射线管在工作时 要一直通水使冷却 用量子力学的点可以解释连线谱的形成以及其何以存在短波在管电压（作围 电子到达阳极靶时的动能为U,若一个电子在与阳极把碰撞时、把全部能量给予一个光子 这就是一个光量子所可能获得的最大能量，即m=心此光量子的波长即为短波限A, 所以 am-%5626x10x298x10a2.24x10'n 1.602×10-"C·U (1.5) -1240nm-K -k=/、24hn.Ky 其中，U的单位为V(伏特)，e的单位为C(库伦)。 绝大多数到达阳极靶面的电子经多次碰撞消耗其能量，每次碰撞产生一个光量子，故其 能量均小于短波限，而产生的波长大于入的不同波长的辐射，构成连续谱。 二、特征X射线谱与收末更 当加于X射线管两编的电压站高到阳极靶材相应的某一特定值U,时，在连续谱的某 些特定的波长位置上，会出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱 ,它们的波长对 定材料的阳极钯有严格恒定的数值，此波长可作为阳极配材的标志或特征，故称为特征谱或 标识谱（图1-4）。特征谱的波长不受管电压、管电流的影响，只取决于阳极靶材元素的愿 子序。布拉格(W.HBgg)发现了特征语，凳塞莱(HG.1 Moseley)对其进行了系统
8」盟材料分析方法 研究，得出特征谐波长入和阳极粑的原子序数Z之间的关系 、莫塞莱定律)即 (16) 式中，K,和。都是常数。该定律表明：阳极靶材的原子序数越大，相应于同一系的特征谱 被长越短 按照经典的原子模型，原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上，在稳定状态下，每 个壳层有一定数量的电子，它们具有一定的能量，最内层(K层)的能量最低，然后按L、 M、N的顺序递增。令自由电子的能量为零，则各层上电子能量的表达式为 E.=(Z-) (1-7) h'n 式中，E。为主量子数为n的壳层上电子的能量；n为主量子数；m为电子质量；其他符号同 前。 当冲向阳极粑的电子具有足够能量将内层电子击出成为自由电子（二次电子），这时原 子就处于高能的不稳定状态，必然自发地向稳态过被。当K层出现空位，原子处于K激发 态，若L层电子跃迁到K层，原子转变到L激发态，其能量差以X射线光量子的形式辐射 出来，这就是特征X射线。L层→K层的跃迁发射K,谱线，由于L层内尚有能量差别很小 的亚能级，不同亚能级上电子的跃迁所辐射的能量小有差别而形成波长较短的K:谱线和波 长箱长的K谱线。若M层电子向K层空位补充，则辐射波长更短的飞谱线。待征谱的发 射过程示意如图5所示。所辐射的特征谱率的计算公式为 hp=oa~ww=（-Ea)-（-Ei） (18) 式中，a、分别为电于跃迁前后原子微发态的能量。 将式(17)代入式(1-8)得 2严(a-o叫信- (1-9) 一MgKB光子 人财电子 后斋遇影 图14特征谱 图15特征谱的发射过程示意图
第一章X射线物理学基础警9 若n=1(即K层)，n,=2(即L层)，发射的K,谱波长Ax为 E=K(2-) 式中 R为里德伯常数，在国际单位副中，《3。L0974×10m。 根据莫塞菜定律可以得出：k,<z,即Ax>Ax,但由于在K激发态下，L层电子 向K层跃迁的几率远大于M层跃迁的儿率，所以K谐线的强度约为K。的5倍。由L层内 不同亚能级电子向K层跃迁所爱射的K谱线和K,谱线的关系是：A<K,Ik.=2a (1表示辐射强度)。各元素的特征谱波长和K系谱线的特征波长见附豪。 符征增的猫度随管电压(U)和管电流()的提高而增大，其关系的实验公式为 1e=K(0-U)" (1-10 式中，K为常数；U,为特征谱的激发电压，对K系，⑦.=U:m为常数(K系m=1.5,L 系m=2)。 在多晶材料的衍射分析中总是希望应用以特征谱为主的单色光源，即有尽可能高的1/ I。由式(1-4)和式(1-10)可推得对K系谱线，当U/U:=4时，I1海获最大值。所以 X射线管适宜的工作电压U~(3-5)U。表11列出需用X射线管的适宜工作电压及待征谱 波长等数据。 表11几种常用阳极粑材料和特征请参数 原子序数 系特征谱被长0.1nm K吸收限 元素 AE Ax/0.1n间 /kV /kV Cr 24 228970 2.293606 229100 2.08487 2.0702 5.43 20-25 Fe 26 1.93604219399801.9373551.756611.74346 6.4 25-30 27 1.788965 1.792s50 1.790260 1.62079 1.60815 6明 30 Ni 28 1.6579101.661747 1.659189 1.500135 1.48807 7.47 30-35 Cu 29 1.5405621.5443901.541838 1392218 1.38059 8.04 35-40 M。420.709300.7135900.7107300.6322880.61978 17.44 50-55 第三节X射线与物质的相互作用 当X射线与物质相遇时，会产生一系列效应，这是X射线应用的基础。德国物理学家 伦琴在发现X射线时就观察到它有可见光无可比拟的穿透力，可使荧光物质发光，可使气 体或其他物质电离等。因此，X射线与物质的相互作用很快就得到了应用，这些相互作用的 本质也就得到逐渐深入的认识。入射到某物质的X射线分为穿透和吸收两部分。 一、X射线的透射系数和吸收系数 如图16所示，强度为1的入射线照射到厚度为：的均匀物质上，实验证明，X射线通