现代材料分析与测试技术第1章X射线物理学基础.pptVIP

第一章 X射线物理学基础 1.1 X射线的本质 　1894年，实验物理学家勒纳德在放电管的玻璃壁上开了一个薄铝窗，成功地使阴极射线射出管外。 　　1895年，物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中，意外发现了X光。X光的发现，不仅揭开了物理学革命的序幕，也给医疗保健事业带来了新的希望。伦琴因此成为第一个诺贝尔物理学奖得主。 后人为纪念发现者，称之为“伦琴射线”。 实验表明，高速运动的电子被物质(如阳极靶)阻止时，伴随电子动能的消失与转化，会产生X射线。 产生原理 高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高。 X射线产生的条件 1.产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子； 2.设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，用以产生X射线； 3.施加在阴极和阳极之间的高压，用以加速自由电子朝阳极靶方向加速运动，如高压发生器； 4.将阴阳极封闭在＞10－3 Pa的高真空中，保持两极纯洁，促使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。 X射线发生装置的基本原理，如图4-1 所示。 X射线的性质 X射线的性质 X射线本质上是一种电磁波 具有波动性与粒子性 X射线具有很强的穿透物质的能力。 经过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 可被吸收而使强度减弱 它能使空气或其他气体电离 能激发荧光效应 X射线的波长 X射线波长范围为10－0.001nm 在X射线金属学中，常用的波长约在0.25－0.05nm之间 用于材料探伤的X射线波长在0.1－0.005nm之间 X射线的每个光量子的能量： 光子与电子的区别 电子有静止质量，而光子无静止质量（静止的光子不存在） 电子是实物粒子，而光子只是一个能量包 电子的电离效应大于光子，而光子的穿透性强于电子 正负电子湮灭可以放出光子 高于极限频率的光子照到金属上可以发生光电效应（但不叫互相转换） 可见光 光线有不同的波长，只有波长在380nm～760nm的可见光才能被人眼看到。人根据自己的感觉，将连续光谱的可见光按照波长由大到小的顺序依次分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫各种颜色。 红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的； 伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的； γ射线是原子核受到激发后产生的 2.2 X射线谱 X射线谱指的是X射线的强度I随波长λ变化的关系曲线。 X射线强度大小由单位时间内通过与X射线传播方向垂直的单位面积上的光量子数决定。 X射线谱分为两类： 连续X射线谱 特征X射线谱。 2.2.1 连续X射线谱 产生机理 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hν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量的，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。 连续X射线谱的规律 连续X射线的强度 X射线的强度是指垂直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。常用的单位为J/cm2.s X射线的强度I是由光子能量hV和它的数目n两个因素决定的，即I=nhV，连续X射线强度最大值在1.5λ0而不在λ0处。 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，也是阳极靶发射出的连续X射线的总能量。 2.2.2 特征X射线谱 特征X射线是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似。 定义 当管电压超过某一临界值V激后(如对铜靶超过20kV)，强度曲线将产生显著的变化，即在连续X射线谱某几个特定波长的地方，强度突然显著地增大，由于它们的波长反映了靶材料的特征，因此称之为特征X射线。并由它们构成了特征X射线谱。 产生机理 特征X 射线谱产生机理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的，原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态，较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出特征X 射线谱。 K系激发机理 K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生Kα辐射；M层电子填充空位时产生Kβ辐射。 由能级可知Kβ辐射的光子能量大于Kα的能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充几率大，所以Kα的强度约为Kβ的5倍。 Kα线又可细分为Kα1和Kα2两条线，其波长相差约为0.0004nm，Kα1 和 Kα2射线的强度比约为2：1， 产生K系激发需阴极