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X射线设备工作原理 和发展方向

发表时间:2020-08-02 15:18

X射线是一种电磁波,其组成粒子是光子。X射线具有波长短、光子能量高的特点,因此可穿透到原子内部,在行进的过程中一部分光子发生透射,一部分光子与核外电子发生散射或光电效应。对这些现象的有效利用,可达到形成能谱或成像的目的,使得X射线成为材料性能分析的重要手段。随着材料科学的进步,对利用X射线的设备工作能力提出了更高的要求,本文综述了基于X射线波粒二象性的固有特征,利用X射线衍射、X射线激发、X射线吸收和X射线相差现象的设备工作原理;同时,讨论了X射线设备工作能力的发展方向。

1 概述

在微观层次上,进行物质中晶体结构、元素组成、化学反应进程和缺陷分布表征;在宏观层次上,进行物质中流场、应变场、传输(侵入或溶出)以及裂纹扩展过程表征,是材料性能设计、优化和破坏机理研究的重要因素。

X射线是具有一定波长和能量范围的光子流,即具有波动特征也具有粒子特征。X射线的波长与常见物质的原子和分子间距相当,利用光波的衍射特征可获悉物质的微观结构,或反而行之进行物质鉴定。X射线的光子能量与常见物质中核外电子的跃迁能量相当,利用电子跃迁产生的X射线吸收,可进行试样的透射成像或拓扑(切面)成像;利用被激发的电子在返回基态所产生特定波长的X射线(特征X射线)可进行元素鉴定。X射线的光子与原子的核外电子发生散射,可改变光子行进的速度和方向,使得X射线光波相位和方向发生变化,利用相位差可进行相衬成像。由于X射线在微观结构表征、物相鉴定、微观形貌成像方面的工作能力,使得X射线成为材料性能表征和衰减机理研究的重要手段。

随着材料科学的进步,对材料微观结构、静态和动态变化过程的精确和快速表征提出了更高的要求。本文综述了利用X射线衍射、X射线激发、X射线吸收和X射线相差现象的设备工作原理和能力发展方向,以及多原理、多设备联合的应用方式,以期为材料性能表征、设计和优化研究方法提供借鉴。

2 X射线的特征与利用

1895年,德国物理学家伦琴(W. C. Rntgen)发现了该种射线超强的穿透能力并命名为X射线。之后的研究证明,X射线是具有一定波长和能量范围的电磁波,由具有波粒二象性的光子组成。图1为X射线的波长和能量范围。


X射线的波长在0.01nm至10纳米之间。通常以0.1nm为界,将波长小于0.1nm的X射线称为硬X射线,将波长大于0.1nm的X射线称为软X射线。X射线的波长涵盖常见物质的原子或分子间距,在通过原子层形成的间隙时可产生衍射现象,为晶态物质原子架构剖析提供了基础。

X射线的光子能量在100eV至300KeV之间,该能量可激发常见物质的核外电子发生跃迁,产生X射线吸收。元素的X射线吸收能力与原子序数成正比,一般情况下,原子序数与形成的物质密度成正比,因此高密度的物质通常形成更显著的X射线吸收,为物质的透射成像和拓扑(切片)成像提供了基础。同时,低能量的光子与原子核外电子碰撞时会产生散射,这是从粒子角度阐述光波衍射现象或折射现象的原因。

3 X射线发生装置

X射线最原始的发生装置是阴极射线管(X射线管),随着对X射线单色性(波长频率范围)和光通量(单位时间通过单位面积的光子数)要求的提高,逐渐开发出激光等离子体光源、同步辐射光源和X射线自由电子激光光源等多种形式,其发展的方向是提高X射线的单色性、光通量、相干性和偏振性。

3.1 X射线管

X射线管的工作原理是用热激发物质释放电子(通常采用电流加热钨丝的方式),然后用电场对释放出的电子进行加速,高速的电子在前进过程中与靶材相撞,电子在撞击前的理论能量为eV0,其中,e为电子携带的电荷,V0为X射线管对电子的加速电压,电子与靶材碰撞后,其能量绝大部分转化为热能,少部分转化为光能,释放出能量在X射线能量范围的光子(从靶材中发射的光子方向是任意的,射线管的狭缝规整X射线的出射方向),如图2所示。


原子的核外电子是按能级分布的(如图3所示),能级中又分为轨道,能级越小,其中的电子被原子核束缚的程度越大。使用高能量的电子轰击原子的核外电子,可将内层轨道上的电子激发出去,使原子处于不稳定状态,处于激发态的原子寿命只有10-12至10-14秒,然后自发地由高能态恢复到低能态,恢复过程中,外层轨道上的电子向内层迁移,降低能量并释放出光子,轨道间确定的能量差决定了释放出的光子有确定的能量,称为特征辐射。除特征辐射,电子在穿透原子核外电子层的过程中,如果没有与核外电子发生碰撞,原子核的电荷效应(带正电)也会使得透射的电子减速,并将电子损失的能量转化为光子释放出来,如图4所示。由于透射的电子与原子核之间的距离在很大的范围内变化,因此发射出的光子能量在一定的范围内变化,这种由于电子减速而产生的辐射称为韧致辐射。韧致辐射产生的光子能量是连续变化的,特征辐射产生的光子能量是阶跃的,两者的组合表现为连续谱线上出现阶跃的尖峰,如图5所示。


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