第3章 X射线与衍射原理

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1、X-射线衍射原理与实验技术和应用软件(培训参考资料3)布鲁克（北京）科技有限公司2013/6/18HeChongZhi1第3章X射线与衍射原理1.X射线产生与X射线谱2.X射线与物质的作用3.X射线衍射的物理模型与Bragg公式4.衍射衍射成象(单晶、多晶（粉末）、非晶)5.倒易点阵及其应用6.厄瓦尔德图解与衍射花样成象原理7.X射线粉末衍射累计强度2013/6/18HeChongZhi21.X射线产生与X射线谱产生原理:凡是高速运动的电子流或其它高能射流（如γ射线，X射线中子流等）被突然减速时均能产生X射线。产生条件：电子流、高压、靶面、(真空室、冷却系统)2013/6/18HeC

2、hongZhi3X射线管的效率η:指电子流能量中用于产生X射线的百分数即2X射线总强度KiZVKZVX射线管功率iVX射线管的效率η也仅有1﹪左右，99％的能量都转变为热能.须水冷。2013/6/18HeChongZhi4X射线管:管尺寸规一，铍窗、四窗口。封闭管光源靶面用金属做成:Cr,Fe,Ni,Co,Cu,Mo,Ag,W.靶材料的原子序数愈大，X射线波长愈短，能量愈大，穿透能力愈强.2013/6/18HeChongZhi52013/6/18HeChongZhi6点焦斑与线焦斑:焦斑小，比功率大，线形失真小。2013/6/18HeChongZhi7高功率旋转阳极靶:焦斑在

3、高速旋转旋转园柱体上移动，有利于散热,解决冷却问题,提高X射线管的额定功率几倍到几十倍。2013/6/18HeChongZhi8细聚焦X射线管：在X射线管阴阳极之间，添加一套静电透镜或电磁透镜，使阴极发射的电子束聚焦在阳极上，焦斑只有几个微米到几十微米。虽然电子束流减小，但因焦斑小，单位焦斑面积发射的X射线强度增加。这种X射线管，焦斑小，比功率大，线形失真小。同步辐射：利用电子在加速运动中要辐射电磁波的原理。这种辐射非常稳定，强度高，准直性好。而且能获得0.01~几个纳米的连续辐射。在多晶衍射方法中，固定入射角和发射角，利用X射线能谱探测器可记录不同波长（对应不同的晶面间距）的辐

4、射。这种方法的优点在于可以收集尽可能多的面间距数据，而不受在一般多晶衍射法中衍射角的限制。2013/6/18HeChongZhi9X-射线谱X射线谱：X射线强度随波长而变化的关系曲线,两部分组成：•连续X射线谱：各种波长连续变化，也称白色X射线。•特征X射线谱：也称标识谱，特征是某些特定波长，其强度较高,叠加在连续X射线谱上。特征X射线谱线的波长决定于靶子的材料，每个元素有一套一定波长的X射线谱，成为这个元素的标识。2013/6/18HeChongZhi10连续X射线谱产生机理经典动力学解释:高速运动的电子到达靶材，导致周围电磁场的急剧变化，产生电磁波。量子理论的解释:高速电子

5、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出去，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。绝大多数到达靶上的电子时间和条件不一样，并且电子要经过多次碰撞，逐步把能量释放到零，产生能量各不相同的辐射，因此形成连续X射线谱。由阴极灯丝所发射的数量巨大电子以极高的速度撞向阳极靶，辐射电磁波即释放X射线。这些电子撞向阳极靶上的条件和时间不同，产生电磁辐射也各不相同，而形成各种波长的连续X射线谱。2013/6/18HeChongZhi11短波限:短波限λ0只与管电压有关,V↑，λ↓，λ↓,max0λ0=hc/ev;λ0=1.24/V（nm）当X射线

6、光管电压一定时，某一个电子的全部动能完全转化为一个X射线的光量子，此X射线光量子的能量最大，波长最短。hceVhmax010式中e-电子电荷，等于4.80310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6.626×10-34J·s；连续谱线强度经验表达式：111Iλ=CZ·2（-）0式中C为常数，Z为阳极靶材料的原子序数。2013/6/18HeChongZhi12特征谱特征波长在连续谱的某些特定的波长位置上出现的一系列强度很高波长范围很窄的线状光谱，靶材一定，波长恒定.特征谱中K系Ka1和Ka2，波长极为相近难分解，Kb可过滤。Anod

7、eKa(100%)Ka(50%)Kb(20%)12Cu1.54060Å1.54439Å1.39222ÅCr2.289702.293612.08487Fe1.936041.939981.75661Co1.788971.792851.62079Mo0.709300.713590.632292013/6/18HeChongZhi13特征谱产生机理:与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。原子的壳层结构与电子的跃迁，放出光子能量原子的壳层结构与电子的跃迁，放出光子能量