X射线应力测定方法.pdf

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1、X射线应力测定技术预备知识一、X射线的本质与产生1、X射线的本质1895年德国物理学家伦琴发现了X射线。1912年德国物理学家劳埃等人成功地观察到X射线在晶体中的衍射现象，从而证实了X射线在本质上是一种电磁波。依据电磁波的波长，从3×10－4m以上到10－13m以下，可以把它们分别称为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线和宇宙射线等（如图1所示）。X射线的波长范围在10－12m～10－8m之间。用于衍射分析的X射线波长通常在0.05nm～0.25nm范围，用于金属材料透视的X射线波长为0.1nm～0.005nm，甚至更短。实验证明，波长越长的电磁波，其波动性越明显，波长越短

2、的电磁波，其粒子性越明显。X射线和可见光、紫外线同其它基本粒子一样都同时具有波动性和粒子性二重特性。正因为它们的具有波动性，光的干涉衍射现象才得以圆满解释；也正因为它们的粒子性，探测器才可以接收到一个个不连续的图1、电磁波谱光量子。反映波动性的波长λ、频率υ与反映粒子性各个区域的上下限难以明确指定，本图中各种电磁波的边界是臆定的的光子能量ε之间存在以下关系：ε＝hυ＝hc/λ式中h为普朗克常数，h＝6.626×10－34J·s；c为光速，也是X射线的传播速度，c＝2.2998×108m/s。2、X射线的产生研究证明，当高速运动的电子束（即阴极射线）与物体碰撞时，他们的运动便急遽的被阻止

3、，从而失去所具有的动能，其中一小部分能量变成X射线的能量，发生X射线，而大部分能量转变成热能，使物体温度升高。从原则上讲，所有基本粒子（电子、中子、质子等）其能量状态发生变化时，均伴随有X射线辐射。通常使用的X射线都是从特制的X射线管中产生的。图2是X射线管的结构和产生X射线示意图。灯丝上的热电子在高电压的作用下以高速度撞击阳极靶面，就从靶面上产生X射线，并通过管壁上的铍窗放射出来。图2、X射线管的一般结构示意图3、连续X射线谱和标识X射线谱从X射线管发出的X射线分为两种：一种是波长连续变化的X射线，构成连续X射线谱，和白色可见光相类比。连续谱包含从一个短波限λ0开始的全部波长的X射线

4、，辐射强度随波长连续变化，升高X射线管的电压，各波长的辐射强度一致增高，短波限λ0变小。之所以存在一个短波限λ0，就因为撞向阳极的电子的能量取决于管电压，产生X射线的能量至多等于电子的能量，因此辐射有一个频率上限υm，对应的波长就是短波限λ0。另一种是具有特定波长的X射线，他们叠加在连续X射线谱上，称为标识或特征X射线谱（如图3所示）。当加在X射线管上的电压达到一定值（临界激发电压）的时候就会产生标识谱X射线。一旦产生了标识谱X射线，管电压继续升高，其强度随之增大，但是它的波长却不随管电压的升高而变化。实际上标识谱的波长取决于X射线光中阳极靶的材料，测定其图3、钼靶的连续谱与标识谱波长

5、就可以断定是什么靶材，这恐怕就是标识谱这个名称的含义。4、标识X射线的产生如果说连续X射线是由高速电子被靶急剧减速而产生的，那么标识X射线则源于靶材料本身的原子之中。在此只需把原子看成是由原子核和在其外围壳层分布的电子所组成便足够了（如图4所示）。如果轰击靶的高速电子具有足够的能量，以至于把K层一个电子撞出，便使得原子处于受激状态或高能状态；外层的电子即跃迁到K层的空位，并在这个过程中发射出能量，使原子重新回到正常状态。所发射的能量等于跃迁电子的能级之差E，以一个X光量子的形态辐射出来，事实上这就是K系标识X射线（当然如果是在L层产生空位，发射的就是L系标识X射线，以此类推）。它同时具

6、有波动性，其频率υ、波长λ取决于能级之差EE＝hυ＝hc/λ。如果K层一个电子被撞出，相邻的L层上的电子来填补空位，产生的X射线称为Kα辐射；如果由M层电子填补K空位，产生的X射线称为Kβ辐射（如图3所示）。在高电压的作用下，轰击靶的电子动能必须大于或等于内层电子与其原子核的结合能EK才可能撞出内层电子，所以先对应地存在一个临界激发电压VK。不同的靶材，随原子序数Z的增大，跃迁电子的能级之差E也随之增大，同一系标识X射线的波长λ也越短，莫塞莱定律给出了它们之间的关系：图4、电子跃迁产生X射线1/λ=K(Z－σ)。式中K和σ为常数。这就解释了为什么根据标识谱线的波长λ可以断定靶材的原子序

7、数Z。至此，我们对用于X射线衍射的标识谱X射线的来源和本质有了初步的认识。二、简单的晶体学知识众所周知，自然界里的固态物质分为晶体和非晶体。所谓晶体，就是由原子所组成的图．．样，在三维空间中周期地排列而构成的固体。把晶体中质点排列的规律性抽象出来，就可以得到空间点阵。在空间点阵之中人们可以．．．．选出一个能代表该点阵排列规律的最小几何体，这就是晶胞；整个空间点阵可以看作是由许．．许多多晶胞在三维空间重复排列而成的。按照晶胞形式的不同，自然界里的