【文章內(nèi)容簡介】 X 射線管是用人工方法獲取 X 射線的最常用的器件。它是由陰極、陽極、靶面、玻璃殼等部分組成（如圖 31）。用鎢絲燒制成的陰極，在高溫下可發(fā)射足夠數(shù)量的電子，作為電子源 ；在陰極、陽極間加上由幾十千伏至幾百千伏的高壓形成的強電場作用下，加速電子并形成高速電子流；鎢制靶面鑲嵌在陽極銅上，在經(jīng)受電子轟擊后產(chǎn)生 X 射線。整個 X 射線管的靶、電極系統(tǒng)封裝在高真空的玻璃殼內(nèi)，玻璃殼用以固定電極并提供高速電子飛行和高溫?zé)艚z正常工作所必須的真空環(huán)境。 圖 31X 射線管結(jié)構(gòu)圖 6 產(chǎn)生 X 射線的機理 X 射線是在能量轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的。它是根據(jù)靶原子的三個性質(zhì)（核電場、軌道電子的結(jié)合能、原子處于最低能態(tài)）的需要來產(chǎn)生的。在轟擊電子并與靶原子的軌道電子或核相互作用下，其結(jié)果要把動能轉(zhuǎn)化為熱能和 X 射線形式能（圖 32）。 一、 電離與激發(fā) 在轟擊電子并與靶原子的外層軌道電子相互作用后，受到偏轉(zhuǎn)并丟失部分能量。轟擊電子損失的這部分能量不足 以使靶原子電離，只是使其外層電子上升到能級差僅有幾個電子伏特的 軌道上而受到激發(fā)。由于原子總要保持最低能態(tài)的特性，相互作用過后，受激發(fā) 的 電子迅速回到它們的正常狀態(tài)，即產(chǎn)生躍遷，并輻射出紅外線（熱能）。 因 X 射線管陽極升溫產(chǎn)生的熱能，就是由這些外層電子的激發(fā)和躍遷過程中轉(zhuǎn)化而來的。一般來說，在轟擊電子時產(chǎn)生的動能中有 99%以上的能量都轉(zhuǎn)化為熱能，只有不到 1%的能量產(chǎn)生 X 射線?？梢?， X 射 線機是一種效率非常低的能量轉(zhuǎn)換裝置。 （ 圖 33） 表示在轟擊電子并與靶原子的外圍電子相互作用后把大部分動能都變成熱能，這些相互作用主要是激發(fā)而不是電離， ‖e‖—表示被激發(fā)的電子 。 圖 33 靶原子電離與激發(fā) 圖 32 鎢原子能級圖 X 射線產(chǎn)生機理及其衍射技術(shù)在材料分析中的應(yīng)用 7 二、 特性輻射 電子分布在不同能級的電子殼層（軌道）上，距核最近的第一層電子的能量最低，稱 K 層；第二層稱 L 層，具有較高的能量；其外側(cè)為 M、 N、 O、 P 等層。相鄰兩層能級之差依 K、 L、 M…… 的次序急劇地減小， K 層與 L 層之間的能量差最大 。每個殼層的最大電子數(shù)目為： K 層為 2， L 層為 8， M 層為 18， N 層為 32。 當(dāng)高速電子流轟擊陽極靶時，可以將陽極 靶原子內(nèi)層的某些電子從其所在的電子殼層擊出，轉(zhuǎn)移到能量較高的外部殼層上，或擊出原子系統(tǒng)之外而使原子電離。這樣，高速電子就將自身的能量級給予了陽級靶原子，并使其從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。如果是由最內(nèi)層即 K 層電子轉(zhuǎn)移到未飽和的更外面的某 X 層時，則高速轟擊電子的能量 eV 應(yīng)大于或等于 εXεK。此處， εX 與 εK 分別為未飽和的 X 層與 K層電子的能量。處于激發(fā)態(tài)的原子，因其能量高于基態(tài)處于不穩(wěn)態(tài)，必然要向穩(wěn)定的基態(tài)轉(zhuǎn)化，即由較外層的電子躍入內(nèi)層以填補空位，使原子系統(tǒng)的總能量重新降低而趨于穩(wěn)定。假設(shè) K 層電子被激發(fā)后由 L 層電子躍遷 來補充，其降低的能量 εL –εK 將以一個 X 射線光子的形式輻射出來，輻射的頻率由原子的能級差決定，即 h vLK =εL –εK vLK =εL –εK /h 這就是波長 λ=c/vLK =KL??hc 的特性輻射。 同樣，電子也可以由 M、 N 等層躍入缺位的 K 層，由于各層電子能量不同，故輻射出來的特征 X 射線的波長也各不相同 （圖 34） 。 圖 34 特征 X 射線譜產(chǎn)生的示意圖 1原子核 2電子 3K 系激發(fā) 4L 系激發(fā) 8 三、 軔致 輻射 它是由轟擊電子并與靶原子的原子核相互作用的結(jié)果。轟擊 電子時產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電磁能并以 X 射線光子的形式被放射出來，這種 X 射線稱為阻止 X 射線（亦稱軔致 X 射線）。阻止或軔致的意思是減速或制動?？梢哉J(rèn)為，這種射線是由原子核對轟擊電子的阻止或制動所產(chǎn)生的。 一個被轟擊電子在與靶原子核相互作用時，可以損失任意量的動能，所以這種射線有一個相應(yīng)的能量范圍。 當(dāng)轟擊電子受原子核的影響很小時，產(chǎn)生低能量 X 射線光子；每當(dāng)轟擊電子一次若把全部能量都失去時，則會產(chǎn)生一個最大能量的 X 射線光子。在這兩個極端情況之間，所有不同能量的 X 射線光子都有可能發(fā)生，所以又稱這種輻射為連續(xù)輻射 （圖 35） 。 圖 35 X 射線的產(chǎn)生 X 射線產(chǎn)生機理及其衍射技術(shù)在材料分析中的應(yīng)用 9 4 X 射線衍射 的 基本原理 由于 X射線是波長很短的 一種電磁輻射，常用的 X射線波長約 間，與晶體中的原子間距數(shù)量級相同，因此可以用晶體作為 X射線的天然衍射光柵，這就使得用 X射線衍射進行晶體結(jié)構(gòu)分析成為可能。 當(dāng) X射線沿某方向入射某一晶體的時候，晶體中每個原子的核外電子產(chǎn)生的相干波彼此發(fā)生干涉 。 當(dāng)每兩個相鄰波源在某一方向的光程差 (△ )等于波長 λ的整數(shù)倍時，它們的波峰與波峰將互相疊加而得到最大限度的加強，這 種波的加強叫做衍射，相應(yīng)的方向叫做衍射方向，在衍射方向前進的波叫做衍射波 。 △ =0的衍射叫零級衍射，△ =λ的衍射叫一級衍射，△ =nλ的衍射叫 n級衍射 。 n不同，衍射方向也不同 。 在晶體的點陣結(jié)構(gòu)中，具有周期性排列的原子或電子散射的次生 X射線間相互干涉的結(jié)果，決定了 X射線在晶體中衍射的方向，所以通過對衍射方向的測定，可以得到晶體的點陣結(jié)構(gòu)、晶胞大小和形狀等信 息。 晶體結(jié)構(gòu) =點陣 +結(jié)構(gòu)基元，點陣又包括直線點陣，平面點陣和空間點陣．空間點陣可以看成是互不平行的三組直線點陣的組合，也可以看作是由互相平行且間距相等的一系 列平面點陣所組成 。 勞厄和布拉格就是分別從這兩個角度出發(fā)，研究衍射方向與晶胞參數(shù)之間的關(guān)系，從而提出了著名的勞厄方程和布拉格方程 。 倫琴發(fā)現(xiàn) X射線之后， 1912年德國物理學(xué)家勞厄首先根據(jù) X射線的波長和晶體空間點陣的各共振體間距的量級，理論預(yù)見到 X射線與晶體相遇會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，并且他成功地驗證了這一預(yù)見，并由此推出了著名的勞厄定律 (式 1)，其中 h、 k、l=0、177。 177。 2等 ， h、 k、 l是發(fā)生衍射的晶面 因子（圖 41）。 a(cosαcosα0 )=hλ b(cosβcosβ0)=kλ (1) c(cosγcosγ0)=lλ 其中 晶胞參數(shù) α0、 β0、 γ0、 α、 β、 γ決定了衍射的方向。 勞厄等的重大發(fā)現(xiàn)引起了英國物理學(xué)家布拉格父子的關(guān)注，此后不久布拉格父子在勞厄試驗的基礎(chǔ)上 ， 導(dǎo)出了著名的布拉格定律 (式 2)， 其中， θ稱為布拉格角{ 10 或半衍射角，這一定律表明了 X射線在晶體中產(chǎn)生衍射的條件 。 2d l*k*h sinθ nl*nk*nh =nλ (2) λ為 X射線的波長， n為任何正整數(shù)。 當(dāng) X射線以掠角 θ(入射角的余角 )入射到某一點陣平面間距為 d的原子面上時 ， 在符合上式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強的衍射線。 h,k,l見列表 41。為 布 拉 格定律簡潔直觀地表達(dá)了衍射所必須滿足的條件。當(dāng) X射線波長 λ已知時 (選用固定波長的特征 X射線 )，采用細(xì)粉末或細(xì)粒多晶體的線狀樣品 ,可從一堆任意取向的晶體中，從每一 θ角符合布 拉 格條件的反射面得到反射 ,測出 θ后，利用布 拉 格公式即可確定點陣平 面間距、晶胞大小和類型 ； 根據(jù)衍射線的強度 (公式 3),還可進一步確定晶胞內(nèi)原子的排布。這便是 X射線結(jié)構(gòu)分析中的粉末法或德拜 謝樂 (Debye— Scherrer)法的理論基礎(chǔ)。而在測定單晶取向的勞厄法中所用單晶樣品保持固定不變動（即 θ不變） ， 以輻射束的波長作為變量來保證晶體中一切晶面都滿足布 拉格條件 ， 故選用連續(xù) X射線束。如果利用結(jié)構(gòu)已知的晶體 ， 則在測定出衍射線的方向 θ后 ，便可計算 X射線的波長，從而判定產(chǎn)生特征 X射線的元素。這便是 X射線譜術(shù) ， 可用于分析金屬和合金的成分。 已知一個晶胞的衍射強度（ HKL晶面）為： eHKLHKL IFI ?? 2 若亞晶