1、羅震林、劉文漢固體物理實驗方法 （I） X射線結構分析3422，NSRLhttp:/ 固體X射線學高等教學出版社，1990l黃勝濤固體X射線學高等教學出版社lB.E.Warren, X-ray Diffraction, Addison-Wesley Pub.Co.Inc.lJens Als-Nielsen, Des McMorrow, Elements of Modern X-ray physics, John Wiley&Sons Ltd，2000第一章: X射線本質及X射線源1. X射線的發現及其本質的確定1） X射線是波長很短的電磁輻射，是光子能量很高(keV)的光子流。它具有典

2、型的波粒二象性。l1895 Rntgen W.C. 發現X射線 （1901年首屆諾貝爾物理獎）l1912 Laue.M. 晶體的X射線衍射，Laue方程 （1914年諾貝爾物理獎）l1913 Bragg, W.H & W.L. Bragg定律 (1915年諾貝爾物理獎) X射線是一種波長很短()的電磁輻射l1923 A.Compton X射線的Compton散射 （1927年諾貝爾物理獎） X射線的量子特性2)X射線波長與光子能量的關系xcEhh)(24. 1)(2398. 1)(24. 1)(2398. 1nmkeVnmkeVEnmkeVnmkeVhcx3)X射線在電磁輻射譜中的位置

3、4)典型的波粒二象性 l波 偏振 相干散射 界面的反射、折射 用經典電磁理論處理l粒子 光電吸收 不相干散射 用量子理論處理2.X射線的用途射線的用途現代物理發展中的關鍵作用l原子水平上的固體結構分析固體結構：原子結構、電子結構X射線衍射、X射線吸收精細結構l連續介質的組織結構分析（X射線透射成像）二維向三維發展CT吸收襯度成像，相位襯度顯微成像l等離子體的結構研究lX射線天文學最重要的結構研究手段其他應用其他應用l工業應用 X射線光刻l醫療應用 X透射成像，CTl安檢應用 X透射成像3.X射線管及其發射譜1)X射線機的組成X射線管 高壓發生器 水冷系統 控制電路X射線管結構電子槍（陰極）金屬

4、靶（陽極）水冷通道窗口(Be)圖1 密封式X射線管結構圖2 各種陽極發出的X射線譜（ 0.1nm）強度2)X射線管發射譜（1）連續譜 輻射機制：韌致輻射 最短波長 （2）標識譜（特征譜） 波長（光子能量）由靶元素確定的線譜，它在所加電壓高于靶元素的激發電壓時疊加在連續譜上。 A.輻射機制：靶原子內殼層的電子躍遷 B.主要譜線 LIIIK LIIK MK潘國強.同步輻射應用基礎K-series L-series K 1 2n = 1, L= 0, J = ; 2S1/2n = 2, L = 1, J = 3/2; 2P3/2(LIII)n = 2, L = 1, J = ; 2P1/2(LII)

5、n = 2, L = 0, J = ; 2S1/2(LI)ONMLKcontinuum特征譜線（特征譜線（標識輻射標識輻射 ）e-例例 Cu1K0.15406nm2K0.15444nmK0.1542nm K0.13923nmkVV98. 80C.特征譜強度 I與電壓V電流i的關系 n=1.5-2 與連續譜比，當 時，強度強兩個量級 K系三條譜線的強度比 0()nIBi VV0)53(VV12:100:50:20 3)X射線管的主要性能指標靶元素 確定譜特征 常用靶元素Mo Cu W Ag功率 密封管1-3KW 旋轉靶12KW, 18KW(100KW)焦斑 標準焦斑 細聚焦管 110mmmmmm

6、mm44 . 04.同步輻射1）同步輻射和同步輻射光源 速度接近光速的電子（稱為相對論電子）在磁場中作曲線運動時沿軌道切線方向發出的電磁輻射稱為同步輻射，因為這種輻射是1947年首先在電子同步加速器上發現的。產生同步輻射的裝置，即電子同步加速器或電子儲存環就稱為同步輻射光源。目前世界上已有幾十個同步輻射光源在運行。代表性的光源有：第一代（兼用機） SSRL（美國） BSRF（北京）第二代（專用機） NSLS（美國） NSRL（合肥） PF（日本） SRRC（新竹）第三代 APS（美國） ESRF（歐洲） SPRING8（日本） SSRF（上海） 2)同步輻射裝置二極彎轉磁鐵（Bend Magn

7、et）、扭擺磁鐵（Wiggler Magnet）、波蕩器（undulator） 同步輻射的優異特性1)廣寬平滑的連續譜 根據電子能量的不同，其頻譜范圍可從紅外直至真空紫外，軟X射線，硬X射線，甚至射線，其特征波長 為其中R為電子彎轉半徑，為電子能量與其靜止能量（0.511Mev）之比 34/3cRrc c cNSRL的彎轉磁鐵和扭擺器光通量理論計算光譜(頻譜)34/3cRr圖5 X射線源亮度2)高強度,高亮度3)方向性好同步輻射功率集中在電子運動方向上極小的立體角內，其立體角的大小約為 rad。例：1Gev的電子所發射的同步輻射集中在0.5mrd的立體角內/14)偏振性5)潔凈6)脈沖時間結構7)高穩定性8)可由理論準確計算9)對全世界開放NSRL5.其它X射線源1)放射源 發射出Mn 實驗室常用于校準探測器2)等離子體源 激光等離子體光源 Z箝縮等離子體光源 飛秒脈沖強激光的高次諧波3)X射線激光、自由電子激光