同步辐射应用基础(第二章同步辐射X射线衍射) 研究生课程讲义

X射线在医学诊断、治疗中的应用非常
伦琴
广泛，特别是X射线诊断技术，已经成
为现代医学不可缺少的工具。
X射线是波长介于紫外线和γ射线 间的 电磁辐射。X射线是一种波长很短的电 磁波，其波长约介于0.01~100埃之间。
第一张X光照片
X射线衍射（一）— 历史
1912年德国物理学家劳埃（ue) 发现 晶体的衍射现象。1914年获得了第二个诺贝 尔物理奖。
2) 增加X射线强度的方法：
①增加管电流；②增加管电压。 增加管电流，可使单位时间内轰击阳极靶的电子数目增 多，从而使Ni增加；增加管电压，可产生频率更高的光 子，即能量更高的光子。 3) X射线的强度表示：通常用管电流的毫安数(mA)间接 表示X射线的强度。 4) 总辐射能量表示：
X射线总辐射能量与X射线的强度和照射时间成正比。 因此，用管电流毫安数与照射时间的乘积表示X射线总 辐射能量。
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射（五）— 实验
1. 峰位 定性相分析，确定晶系，指标化， 计算晶胞参数等
2 . 峰强 计算物相含量，计算结晶度 3 . 峰形 估计结晶度高低，计算晶粒尺寸 (谢乐公式)
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射分析可给出材料中物相的结构及元素的 状态信息, 根据实验得到的d-I/I0一套数据，与已知 的标准卡片数据对比，来确定相应的未知物相。 XRD物相定性分析
2.为后人在不同领域的研究打下了理论基础
X射线衍射（二）— 原理
常规X射线的产生
产生X射线的方法有多种，常用的产生X射线的 方法是：用高速运动的电子束轰击一障碍物—— 阳极靶。受到靶的阻碍作用，电子的动能转变为 X射线光子的能量。
产生X射线的两个基本条件是: 1)有高速运动的电子流； 2)有适当的障碍物—靶来阻止电子的运动。
胃肠透视时，吞服造影剂钡餐(硫酸钡)，钡 （Z=56）的原子序数较高，吸收本领较大，可以 显示出胃肠的阴影。铅(Z=82)的原子序数很高， 因此将铅板用作X射线的防护材料。
X射线衍射（三）— 衰减
波长愈长的X射线，愈容易被吸收。
X射线的波长越短，贯穿本领越大， 因此浅部治疗时，使用波长较长的X射 线，深部治疗时使用波长较短的X射线。
➢利用XRD衍射角位置及强度，鉴定未知样品是 由哪些物相所组成 ➢对比粉末衍射标准联合会（JCPDS）出版的粉 末衍射卡片（PDF卡片） ➢看“三强线”
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射（五）— 实验
e=1.602×10-19C 代入上式得
min
1.242 U
其中，管电压单位为 kV，波长单位为nm。
X射线衍射（二）— 原理
线状X射线谱
当管电压增加到70kV以上时，出现线状谱。
实验表明，线状谱的波长 取决于阳极靶的材料。不 同元素制成的靶具有不同 的线状谱，可以用这些线 状谱作为元素的标识，因 此，这些线状谱称为标识 X射线谱。
当管电压较低时，只产生连续X射线。下图是管 电压分别为20kV、30kV、40kV、50kV时的连续X 射线谱。由图可见，当管电压增大时，各波长强度 都随之增大。
X射线衍射（二）— 原理
连续谱特性
1)短波极限：
由图可见，每一个管电压下 都对应着一个最短的波长λmin， 称为短波极限。
2) λ min与管电压的关系 实验发现，X射线谱的能
下关系
Hale Waihona Puke d = a / ( h 2+ k2 + l 2) 1/2
得：
sin2 = ( h2 + k2 + l2 ) ( /2a )2
由此
可见sin2值与衍射指标的平方和成正比。而衍
射指标随结构不同而异
X射线衍射（五）— 实验
• 实验测得金属铜的衍射线如下
• • No. sin sin2 h2+k2+l2 h k l • -----------------------------------------------------------• 1 22 0.3746 0.1403 3 1 1 1 • 2 25.7 0.4337 0.1880 4 2 0 0 • 3 37.7 0.6115 0.3744 8 2 2 0 • 4 45.2 0.7096 0.5035 11 3 1 1 • 5 47.8 0.7408 0.5488 12 2 2 2 • 6 58.7 0.8545 0.7301 16 4 0 0 • 7 68.5 0.9304 0.8657 19 3 3 1 • 8 72.8 0.9553 0.9126 20 4 2 0 • ________________________________________
➢衍射级数
n称为衍射级数 n = 1称为一级衍射， n = 2称为二级衍射
X射线衍射（四）— 理论
2d sin n
➢布拉格方程把晶体的周期性的特点d、X射
线的本质λ与衍射规律θ结合起来，利用衍射实
验只要知道其中两个就可以计算出第三个 ➢已知λ ，测定θ ，计算d可以确定晶体的周期结 构——晶体结构分析（XRD） ➢已知d，测定θ ，计算出λ ，可以研究产生X射 线特征波长，从而确定物质是由何种元素组成的， 含量多少——X射线波谱分析（XRF）
X射线衍射（五）— 实验
试样的填充
必须保证接收X射线入射的试样面是一平面，且使 这个试样面与测角仪轴一致；
试样架的正面与背面是有区别的，正面的加工精度 高(注意不要弯曲试样架)；
试样面应是试样架的正面，在进行点阵参数的精确 测定时尤其要注意。
X射线衍射（五）— 实验
调节光斑大小—狭缝 样品定位—激光准直器 测试（测试角度、步长）
标识X射线发生原理示意图
X射线衍射（二）— 原理
标识谱特性
标识X射线对化学元素分析非常有用。 医学诊断和治疗中使用的X射线主要是连 续X射线，标识X射线在X射线的强度中 所占的分量很小。
X射线衍射（三）— 衰减
单色X射线的衰减规律
1．衰减规律 如图，设入射X射线强度
为I0 ，在厚度x处，强度为I， 在x~x+dx厚度内衰减了dI， 则
X射线衍射（四）— 理论
➢1912年小布拉格提出著名的布拉格方程 2d sin n
➢由于干涉的存在，产生不同的衍射花样， 可用于分析晶体的性质
X射线衍射（四）— 理论
➢产生衍射的极限条件
能够被晶体衍射的电磁波的波长必须小于参加反射 的晶体中最大面间距的2倍（ λ< 2d ） 当X射线的波长一定时，晶体中有可能参加反射的 晶面族也是有限的，必须满足d > λ /2
Fe26K = 1.94 Å
Cu29K = 1.54 Å Mo42K = 0.71 Å
钨在较高管电压下的X射线谱
X射线衍射（二）— 原理
产生机制
当轰击阳极靶的高速电子 的能量足够高时，可以使靶 原子的内层电子脱离原子核 的束缚。比如，K层电子被 击出，则L、M、N等外层电 子就会跃迁到K层，从而放 出光子。光子的能量等于两 个能级差。这样就形成了K 线系。
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射（五）— 实验
小角散射、漫散射、高分辨成像、衍射
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射（五）— 实验
同步辐射光源调试
X射线衍射（五）— 实验
试样的预处理：
样品的颗粒度对X射线的衍射强度以 及重现性有很大的影响
➢颗粒越大，则参与衍射的晶粒数就 越少，还会产生初级消光效应，使得 强度重现性较差 ➢一般要求粉体样品的颗粒度大小在 0.01 - 1 mm范围（研磨，过筛）
右图为利用X射线 摄谱仪拍摄的钨靶X
射线谱。它分为连续 谱和线状谱两部分。
钨靶X射线谱
X射线衍射（二）— 原理
连续X射线谱
产生机制 当高速电子流在阳极靶上受到制动时，电子的一部分能量ΔE 转化为光子的能量hv，在撞击时各个电子损失的能量ΔE大小 不同，所以光子的能量不同，即光子波长不同，这样就产生了 连续谱。
线的能量不到1%，99%以上的能量都变为热量。 因此靶材料应选用耐高温的材料。 2）原子序数大
靶材料的原子序数Z越大，电子能量转化为X 射线的能量越多。因此，钨(Z=74)和它的合金是 最合适的靶材料。
X射线衍射（二）— 原理
实际焦点与有效焦点
1)实际焦点： 电子流在靶面上的撞击面积叫
实际焦点。
2)大焦点、小焦点：
将
x x1
2
，
I
1 2
I0
x1 2
ln 2
m
0.693
m
上式为半价层与衰减系数之间的关系式
X射线衍射（三）— 衰减
衰减系数与波长原子序数的关系
原子序数愈大的物质，吸收本领愈大。
人体肌肉组织的主要成分是C、H、O等，而骨骼 的主要成分是Ca3(PO4)2，其中，Ca和P的原子序数 比肌肉组织的成分原子序数高，因此骨骼的衰减 系数比肌肉组织的大。
同步辐射X射线衍射
课程回顾
1.什么是同步辐射光源？ 2.同步辐射光源特点？ 3.同步辐射装置
电子枪 – 电子的源泉 直线加速器 – 预加速 增强器 -- 加速到满能量 储存环 光束线 实验站
X射线衍射（一）— 历史
1895年德国物理学家伦琴在做阴极射线 实验时，意外地发现了X射线。伦琴因 此获得了1901年首届诺贝尔物理学奖。
X射线衍射（二）— 原理
X射线的强度
1)定义： X射线的强度是指单位时间内通过垂直 于射线方向的单位面积的辐射能量，用I表示。
n
I Nihνi N1hν1 N2hν2 Nnhνn i 1