X射线的基础知识

二．X射线的基础知识

2.1X射线的产生

任何具有足够动能的带电粒子射到金属材料上就会产生X射线。

X射线管主要由灯丝（阴极）和金属（阳极）组成，如图2.1所示。灯丝为螺旋状，一般由钨丝制成。当灯丝通电加热后，发射热电子。金属阳极统称为靶，其接高压变压器，形成一个高压场，使电子流以极高速度撞击靶，在撞击点上产生X射线，向四周辐射。其强度分布在与靶面约成6 处为最强，故在管壁上按此角度开辟窗口使X射线透过。

由于仅有百分之几的电子动能转化成X射线光能，而大部分撞击靶的电子动能被转变为热能。因此，靶内部需通水进行冷却，以免靶受热熔化。

图2.1 X射线的产生

常用的X射线发生器有两类，一类是封闭X射线管；另一类是转靶X射线管。

封闭X射线管中的靶是固定不动的，故也称作固定靶，如图2.2所示。其实际使用功率一般在2kW左右。

（a）示意图（b）实物

图2.2封闭X射线管的示意图和实物外观图

由于封闭X射线管的本身结构所限制，其功率难以再增大。因此研制了能使靶旋转的X射线管，转靶如图2.3所示，其产生X射线的原理与封闭X射线管相同。靶为中空的圆柱体，内部通水进行冷却。工作时，靶围绕轴高速旋转，使靶面上受到电子轰击的部位在不断地迅速移动，受热面积不固定在一个点上，而是一个面，因而可使冷却效率大大提高，从而大幅度地提高了X射线管的功率。当前，在我国使用的转靶X射线管的功率为12 kW或18kW。

（a）示意图（b）实物

图2.3 转靶的示意图和实物外观图

根据X射线产生的原理和X射线管的结构，可以开辟两个以上的X射线窗口，如图2.4所示（图中的圆柱体为靶），将其中一个窗口专门用于X射线衍射。其它窗口（如：点焦点）可用于纤维附件（测试取向度），或用于高温、低温附件（测试相变）和小角散射等，使X射线衍射仪具有一机两用或一机多用的功能。

图2.4 X射线窗口

2.2 X 射线的性质

X 射线是一种本质上与可见光相同的电磁波，电磁波的分类如图2.5所示。X 射线的

的波长范围为0.1～10nm ，常用的波长在0.5～2.5 Å.之间。使用不同的靶材料，产生不同的X 射线波长λ，如钼靶：1αλK ＝0.7093 Å；铁靶：1αλK ＝1.757 Å。目前，在X 射线衍射仪中，大多采用铜靶，1αλK ＝1.5406 Å。

图2.5 电磁波的分类

X 射线的性质与可见光不同之处是：X 射线是由高速带电粒子与物质中原子的内

层电子作用而产生的，因此能量大、波长短，穿透物质的能力强。与可见光相同之处是：X 射线也以光速呈直线传播，既具有波动性，也具有粒子性。

2.3 X 射线产生的机理

靶材料使由原子构成的。原子是由原子核和电子所组成，电子分布在不同能级的电子轨

道（壳层）上，如图2.6所示。 各壳层具有一定的电子数，K 层为2，L 层为8，M 层为18，N 层为32⋯。各壳层能级大小的顺序是K < L < M < …。两相邻层间的能量差依K 、L 、M 、N 、…减小。K 和L 层的能量差最大。

当K 层的电子被击出时，L 层电子就会填补进去，L 层电子的能量大于K 层的电子，由

此能量差产生的射线称为K α射线；由M 层电子填补的称为K β射线。其波长由下式决定：

k k n C

h E E λ=- 2.1

式中：E n 为L 、M 、N 等壳层电子的能量；E k 为K 层电子的能量；h 为普朗克常数；C 为光速；λk 为K 系特征X 射线波长。

L 层内有三个不同能级，根据量子跃迁规则，有两个能级的电子允许跃迁到K 层。因此，

被L 层电子填补所产生的K α射线有两条谱线，即1αλK ＝1.5406 Å和2αλK ＝1.5444 Å，两者的强度比是2:1。K β射线可以通过单色器等滤掉，但2αλK 因与1αλK 靠得太近，无法滤

掉。

图2.6 特征X 射线的激发机理

2.4 X 射线衍射仪的结构

X 射线衍射仪的外观如图2.7所示，其结构如图2.8所示。

图2.7 X 射线衍射仪的外观

图2.8 X射线衍射仪的结构图

图2.8中所示的测角仪是衍射仪中最重要、也是最精密的部件，试样就放在里面测试。其结构和光路如图2.9所示。图中：“DS”为入射狭缝；“SS”为防散射狭缝；“RS”为接受狭缝。这些狭缝的宽度根据测试条件的需要，可以通过计算机自动控制。

我校X射线衍射仪中的X射线源是固定的，不能与探测器同时相向转动。为了满足此光路测试的原理，试样转动一个角度（θ），同时探测器转动两个角度（2θ）。

图2.9测角仪的光路图

2.5X射线光束

X射线光束具有一定的大小和分布。其大小受狭缝的限制，如图2.10所示。一般入射狭缝（DS）的高度（长度）为10mm左右；宽度为0.01~10mm。因探测器围绕X轴方向旋转，故狭缝高度是固定的，而狭缝宽度根据需要可以选择，由计算机自动调节。

X射线光束分布如δ-函数，在0°的强度极其强，如图2.11所示。因此，X射线光束不

能直接对准探测器，否则会损坏探测器。换言之，不能从0°开始测试样品，应避开主光束。如果狭缝宽，X射线光束的宽度也就宽，见图2.11所示的实线。如果试样在“b”以下角度还有信息，宽的X射线光束将会掩盖这些信息。对此应该选择窄的狭缝，使X射线光束宽度减小，如图2.11所示的虚线，以便可以从较小角度开始测试，如图2.11中所示的“a”。

另外，窄的狭缝可提高分辨率。如果试样的衍射强度较弱，可选择宽的狭缝，使强度增强。

图2.10 X射线光束受到狭缝的限制图2.11 X射线光束在宽度方向的强度分布

根据研究试样的角度范围分为以下几类：

（1）广角X射线衍射（Wide Angle X-ray Diffraction，简称W AXD），

测试范围：2θ：5～100°以上；

（2）小角X射线衍射（Small Angle X-ray Diffraction，简称SAXD），

测试范围：2θ：0.5～8°左右；

以上统称X射线衍射（X-ray Diffraction，简称XRD）

（3）小角X射线散射（Small Angle X-ray Scattering，简称SAXS），

测试范围：2θ：0.05～5°左右。

小角X射线散射是研究亚微观结构和形态特征的一种技术和方法，此内容另述。

2.6 X射线与物质的相互作用

X射线与物质相互作用主要发生两种现象：吸收和散射。

（1）吸收