XRD衍射仪的工作原理

X射线管
（1） 阴极——发射电子。 一般由钨丝制成，通电加热 后释放出热辐射电子。
（2） 阳极——靶，使电子 突然减速并发出X射线。
（3） 窗口——X射线出射通 道。既能让X射线出射，又 能使管密封。窗口材料用金 属铍或硼酸铍锂构成的林德 曼玻璃。窗口与靶面常成36° 的 斜 角 ， 以 减 少 靶 面 对 出射X射线的阻碍。
材料表征-XRD分析
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一.X射线 LUZHOU MEDICAL COLLEGE
1.发现
1895年伦琴发现用高速电子冲击固体时，有一 种新射线从固体上发出来。
-
+
阴级
阳级
性质 ：
具有很强的穿透能力，能使照片感光，空气 电离。本质是什么？不知道，就叫“X射线”吧！
泸医X附射院 线的本质
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X射线也是电 磁波的一种， 波长在10－8cm 左右
• (1)波动性
0.01~100 Å
• (2)粒子性
3 X射线的产生及X射线管
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钼靶X射线管在35KV电压下的谱线， 其特征x射线分别位于0.63Å和 0.71Å处，后者的强度约为前者强 度的五倍。这两条谱线称钼的K系
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特征X射线的产生机理
特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。 原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字 母代表它们的名称。 但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子 在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较 高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量 增高，原子处于激发状态。 如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出L层， 称L激发，其余各层依此类推。 产生K激发的能量为WK＝hυK，阴极电子的能量必须满足 eV≥WK＝hυK，才能产生K激发。其临界值为eVK＝WK ，VK 称之临界激发电压。
4.X射线谱
连续X射线谱 泸医附院
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X射线强度与波长 的关系曲线，称之 X射线谱。 在管压很低时，小 于20kv的曲线是连 续变化的，故称之 连续X射线谱，即 连续谱。
• 1）连续谱的形状与靶的材料无关。 • 2）连续谱存在一最大的能量值，它取决于管电压。
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不相干散射
入射X射线遇到电子时，将 电子撞至一方，成为反冲电 子。入射线的能量对电子作 功而消耗一部份后，剩余部 份以X射线向外辐射。散射X 射线的波长（λ‘）比入射X 射线的波长（λ）长，其差 值与角度α之间存在如右图 关系：
当时人们以照X射线像为时髦
发现的X射线是什么呢？人们初步认为是一种 电磁波，于是想通过光栅来观察它的衍射现象，但实 验泸医中附院并没有看到衍射现象。原因是X射线的波长太短，
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只有一埃（1Å）。
实际上是无法分辩的。要分辨X射线的光栅 也要在埃的数量级才行。
人们想到了晶体。因为晶体有规范的原子排列，
且原子间距也在埃的数量级，是天然的三维光栅。
• 1895年 德国物理学家---“伦琴”发现X射线18951897年 伦琴搞清楚了X射线的产生、
•
传播、穿透力等大部分性质
• 1901年伦琴获诺贝尔奖
• 1912年 劳埃进行了晶体的X射线衍射实验
1912年德国物理学家劳厄想到了这一点，去找 普朗克老师，没得到支持后，去找正在攻读博
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X射线管
（4） 高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为 热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜 制作，还需要循环水冷却。
（5） 焦点——阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X射线 就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是X射线 管的重要特性之一。 焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点 X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分辨 率；高强度则可缩短暴光时间
由于散射线与入射线的波长和频 率一致，位相固定，在相同方向 上各散射波符合相干条件，故称 为相干散射。相干散射是X射线 在晶体中产生衍射现象的基础。
X射线经束缚力不大的 电子（如轻原子中的电 子）或自由电子散射后， 可以得到波长比入射X 射线长的X射线，且波 长随散射方向不同而改 变。这种散射现象称为 康普顿散射或康普顿一 吴有训散射,也称之为 不相干散射，是因散射 线分布于各个方向，波 长各不相等，不能产生 干涉现象。
X射线的安全防护
仅在特定波 长处有特别 强的强度峰 衍射分析采用
5.X射线与物质的相互作用
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X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。 一束X射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果， 并且吸收是造成强度衰减的主要原因。
Cu靶X-Ray有一 定的强度比： (Cu,K1)： (Cu,K2)=0.497 (Cu,K1)： (Cu,K1)=0.200
nM=层3
K K
L1 L2 L3 K L系
nL=层2 n=1
K系
K层
原 子 能 级 跃 迁 时 产 生 X-Ray的 情 况
Cu154.056pm; Cu154.439pm; Cu139.222pm
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士的索末菲，两次实验后终于做出了X射线的 THE AFFILIATED HOSPITAL OF LUZHOU MEDICAL COLLEGE
衍射实验。
X射线 晶体
劳厄斑
晶体的三wk.baidu.com光栅
泸医2附院.X射线的性质
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特征X射线谱 泸医附院 THE AFFILIATED HOSPITAL OF LUZHOU MEDICAL COLLEGE
当管电压超过某临界值时，特征谱 才会出现，该临界电压称激发电压。 当管电压增加时，连续谱和特征谱 强度都增加，而特征谱对应的波长 保持不变。
钼靶X射线管当管电压等于或高于 20KV时，则除连续X射线谱外，位 于一定波长处还叠加有少数强谱线， 它们即特征X射线谱。
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特征X射线的产生机理
处于激发状态的原子有自发 回到稳定状态的倾向，此时 外层电子将填充内层空位， 相应伴随着原子能量的降低。 原子从高能态变成低能态时， 多出的能量以X射线形式辐 射出来。因物质一定，原子 结构一定，两特定能级间的 能量差一定，故辐射出的特 征X射波长一定。
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连续谱 (软X射线) 特征谱 (硬X射线)
高速运动 的粒子能 量转换成 电磁波
高能级电 子回跳到 低能级多 余能量转 换成电磁 波
谱图特征:强 是衍射分析的 度随波长连 背底;
续变化
是医学采用的
当K电子被打出K层时，如L 层电子来填充K空位时，则 产生Kα辐射。此X射线的能 量为电子跃迁前后两能级的
能量差，即 hK WK WL hK hL
泸医附院特征X射线的命名方法
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同样当K空位被M层电子填充时，则产生Kβ辐射。M能 级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个Kβ光 子的能量大于一个Kα光子的能量； 但因L→K层跃迁的 几率比M→K跃迁几率大，故Kα辐射强度比Kβ辐射强 度大五倍左右。
1）物理作用，使某些物质发出荧光—可见光，用 于荧光摄影:如X-射线透视。 2）可穿透物体。穿透力与物质的原子序数有关。 同一波长的X-射线，对原子序数低的物质穿透力强， 对原子序数高的物质穿透力弱。 3）可引起化学反应，使照相胶片感光，用于X-射 线摄影。 4）可在生命组织中诱发生物效应，用作治疗。 5）使物质的原子电离和激发，使气体导电。
显然， 当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L 激发状态，此时更外层如M、N……层的电子将填充L层 空位，产生L系辐射。因此，当原子受到K激发时，除 产生K系辐射外，还将伴生L、M……等系的辐射。除K 系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因 波长长而被吸收。
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冷却水
金 属 靶
X射线 电子
玻璃 钨灯丝
接变压器
铍窗口
X射线
金属聚灯罩
X射线管剖面示意图
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产生条件
高速电子遇靶突然停止产生X-射线
1.灯丝 产生自由电子
2.高压 加速电子
使电子作定向的高速运动
3. 靶 阻挡电子
' 0.0243 1 cos
不相干散射在衍射图相上成 为连续的背底，其强度随 （sinθ/λ）的增加而增大， 在底片中心处（λ射线与底 片相交处）强度最小，α越 大，强度越大。
6.X射线的探测与防护 泸医附院 THE AFFILIATED HOSPITAL OF LUZHOU MEDICAL COLLEGE
X射线的探测
荧光屏法； 照相法； 辐射探测器法：X射线光子对气体和某些固 态物质的电离作用可以用来检查X射线的存 在与否和测量它的强度。按照这种原理制成 的探测X射线的仪器电离室和各种计数器。
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X射线的散射
当X射线通过物质时，物质原子 的电子在电磁场的作用下将产生 受迫振动，其振动频率与入射X 射线的频率相同。
任何带电粒子作受迫振动时将产 生交变电磁场，从而向四周辐射 电磁波，其频率与带电粒子的振 动频率相同。
X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极
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旋转阳极
常用X射线管的功率为 500～3000W。目前还有 旋转阳极X射线管、细聚 焦X射线管和闪光X射线 管。
因阳极不断旋转，电子 束轰击部位不断改变， 故提高功率也不会烧熔 靶面。目前有100kW的旋 转阳极，其功率比普通X 射线管大数十倍。
X射线的产生：
X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然 减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生 的。 高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换， 电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左 右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右） 能量转变成热能使物体温度升高。
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在其运动的路径上设置一个障 碍物使电子突然减速或停止
产生X-射线
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X射线管的结构
市场上供应的种类:
(1)密封式灯丝X射线管； (2)可拆式灯丝X射线管.
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