固体物理实验方法 （I） ——X射线结构分析 罗震林、刘文汉 zlluo@ustc.edu.cn 3－422，NSRL

主要内容 X射线本质及X射线源 X射线与物质的相互作用 晶体的X射线衍射 X射线吸收精细结构

教学、考核方法 教学：讲课为主，阅读文献为辅 教材：自印讲义； 作业 考核：开卷考试 参考书目 王华馥，吴自勤．固体物理实验方法，第二章 固体X射线学．高等教学出版社，1990 黄胜涛．固体X射线学．高等教学出版社 B.E.Warren, X-ray Diffraction, Addison-Wesley Pub.Co.Inc. Jens Als-Nielsen, Des McMorrow, Elements of Modern X-ray physics, John Wiley&Sons Ltd，2000

第一章: X射线本质及X射线源

1. X射线的发现及其本质的确定 1） X射线是波长很短的电磁辐射，是光子能量很高(~keV)的光子流。它具有典型的波粒二象性。 1895 Röntgen W.C. 发现X射线 （1901年首届诺贝尔物理奖） 1912 Laue.M. 晶体的X射线衍射，Laue方程 （1914年诺贝尔物理奖） 1913 Bragg, W.H & W.L. Bragg定律 (1915年诺贝尔物理奖) ——X射线是一种波长很短(～À)的电磁辐射 1923 A.Compton X射线的Compton散射 （1927年诺贝尔物理奖） ——X射线的量子特性

2)X射线波长λ与光子能量的关系

3)X射线在电磁辐射谱中的位置

4)典型的波粒二象性 波 λ 偏振 相干散射 界面的反射、折射 用经典电磁理论处理 粒子 光电吸收 不相干散射 用量子理论处理

2.X射线的用途 现代物理发展中的关键作用 原子水平上的固体结构分析 连续介质的组织结构分析（X射线透射成像） 等离子体的结构研究 固体结构：原子结构、电子结构 X射线衍射、X射线吸收精细结构 连续介质的组织结构分析（X射线透射成像） 二维向三维发展CT 吸收衬度成像，相位衬度 显微成像 等离子体的结构研究 X射线天文学 最重要的结构研究手段

其他应用 工业应用 X射线光刻 医疗应用 X透射成像，CT 安检应用 X透射成像

3.X射线管及其发射谱 1)X射线机的组成 X射线管 高压发生器 水冷系统 控制电路 X射线管结构 电子枪（阴极） 金属靶（阳极） 水冷通道 窗口(Be)

图1 密封式X射线管结构

强度 （0.1nm） 图2 各种阳极发出的X射线谱

2)X射线管发射谱 （1）连续谱 辐射机制：韧致辐射 最短波长 （2）标识谱（特征谱） 波长（光子能量）由靶元素确定的线谱，它在所加电压高于靶元素的激发电压时叠加在连续谱上。 A.辐射机制：靶原子内壳层的电子跃迁 B.主要谱线 LIII→K LII→K M→K

特征谱线（标识辐射 ） continuum e- n = 2, L = 1, J = 3/2; 2P3/2 (LIII) K continuum L-series    K-series    e- K 1 2 n = 1, L= 0, J = ½; 2S1/2 n = 2, L = 1, J = 3/2; 2P3/2 (LIII) n = 2, L = 1, J = ½; 2P1/2 (LII) n = 2, L = 0, J = ½; 2S1/2 (LI) 潘国强.同步辐射应用基础

例 Cu

C.特征谱强度 I 与电压V电流i的关系 n=1.5--2 与连续谱比，当 时，强度强两个量级 K系三条谱线的强度比

3)X射线管的主要性能指标 靶元素 确定谱特征 常用靶元素Mo Cu W Ag 功率 密封管1-3KW 旋转靶12KW, 18KW(100KW) 焦斑 标准焦斑 细聚焦管

4.同步辐射 1）同步辐射和同步辐射光源 速度接近光速的电子（称为相对论电子）在磁场中作曲线运动时沿轨道切线方向发出的电磁辐射称为同步辐射，因为这种辐射是1947年首先在电子同步加速器上发现的。产生同步辐射的装置，即电子同步加速器或电子储存环就称为同步辐射光源。目前世界上已有几十个同步辐射光源在运行。代表性的光源有： 第一代（兼用机） SSRL（美国） BSRF（北京） 第二代（专用机） NSLS（美国） NSRL（合肥） PF（日本） SRRC（新竹） 第三代 APS（美国） ESRF（欧洲） SPRING8（日本） SSRF（上海）

2)同步辐射装置 二极弯转磁铁（Bend Magnet）、扭摆磁铁（Wiggler Magnet）、波荡器（undulator）

同步辐射的优异特性 1)广宽平滑的连续谱 根据电子能量的不同，其频谱范围可从红外直至真空紫外，软X射线，硬X射线，甚至γ射线，其特征波长 为 其中R为电子弯转半径，γ为电子能量与其静止能量（0.511Mev）之比

c c NSRL的弯转磁铁和扭摆器光通量理论计算光谱(频谱)

2)高强度,高亮度 图5 X射线源亮度

3)方向性好 同步辐射功率集中在电子运动方向上极小的立体角内，其立体角的大小约为 rad。 例：1Gev的电子所发射的同步辐射集中在0.5mrd的立体角内

4)偏振性 5)洁净 6)脉冲时间结构 7)高稳定性 8)可由理论准确计算 9)对全世界开放

NSRL

5.其它X射线源 1)放射源 发射出Mn 实验室常用于校准探测器 2)等离子体源 激光等离子体光源 Z箝缩等离子体光源 飞秒脉冲强激光的高次谐波 3)X射线激光、自由电子激光 4)宇宙中的X射线源

6.X射线辐射损伤与防护 实验中必须不让光源直接照射人体 记录长时间人体所受的辐射剂量，进行跟踪监测。

延波荡器长度方向的距离 X射线激光原理图