X射线：在医疗诊断和材料探伤中的广泛应用

1.X射线的性质及其产生

（1）X射线的性质。X射线也是一种电磁波，本质上与可见光、无线电波相同，但波长要短得多。X射线的波长范围为0.01～100Å，介于γ射线和远紫外线之间。X射线分析使用的波长为0.1～10Å，研究晶体结构时则常用0.5～2.5Å的波长。因为X射线的波长很短，能量很高，所以有很强的穿透物体的能力。一般X射线大致具有下列性质：

1）感光作用。X射线对照相乳液有感光作用，这种作用和可见光很相似。

2）荧光作用。X射线照射到ZnS、CdS、Nal等物质上时，会使这些物质产生荧光。

3）电离作用。X射线通过空气或其他气体时，会使气体分子产生电离。

4）穿透能力强。X射线这一特点在医疗诊断和工业材料探伤等方面得到广泛的应用。

5）X射线的折射率近似等于1，由于这一特点，X射线无法像可见光那样可用透镜聚光。

6）衍射作用。X射线照射到晶体上，如果符合一定的条件，则会产生衍射现象。X射线的衍射作用在X射线技术中占有很重要的地位。

（2）X射线的产生。当任何一种高速运动的带电粒子与一块金属物质相碰撞时，都会产生X射线。图8-8示出X射线管工作原理。X射线管是由玻璃制造的圆柱形管子，管内真空度很高，大约相当于10^-1～10^-2Pa的压力。它的主要部件如下：

图8-8X射线管工作原理

1）阴极。通常由钨丝制成。通过电流加热至白热状态。在阴极和阳极之间外加高压电的作用下，由阴极发射出的热电子即向阳极作加速运动。

2）阳极。通常称为金属靶，简称为靶，通常为某些金属的磨光面。用来制作靶的金属材料有铬、铁、钴、镍、铜、钼、银、钨、铂等。高速运动的电子与靶相撞，运动骤然停止。电子的大部分能量变为热能，一小部分变成X射线的能量，由靶面射出。在X射线管内，从灯丝发射出来的热电子在达到金属靶之前，在靶与灯丝之间的外加直流高压电场内被加速，当电子到达金属靶的时候，就具有非常高的运动速度了。这些高速运动的电子有很高的能量，它们轰击金属靶时，能与金属靶原子的内层电子相作用，把它们的能量交给内层电子，使之激发到原子的外层能级上，或者被轰击出整个原子体系之外。此时邻近壳层上的电子，将向内层能级跃迁，以填充内层能级上空下来的位置。跃迁时电子将放射出等于该两个能级能量之差的能量。这个能量是以光的形式放出来的，就是X射线。

2.X射线谱 由X射线管发出的X射线可分成两组：白色X射线和特征X射线。

（1）白色X射线。也称多色X射线，具有连续各种波长的射线，构成连续X射线谱。和白色光相似，白色X射线是各种波长辐射的混合体。

产生连续谱的原因：高速运动的电子与阳极物质撞击时，其动能降低；降低的动能部分转变成射线的能量。电子在撞击阳极时，其穿透深度不同，所以动能降低的程度也不一样。这样便产生了波长不同的X射线，从而组成了连续谱。短波极限值处的X射线，是那些获得高速电子全部动能而转化发生的X射线。加速电压越高，电子的动能就越高，白色X射线的短波极限值波长就越短。

（2）特征X射线。也称标识X射线，有一定波长的若干X射线谱，叠加在连续X射线谱上。这种特征谱线和阳极材料有关，一定的阳极材料对应一定波长的特征X射线。

产生特征X射线的原因：从阴极发出的高速热电子流轰击阳极时，将阳极物质原子深层的某些电子轰出到外部壳层，这时原子就处于不稳定状态。这样，外层的电子又会跃迁到内部填补空位，使原子的总能量降低，多余的能量就以一定波长的X射线发射出去，形成特征X射线。

图8-9是特征X射线产生示意图。把K层电子被击出到外层的激发称为K系激发；把电子由原子外层，跃迁回此时空着的K壳层时产生的X射线，称为K系辐射。在K系辐射中，电子由L壳层转移到K壳层的辐射称为K_α辐射；由M层转移到K壳层的辐射称为K_β辐射。由于M壳层的能量较L壳层能量高，产生K_β辐射时原子能量降低较多，所以K_β辐射的波长比K_α短；但是电子由M壳层跃迁到K壳层的概率，比由L壳层跃迁到K壳层的概率小，因此K_β辐射的强度比K_α小。在不同的原子中，能级的位置是不相同的，所以K_α和K_β的波长视阳极材料而定。对于一定的阳极材料，其波长的位置是固定不变的。一般说来，K_α1、K_α2、K_β辐射的强度比接近于1∶0.5∶0.2。表8-2列出了常用的阳极靶材料的X射线波长。

图8-9 特征X射线产生示意图

表8-2常用阳极靶材料的X射线波长A（单位：Å）

注：1Å=0.1nm。

在单色X射线分析中常用K_α辐射，需要薄滤光片把K_β辐射滤掉。否则由于K_α和K_β都被衍射时，将引起衍射混乱，从而得到错误的结果。一般选用比阳极材料原子序数小1或2的材料作滤光片，例如铜靶（原子序数29）的滤光片采用镍（原子序数28）；钼靶（原子序数42）的滤光片采用铌（原子序数41）或锆（原子序数40）；钴靶（原子序数27）的滤光片采用铁（原子序数26）。

3.X射线衍射和布喇格定律

（1）X射线衍射X射线与物质相遇时将会受到散射，散射可以分为相干散射和不相干散射两种。如果散射之后的X射线的波长和入射时相同，则这些散射线之间可以产生相互干涉而加强，称为相干散射，否则为不相干散射。相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。从晶体中出来的衍射线束是相干散射的一种特例。此特例就可用来测量晶体的方向。若让一束连续波长的X射线照射到一小片晶体上，就会产生如图8-10所示的X射线衍射现象。在图上的照相底片上除了透射光束形成的中心斑点之外，还出现其他许多斑点，这些斑点表明有偏离原入射方向的X射线存在。这种遇到晶体之后X射线改变前进方向的现象，就是X射线的衍射现象。偏离原入射方向的X射线束称为衍射线。

（2）布喇格定律。X射线遇到晶体时发生的衍射现象，与晶体结构及方位有关。图8-11示出布喇格定律推导的几何关系。

图8-10X射线衍射现象

图8-11 布喇格定律推导的几何关系

波长为λ的X射线以θ角入射到晶面间距为d的一组晶面上，晶体将对X射线产生衍射。为方便起见，在此把衍射现象视为晶体点阵平面的反射现象。但实质上，衍射和反射是有本质的区别的。在图8-11中，入射X射线首先受到晶面1的反射，PA是入射的X射线；AP′是反射X射线；θ角称为X射线的掠射角。X射线与普通可见光不同，它具有很大的穿透能力，而且折射很小，因此X射线能穿过晶面1、晶面2、……。X射线被晶体的原子平面反射时，不仅是晶体表面的晶面，晶体内部的晶面也同时参与反射作用。也就是说，晶面2、晶面3等都有反射作用。现在考虑另一条入射线OA′，它受到晶面2的反射，出现A′Q′反射线。如果反射线AP′、A′Q′在P′Q′处为同相，反射线就相互叠加，产生X射线的衍射线束。此时，PAP′和QA′Q′间的光程差应为X射线波长λ的整数倍。否则，它们将互相抵消而不发生衍射，这时就没有X射线的衍射线束。由图8-11可以看出：

QA′Q′-P′AP′=SA′+A′T=nλ

式中 nλ———光程差。

SA′=A′T=dsinθ

式中 d———面间距。

上式可为

2dsinθ=nλ

即

式（8-6）称为布喇格方程式，或布喇格定律。其中掠射角θ也称为布喇格角。布喇格定律简单，能说明衍射的基本关系。布喇格定律除了必须满足2dsinθ=nλ、入射角等于反身角外，还要符合下列条件：入射线、反射线和反射晶面的法线需在同一平面上，且入射线和衍射线分别处于法线两侧。

（3）X射线的衍射和可见光的反射的区别

1）X射线的衍射中，仅有一定数量的入射角（满足布喇格定律）能引起衍射；而可见光可在任意的入射角反射。

2）X射线被晶体的原子平面衍射时，不仅晶体表面，而且晶体内原子平面也参与衍射作用，而可见光仅在物体表面产生反射。

4.X射线的检查 最常用的辐射探测器是盖革-弥勒计数管，可用来探测X射线。盖革-弥勒计数管简称盖勒计数管。见图8-12。其他还有正比计数管及闪烁计数管等，可用来检查X射线。

盖勒计数管是一个玻璃管，内装一个金属圆筒作为阴极，在其中心轴线上有一根细钨丝作为阳极，管内充惰性气体，如氩气、氙气或氪气等，以及少量的有机气体或卤素气体，如乙醇、乙醚、溴等。在两极之间加以适当的直流电压。当一个入射X射线光量子射入管内时，它将与管内气体分子相碰撞并使之电离，所产生的电子在管内高压电场的作用下加速向阳极方向运动。当获得一定的速度时，又将管中气体分子电离，形成连锁反应，在极短的时间内有大量的电子涌向阳极，离子则趋向阴极圆筒。这样便在外部电路中产生一个脉冲发生的次数，就能知道进入管内光子的数目是多少，从而知道入射X射线的强度的大小。

图8-12 盖勒计数管

5.X射线的防护 人体受到X射线的照射会产生不良影响：局部组织灼伤、精神衰颓、血液组成和性能改变、影响生殖等。因此要加强防护措施。例如放置X光机的房间四壁及天花板都要用厚混凝土或镶铅的板制成；开门时，X光机能自动关闭等。工作人员也要有完善的防护措施，要能随时检查所感受的剂量。

6.单色X射线行射法定向 X射线产生的衍射线可用来确定晶体晶面方向，但是，用一单色X射线入射到一块晶体上，要使其能在某晶面产生衍射，则晶体的位置必须能够连续改变才行，从而使得该晶面的放置位置相对于入射X射线来说满足布喇格方程。因此，要采用X射线定向仪。(www.xing528.com)

图8-13X射线定向仪原理

图8-13示出X射线定向仪原理。由X射线管射出的X射线，经过滤光片（图中省略）后得到单色X射线，再通过一套准直狭缝（图中省略）照射到样品晶体C上，晶体C可在X射线的入射点P绕垂直于纸面的轴转动，此轴也是定向仪的中心轴。当样品晶体C转动到某一位置，使晶体中某一晶面符合布喇格方程时，在一定方位出现衍射线，并被事先放置在该处的辐射探测器（G，M计数管）接收到。探测器也可在P点绕垂直于纸面的轴转动，它的位置可以在它相应的计数管角标尺读出。

（1）X射线定向仪。X射线定向仪主要由以下三部分组成：

1）X射线发生部分。包括直流高电压线路和X射线管。直流高电压通过高压电缆加到X射线管的阳极和阴极之间，X射线从X射线管的窗口射出。X射线管的阳极为铜靶。

2）X射线检测部分。包括盖勒计数管和一个计数时率计组成。当X射线的衍射线进入盖勒计数管时，盖勒计数管将输出脉冲信号。此信号被计数时率计内的放大器放大后，转换成为表针的摆动。进入盖勒计数管的衍射线越强，表针的摆动也越大，因此可根据表针的摆动来监视衍射线的强度。

3）样品台及转角测量部分。样品台装置在X射线定向仪的主轴上，样品台上有吸盘。吸盘同吸气泵相连。测量时，被测样品表面要紧贴在吸盘上，即与吸盘为一体。吸盘面的方位就是被测样品表面的方位，而吸盘表面的方位可以由样品台角标尺读出。样品台角标尺数值，与主轴的转角度数是一致的。通过一系列机械装置，将转动手轮的转动带动仪器主角的转动。在转动手轮轴上装有读数鼓轮，可以读出主轴相应的转角度数。

（2）定向原理。当波长为λ的单色X射线照射晶体，入射线与晶体某一面之间掠射角为θ。符合布喇格定律时，在与入射线的角度为2θ的位置上便会出现衍射线。

在晶格常数为a的立方晶胞结构中，晶面指数为h、k、l的晶面面间距d可表示为

d=a/（h²+k²+l²）^1/2 （8-7）

式中 a———晶格常数；

h、k、l———反射（衍射）平面的密勒指数。

对于金刚石结构和闪锌矿结构的晶体，只有符合以下规则的晶面才有衍射线出现：

1）h、k、l必须具有一致的奇偶性，即必须全为奇数或全为偶数。

2）当其全为偶数时，h+k+l一定能被4整除。

硅晶体中几个常用低指数晶面对铜靶（波长λ=1.54178Å）辐射的布喇格θ角见表8-3。

表8-3X射线衍射的布喇格角θ

注：波长λ=1.54178Å，a为晶格常数值，1Å=0.1nm。

用单色X射线衍射法定向时的几何关系见图8-14。使坐标的水平轴X轴和垂直轴Y轴坐落在样品被测表面上，表面法线的方向为Z轴方向。设入射X射线S位于XOZ面上，与X轴的角度为布喇格角θ，入射点为坐标原点O。在Z轴上任取一点O′，通过O′点作平行于X轴的X′轴和平行于Y轴的Y′。X′轴、Y′和Z轴组成一个新的参考坐标系统。设OP为[hkl]晶向，与X′O′Y′面交于P点，则∠POZ=Φ为[hkl]晶向与样品法线之间的夹角，也就是定向要测定的晶向偏离度。设P′为P参考坐标系中的水平轴X′轴上的投影，则∠P′OZ=α是Φ角在水平方向上的偏离分量，∠P′OP≈β是Φ角在垂直方向上的偏离分量。计数管放置在符合布喇格定律条件的位置上，这时由于[hkl]晶向和晶体被测表面法线之间的偏离，在计数管中接收不到衍射线。

图8-14 用单色X射线衍射法 定向时的几何关系

从图8-14中可以看出，ΔOO′P、ΔOO′P′、ΔOPP′都是直角三角形，所以

cosα=OO′　cosβ=OP′

OP′OP

cosαcosβ=OO′×^OP′=OO′

OP′OPOP

而cosΦ=OO′

OP

因此cosΦ=cosαcosβ （8-9）

分别测出α角和β角，即可计算出Φ角。

7.光图定向法

（1）原理。硅单晶面经过研磨、择优腐蚀等一系列恰当处理后，表面出现许多小腐蚀坑。这些小坑坑壁是规则排列的小密排面。不同晶向生长的硅单晶，这些原子密排面有不同的宏观对称性。当一束平行光入射到小坑上时，就会被这些小平面反射到不同的方向上去。如果在反射光路上放置一个光屏，就能在光屏上现出晶体的光像。这种光像具有与腐蚀坑相应的宏观对称性。根据晶体反射光像的对称性及光图中心的偏离角，可以确定晶体的生长方向和晶体的晶向偏离角度。

图8-15示出光图定向原理。一束平行光通过光屏中心的小孔，入射到处理好的被测晶体的表面上，在光屏上形成特征光像。调节样品台的测角装置，使光图中心与小孔重合，根据测角装置上的读数，即可计算出晶体的晶向偏离角大小。

图8-15 光图定向原理

（2）计算。晶向偏离度就是指晶体生长方向偏离晶轴（晶向）的角度。但实际测定的偏离角度，是晶轴与被测样品表面的法线间的夹角。被测样品表面的法线，可使样品表面的反射光点落在入射光孔来确定。这时入射光与样品表面垂直。晶体的轴可由腐蚀坑底的晶面的反射光点来确定。可知，在光屏上看到的反射图像的中心光点是从腐蚀坑底反射来的。由于这些底部小平面是与晶体的晶轴相垂直的主晶面，所以当反射光像中心调准到入射光孔时，就说明了该晶面与入射光束垂直。

图8-16示出光点定向法。将晶体装在光点定向仪上，在定向之前，设备需进行调试，即在载物台的前端加一反射镜，调整到反射光束也通过光屏中心孔O。入射光通过光屏中心孔O射到样品表面，入射光束OZ射到样品腐蚀面后，就被腐蚀坑底的主晶面反射，反射线的中心光点就落在光屏面XOY面上P点，AP是主晶面的反射线。由此可以定得AP是样品晶轴的方向，AP与OZ的夹角为Φ。

由P点作OX轴的垂直线得P′点。∠OAP′=β是晶轴与入射光束在水平方向上的偏离角。∠P′AP=α是晶轴与入射光束在垂直方向的偏离角。

由ΔAPP′得知

由ΔAP′O得知

由ΔAOP得知

由此得到

即cosΦ=cosαcosβ

图8-16 光点定向法

α与β的数值由图8-16定向仪上的刻度可直接读出。

（3）试验报告。报告的内容如下：①所用方法；②材料名称；③晶体参考平面；④被测平面与参考平面的两个偏离分量；⑤总的角度偏差；⑥测量仪器。