x-ray_analysis_of_solids (1248287), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Приближенные значения относительных интенсивностей,усредненные по всем химическим элементам, спектральных линий K- и L-серий,полученные в экспериментах, сведены в таблицы 1.7 и 1.8.Таблица 1.7.Приближенные значения важнейших спектральных линий K-серии ХРИСпектральная Kα1линия ХРИОтносительная 100интенсивностьKα2Kβ15015÷30 1÷10 6÷1518Kβ2Kβ3NVIINVINVNIVNIIINIINIMVMIVMIIIMIIMILIIILIILIKРис.1.8.
Схема образования наиболее интенсивных спектральных линий K-, L- и M-серий ХРИ сучетом тонкой структуры.Названия спектральных линий содержатся в табл. 1.4 – 1.6.Таблица 1.8.Приближенные значения относительных интенсивностей некоторых спектральных линийL-серии ХРИСпектральная Lα1линия ХРИОтносительная 100интенсивностьLα2Lβ1Lβ2Lβ3Lβ41050201÷53÷5 1÷10 0,5÷219Lγ1Lγ2Интенсивность линии Mβ составляет приблизительно 3/5 от суммарной интенсивностилиний Mα1 и Mα2.Более точные значения относительных интенсивностей спектральных линий ХРИ дляразличныххимическихэлементовприведенывсправочнойлитературепорентгенометрии.1.4.
Возбуждение рентгеновских лучей ускоренными ионами.Так как для генерирования ХРИ необходимым условием является наличие вакансий вовнутренних электронных оболочках атомов, то возбуждение спектральных линий ХРИвозможно не только электронной бомбардировкой анода в рентгеновской трубке, но идругими способами ионизации внутренних электронных оболочкек атомов.Одним из распространенных способов генерирования рентгеновских лучей являетсяионное возбуждение. В этом методе вакансии во внутренних электронных оболочкахатомов образуются бомбардировкой предварительно ускоренных положительных ионов,чаще всего, протонов.В ускорителях прямого действия ионы получают кинетическую энергию Te послеоднократного прохождения определенной разности потенциалов U. Предназначенные дляускорения положительные ионы создаются в специальных камерах, где нейтральныеатомыионизируютсядуговымэлектрическимразрядом,высокочастотнымэлектромагнитным полем или каким-либо другим способом. Образовавшиеся ионыподвергаются действию вытягивающего электрического поля и перемещаются вускорительную трубку.Ускорительная трубка обычно содержит несколько кольцевых электродов, на которыечерез делитель напряжения подаются монотонно убывающие потенциалы.
На ионныйисточник подается максимальный потенциал U, на последний ускоряющий электрод –нулевой.В качестве источников высокого напряжения U могут использоваться высоковольтныетрансформаторы,каскадныегенераторыКокрофта-Уолтона,электростатическиегенераторы Ван-дер-Граафа.Ионы, проходя через кольцо последнего электрода ускорительной трубки, приобретаюткинетическую энергиюTe = eZ1 Uгде eZ1 – заряд ускоряемого иона.20(1.23)Ускоренные ионы пропускаются через квадрупольные электростатические линзы дляуменьшения угловой расходимости пучка.Поток ионов, полученных в источнике и ускоренный в трубке, может содержатьчастицы с разными массами, поэтому для выделения пучка ионов с определенной массойиспользуется магнитная сепарация. Проходя через магнитное поле, ионы с разнымимассами под действием силы Лоренца отклоняются на разные углы.
Затем ионыпропускаютсячерезсистемудиафрагмдляформированияузкогопучкамоноэнергетических ионов определенной массы.Пучок ускоренных ионов направляется на мишень (см.рис.1.9). Ионы движутся ввеществе, постепенно теряя свою кинетическую энергию, в основном, на ионизацию ивозбуждение атомов мишени, а также на упругие столкновения с атомами.U425637198Рис.1.9. Принципиальная схема установки ионного возбуждения рентгеновских лучей.1 – высоковольтный генератор, 2 – ионный источник, 3 – ускорительная трубка, 4 – делительнапряжения, 5 – электростатическая линза, 6 – магнитный сепаратор, 7 – диафрагмирующаясистема, 8 – камера с мишенью, 9 – детектор ХРИ.Возбуждение внешних электронов порождает оптическое излучение бомбардируемыхатомов, ионизация внутренних оболочек приводит к генерированию ХРИ.Важной особенностью генерирования рентгеновских лучей ускоренными ионамиявляется пренебрежимо малый вклад тормозного излучения, интенсивность которогопропорциональна квадрату ускорения заряженной частицы.
При одинаковой величинекулоновской силы, действующей на однократно заряженный положительный иона иэлектрона модуль ускорения обратно пропорционален массе частицы.Следовательно, при одинаковых потоках и ускоряющих напряжениях интенсивностьтормозного излучения при электроном возбуждении в (mp/me)2 раз больше, чем при21протонном, т.е. различие превышает 6 порядков. Для более массивных однократнозаряженных ионов различие еще больше.Какследствие,рентгеновскиелучи,образованныебомбардировкойатомовускоренными ионами линейчатый спектр и состоят из спектральных линий ХРИ.Непрерывная составляющая тормозного излучения практически отсутствует (см.рис.1.10).Рис.1.10.
Спектр L-серии ХРИ олова (Z=50) инициированный протонным возбуждением.Спектральная интенсивность указана в относительных единицах.Цифрами обозначены максимумы следующих спектральных линий:1 – Ll, η, 2 – Lα1, α2, 3 – Lβ1, β3, 4 – Lβ2, 5 – Lγ1, 6 – Lγ2, γ3.Для практических задач генерирования ХРИ обычно в основном используются ионы скинетическими энергиями Te , лежащими в диапазоне 0,2 ÷ 5 МэВ. Таким образом,бомбардирующие ионы являются нерелятивистскими.
В то же время, их энергиядостаточна для ионизации электронных подоболочек бомбардируемых атомов.1.5. Рентгеновская флуоресценция.Отрыв электронов с внутренних оболочек атома может быть осуществленвоздействием гамма-квантов или жесткого рентгеновского излучения, т.е. фотонамивысокой энергии. Процесс, заключающийся в выбивании из атома электронов путемпоглощения электромагнитного излучения, называется фотоэффектом.
Если при этомпроисходит ионизация внутренних электронных оболочек, то реализуются необходимыеусловия для генерирования спектральных линий ХРИ, согласно изложенному впредыдущих разделах.22Очевидно,чтоэнергияфотона,ионизирующгоопределеннуюэлектроннуюподоболочку атома, заведомо превышает энергии фотонов спектральных линий ХРИ(см.рис.1.5). Как следствие, возможны ситуации, когда определенная спектральная линияХРИ некоторогохимического элемента возбуждаетспектральные линииболеедлинноволновых серий ХРИ этого же элемента или ту же спектральную линию болеелегкого элемента. На рис.1.5 показано, что заполнение вакансии в K-оболочке одногохимического элемента произошло путем испускания фотона спектральной линии Kα1.Энергия данного фотона ε(Kα1(1) ) превышает энергию ионизации Ei(K(2)) электронной Kоболочки другого химического элемента. При поглощении фотона образуется вакансия вэтой оболочке, что сопровождается испусканией фотона спектральной линии с энергиейε(Kα1(2) ) < ε(Kα1(1) ).Например, энергия фотонов линии Kα1 молибдена (Z = 42) равна 17,476 кэВ, аэнергия ионизации 1s-облочки иттрия (Z = 39) составляет 17,037 кэВ.
Следовательно,спектральная линия Kα1 молибдена может возбуждать все спектральные линии ХРИиттрия и других химических элементов с порядковым номером Z < 39. Структураэнергетических уровней всех атомов химических элементов такова, что спектральныелинии K-серии ХРИ любого химического элемента могут возбуждать спектральные линииL-серии (и других более длинноволновых серий) того же элемента.ДанныйпроцессгенерированияХРИполучилназваниерентгеновскойфлуоресценции.Если энергия первичных фотонов превышает энергию связи K-электронов атомовоблучаемого химического элемента, т.е. ε > E1, то ионизоваться, в принципе, могут всеэлектронные подоболочки атомов этого элемента (см.рис.1.11).
Однако интенсивностиотдельных спектральных линий зависят, в первую очередь, от вероятностей ионизациисоответствующих подоболочек.Вероятность ионизации подоболочки пропорциональна интегральному сечениюфотопоглощения на этой подоболочке. Процесс фотопоглощения описан в следующейглаве (см.раздел 2.4), а здесь следует указать, что максимальную величину имеет сечениефотопоглощения на электронах внутреннего электронного слоя, т.е. на подоболочке 1s1/2.Экспериментальные исследования показали, что с уменьшением энергии рентгеновскихфотонов сечение фотопоглощения довольно резко растет.
Однако, если энергия фотона εстанет меньше энергии ионизации этой подоболочки EK = –E(1s1/2), то фотопоглощение наэтой подоболочке невозможно. Величина23λK =2πhcEK(1.24)называется K-краем поглощения. Таким образом, при длине волны рентгеновскогоизлучения λ > λK фотопоглощение на электронном K-слое не происходит.EETe = ε(Kα1(1) ) – Ei(K(2))0LIII (1)LIIEi(K(2))(1)LIII (2)LII (2)LI (2)ε(Kα1(2))LI (1)K(2)ε(Kα1(1) )K(1)Z2 < Z1Z1Рис.1.11. Энергетическая схема возбуждения спектральной линии ХРИ ионизацией внутреннихподоболочек атома фотонами.Горизонтальные сплошные линии – энергетические уровни подоболочек атомов химическихэлементов с порядковыми номерами Z1 и Z2 < Z1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
