Синхротронное излучение в диагностике наносистем 4-й курс 8-й семестр 2007/2008 Лекция 2

Синхротронное излучение в
диагностике наносистем
4-й курс 8-й семестр 2007/2008
Лекция 2
О свойствах рентгеновских лучей
• Излучение рентгеновской трубки
• Волновые свойства рентгеновских лучей
• Преломление и отражение
• Корпускулярные свойства
• Упругое и неупругое рассеяние
•
•
•
•
•
Сечение рассеяния
томсоновское (упругое)
Релеевское (неупругое)
Комптоновское (неупругое)
Обратный комптон-эффект
• Поглощение рентгеновских лучей
Классификация электромагитного излучения
E = hν,
λ=с/ν=hc/E,
h=6.626*10-34 Дж*с,
с=3*108 м/с
1 эВ = 1,602*10-19 Дж
λ [Å]=12,4/E [кэВ]
Рентгеновский диапазон
0,1 Å < λ < 10 Å
– жесткий рентген
10 Å < λ < 300 Å
– мягкий
300 Å < λ < 1000 Å – ультрамягкий
Схема рентгеновской трубки
Образование
ускоренных
электронов
Распределение
интенсивности излучения
относительно оси пучка
электронов
Схема отбора пучков
квадратного и
линейчатого сечений
в рентгеновское излучение
превращается не более 1%
энергии
Рентгеновская трубка с
вращающимся анодом
2,5 – 3 кВт
20 кВт
Спектр излучения рентгеновской трубки
Тормозное излучение
Характеристическое излучение
Схема квантовых переходов для
наиболее интенсивных линий
Преломление и зеркальное отражение рентгеновских лучей
nI sin αi= nII sin αr
Схема хода лучей при
переходе из вакуума
в конденсированную
среду
n =c/v
для видимого света
n >1, эффект полного внутреннего отражения
для рентгеновских лучей n <1, эффект полного внешнего отражения
Рассеяние рентгеновских лучей
Сечение рассеяния
Эффективное - коэффициент пропорциональности, который равен
отношению энергии, рассеиваемой за 1 секунду, к энергии, падающей на
единицу площади за 1 секунд
dσ=dN/nv,
n – плотность числа частиц,
v – скорость,
dN – число частиц в единицу времени
Дифференциальное - отношение числа частиц, рассеиваемых в единицу
времени в единичный телесный угол, к потоку падающих частиц
dσ/dΩ
Полное
интеграл dσ/dΩ по телесному углу
На практике удобнее выражать через мощность, рассеянную в телесный
угол, т.е. через dP/ dΩ, и плотность мощности dP/dS в первичном потоке:
dσ/dΩ={dP/ dΩ}/ {dP/dS}
Упругое рассеяние
Томсоновское
–
рассеяние
плоской
электромагнитной волны на покоящемся
электроне.
hv<<mc2
Частота не меняется, сечение рассеяния не
зависит от энергии
Релеевское – рассеяние на более крупных, чем электроны объектах –
атомах, молекулах и оптических неоднородностях.
Теория рассматривается в дипольном приближении, при этом
предполагается, что частота излучения существенно меньше собственной
частоты колебаний рассеивающей системы (ν<<ν0).
Сечение рассеяния зависит от энергии фотонов.
При ν→ν0 сечение релеевского рассеяния
томсоновского рассеяния.
переходит
в
сечение
Неупругое рассеяние
Комптоновское
рассеяние.
Происходит
взаимодействии
покоящегося
электрона
высокоэнергетическим э-м. излучением. hvmc2
при
с
Происходит сдвиг частоты, который не зависит от
энергии фотонов, а определяется только углом
рассеяния.
Обратный комптон-эффект. Происходит при неупругом рассеянии фотонов на
электронах, движущихся с высокими скоростями. В результате энергия
передается от электрона к фотону и становится существенно меньше длина
волны рассеянного кванта.
Частота становится гораздо больше, при этом фотоны рассеиваются в узком
конусе с углом раствора 1/γ, в отличие от прямого комптон-эффекта.
Т.е. в результате действия обратного комптон-эффекта видимый свет
превращается в узкий конус жесткого рентгена.
Представляет большой практический интерес, используется для лазерной
диагностики пучков ускоренных частиц в ускорителях и при создании новых
источников рентгеновских лучей
Поглощение рентгеновских лучей
Количественно поглощение измеряется относительным ослаблением интенсивности
после прохождения через элемент вещества (допустим слой):
dI/I=-μdx.
Коэффициент поглощения μ зависит от энергии поглощаемых фотонов и является
индивидуальной характеристикой вещества.
I=I0exp(-μx),
μ в данном случае – линейный коэффициент поглощения.
μm= μ/ρ – массовый коэффициент поглощения.
μ и μm - интегральные характеристики
σ – атомный коэффициент (сечение) поглощения, характеризует физику процесса
Процессы,
вызывающие
рентгеновских фотонов:
поглощение
•релеевское рассеяние,
•комптоновское рассеяния,
•образование электрон-позитронных пар,
•флуоресценция (фотоэффект) – выбивание
электрона с испускание вторичного фотона.
Вклад каждого механизма зависит от типа
атомов и от энергии фотонов.
НЕ учитывается влияние структуры вещества и
межатомное взаимодействие.
В диапазоне энергий до 100 кэВ основным механизмом поглощения
является фотоэффект
Характерные зависимости коэффициента атомного поглощения от длины
волны, сечения поглощения для нескольких химических элементов в диапазоне
энергий от 1до 100 кэВ
Скачки поглощения соответствуют переходам электронов с оболочки на
оболочку.
Положение пиков индивидуально для каждого элемента, может меняться в
пределах 2-5 эВ из-за влияния химической связи и ближайшего окружения
атома.
Взаимодействие атомов определяет околопороговую и запороговую тонкую
структуру спектров поглощения.
Серия методов спектроскопии поглощения дает информацию о химическом
составе вещества и координационном окружении атомов и в настоящее время
широко применяется в химии, биологии, материаловедении
Схема возбуждения электронных
оболочек атома (а, б) и возможные
релаксационные процессы (в, г)
заполнения электронной вакансии.
а – фотоэлектронная эмиссия,
б – рентгеновское поглощение,
в – рентгеновская флуоресцениця,
г – оже-процесс
Зависимость выходов 1 – флуоресцентного
рентгеновского излучени, 2 – оже-электронов.
Для анализа легких атомов эффективней
использовать оже-спектроскопию, для
тяжелых рентгеновский флуоресцентный
анализ