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 Рентгеновский диапазон 0,1 Å < λ < 10 Å – жесткий рентген 10 Å < λ < 300 Å – мягкий 300 Å < λ < 1000 Å – ультрамягкий E = hν, λ=с/ν=hc/E, h=6.626* Дж*с, с=3*10 8 м/с 1 эВ = 1,602* Дж λ [Å]=12,4/E [кэВ]

Схема рентгеновской трубки Образование ускоренных электронов Распределение интенсивности излучения относительно оси пучка электронов Схема отбора пучков квадратного и линейчатого сечений Рентгеновская трубка с вращающимся анодом в рентгеновское излучение превращается не более 1% энергии 2,5 – 3 кВт20 кВт

Спектр излучения рентгеновской трубки Тормозное излучение Характеристическое излучение Схема квантовых переходов для наиболее интенсивных линий

Преломление и зеркальное отражение рентгеновских лучей n I sin α i = n II sin α r n =c/v для видимого света n >1, эффект полного внутреннего отражения для рентгеновских лучей n

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, Дифференциальное - отношение числа частиц, рассеиваемых в единицу времени в единичный телесный угол, к потоку падающих частиц dσ/dΩ Полноеинтеграл 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} n – плотность числа частиц, v – скорость, dN – число частиц в единицу времени

Упругое рассеяние Томсоновское – рассеяние плоской электромагнитной волны на покоящемся электроне. hv

Неупругое рассеяние Комптоновское рассеяние. Происходит при взаимодействии покоящегося электрона с высокоэнергетическим э-м. излучением. hv mc 2 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=I 0 exp(-μx), μ в данном случае – линейный коэффициент поглощения. μ m = μ/ρ – массовый коэффициент поглощения. μ и μ m - интегральные характеристики σ – атомный коэффициент (сечение) поглощения, характеризует физику процесса

Процессы, вызывающие поглощение рентгеновских фотонов: 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

Зависимость выходов 1 – флуоресцентного рентгеновского излучени, 2 – оже-электронов. Для анализа легких атомов эффективней использовать оже-спектроскопию, для тяжелых рентгеновский флуоресцентный анализ 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