X射線及高能粒子束發(fā)光解析

1、X射線及高能粒子束發(fā)光解析主要內(nèi)容一：基礎(chǔ)知識(shí)的普及 1.發(fā)光機(jī)理，二：研究現(xiàn)狀：目前的基于X射線及高能粒子束的突破性研究等三：當(dāng)下的研究瓶頸及解決方案的設(shè)想x射線激發(fā)發(fā)光 由德國(guó)物理學(xué)家W.K.倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)，故又稱倫琴射線。凡是以高速運(yùn)動(dòng)的電子，都能產(chǎn)生X射線。電子由于被急劇的阻止而失去自身的動(dòng)能，此動(dòng)能的大部分轉(zhuǎn)化成熱，一小部分轉(zhuǎn)化為X射線輻射出來(lái)，如下圖1.1，x射線是一種電磁波，波長(zhǎng)0.001-1nm，也可以看做一種點(diǎn)此震蕩的中性粒子束，每個(gè)x射線光子具有一定的能量, 同時(shí)服從光的反射，衍射，等一般規(guī)律。hVE 其中的兩種輻射類型： 加速后的電子撞擊金屬靶。撞擊過(guò)程中，電子突然

2、減速，其損失的動(dòng)能（其中的1%）會(huì)以光子形式放出，形成X光光譜的連續(xù)部分，稱之為制動(dòng)輻射。 加大加速電壓，電子攜帶的能量增大，則有可能將金屬原子的內(nèi)層電子撞出。于是內(nèi)層形成空穴，外層電子躍遷回內(nèi)層填補(bǔ)空穴，同時(shí)放出波長(zhǎng)在0.1納米左右的光子。由于外層電子躍遷放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波長(zhǎng)也集中在某些部分，形成了X光譜中的特征線，此稱為特性輻射。1.1.2：x射線激發(fā)發(fā)光原理 x射線照射發(fā)光材料時(shí)，在基質(zhì)晶格中會(huì)產(chǎn)生大量次級(jí)電子，這些次級(jí)電子可能進(jìn)一步轟擊基質(zhì)晶格產(chǎn)生新波長(zhǎng)的x射線。隨后，新波長(zhǎng)x射線再次被基質(zhì)吸收并重復(fù)上述過(guò)程，導(dǎo)致二次電子的倍增。二次電子倍增的結(jié)果是激發(fā)晶體價(jià)帶頂

3、的電子到導(dǎo)帶底，產(chǎn)生熱激發(fā)電子空穴對(duì)，這些電子空穴對(duì)復(fù)合時(shí)就會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。1.1.3X射線激發(fā)發(fā)光的應(yīng)用簡(jiǎn)介（材料） a.當(dāng)X射線發(fā)光材料以多晶粉末的形式被應(yīng)用的時(shí)候，通常被稱為“x射線熒光粉”，而以單晶的形式被應(yīng)用時(shí)，稱為“閃爍體”。下面介紹幾個(gè)重要的應(yīng)用：（1）x射線直接觀察屏：使用X射線熒光粉，要求屏的發(fā)光峰值接近人眼的光譜靈敏度曲線，即發(fā)光峰在520-560nm之間。（2）x射線增感屏：使用X射線熒光粉，其中的感光乳膠對(duì)本身對(duì)x光吸收很少，主要是屏中的熒光粉吸收x射線而發(fā)光，使乳膠感光。（3）x射線光激勵(lì)存儲(chǔ)熒光屏：使用X射線存儲(chǔ)熒光粉。（4）x射線斷層掃描技術(shù)熒光屏：該屏使用的是閃

4、爍體，也就是透明單晶。 圖1.2給出了配用增感屏的醫(yī)療x射線診斷系統(tǒng)原理。X射線通過(guò)患者身體后，由涂在屏上的x射線熒光粉進(jìn)行檢測(cè)。熒光粉把x射線激發(fā)能轉(zhuǎn)換成光輻射，并使照相膠片感光。 區(qū)別：增感屏接收器使用的是x光膠片，圖片在膠片上成像。存儲(chǔ)發(fā)光屏接收器是圖像轉(zhuǎn)換板，通過(guò)存儲(chǔ)發(fā)光屏?xí)簳r(shí)將x射線淺影按x射線劑量的比例存儲(chǔ)起來(lái)，然后用一個(gè)調(diào)焦的He-Ne激光器發(fā)出的紅色激光束對(duì)轉(zhuǎn)換板進(jìn)行掃描，用光電倍增管讀取x射線信息，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，最終將圖像顯示。其中的x射線熒光光譜儀工作原理x射線熒光光譜儀內(nèi)部工作原理 用X射線照射固體時(shí)，由于光電效應(yīng)，原子的某一能級(jí)的電子被擊出物體之

5、外，此電子稱為光電子。如果X射線光子的能量為h，電子在該能級(jí)上的結(jié)合能為Eb，射出固體后的動(dòng)能為Ec，則它們之間的關(guān)系為： h=Eb+Ec+Ws 式中Ws為功函數(shù)，它表示固體中的束縛電子除克服各別原子核對(duì)它的吸引外，還必須克服整個(gè)晶體對(duì)它的吸引才能逸出樣品表面，即電子逸出表面所做的功。上式可另表示為： Ebh-Ec-Ws 可見(jiàn)，當(dāng)入射X射線能量一定后，若測(cè)出功函數(shù)和電子的動(dòng)能，即可求出電子的結(jié)合能。由于只有表面處的光電子才能從固體中逸出，因而測(cè)得的電子結(jié)合能必然反應(yīng)了表面化學(xué)成份的情況。這正是光電子能譜儀的基本測(cè)試原理。 1896年:Pupin制備了第一種用作X射線發(fā)光材料為 ，其具有多晶體的

6、晶體形貌，用它制作的漿液涂布增感屏可形成致密發(fā)光層，能有效降低光的散射與折射，但是它的X射線發(fā)射效率僅5%。 1967-1994年:Bril等人又做出突出性研究，如下表顯示： 2003年：Liu等人研究了氧化物X射線發(fā)光特性等 近年來(lái)，kandarakis等人提出稀土硫氧化物是一種非常好的x射線發(fā)光材料基質(zhì)。4CaWO1.1.4：x射線發(fā)光的最新研究和實(shí)驗(yàn) 在中國(guó)科學(xué)院以及蘇州大學(xué)相互合作下，基于上海光源XEOL(X Ray Excited Optical luminescence)實(shí)驗(yàn)裝置，在國(guó)內(nèi)同步輻射裝置上首次實(shí)現(xiàn)了納秒時(shí)間分辨X射線激發(fā)發(fā)光光譜（TRXEOL）實(shí)驗(yàn)方法。 整套TRXEO

7、L實(shí)驗(yàn)裝置由定時(shí)系統(tǒng)、光譜儀系統(tǒng)和核電子學(xué)系統(tǒng)三部分組成。TRXEOL實(shí)驗(yàn)技術(shù)是利用同步輻射X射線脈沖激發(fā)樣品，在其后200ns左右的時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)量、記錄并分析樣品發(fā)光衰減過(guò)程。 通過(guò)調(diào)節(jié)同步輻射X射線的能量，選擇性地激發(fā)樣品中不同的元素，進(jìn)而可以確定樣品的發(fā)光中心，與發(fā)光產(chǎn)額的XAFS方法相結(jié)合，可以進(jìn)一步確定發(fā)光材料中發(fā)光體的局域結(jié)構(gòu). 特別是在研究具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的發(fā)光材料，例如：納米半導(dǎo)體材料、稀土閃爍材料、有機(jī)電致發(fā)光材料(OLED)等發(fā)光材料的發(fā)光機(jī)理，具有非常強(qiáng)大有效的作用。 挑戰(zhàn)： 為了實(shí)現(xiàn)納秒量級(jí)時(shí)間分辨率的TRXEOL技術(shù)，需要解決了兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：其一，儲(chǔ)存環(huán)電子束團(tuán)實(shí)現(xiàn)了混合

8、填充模式。加速器物理組在實(shí)現(xiàn)了一種混合填充模式（5mA單束團(tuán)和225mA多束團(tuán)，單束團(tuán)前后的時(shí)間間隔約220ns），該模式僅初步經(jīng)達(dá)到基本實(shí)驗(yàn)要求。其二，標(biāo)定了儲(chǔ)存環(huán)的時(shí)間結(jié)構(gòu)以及精確地確定了樣品的發(fā)光時(shí)間，定時(shí)系統(tǒng)是上海光源主定時(shí)系統(tǒng)在光束線站的延伸，提供的同步觸發(fā)脈沖信號(hào)與單束團(tuán)產(chǎn)生的X射線脈沖通過(guò)延時(shí)在樣品點(diǎn)同步，同步精度現(xiàn)今僅可達(dá)6ps。 2.高能粒子束放光極光現(xiàn)象極光詩(shī)歌！自然的規(guī)律安在？在半夜時(shí)升起了晨曦，這不是太陽(yáng)設(shè)置的寶座，也不是冰封的海洋，而是閃動(dòng)的火焰。啊！冰冷的火籠罩著我們，??！雖說(shuō)是夜里，白天卻來(lái)到了人間。 是什么令明亮的射線在黑夜中抖動(dòng)，又是什么在天空中觸發(fā)了頎長(zhǎng)的火？如同沒(méi)有雷暴云的閃電，從地面向高空攀登，它究竟怎樣成為凝結(jié)的蒸氣仲冬時(shí)節(jié)變成了噴涌的火？羅蒙諾索夫俄 目前,許多科學(xué)家正在對(duì)極光作深入的研究.人們看到的極光,主要是帶電粒子流中的電子造成的 而且,極光的顏色和強(qiáng)度也取決于沉降粒子的能量和數(shù)量.用一個(gè)形象比喻,可以說(shuō)極光活動(dòng)就像磁層活動(dòng)的實(shí)況電視畫(huà)面.沉降粒子為電視