X射線分析(X-ray Analysis)是指以X射線為輻射源的分析方法統稱。主要包括X射線吸收法、X射線螢光法、X射線衍射法等。其中用於成分分析的X射線螢光法和用於結構分析的X射線衍射法套用較為廣泛。詞條詳細介紹了X射線以及X射線吸收法、X射線螢光法、X射線衍射法原理和套用。
基本介紹
- 中文名：X射線分析
- 外文名：X-ray Analysis
- 類型：分析方法
- 基礎：X射線為輻射源
- 套用領域：射線分析
- 涉及學科：儀器、核化學
射線分析簡介,X射線,方法,
射線分析簡介
利用 X射線與物質間的互動作用來分析物質的結構、組織和成分的一種材料物理試驗。
X射線是德國人W C 倫琴於 1895年發現的。它是一種肉眼不可見的射線，但能使感光材料感光和螢光物質發光；具有較強的穿透物質的本領；能使氣體電離；與可見光一樣，它是沿直線傳播的，在電磁場中不發生偏轉。由於當時對其本質不甚了解，因此稱之為X射線。後人為了紀念其發現者，也稱為倫琴射線。
1912年，德國人Mvon勞厄等通過實驗證實，X射線與晶體相遇時能發生衍射現象，證明了它是一種波長很短的電磁波，從而奠定了 X射線衍射學的基礎。1912～1913年英國人布喇格父子在進行大量的晶體結構分析的基礎上闡明，可以將晶體的衍射現象看作是晶體某些晶面的“鏡面反射”的結果。當這些晶面與 X射線入射方向所形成的角度θ、該組晶面的晶面間距d和入射線的波長λ之間符合2dsinθ=nλ條件時才能產生反射。式中n為任意正整數，稱為衍射級數。這一方程稱為布喇格定律。
x-ray是波長在0.01~50nm範圍內的電磁輻射，x-ray與所有粒子相同，也具有波粒兩象性。
波動性用波長或頻率描述， v=c/λ，粒子性用能量描述，其關係有：
E=hv=h·c/λ，
動量P=h/λ。
由於x-ray能量較大，常用能譜表示。
X-射線衍射分析 x-ray 的波長與物質微觀結構中原子、分子間距離相當，可被晶體衍射，可以判斷晶體的結構。
X射線
1、X射線的產生
X射線是一種短波長（0.005-10nm）、高能量（2.5×10^5-1.2×10^2）的電磁波。它是原子內層電子在高速運動電子流衝擊下，產生躍遷而發射的電磁輻射。X射線有連續X射線和特徵X射線。
2、連續X射線
連續X射線由高真空度的X射線管產生。X射線管有一個熱陰極和一個陽極（靶）。當熱陰極發射出熱電子後，電子在幾萬電子伏高壓電場下被加速，電子流撞擊到陽極靶上，當高速電子撞擊靶面時，受到靶材料原子核的庫侖力作用而突然減速，使電子周圍電磁場發生急劇變化。電子的部分動能轉變為X射線輻射能。由於撞擊到陽極靶上的電子並不都是以同樣的方式受到原子核的庫侖力作用，其中有些電子在一次碰撞中立即釋放出全部能量而停止運動，有些電子則與靶材料發生多次碰撞才逐步失去動能而停止運動，從而產生了不同波長的X射線。對於大量電子射到靶材料來講，其能量損失或轉變是一個隨機變數，因而產生各種波長的連續X射線。
電子在一次碰撞中立即釋放出全部能量而停止運動的，產生出能量最大、波長最短的X射線。
3、特徵X射線
當X射線管電壓提高到一定的程度（如鉬靶在25kV時），就會在一定的波長處出現強度很大的特徵譜線疊加在連續X射線上，即稱為特徵X射線。這是由於發射電子獲得了足夠的能量後，就能轟擊出靶材料原子內層里的電子，從而形成空軌道，使原子處於激發態，這時外層電子馬上躍入內層空穴，同時輻射出特徵X射線。這樣又在較外層中產生出新的空軌道，因而又產生相應的X射線，這便得到一系列具有靶材料信息的特徵X射線。當外層電子躍遷至K層、L層、M層所產生的X射線，分別稱為K系、L系和M系射線。同一線系中各條譜線是由各個能級上電子向同一殼層躍遷而產生。例如，K系的Ka、Kb、Kr等譜線分別是由L、M、N等層電子躍遷至K層所產生的X射線。通常在一組線系中，a線是最強的特徵X射線。
特徵X射線波長與入射電子或連續X射線能量無關，只取決於靶材料。不同元素材料的靶，其原子結構不同，各層電子能量亦不同，各層電子能量亦不同，因而特徵X射線波長各不相同。
方法
人們利用 X射線與物質間的各種互動作用已建立了許多X射線分析方法，其中不少方法已被廣泛套用於機械工程材料的研究方面。
X 射線分析
X 射線分析X射線衍射分析
建立在X射線與晶體物質相遇時能發生衍射現象的基礎上的一種分析方法。套用這種方法可進行物相定性分析和定量分析、巨觀和微觀應力分析。
X射線衍射分析
X射線衍射分析① 物相定性分析:每種晶體物相都有一定的衍射花樣，故可根據不同的衍射花樣鑑別出相應的物相類別。由於這種方法能確定被測物相的組成，在機械工程材料特別是金屬材料的研究中套用較廣。
② 物相定量分析:每一物相的任一衍射線條的積分強度與該相在混合物中的體積分數有一定的數量關係，因此可根據譜線的積分強度求出各物相的定量組成。例如淬火鋼中殘餘奧氏體含量的多少會顯著影響鋼的機械性能和加工工藝性能，用物相定量分析方法可合理控制和精確測定某些產品（諸如軸承、齒輪、切削刀具等）中的殘餘奧氏體量。
③ 巨觀應力分析:當晶體材料中存在著巨觀殘餘應力時就會導致衍射峰的位移，根據位移的大小可求出巨觀殘餘應力的數值。殘餘應力的大小和分布直接影響零部件的疲勞強度、靜強度、抗應力腐蝕性能和尺寸穩定性等,因此常通過X射線巨觀應力分析來檢查焊接、熱處理和表面強化處理等工藝的效果，以及控制切削、磨削等表面加工質量。
④ 晶粒大小和微觀應力分析:晶粒細化和微觀應力的存在會使衍射峰寬化。可根據其寬化程度和線型求出金屬材料或零部件中晶粒大小和微觀應力數值，用以研究材料的機械性能、塑性變形特性、合金強化等問題。
X 射線分析
X 射線分析除了上述常用的一些X射線衍射分析方法外,還有點陣常數測定、結構測定、單晶定向等分析方法，在研究熱處理、相變、加工形變等對金屬材料組織和性能的影響方面具有重要的作用。
X射線螢光分析
螢光分析高能電子撞擊原子時，激發原子內層電子躍遷就會產生X射線，這稱為初級（一次）X射線。如果以初級X射線為光源去照射激發試樣分子或原子，也可以產生次級（二次）X射線，這種二次稱作X射線螢光。顯然，只有在初級X射線的能量大於試樣原子內層電子的激發能時，才能撞擊出內層電子，所以產生的X射線螢光的波長總比初級X射線的波長要長。這種方法最大的特點是只產生特徵X射線，而不產生連續X射線。產生的X射線螢光線也就是元素的特徵線，這就是X射線螢光分析（X-ray Fluorescence Analysis）的基本原理。
當用適當波長的X射線照射不同物質時,物質會相應地被激發出不同波長的二次特徵X射線譜（為該物質構成元素的特有的X射線譜線）。 通過測定和分析這些譜線，可以對物質進行化學分析（定性和定量）。這種方法具有無損、快速和大面積測定等優點，已成為現代成分分析中的一種重要方法。
X射線螢光分析儀器分為四部分：X光源；分光晶體；檢測器；記錄顯示；
按Bragg方程進行色散；
測量第一級光譜n=1；
檢測器角度 2
；
分光晶體與檢測器同步轉動進行掃描。
（1）X射線管(光源)
分析重元素：鎢靶
分析輕元素：鉻靶
靶材的原子序數越大，X光管壓越高，連續譜強度越大。
（2）晶體分光器
平面晶體分光器
彎面晶體分光器
（3）檢測器
閃爍計數器：
瞬間發光—光電倍增管；
正比計數器(充氣型)：
工作氣 Ar；抑制氣 甲烷
利用X射線使氣體電離的作用，輻射能轉化電能；
（4）記錄顯示
記錄顯示：放大器、脈衝高度分析器、顯示；
三種檢測器給出脈衝信號；
脈衝高度分析器：分離次級衍射線，雜質線，散射線
X射線吸收光譜分析
是利用吸收光譜進行物質解析的方法。
x射線的吸收特徵X射線束透過物質後，其減弱服從指數衰減定律。吸收係數包括光電吸收和散射吸收兩部分，一般是前者遠大於後者。
物質的質量吸收係數是入射X射線波長及其所含元素的原子序數的函式。 當吸收物質一定時，吸收係數先是近似隨波長的三次方 而增加，但到某一波長時，則發生陡然下降;隨後又會出現類似的增長和下降規律。
這些吸收躍變所對應的波長稱為吸收限。吸收限是吸收元素的特徵量，標誌入射 X射線的光子能量恰好能夠逐出該原子中的K、L、M ……層上電子的能量。利用吸收限的測量值，可以作出原子能級圖，也是選擇濾波片材料的依據。進一步的分析表明，吸收曲線在吸收限短波側附近的變化並不是單調平滑的，而是表現出不同程度的振盪現象，稱為X 射線吸收限的精細結構XAFS(X射線吸收近限譜XANES和擴展X射線吸收譜EXAFS)。它是由吸收原子之周鄰原子對出射光電子的背散射引起的，是該原子配位環境的一種反映。
X射線吸收譜分析法測量透過樣品的X射線強度隨波長的變化，根據所揭示的吸收限的波長，即可鑑定樣品中所存在的元素。再通過測定各吸收限上所出現 的吸收強度的變化，還可進行定量分析。在定量分析中，尚有利用單色或連續X射線的直接吸收分析法。
