Page 55 - 理化检验-化学分册2017第八期

王 荣: 机械装备的失效分析( 续前)第 ６ 讲 X 射线分析技术

象, 利用一些物质的特殊性质( 如吸收、 衍射、 荧光、 低廉实用且维护简单, 图 １ 就是强流恒源型 X 射线
感光、 密度差异等), 借助光电技术和现代计算机技 产生的基本原理图( 热阴极 X 射线管).同步辐射
术等对材料展开分析和研究.在机械装备的失效分 源价格昂贵, 对测试技术要求非常高, 具有频谱非常
析中, 利用 X 射线较强的穿透能力和不同状态物体 宽、 发散角非常小、 以及亮度非常大等优良特性, 一
对 X 射线吸收的差异制成的各种 X 射线探伤仪可 般常用于常规 X 射线无法进行的许多重大试验研
以对零件或焊缝进行探伤, 确定缺陷的大小、 位置, 究项目.强脉冲源亦称为硬 X 射线, 只在某些特殊
甚至 缺 陷 的 性 质 等. １９１２ 年 德 国 物 理 学 家 劳 厄 试验室有应用.
( LAUE M V ) 发现了 X 射线通过晶体时产生衍射
的现象, 证明了 X 射线的波动性和晶体内部结构的
周期性.英国物理学家小布拉格( BRAGG W L ) 经
过反复研究, 以更简洁的方式解释了 X 射线晶体衍
射的形成, 提出了著名的布拉格方程, 以此为基础的
各种 X 射线衍射仪很快进入商品化生产, 对各种未
知晶体的分析和研究工作迅速崛起.用 X 射线衍
射法测定材料中的残余内应力较其他测定方法更为
图 １ X 射线发生装置示意图
准确、 快捷, 并且无损.老布拉格( BRAGG W H ) 于
Fi g 敭１ Schematicdia g ramofXＧra yg enerator
１９１３ 年发现了特征 X 射线, 使得 X 射线分析技术
１．２ 原子核外电子跃迁和 X 射线
又向前迈进了一步.人们利用 X 射线的电离作用,
若一个具有高动能的外界电子冲入基态原子
研制了各种 X 射线谱仪, 用来进行化学成分及元素
中, 它可将原子内层的某一个电子击出, 使原子处于
价态分析, 这对于失效原因的准确判断具有非常重
不稳定的高能激发态, 必然会自发地向基态过渡.
要的作用和意义.笔者主要介绍了常见 X 射线分
若 K 层上的一个电子被击出, 则 L 层上的任意一
析技术在机械设备失效分析中的应用.
个电子将自动地跃迁到 K 层上, 因此由 K 层激发
１ X 射线及其与物质的相互作用 态过渡到L 层激发态, 多余的能量将以 X 射线光子
的形式辐射出来, 这就是 K α 射线.当然, 也可能由
１．１ X 射线的产生
M 层上的电子直接跃迁到 K 层上, 则相应的会产
X 射线 是 德 国 物 理 学 家 伦 琴 ( RÖNTGEN W 射线辐射.总之, 每一次这种外层电子向内
C ) 于 １８９５ 年在研究阴极射线时发现的, 由于当时 生 K β
层轨道的跃迁都伴随着能量的下降, 所降低的能量
未能确定其本质, 故称 X 射线. １９０１ 年, 伦琴荣获
将以一个 X 射线光子的形式辐射 出 来, 如 图 ２ 所
了物理学第一个诺贝尔奖. X 射线是一种电磁波,
示, 图中箭头的方向为电子跃迁方向.
它与无线电波、 可见光和 γ 射线等其他各种高能射
线无本质区别, 其波长为 ０．００１~１０nm , 通常用于
X 射线分析的波长为 ０．０５~０．２５nm . X 射线与可
见光及其他基本粒子( 如电子、 中子、 质子等) 一样,
同时具有微粒及波动二重性, 同样遵循普朗克定律.
由于 X 射线的波长较短, X 光子能量也相对较高,
因此它的微粒特性也比较明显.
在一种类似热阴极二极管的装置内, 用一定材
料制成块状阳极( 靶) 和阴极( 灯丝), 并将其密封在
一个玻璃 Ｇ 金属管壳内, 阴极在高压作用下产生大量
热电子在高速电场作用下飞向阳极, 在与阳极碰撞
瞬间产生 X 射线.产生 X 射线的机制有多种方式,
图 ２ 原子中各个激发能态和相应的辐射线
高功率、 易调控的实用 X 射线源有 ３ 类: 强流恒源、
Fi g 敭２ Theexcitedener gy statesandthecorres p ondin g
同步辐射和强脉冲源.强流恒源型装置稳定, 价格 radiationlinesinanatom

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