1 概述

在微觀層次上，進行物質中晶體結構、元素組成、化學反應進程和缺陷分布表征；在宏觀層次上，進行物質中流場、應變場、傳輸（侵入或溶出）以及裂紋擴展過程表征，是材料性能設計、優化和破壞機理研究的重要因素。

X射線是具有一定波長和能量范圍的光子流，即具有波動特征也具有粒子特征。X射線的波長與常見物質的原子和分子間距相當，利用光波的衍射特征可獲悉物質的微觀結構，或反而行之進行物質鑒定。X射線的光子能量與常見物質中核外電子的躍遷能量相當，利用電子躍遷產生的X射線吸收，可進行試樣的透射成像或拓撲（切面）成像；利用被激發的電子在返回基態所產生特定波長的X射線（特征X射線）可進行元素鑒定。X射線的光子與原子的核外電子發生散射，可改變光子行進的速度和方向，使得X射線光波相位和方向發生變化，利用相位差可進行相襯成像。由于X射線在微觀結構表征、物相鑒定、微觀形貌成像方面的工作能力，使得X射線成為材料性能表征和衰減機理研究的重要手段。

隨著材料科學的進步，對材料微觀結構、靜態和動態變化過程的精確和快速表征提出了更高的要求。本文綜述了利用X射線衍射、X射線激發、X射線吸收和X射線相差現象的設備工作原理和能力發展方向，以及多原理、多設備聯合的應用方式，以期為材料性能表征、設計和優化研究方法提供借鑒。

2 X射線的特征與利用

1895年，德國物理學家倫琴（W. C. Rntgen）發現了該種射線超強的穿透能力并命名為X射線。之后的研究證明，X射線是具有一定波長和能量范圍的電磁波，由具有波粒二象性的光子組成。圖1為X射線的波長和能量范圍。

X射線的波長在0.01nm至10納米之間。通常以0.1nm為界，將波長小于0.1nm的X射線稱為硬X射線，將波長大于0.1nm的X射線稱為軟X射線。X射線的波長涵蓋常見物質的原子或分子間距，在通過原子層形成的間隙時可產生衍射現象，為晶態物質原子架構剖析提供了基礎。

X射線的光子能量在100eV至300KeV之間，該能量可激發常見物質的核外電子發生躍遷，產生X射線吸收。元素的X射線吸收能力與原子序數成正比，一般情況下，原子序數與形成的物質密度成正比，因此高密度的物質通常形成更顯著的X射線吸收，為物質的透射成像和拓撲（切片）成像提供了基礎。同時，低能量的光子與原子核外電子碰撞時會產生散射，這是從粒子角度闡述光波衍射現象或折射現象的原因。

3 X射線發生裝置

X射線最原始的發生裝置是陰極射線管（X射線管），隨著對X射線單色性（波長頻率范圍）和光通量（單位時間通過單位面積的光子數）要求的提高，逐漸開發出激光等離子體光源、同步輻射光源和X射線自由電子激光光源等多種形式，其發展的方向是提高X射線的單色性、光通量、相干性和偏振性。

3.1 X射線管

X射線管的工作原理是用熱激發物質釋放電子（通常采用電流加熱鎢絲的方式），然后用電場對釋放出的電子進行加速，高速的電子在前進過程中與靶材相撞，電子在撞擊前的理論能量為eV0，其中，e為電子攜帶的電荷，V0為X射線管對電子的加速電壓，電子與靶材碰撞后，其能量絕大部分轉化為熱能，少部分轉化為光能，釋放出能量在X射線能量范圍的光子（從靶材中發射的光子方向是任意的，射線管的狹縫規整X射線的出射方向），如圖2所示。

原子的核外電子是按能級分布的（如圖3所示），能級中又分為軌道，能級越小，其中的電子被原子核束縛的程度越大。使用高能量的電子轟擊原子的核外電子，可將內層軌道上的電子激發出去，使原子處于不穩定狀態，處于激發態的原子壽命只有10-12至10-14秒，然后自發地由高能態恢復到低能態，恢復過程中，外層軌道上的電子向內層遷移，降低能量并釋放出光子，軌道間確定的能量差決定了釋放出的光子有確定的能量，稱為特征輻射。除特征輻射，電子在穿透原子核外電子層的過程中，如果沒有與核外電子發生碰撞，原子核的電荷效應（帶正電）也會使得透射的電子減速，并將電子損失的能量轉化為光子釋放出來，如圖4所示。由于透射的電子與原子核之間的距離在很大的范圍內變化，因此發射出的光子能量在一定的范圍內變化，這種由于電子減速而產生的輻射稱為韌致輻射。韌致輻射產生的光子能量是連續變化的，特征輻射產生的光子能量是階躍的，兩者的組合表現為連續譜線上出現階躍的尖峰