PDF《时间分辨的 X 射线衍射》

2) 单色 X 射线衍射只在满足布拉格条件的若干个特殊的角度上产生 (选择衍射) ;

3) 衍射强度与入射强度之比远小于

1 ;

4) 入射线和反射线的夹角总是 2θ. 综上所述 ,本质上 X 射线的衍射是由大量原子参与的一种散射现象.原子在晶面上 呈周期排列 ,被它们散射的 X 射线之间必然存在位相关系 ,因而在大部分方向上产生相 消干涉 ,只在仅有的几个方向上产生相长干涉 ,这种相长干涉的结果就形成了衍射束. 由于硬 X 射线波长很短 ,所以能量和动量都很大 (由p=h/λ,ε= hc/λ) ,具有很强 的穿透力.因此 X 射线衍射可用来探测物质结构的性质.历史上 ,维生素 B12和DNA 的 结构就是通过 X 射线衍射发现的[25~27 ] .

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4 4 期 高鸿奕等 :时间分辨的 X 射线衍射

2 X 射线动态衍射 尽管动态的 X 射线衍射只是静态 X 射线衍射的一个直接拓展 ,但并不像静态 X 射线 衍射徘么简单 ,它引发出了理论方面的许多新问题[28~31 ] .在时间分辨的 X 射线衍射中 , 泵浦脉冲、 样品和探测脉冲都与时间密切相关.例如一个分子动力学过程首先被一个超 短光脉冲激励发生 ,然后在时间延迟τ上 ,样品对探测 X 射线脉冲进行散射.这个样品包 含了原子核的转动态、 振动态和电子态的一个原始的相干叠加.样品中不仅仅包含一个 电子态 ,所以我们不能只局限于考虑单电子态的原子动力学过程 ,必须考虑多电子态的动 力学过程及各态之间的相互干涉.不像光脉冲探测 ,通常只考虑特定的电子态 ,X 射线脉 冲对电子态并不敏感.换句话说 ,就是所有的电子态都参与了 X 射线衍射 ,都对衍射图 案有贡献.所以要正确地理解和处理电子态间的相干性和干涉及原子核和电子的自由 度 ,必须用量子力学来解决 ,只有这样才能作出恰当的近似 ,因为精确的量子计算对于多 原子系统和凝聚态物质来说是极其复杂的. 对于一个多电子系统来说 ,瞬时的 X 射线散射强度并不等于每个电子态散射强度的 简单相加 ,还包括不同电子态的散射振幅的交叉项 ,而这些交叉项只有在 X 射线脉宽与 这些项的振荡周期为同一数量级甚至更短的条件下 ,才可被探测到.因此 ,发展超短、 高 亮度的 X 射线脉冲光源是关键[32 ] .X 射线的脉宽直接决定了超快 X 射线衍射测量的时 间分辨率.经过近六十年的不断发展 ,超快 X 射线衍射的时间分辨率已由原来的毫秒量 级提高到目前的亚皮秒量级(如图

1 所示) ,这与各个时期出现的超短 X 射线脉冲光源的 脉宽是分不开的[33 ] .早在二十世纪四十年代早期 ,Whitlock 和Wark[34 ] 就曾详细描述了 时间分辨的 X 射线脉冲光源的发展及应用 , 他们所 用的光源是由Tsukerman 和Avendeenko[35 ] 提供的毫秒脉宽的 X 射线脉冲 ;

1967 年,Johnson[36 ] 产生了脉宽为

50 ns 的X射线脉冲光源 ,因而开始了纳秒范围的超快 X 射线衍射测量. 图1超快 X 射线衍射测量的时间分辨率逐年提高

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4 物理学进展24 卷70 年代 ,发展了高功率激光Ο 等离子体 X 射线源 [37~38 ] ,特别应用在对冲击荷载的观 测上[39 ] ;

80 年代初 ,同步辐射的 X 射线光源的脉宽达到

150 ps ,用来观察激光激励的半 导体的超快熔化和再生长过程[40 ] ;

从80 年代后期到

90 年代 ,随着皮秒激光的应用和台 式太瓦激光触发的 X 射线二极管的发展 ,超快 X 射线衍射测量的时间分辨率快速提高. 目前 ,已有各种光源用来产生超短 X 射线脉冲.超短激光脉冲激励固体产生等离子体 , 发射出的 X 射线光源提供了极短的脉冲 ,其脉宽已由纳秒........