1 概述
在微觀層次上，進(jìn)行物質(zhì)中晶體結(jié)構(gòu)、元素組成、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程和缺陷分布表征；在宏觀層次上，進(jìn)行物質(zhì)中流場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、傳輸（侵入或溶出）以及裂紋擴(kuò)展過(guò)程表征，是材料性能設(shè)計(jì)、優(yōu)化和破壞機(jī)理研究的重要因素。
X射線是具有一定波長(zhǎng)和能量范圍的光子流，即具有波動(dòng)特征也具有粒子特征。X射線的波長(zhǎng)與常見(jiàn)物質(zhì)的原子和分子間距相當(dāng)，利用光波的衍射特征可獲悉物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，或反而行之進(jìn)行物質(zhì)鑒定。X射線的光子能量與常見(jiàn)物質(zhì)中核外電子的躍遷能量相當(dāng)，利用電子躍遷產(chǎn)生的X射線吸收，可進(jìn)行試樣的透射成像或拓?fù)洌ㄇ忻妫┏上瘢焕帽患ぐl(fā)的電子在返回基態(tài)所產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的X射線（特征X射線）可進(jìn)行元素鑒定。X射線的光子與原子的核外電子發(fā)生散射，可改變光子行進(jìn)的速度和方向，使得X射線光波相位和方向發(fā)生變化，利用相位差可進(jìn)行相襯成像。由于X射線在微觀結(jié)構(gòu)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(jī)理研究的重要手段。
隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變化過(guò)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(fā)、X射線吸收和X射線相差現(xiàn)象的設(shè)備工作原理和能力發(fā)展方向，以及多原理、多設(shè)備聯(lián)合的應(yīng)用方式，以期為材料性能表征、設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究方法提供借鑒。
2 X射線的特征與利用
1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴（W. C. Rntgen）發(fā)現(xiàn)了該種射線超強(qiáng)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(zhǎng)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(zhǎng)和能量范圍。
X射線的波長(zhǎng)在0.01nm至10納米之間。通常以0.1nm為界，將波長(zhǎng)小于0.1nm的X射線稱為硬X射線，將波長(zhǎng)大于0.1nm的X射線稱為軟X射線。X射線的波長(zhǎng)涵蓋常見(jiàn)物質(zhì)的原子或分子間距，在通過(guò)原子層形成的間隙時(shí)可產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，為晶態(tài)物質(zhì)原子架構(gòu)剖析提供了基礎(chǔ)。
X射線的光子能量在100eV至300KeV之間，該能量可激發(fā)常見(jiàn)物質(zhì)的核外電子發(fā)生躍遷，產(chǎn)生X射線吸收。元素的X射線吸收能力與原子序數(shù)成正比，一般情況下，原子序數(shù)與形成的物質(zhì)密度成正比，因此高密度的物質(zhì)通常形成更顯著的X射線吸收，為物質(zhì)的透射成像和拓?fù)洌ㄇ衅┏上裉峁┝嘶A(chǔ)。同時(shí)，低能量的光子與原子核外電子碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射，這是從粒子角度闡述光波衍射現(xiàn)象或折射現(xiàn)象的原因。
3 X射線發(fā)生裝置
X射線最原始的發(fā)生裝置是陰極射線管（X射線管），隨著對(duì)X射線單色性（波長(zhǎng)頻率范圍）和光通量（單位時(shí)間通過(guò)單位面積的光子數(shù)）要求的提高，逐漸開(kāi)發(fā)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(fā)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(fā)物質(zhì)釋放電子（通常采用電流加熱鎢絲的方式），然后用電場(chǎng)對(duì)釋放出的電子進(jìn)行加速，高速的電子在前進(jìn)過(guò)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(duì)電子的加速電壓，電子與靶材碰撞后，其能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能，少部分轉(zhuǎn)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(fā)射的光子方向是任意的，射線管的狹縫規(guī)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(jí)分布的（如圖3所示），能級(jí)中又分為軌道，能級(jí)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(nèi)層軌道上的電子激發(fā)出去，使原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子壽命只有10-12至10-14秒，然后自發(fā)地由高能態(tài)恢復(fù)到低能態(tài)，恢復(fù)過(guò)程中，外層軌道上的電子向內(nèi)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(guò)程中，如果沒(méi)有與核外電子發(fā)生碰撞，原子核的電荷效應(yīng)（帶正電）也會(huì)使得透射的電子減速，并將電子損失的能量轉(zhuǎn)化為光子釋放出來(lái)，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(nèi)變化，因此發(fā)射出的光子能量在一定的范圍內(nèi)變化，這種由于電子減速而產(chǎn)生的輻射稱為韌致輻射。韌致輻射產(chǎn)生的光子能量是連續(xù)變化的，特征輻射產(chǎn)生的光子能量是階躍的，兩者的組合表現(xiàn)為連續(xù)譜線上出現(xiàn)階躍的尖峰