X射線衍射法是確定晶體的方法材料結(jié)構(gòu),。衍射方法可以識別化合物它們的晶體結(jié)構(gòu)，而不是來自它們的化學(xué)元素組成,。這意味著具有相同成分的不同化合物（或相）是可以識別的。衍射方法包括X射線衍射，電子衍射,，和中子衍射。1912年發(fā)現(xiàn)了晶體的X射線衍射,，并且從那時起,，它一直是研究和使用范圍大的技術(shù)材料表征方法。那么X-射線是怎么產(chǎn)生的呢,？

   產(chǎn)生X射線的方式主要有以下四種：X射線管,、激光等離子體、同步輻射和X射線激光,。

圖1 X射線管示意圖

如圖所示,，X射線管的真空管中含有電子源和兩個金屬電極的X射線管的結(jié)構(gòu)。這些電極上保持的高電壓迅速將電子吸引到陽極,。X射線在陽極表面的撞擊點產(chǎn)生,，并向所有方向輻射。有窗口將X射線引導(dǎo)出管外,。X射線管需要經(jīng)過充分的冷卻,，因為電子的大部分動能都轉(zhuǎn)化為熱量;不到1%轉(zhuǎn)化為X射線,。

圖2 不同電壓下鉬靶所產(chǎn)生的X光

X射線管產(chǎn)生的X射線波長范圍從最小λ到10 nm左右，稱為連續(xù)X射線或白色X射線,，如圖2所示為輻射光譜的背景,。連續(xù)X射線的最小λ（具有最大輻射能量）由X射線管中電子的最大加速度電壓根據(jù)方程確定:

例如，在20 kV的加速度電壓下,，最小λ為0.062nm,。圖2顯示，在連續(xù)X射線光譜上的某些波長處存在強度的最大峰值,。這些強度最大值是特征性X射線,。X射線衍射方法通常需要具有單波長（單色）X射線輻射的源。單色輻射必須來自通過過濾光譜中的其他輻射而產(chǎn)生的特征X射線,。

圖3 X射線產(chǎn)生示意圖

特征性X射線生成的物理原理如圖3所示,。當(dāng)入射電子具有足夠的能量將原子內(nèi)殼中的電子激發(fā)到更高能量的狀態(tài)時，內(nèi)殼中留下的空位將被外殼中的電子填充,。當(dāng)電子落到內(nèi)殼時,，能量將通過發(fā)射具有特定波長的X射線或具有特定能量的光子來釋放。

X射線管方法發(fā)展簡史：

X射線管是利用高速電子撞擊金屬靶面產(chǎn)生X射線的電子器件,，分為充氣管和真空管兩類,。1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線時使用的克魯克斯管就是最早的充氣X射線管。

1913年考林杰發(fā)明的真空X射線管的最大特點是鎢燈絲加熱到白熾狀態(tài)以提供管電流所需的電子,，調(diào)節(jié)燈絲的加熱溫度就可以控制管電流,，可提高影像質(zhì)量。

1913年發(fā)明了在陽極靶面與陰極之間裝有控制柵極的X射線管,，在控制柵上施加脈沖調(diào)制,，以控制X射線的輸出和調(diào)整定時重復(fù)曝光，部分地消除了散射線,，提高了影像的質(zhì)量,。

1914年制成了鎢酸鎘熒光屏，開始了X射線透視的應(yīng)用,。

1923年發(fā)明了雙焦點X射線管,，X射線管的功率可達幾千瓦，矩形焦點的邊長僅為幾毫米,，X射線影像質(zhì)量大大提高,。同時，造影劑的逐漸應(yīng)用,，使X射線的診斷范圍也不斷擴大,。X射線管還廣泛用于零件的無損檢測，物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、光譜分析等方面,。

圖4 激光等離子源示意圖

激光等離子體光屬于價格便宜,、易于操作的光源，可以用于X射線顯微術(shù),，像電子掃描顯微鏡一樣作為實驗室的常規(guī)分析工具,。其基本原理是：當(dāng)高強度(1014～1015 W/cm2)激光脈沖聚焦打在固體靶上時，靶的表面迅速離化形成高溫高密度的等離子體,，進而發(fā)射X射線,。它是一種具有足夠輻射強度的獨立點光源，所用泵浦激光器主要有Nd:YAG,，釹玻璃和KrF等。X射線發(fā)射與靶材料有關(guān),，由于濺射殘屑可能損傷和污染光學(xué)系統(tǒng)和樣品,，若用氣體靶代替固體靶可以避免殘屑問題。因此,，需要進一步研究開發(fā)有效的,、高重復(fù)頻率工作的、不產(chǎn)生殘屑的激光等離子體X射線光源,。

同步輻射光源 速度接近光速的帶電粒子在磁場中作圓周運動時,，會沿著偏轉(zhuǎn)軌道切線方向發(fā)射連續(xù)譜的電磁波。

圖5 同步輻射示意圖

1947年人類在電子同步加速器上觀測到這種電磁波,，并稱其為同步輻射,，后來又稱為同步輻射光。同步輻射最初是作為電子同步加速器的有害物而加以研究的,，后來成為一種從紅外到硬X射線范圍內(nèi)有著廣泛應(yīng)用的高性能光源,。同步輻射光源是開展凝聚態(tài)物理、材料科學(xué),、生命科學(xué),、資源環(huán)境及微電子技術(shù)等多學(xué)科交叉前沿研究的重要平臺。

圖6 同步輻射示意圖

同步輻射光源的主體是電子儲存環(huán),，30多年來已經(jīng)歷了三代的發(fā)展,。第一代同步輻射光源的電子儲存環(huán)是為高能物理實驗而設(shè)計的，只是“寄生”地利用從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的同步輻射光,，故又稱“兼用光源”,；第二代同步輻射光源的電子儲存環(huán)則是專門為使用同步輻射光而設(shè)計的，主要從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出同步輻射光,；第三代同步輻射光源的電子儲存環(huán)對電子束發(fā)射度和大量使用插入件進行了優(yōu)化設(shè)計,，使電子束發(fā)射度比第二代小得多，同步輻射光的亮度大大提高，如加入波蕩器等插入件可引出高亮度,、部分相干的準(zhǔn)單色光,。

同步輻射光具有頻譜寬且連續(xù)可調(diào)（具有從遠紅外、可見光,、紫外直到X射線范圍內(nèi)的連續(xù)光譜）,、亮度高（第三代同步輻射光源的X射線亮度是X光機的上億倍）、高準(zhǔn)直度,、高偏振性,、高純凈性、窄脈沖,、精確度高以及高穩(wěn)定性,、高通量、微束徑,、準(zhǔn)相干等的性能,。

　圖7　擁有近70條光束線的美國阿貢實驗室同步輻射光源

圖8 設(shè)計有30個光引出口的英國DIAMOND同步輻射光源

有近40臺同步輻射光源正在運行，還有幾十臺在設(shè)計,、建造中,。我國的北京同步輻射裝置（BSRF）、合肥中國科技大學(xué)同步輻射裝置上海同步輻射裝置（SSRF）和（NSRL）和中國臺灣新竹的同步輻射裝置（SRRC）分別屬于第一,、第二,、第三和第三代光源。

建在北京的BSRF是我國大陸第一條中能X射線雙晶單色器光束線,，該光束線用于中等能區(qū)X射線范圍（1.2keV-6.0keV）的計量學(xué),、探測器標(biāo)定、光學(xué)元件性能測試及吸收譜學(xué)等方面的研究,，具有重要的科學(xué)意義,。

正因為X射線的應(yīng)用越來越廣泛，科學(xué)家著重研究增加X射線的強度,。自紅寶石激光1960年問世以來,，在X射線波段實現(xiàn)激光輻射就一直是激光研究的重要目標(biāo)。Ｘ射線激光除了具有普通激光方向性強,、發(fā)散度小的特點外,，其單光子能量比傳統(tǒng)的光學(xué)激光高上千倍，具有的穿透力,。

1981年,，美國在地下核試驗中進行核泵浦X射線激光實驗獲得成功，極大地推動了開展實驗室X射線激光的研究,。水窗的飽和X射線激光是目前能夠?qū)ι锘铙w細胞進行無損傷三維全息成像和顯微成像的光源,，借助于它有可能解開生命之謎,。美、英,、日,、法、德,、俄羅斯和中國等國的許多著名實驗室都相繼作了部署,。1994年，美國利弗莫爾實驗室用功率最大的激光器的3000焦激光能量泵浦釔靶,，產(chǎn)生了波長15.5納米的飽和X射線激光,。1996年底，中國旅英青年學(xué)者張杰領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究組,，在英國盧瑟福實驗室利用多路激光器轟擊釤靶,，在泵浦能量僅為150焦的情況下，成功地獲得了波長為7.3納米的X射線激光飽和增益輸出,，為在“水窗”波段實現(xiàn)增益飽和輸出的X射線激光帶來了巨大的希望,。

“水窗”是指波長在2.3納米到4.4納米范圍的軟X射線波段。在此波段內(nèi),，水對X射線是透明的，但其他構(gòu)成生命的重要元素,，例如碳和氧等,，仍會與X射線相互作用。因而,，水窗波段的X射線可用于活體生物細胞顯微成像等重大前沿課題的研究,，具有極其重要的科學(xué)應(yīng)用價值。

自由電子激光是一種以相對論優(yōu)質(zhì)電子束為工作媒介,、在周期磁場中以受激輻射方式放大短波電磁輻射的強相干光源（其“周期磁場”由波蕩器產(chǎn)生）,，具有波長范圍大、波長易調(diào)節(jié),、亮度高,、相干性好、脈沖可超短等突出優(yōu)點,，尤其是高增益短波長自由電子激光,，普遍被看好是下一代光源的代表，具有巨大的發(fā)展?jié)摿椭卮蟮膽?yīng)用前景,。

圖11 德國DESY自由電子激光器

目前,，有20多個能產(chǎn)生從紅外線到紫外線各種波長激光的自由電子激光器已經(jīng)投入使用或正在研制中。現(xiàn)在科學(xué)家正試圖讓其波長范圍延伸到Ｘ射線,。X射線自由電子激光能產(chǎn)生波長可調(diào)的,，強度的飛秒相干光，可為各種體系的高空間分辨和時間分辨的動力學(xué)研究提供強有力的手段，將給物理,、化學(xué),、材料科學(xué)、地質(zhì),、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科的前沿研究帶來突破,，為人類對自然的認(rèn)識打開全新的視野。利用它可對活細胞進行無損傷立體成像,，直接觀察細胞中的生命過程,，為揭開生命之謎提供重要的工具。利用它進行顯微和光刻,，可以大幅度地提高分辨率和精度,。同時，也將對工業(yè)的發(fā)展帶來深遠的影響,。發(fā)展X射線自由電子激光具有前瞻性及戰(zhàn)略意義,。

各科技強國均將X射線自由電子激光的研究列入了未來科技發(fā)展計劃的重要內(nèi)容，正在加緊研制的Ｘ射線自由電子激光器的能量將是現(xiàn)有設(shè)備的100億倍,。美國斯坦福直線加速器中心于2009年推出“直線加速器相干光源（LCLS）”,，這個項目預(yù)算為3.79億美元。位于漢堡的德國電子同步回旋加速器研究中心已研制出*紫外線自由電子激光器,，并于2010年正式開工建設(shè)X射線自由電子激光器,，預(yù)計總耗費為15億歐元。日本也在開展類似的項目,。如何用盡可能小的輸入能量在盡可能短的波長上產(chǎn)生高增益Ｘ射線激光是當(dāng)今各科技大國在該領(lǐng)域競爭的主要焦點,。

楊振寧先生從1997年5月開始先后8次給我國有關(guān)部門和有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)寫信，呼吁中國盡快開展X射線自由電子激光的預(yù)研究,，我國政府和科學(xué)界對此給予了高度關(guān)注,。趙振堂院士表示，在“水窗”波段,，自由電子激光的峰值亮度,，比同步輻射高十億倍以上，且同時具備橫向和縱向相干性,，能夠為物理,、生物、化學(xué)等學(xué)科提供革命性的研究工具,。上海軟X射線自由電子激光裝置（SXFEL）在調(diào)試工作中,，連續(xù)取得突破性進展，先后在5.6 納米,、3.5納米,、2.4納米和2.0納米波長,，實現(xiàn)自由電子激光放大出光，完成了“水窗”波段全覆蓋,。作為我國第一臺X射線相干光源,，上海軟X射線自由電子激光裝置（SXFEL）將與上海同步輻射光源（SSRF）、上海硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）和上海超短激光裝置（SULF）等一起,，在浦東張江構(gòu)建具有全球影響力的光子大科學(xué)設(shè)施集群和光子科學(xué)研究中心,。該裝置已于2020年11月通過國家驗收。