Рентге́новская спектроскопи́я, совокупность экспериментальных методик, позволяющих получать спектры рентгеновского излучения различных источников, а также теоретическая интерпретация этих спектров, дающая возможность диагностики излучающих объектов.

Спектры мягкого рентгеновского излучения с длиной волны $λ$, лежащей в диапазоне 1–10 нм, изучаются с помощью вогнутой дифракционной решётки, которая в схеме спектрометра скользящего падения устанавливается под углом в несколько градусов относительно падающего на неё излучения. Эти приборы мало отличаются от спектрометров вакуумного ультрафиолетового излучения.

Рис. 1. Схема образования изображения спектральной линии в рентгеновском спектрометре на плоском кристалле.Рис. 1. Схема образования изображения спектральной линии в рентгеновском спектрометре на плоском кристалле.Основным инструментом рентгеновской спектроскопии для излучения с длиной волны ${10}^{-2}нм≤λ≤1нм$ является кристаллический спектрометр, действие которого основано на т. н. брэгговской дифракции волн. Из всего набора лучей, испускаемых источником, кристалл в этом спектрометре отражает лишь те, которые удовлетворяют условию Брэгга – Вульфа: $2d \sinφ = mλ$ (здесь $d$ – межплоскостное расстояние кристалла, $φ$ – угол скольжения падающего луча, $m$ – порядок дифракции) и формирует спектр в плоскости регистрации (рис. 1).

В этом случае ширина спектральной линии, а следовательно, и спектральное разрешение, определяется размером источника. При заданном межплоскостном расстоянии регистрируемый диапазон длин волн зависит от размера кристалла и положения источника. Для получения высокого спектрального разрешения с протяжённым источником применяется схема с кристаллом, изогнутым по цилиндрической поверхности, – т. н. спектрограф Иоганна (рис. 2). В каждой точке своей поверхности кристалл отражает лишь те лучи источника, которые удовлетворяют условию Брэгга – Вульфа. Отражённые лучи фокусируются на т. н. окружности Роуланда.Рис. 2. Схема образования изображения спектральной линии в спектрографе Иоганна.Рис. 2. Схема образования изображения спектральной линии в спектрографе Иоганна.

При изучении коротковолнового спектра, когда угол скольжения $φ$ лучей невелик, более удобна схема спектрографа Кошуа, в которой отражающие плоскости ориентированы перпендикулярно поверхности кристалла, а лучи проходят кристалл насквозь (рис. 3).

Кристаллическую слюду можно изогнуть по цилиндрической поверхности с радиусом до 1 см, что даёт возможность создания других схем рентгеновских спектрометров. Если использовать выпуклую поверхность такого кристалла, то можно реализовать обзорный спектрометр (рис. 4) для работы в диапазоне $\lambda\le2\ нм$ (для слюды 2$d$ = 1,993 нм).

Рис. 3. Схема образования изображения спектральной линии в спектрографе Кошуа.Рис. 3. Схема образования изображения спектральной линии в спектрографе Кошуа.Использование отражения от внутренней поверхности изогнутого по цилиндрической поверхности кристалла лежит в основе светосильного спектрометра Гамоша (рис. 5). В этом случае для получения высокого спектрального разрешения надо применять источник малого размера (меньше 1 мм), поэтому такая схема удобна для исследования рентгеновских спектров лазерной плазмы.

Регистрация спектров в кристаллических спектрометрах осуществляется с помощью фотоматериалов, ПЗС-матриц, микроканальных пластин, многопроволочных счётчиков. В спектральной области рентгеновского излучения $\lambda\le1\ нм$ высоким энергетическим разрешением обладают пропорциональные счётчики – газовые, полупроводниковые и сцинтилляционные. Поглощение кванта излучения в них приводит к генерации электрического импульса, амплитуда которого пропорциональна энергии поглощённого кванта. При этом спектрограмма представляет собой распределение регистрируемых импульсов по амплитудам.

Рис. 4. Схема образования изображения спектральной линии на выпуклом кристалле в обзорном спектрометре.Рис. 4. Схема образования изображения спектральной линии на выпуклом кристалле в обзорном спектрометре.Анализ спектров рентгеновского излучения, испускаемых горячей плазмой, позволяет определить её температуру (в диапазоне 10⁵–10⁷ К), электронную плотность (до 10²⁵ см^–3) и скорость движения. Общий подход к такому анализу состоит в теоретическом построении модельного спектра, где диагностируемые величины выступают в качестве параметров, и сравнении его с экспериментальным спектром. Относительные интенсивности спектральных линий вычисляются с помощью уравнений баланса, в которых скорость изменения населённости уровня выражается через скорости всех процессов, связывающих данный уровень с другими. Эти уравнения дают возможность определить населённости отдельных энергетических уровней ионов плазмы. Профиль спектральных линий определяется прежде всего уширением спектральных линий, вызванным эффектом Доплера (из-за теплового движения излучающих ионов, а также движения плазмы как целого). Рис. 5. Схема спектрометра Гамоша.Рис. 5. Схема спектрометра Гамоша.В спектрах плазмы высокой плотности существенный вклад в ширину спектральных линий может дать уширение, вызванное эффектом Штарка, возникающим из-за взаимодействия излучающих частиц с электрическим полем плазмы.

Положение и форма линий характеристического спектра излучения твёрдого тела несут информацию о природе химической связи излучающего атома с соседними, поскольку структура верхних электронных оболочек влияет на энергию внутренних вакансий атома. При переходе электрона из валентной зоны на вакансию в одной из внутренних электронных оболочек спектральный профиль линии непосредственно отображает плотность состояний в валентной зоне.

Для получения спектров поглощения излучение с непрерывным спектром пропускают через исследуемое вещество и затем анализируют с помощью рентгеновского спектрометра. Абсорбционная рентгеновская спектроскопия изучает спектры поглощения, уделяя особое внимание скачкам поглощения, возникающим в случае, если энергия рентгеновского кванта превышает ионизационный потенциал внутренней электронной оболочки. Интерпретация спектральной структуры в районе скачков поглощения позволяет понять физику фотоэффекта, строение верхних энергетических зон в твёрдом теле, структуру ближнего порядка.