實驗六X射線標識譜與吸收

1、實驗六X射線標識譜與吸收物理學院 物理系 00004037 賈宏博 同組：00004038孫笑晨1 實驗目的1.1 了解X射線標識譜產(chǎn)生的規(guī)律，驗證莫塞萊定律。1.2研究固體對X射線吸收的規(guī)律1.3學習和掌握利用閃爍探測器測量能譜的方法。2 實驗原理2.1標識X射線的產(chǎn)生X射線入射到原子上，造成原子的內層電子激發(fā)，在該層上留下空位。這時，外層電子 向內躍遷填補此空位并放出X射線光子，這就是標識 X射線。根據(jù)原子物理理論有2 二 2me4h2 (r心(6-1)其中為標識X射線的頻率，z為原子序數(shù)。當年，莫塞萊從實驗中發(fā)現(xiàn)，（z-二）， 稱為莫塞萊定律。本實驗目的之一即為通過測量不同原子序數(shù)的材料

2、樣品的標識X射線頻率來驗證此定律。2.2 X射線的吸收一束強度為|。的X射線垂直入射到均勻的吸收介質上，X射線的強度隨著入射深度的增加而衰減。當介質很薄時，衰減率dl /1與吸收層厚度dx成正比：dl .-dx（ 6-2）比例常數(shù) 稱為線衰減系數(shù)，量綱為 L4，單位為cm，在吸收介質和入射 X射線波長為 一定時是一個常數(shù)。實際介質的厚度為 乂，對（6-2）式積分得l =l0exp（-、0X）（ 6-3）線衰減系數(shù)丄0由兩部分構成:0(6-4)（由于公式編輯器不能編輯漢字故以a代表adsorption吸收，d代表diffusion散射）a稱為線吸收系數(shù)，入射 X射線與介質相互作用而被介質吸收的機

3、制有三種：光電效應、康普頓效應和正負電子對。對于能量小于 1MeV的X射線光子（本實驗和一般 X射線能量 都在此范圍內），正負電子對產(chǎn)生的概率為 0,最主要的相互作用機制光電效應。 匚d稱為彈性散射系數(shù)，起源于湯姆遜散射，散射波長與入射波相同，只是方向有偏離，這些散射線可以相互干涉加強。對于 X射線來說a比匚d大得多，而且X射線波長越長，.a占的比例就越大。因此，近似的得到(6-5)I =lo exp(- eX)=lo exp(- m 収)m稱為相應于光電效應的質量吸收系數(shù)。e的意義是由于光電效應引起的入射束通過單位厚度（cm）吸收介質時衰減率的大小。根據(jù)實驗特征可以得到下面的半經(jīng)驗公式： e

4、 = N C Z4，3，（ 6-6）C是常數(shù)，N是介質中原子數(shù)密度，Z是介質原子序數(shù)，是入射X射線波長。 由此得到43C NZm e /AMANZ43扎A(6-7)X射線的，m并驗證式中A為介質的原子量。本實驗的目的之二為測量鋁介質對不同波長（6-7）式。3 實驗儀器實驗儀器原理圖如圖 6-1所示。射線源為238 Pu，其上方為鉛板以防止源 X射線進入探測器 干擾測量。X射線源發(fā)出的X射線照射在樣品上激發(fā)出樣品的標識X射線，標識X射線打到Nal閃爍體中被閃爍體全吸收。閃爍體吸收標識X射線的同時發(fā)出熒光，其光強正比于閃爍體吸收的 X射線光子的能量。經(jīng)光電倍增管線性放大后產(chǎn)生一個電壓脈沖。不同能量

5、 的X射線會產(chǎn)生不同幅度的電壓脈沖，并隨著時間的推移而產(chǎn)生多個脈沖。多道分析器的每一個通道按通道號正比于電壓脈沖的關系對應一個小范圍的脈沖幅度進行計數(shù)，在計算機程序中顯示出能譜圖。橫坐標為道址號，正比于閃爍體吸收的X射線頻率?？v坐標為計數(shù)率，反映閃爍體吸收的 X射線相對強度。這樣，如果有標識X射線打到閃爍體上，峰值頻率就是標識X射線的頻率。前置放大線性放大光電倍増管N創(chuàng)閃爍（本多道分析器Pb圖6-1實驗儀器原理圖4 實驗方法和內容4.1測量不同材料的標識 X射線能譜。測試樣品為薄片狀，平放在樣品室的下面凹槽中。首先裝入Mo樣做一次譜，調節(jié)光電 倍增管的增益，在可以觀測到半高寬的前提下使峰值盡可

6、能靠右，因為在所有樣品中 Mo的原子序數(shù)最大，這樣可以保證測到其他樣品的峰，還能減小誤差?？偼ǖ罃?shù)選1024。記錄峰值道址、左右半高道址、峰值計數(shù)和采樣時間。峰值計數(shù)要大于10000。如表6-1所示。樣品材料MoZrSrSeZnNiFeTi峰值道址458442407322236201167113左半高道址35434231624317814311361右半高道址566546503404309268226160峰值計數(shù)1020910036100301003710276106261357110100時間（s）372400233185146151221380表6-1 不同材料的標識 X射線能譜4.2研

7、究不同厚度鋁材料對不同波長X射線吸收規(guī)律。利用靶材料的產(chǎn)生的固定波長的標識X射線。在靶與閃爍體之間放上不同層數(shù)n的鋁片，對同一個靶，設置定時模式，對于Mo和Se靶使n=0,2,4,6,8，對于Zn、Fe和Ni靶使n=0,1,2,3,4。先確定n=0時峰高的80%對應的兩個道址，作為積分區(qū)間對每個厚度下的能譜 計數(shù)作完整積分，如表6-2。時間的設定要使得在沒有鋁片（n=0）時的積分值達到10萬以上（Mo和Se）或者50萬（Zn、Fe和Ni）。樣品材料MoSeZnNiFe時間（s）6030120150150積分區(qū)間442549289365212284174250137204n=0積分值142418

8、114449557418523335503501n=1366021303815118985n=21211268014120983611207024435n=3112278390655471n=41080795035960589174241845n=69444430002n=88485916799n=10739659752表6-2不同厚度鋁介質對不同材料的標識X射線的吸收規(guī)律5 實驗數(shù)據(jù)處理5.1驗證莫塞萊定律樣品材料MoZrSrSeZnNiFeTi、峰值道址21.421.020.217.915.414.212.910.6原子序數(shù)Z4240383430282622表6-3:峰值道址與原子序數(shù)Z的

9、關系由于峰值道址正比于 X射線頻率，故只需驗證v峰值道址兀Z即可。如下表6-3。以原子序數(shù)Z作橫坐標，峰值道址作縱坐標進行直線擬合得圖6-2。相關系數(shù)0.996表明線性良好，于是莫塞萊定律得到驗證。由于本實驗未進行道址定標，故不能得出截距和斜率 的確切值。2422201916141210Testify of Mossleis lawa202530354045Z圖6-2峰值道址與原子序數(shù)Z的關系5.2 驗證公式(6-5 )和(6-7)由表6-2，將各個n值的計數(shù)積分值與 n=0的積分值相比得到|n /10。對各個不同靶和各個n計算ln( |n /|0)的值，如表6-4。靶材料MoSeZnNiFe

10、n=000000n=1-0.4206-0.5438-1.4426n=2-0.1619-0.3564-0.9770-1.5411-3.0256n=3-1.6023-2.5950-4.5221n=4-0.2759-0.8210-2.2192-3.4024-5.6091n=6-0.4108-1.3390n=8-0.5660-1.9187n=10-0.6551-2.4628表6-4ln(ln/l0)與鋁片層數(shù)n和不同的標識 X射線靶的關系對每個靶作ln(In /l0)n圖并進行直線擬合，如圖6-3。線性相關系數(shù)都在0.997以上，驗證了( 6-5)式。Aluminum X-ray adsoprtion

11、 of various elennents characteristics X-ray圖6-3 In(ln/l0)與鋁片層數(shù)n和不同的標識 X射線靶的關系圖6-4 吸收系數(shù)與X射線波長的關系 m，如下表6-5?？紤]到X。=16.8mg/cm，將各個擬合得到的斜率除以該數(shù)即得到考慮:二峰值道址/，取與每個靶相應的峰值道址的三次方倒數(shù)得到（任意單位），作zm 九3圖并進行線性擬合，如圖6-4，相關系數(shù)0.998，驗證了（ 6-7）式。靶材料MoSeZnNiFeg/（cm2/g）3.5513.530.247.676.9.3扎（a.u.）0.10410.29950.76081.23142.1471表6

12、-5吸收系數(shù)與X射線波長的關系6 實驗結論與討論6.1本實驗通過驗證峰值道址與靶材料原子序數(shù) Z的線性關系，驗證了莫塞萊定律。6.2本實驗驗證了均勻介質對 X射線的吸收規(guī)律（6-5）式，測量了鋁對不同靶材料發(fā)出的 標識X射線的相應于光電效應的質量吸收系數(shù)，并進一步驗證了吸收系數(shù)與X射線波長的關系（6-7 ）式7 思考題7.1估算湯姆遜散射對 X射線吸收的影響。2.2部分指出，光電效應占 X射線吸收的主要機制。對Mo的標識X射線而言，實驗測2得鋁對其吸收系數(shù)（相應光電效應）為 .m =3.55cm /g。鋁的原子數(shù)密度為N=Ja27 6。22 1023A27 八一22二3cm =6 10 cm則光電效應的散射截面為腫 3.55 2.7226 1022 2=10 cm而湯姆遜散射的散射截面為8：i%2Z8- （2.8 103）213=10f2可見，湯姆遜散射截面比光電效應散射截面二a小一個量級。當 X射線波長增加時 二a還會增加，所以湯姆遜散射在一般X射線的吸收機制中可以忽略。7.2 NaI閃爍探測器