實驗六X射線標(biāo)識譜與吸收

1、實驗六X射線標(biāo)識譜與吸收物理學(xué)院物理系00004037賈宏博同組：00004038 孫笑晨1 實驗?zāi)康?.1 了解X射線標(biāo)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(xué)習(xí)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(biāo)識X射線的產(chǎn)生X射線入射到原子上，造成原子的內(nèi)層電子激發(fā)，在該層上留下空位。這時，外層電子向內(nèi)躍遷填補(bǔ)此空位并放出X射線光子，這就是標(biāo)識X射線。根據(jù)原子物理理論有（6-1）其中為標(biāo)識X射線的頻率，z為原子序數(shù)。當(dāng)年，莫塞萊從實驗中發(fā)現(xiàn)，稱為莫塞萊定律。本實驗?zāi)康闹患礊橥ㄟ^測量不同原子序數(shù)的材料樣品的標(biāo)識X射線頻率來驗證此定律。2.2 X射

2、線的吸收一束強(qiáng)度為的X射線垂直入射到均勻的吸收介質(zhì)上，X射線的強(qiáng)度隨著入射深度的增加而衰減。當(dāng)介質(zhì)很薄時，衰減率與吸收層厚度成正比：（6-2）比例常數(shù)稱為線衰減系數(shù)，量綱為，單位為，在吸收介質(zhì)和入射X射線波長為一定時是一個常數(shù)。實際介質(zhì)的厚度為x，對（6-2）式積分得（6-3）線衰減系數(shù)由兩部分構(gòu)成：（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）稱為線吸收系數(shù)，入射X射線與介質(zhì)相互作用而被介質(zhì)吸收的機(jī)制有三種：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和正負(fù)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(nèi)），正負(fù)電子對產(chǎn)生的概率為

3、0，最主要的相互作用機(jī)制光電效應(yīng)。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(qiáng)。對于X射線來說比大得多，而且X射線波長越長，占的比例就越大。因此，近似的得到（6-5）稱為相應(yīng)于光電效應(yīng)的質(zhì)量吸收系數(shù)。的意義是由于光電效應(yīng)引起的入射束通過單位厚度（cm）吸收介質(zhì)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：，（6-6）C是常數(shù)，N是介質(zhì)中原子數(shù)密度，Z是介質(zhì)原子序數(shù)，是入射X射線波長。由此得到（6-7）式中為介質(zhì)的原子量。本實驗的目的之二為測量鋁介質(zhì)對不同波長X射線的并驗證（6-7）式。3 實驗儀器實驗儀器原理圖如圖6-1所示。射線

4、源為，其上方為鉛板以防止源X射線進(jìn)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(biāo)識X射線，標(biāo)識X射線打到NaI閃爍體中被閃爍體全吸收。閃爍體吸收標(biāo)識X射線的同時發(fā)出熒光，其光強(qiáng)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(guān)系對應(yīng)一個小范圍的脈沖幅度進(jìn)行計數(shù)，在計算機(jī)程序中顯示出能譜圖。橫坐標(biāo)為道址號，正比于閃爍體吸收的X射線頻率。縱坐標(biāo)為計數(shù)率，反映閃爍體吸收的X射線相對強(qiáng)度。這樣，如果有標(biāo)識X射線打到閃爍體上，峰值頻率就是標(biāo)

5、識X射線的頻率。圖6-1實驗儀器原理圖4 實驗方法和內(nèi)容4.1 測量不同材料的標(biāo)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(diào)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。總通道數(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5665465034

6、04309268226160峰值計數(shù)1020910036100301003710276106261357110100時間（s）372400233185146151221380表6-1不同材料的標(biāo)識X射線能譜4.2 研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(biāo)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(shè)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(yīng)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(shè)定要使得在沒有鋁片（n=0）時的積分值達(dá)

7、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142418114449557418523335503501n=1366021303815118985n=21211268014120983611207024435n=3112278390655471n=41080795035960589174241845n=69444430002n=88485916799n=10739659752表6-2不同厚度鋁介質(zhì)對不同材料的標(biāo)識X射線的吸收規(guī)律5 實驗數(shù)

8、據(jù)處理5.1 驗證莫塞萊定律樣品材料MoZrSrSeZnNiFeTi21.421.020.217.915.414.212.910.6原子序數(shù)Z4240383430282622表6-3與原子序數(shù)Z的關(guān)系由于峰值道址正比于X射線頻率，故只需驗證即可。如下表6-3。以原子序數(shù)Z作橫坐標(biāo)，作縱坐標(biāo)進(jìn)行直線擬合得圖6-2。相關(guān)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(jìn)行道址定標(biāo)，故不能得出截距和斜率的確切值。圖6-2與原子序數(shù)Z的關(guān)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。對各個不同靶和各個n計算的值，如表6-4。靶材料M

9、oSeZnNiFen=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6-4與鋁片層數(shù)n和不同的標(biāo)識X射線靶的關(guān)系對每個靶作n圖并進(jìn)行直線擬合，如圖6-3。線性相關(guān)系數(shù)都在0.997以上，驗證了（6-5）式。圖6-3與鋁片層數(shù)n和不同的標(biāo)識X射線靶的關(guān)系圖6-4吸收系數(shù)與X射線波長

10、的關(guān)系考慮到，將各個擬合得到的斜率除以該數(shù)即得到，如下表6-5?？紤]，取與每個靶相應(yīng)的峰值道址的三次方倒數(shù)得到（任意單位），作圖并進(jìn)行線性擬合，如圖6-4，相關(guān)系數(shù)0.998，驗證了（6-7）式。靶材料MoSeZnNiFe3.5513.530.247.676.9（a.u.）0.10410.29950.76081.23142.1471表6-5吸收系數(shù)與X射線波長的關(guān)系6 實驗結(jié)論與討論6.1 本實驗通過驗證與靶材料原子序數(shù)Z的線性關(guān)系，驗證了莫塞萊定律。6.2 本實驗驗證了均勻介質(zhì)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(biāo)識X射線的相應(yīng)于光電效應(yīng)的質(zhì)量吸收系數(shù)，并進(jìn)一步驗證了吸收系數(shù)與X射線波長的關(guān)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(yīng)占X射線吸收的主要機(jī)制。對Mo的標(biāo)識X射線而言，實驗測得鋁對其吸收系數(shù)（相應(yīng)光電效應(yīng)）為。鋁的原子數(shù)密度為則光電效應(yīng)的散射截面為而湯姆遜散射的散射截面為可見，湯姆遜散射截面比光電效應(yīng)散射截面小一個量級。當(dāng)X射線波長增加時還會增加，所以湯姆遜散射在一般X射線的吸收機(jī)制中可以忽略。7.2 NaI閃爍探測器的能量分辨率與X射線光子能量關(guān)系X射線