實驗六X射線標(biāo)識譜和吸收

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，驗證莫塞萊宦律。1.2研究固體對X射線吸收的規(guī)律學(xué)習(xí)和掌握利用閃爍探測器測量能譜的方法。實驗原理標(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，子向內(nèi)躍遷填補此空位并放出X射線光子.這就是標(biāo)識X射線。根拯原子物理理論有外層電27r2me41(聲)(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)，稱為莫塞萊泄律。本實驗?zāi)康闹患礊橥ㄟ^測咼不同原子序數(shù)的材料樣品的標(biāo)識X射線頻 率來驗證此定律。2.2 X射線的

2、吸收一束強度為人的X射線垂直入射到均勻的吸收介質(zhì)上，X射線的強度隨著入射深度的 增加而衰減。當(dāng)介質(zhì)很薄時，衰減率din與吸收層厚度成正比：di . = - Podx(6-2)比例常數(shù)“u稱為線衰減系數(shù)，量綱為厶單位為C”廠I,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)的厚度為上對（62）式積分得I = g exp( 一”腫)(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）陥稱為線吸收系數(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

3、量小于IMeV的X射線光子(本實驗和一般X射線能量 都在此范用內(nèi))，正負(fù)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(yīng)。bd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射線來說比bd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I =【0 exp(-rrx) = Zo exp(-s砂)(6-5)5稱為相應(yīng)于光電效應(yīng)的質(zhì)量吸收系數(shù)。一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而的半經(jīng)驗公式：r, =NCZU，(6-6)C是常數(shù)，N是介質(zhì)中原子數(shù)密度，Z

4、是介質(zhì)原子序數(shù)，Q是入射X射線波長。 由此得到CNZ°兀ANOX/(6-7)式中A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5并驗證(6-7)式。3 實驗儀器實驗儀器原理圖如圖6-1所示。射線源為23SPu,其上方為鉛板以防I匕源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(biāo)識X射線，標(biāo)識X射線打 到Nal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)岀熒光，英光強正比于 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。不冋能量 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

5、每一個通道按通道號正比于電壓脈沖的關(guān)系對應(yīng)一個小范用的脈沖幅度進行訃數(shù)，在計算 機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?？v坐標(biāo)為訃 數(shù)率，反映閃爍體吸收的X射線相對強度。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)識X射線的頻率。前置放大線性放大光電倍増管多道分析器N創(chuàng)閃爍體Pb實驗儀器原理圖圖6-14 丈驗方法和內(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，平放在樣品室的下而凹槽中。首先裝入Mo樣做一次譜，調(diào)節(jié)光電 倍增管的增益，在可以觀測到半髙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蚯，還能

6、減小誤差?？偼ǖ罃?shù)選1024。記 錄峰值道址、左右半髙道址.峰值計數(shù)和采樣時間。峰值計數(shù)要大于10000.如表6所示。樣品材料MoZrSrSeZnNiFeTi峰值道址458442407322236201167113左半高道址35434231624317814311361右半髙道址566546503404309268226160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)生的固左波長的標(biāo)識X射線。在靶

7、與閃爍體之間放上不同層數(shù)n的鋁 片，對同一個靶，設(shè)宜泄時模式，對于Mo和Sc靶使】匸02468,對于Zix Fc和Ni靶使 n=0丄234。先確n=0時U巾髙的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62。時間的設(shè)怎要使得在沒有鋁片（n=0）時的積分值達到10萬以 上（Mo和Sc）或者50萬（Zn、Fc和Ni）。樣品材料MoSeZnNiFe時間（s）6030120150150枳分區(qū)間442-549289-365212-284174-250137-204n=0積分值142418114449557418523335503501n=l3660213038151189

8、85n=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)據(jù)處理5.1驗證莫塞萊左律樣品材料MoZrSrSeZnNiFeTiJ峰值道址原子序數(shù)z4240383430282622表6-3J峰值道址與原子序數(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J峰值道址* Z即可。如下表63。以 原子序數(shù)Z作橫坐標(biāo)，J峰值道址作縱坐標(biāo)進行直線擬合得圖62。相關(guān)系數(shù)

9、表明線性良 好，于是莫塞萊宦律得到驗證。由于本實驗未進行道址立標(biāo)，故不能得岀截距和斜率的確 切值。24Testify of Mosslei's law222018161412108202530354045Zssalppe Aeegljbs圖6-2J峰值道址與原子序數(shù)Z的關(guān)系5.2驗證公式(6-5)和(6-7)由表62,將各個n值的計數(shù)積分值與】匸0的枳分值相比得到1 / /0 o對各個不同靶和各個n計算ln(/ZI/0)的值，如表64。靶材料MoSeZnNiFen0()0()00n1n2n3n4n6n8n=10表6-4ln(/n/0)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In

10、(人/°)5圖并進行直線擬合，如圖63。線性相關(guān)系數(shù)都在以上,驗證了(65) 式。Aluminum© X-ray adsoprtion of various element's characteristics X-ray圖6-3 ln(Zzr/Z0)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射線波長的關(guān)系考慮到px. = 6.Smg/cm2,將各個擬合得到的斜率除以該數(shù)即得到g ,如下表65?？紤]幾oct/" oclll筆值道址"，取與每個靶相應(yīng)的矚值道址的三次方倒數(shù)得到才（任意單 位），作5才圖并進行線性擬合，如圖64,相關(guān)系數(shù)

11、，驗證了 （6-7）式。靶材料MoSeZnNiFer,J(cm2 /g)才(.)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本實驗通過驗證丿殛適旺與靶材料原子序數(shù)Z的線性關(guān)系，驗證了莫塞萊左律。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。部分指出，光電效應(yīng)占X射線吸收的主要機制。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g=355cr/g°鋁的原子數(shù)密度為“ PZ、 2.7-6.022 xlO23 .3 匚 in22 -3N =cm =6x10 cmA27則光電效應(yīng)的散射截而為3.55x2.7八-”>b 一 "二° N=“ -10 cnr6xl022而湯姆遜散射的散射截面為6 =也Z =嵐72逹1()二匸13_ = 10-23c加233可見，湯姆遜散射截而比光電效應(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射線的吸收機制中可以忽略。7.2 Nal閃爍探測器的能疑分辨