1、实验六 X 射线标识谱与吸收物理学院 物理系 00004037 贾宏博同组：00004038 孙笑晨1 实验目的1.1 了解 X 射线标识谱产生的规律，验证莫塞莱定律。1.2 研究固体对 X 射线吸收的规律1.3 学习和掌握利用闪烁探测器测量能谱的方法。2 实验原理2.1 标识 X 射线的产生X 射线入射到原子上，造成原子的内层电子激发，在该层上留下空位。这时，外层电子向内跃迁填补此空位并放出 X 射线光子，这就是标识 X 射线。根据原子物理理论有（6-1）)1()2224nzhme其中 为标识 X 射线的频率， z 为原子序数。当年，莫塞莱从实验中发现，称为莫塞莱定律。本实验目的之一即为通过
2、测量不同原子序数的材料样品)(z的标识 X 射线频率来验证此定律。2.2 X 射线的吸收一束强度为 的 X 射线垂直入射到均匀的吸收介质上，X 射线的强度随着入射深度的0I增加而衰减。当介质很薄时，衰减率 与吸收层厚度 成正比：Id/dx（6-2）dxI比例常数 称为线衰减系数，量纲为 ，单位为 ，在吸收介质和入射 X 射线波长0 1L1cm为一定时是一个常数。实际介质的厚度为 x，对（6-2）式积分得（6-3）)ep(00I线衰减系数 由两部分构成：（6-4）da0（由于公式编辑器不能编辑汉字故以 a 代表 adsorption 吸收，d 代表 diffusion 散射）称为线吸收系数，入射
3、 X 射线与介质相互作用而被介质吸收的机制有三种：光电效应、a康普顿效应和正负电子对。对于能量小于 1MeV 的 X 射线光子（本实验和一般 X 射线能量都在此范围内） ，正负电子对产生的概率为 0，最主要的相互作用机制光电效应。 称为d弹性散射系数，起源于汤姆逊散射，散射波长与入射波相同，只是方向有偏离，这些散射线可以相互干涉加强。对于 X 射线来说 比 大得多，而且 X 射线波长越长， 占的比ada例就越大。因此，近似的得到（6-5）)exp()exp(00IIme称为相应于光电效应的质量吸收系数。 的意义是由于光电效应引起的入射束通过单m e位厚度（cm）吸收介质时衰减率的大小。根据实验
4、特征可以得到下面的半经验公式：， （6-6）34ZCNeC 是常数，N 是介质中原子数密度，Z 是介质原子序数， 是入射 X 射线波长。由此得到（6-7）3434/ AZem式中 为介质的原子量。本实验的目的之二为测量铝介质对不同波长 X 射线的 并验证A m（6-7）式。3 实验仪器实验仪器原理图如图 6-1 所示。射线源为 ，其上方为铅板以防止源 X 射线进入探测Pu238器干扰测量。X 射线源发出的 X 射线照射在样品上激发出样品的标识 X 射线，标识 X 射线打到 NaI 闪烁体中被闪烁体全吸收。闪烁体吸收标识 X 射线的同时发出荧光，其光强正比于闪烁体吸收的 X 射线光子的能量。经光
5、电倍增管线性放大后产生一个电压脉冲。不同能量的 X 射线会产生不同幅度的电压脉冲，并随着时间的推移而产生多个脉冲。多道分析器的每一个通道按通道号正比于电压脉冲的关系对应一个小范围的脉冲幅度进行计数，在计算机程序中显示出能谱图。横坐标为道址号，正比于闪烁体吸收的 X 射线频率。纵坐标为计数率，反映闪烁体吸收的 X 射线相对强度。这样，如果有标识 X 射线打到闪烁体上，峰值频率就是标识 X 射线的频率。图 6-1 实验仪器原理图4 实验方法和内容4.1 测量不同材料的标识 X 射线能谱。测试样品为薄片状，平放在样品室的下面凹槽中。首先装入 Mo 样做一次谱，调节光电倍增管的增益，在可以观测到半高宽
6、的前提下使峰值尽可能靠右，因为在所有样品中Mo 的原子序数最大，这样可以保证测到其他样品的峰，还能减小误差。总通道数选1024。记录峰值道址、左右半高道址、峰值计数和采样时间。峰值计数要大于 10000。如表 6-1 所示。样品材料 Mo Zr Sr Se Zn Ni Fe Ti峰值道址 458 442 407 322 236 201 167 113左半高道址 354 342 316 243 178 143 113 61右半高道址 566 546 503 404 309 268 226 160峰值计数 10209 10036 10030 10037 10276 10626 13571 1010
7、0时间（s） 372 400 233 185 146 151 221 380表 6-1 不同材料的标识 X 射线能谱4.2 研究不同厚度铝材料对不同波长 X 射线吸收规律。利用靶材料的产生的固定波长的标识 X 射线。在靶与闪烁体之间放上不同层数 n 的铝片，对同一个靶，设置定时模式，对于 Mo 和 Se 靶使 n=0,2,4,6,8，对于 Zn、Fe 和 Ni 靶使n=0,1,2,3,4。先确定 n=0 时峰高的 80%对应的两个道址，作为积分区间对每个厚度下的能谱计数作完整积分，如表 6-2。时间的设定要使得在没有铝片（n=0）时的积分值达到 10万以上（Mo 和 Se）或者 50 万（Zn
8、、Fe 和 Ni） 。样品材料 Mo Se Zn Ni Fe时间（s） 60 30 120 150 150积分区间 442549 289365 212284 174250 137204n=0 积分值 142418 114449 557418 523335 503501n=1 366021 303815 118985n=2 121126 80141 209836 112070 24435n=3 112278 39065 5471n=4 108079 50359 60589 17424 1845n=6 94444 30002n=8 84859 16799n=10 73965 9752表 6-2 不
9、同厚度铝介质对不同材料的标识 X 射线的吸收规律5 实验数据处理5.1 验证莫塞莱定律样品材料 Mo Zr Sr Se Zn Ni Fe Ti峰 值 道 址21.4 21.0 20.2 17.9 15.4 14.2 12.9 10.6原子序数 Z 42 40 38 34 30 28 26 22表 6-3 与原子序数 Z 的关系峰 值 道 址由于峰值道址正比于 X 射线频率，故只需验证 即可。如下表 6-3。Z峰 值 道 址以原子序数 Z 作横坐标， 作纵坐标进行直线拟合得图 6-2。相关系数 0.996 表峰 值 道 址明线性良好，于是莫塞莱定律得到验证。由于本实验未进行道址定标，故不能得出截
10、距和斜率的确切值。图 6-2 与原子序数 Z 的关系峰 值 道 址5.2 验证公式（6-5）和（6-7）由表 6-2，将各个 n 值的计数积分值与 n=0 的积分值相比得到 。对各个不同靶0/In和各个 n 计算 的值，如表 6-4。)/l(0I靶材料 Mo Se Zn Ni Fen=0 0 0 0 0 0n=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
11、.4108 -1.3390n=8 -0.5660 -1.9187n=10 -0.6551 -2.4628表 6-4 与铝片层数 n 和不同的标识 X 射线靶的关系)/ln(0I对每个靶作 n 图并进行直线拟合，如图 6-3。线性相关系数都在 0.997 以上，验)/l(0I证了（6-5）式。图 6-3 与铝片层数 n 和不同的标识 X 射线靶的关系)/ln(0I图 6-4 吸收系数与 X 射线波长的关系考虑到 ，将各个拟合得到的斜率除以该数即得到 ，如下表 6-20/8.16cmgx m5。考虑 ，取与每个靶相应的峰值道址的三次方倒数得到 （任意1峰 值 道 址 3单位） ，作 图并进行线性拟
12、合，如图 6-4，相关系数 0.998，验证了（6-7 ）式。3m靶材料 Mo Se Zn Ni Fe)/(2gc3.55 13.5 30.2 47.6 76.9（a.u.）30.1041 0.2995 0.7608 1.2314 2.1471表 6-5 吸收系数与 X 射线波长的关系6 实验结论与讨论6.1 本实验通过验证 与靶材料原子序数 Z 的线性关系，验证了莫塞莱定律。峰 值 道 址6.2 本实验验证了均匀介质对 X 射线的吸收规律（6-5 ）式，测量了铝对不同靶材料发出的标识 X 射线的相应于光电效应的质量吸收系数，并进一步验证了吸收系数与 X 射线波长的关系（6-7）式7 思考题7
13、.1 估算汤姆逊散射对 X 射线吸收的影响。2.2 部分指出，光电效应占 X 射线吸收的主要机制。对 Mo 的标识 X 射线而言，实验测得铝对其吸收系数（相应光电效应）为 。铝的原子数密度为gcm/5.323223106710.62 cAN则光电效应的散射截面为 22106.53cmma 而汤姆逊散射的散射截面为 232132 0)08.(38cmZree 可见，汤姆逊散射截面比光电效应散射截面 小一个量级。当 X 射线波长增加时 还会a a增加，所以汤姆逊散射在一般 X 射线的吸收机制中可以忽略。7.2 NaI 闪烁探测器的能量分辨率与 X 射线光子能量关系X 射线光子能量越低，闪烁体的吸收率越高，发出的荧光光子越多，能量分辨率也就高。7.3 做吸收实验时，在靶材料标识 X 射线的峰的右侧，还能观察到另一个峰，而且随着铝片厚度的增加，标识 X 射线峰削弱而该峰反会逐渐增强。实验表明该峰的位置是基本不变的，基本在道址 500 左右。经过与已知的标识 X 射线的频率对比，发现该峰实际上是源发出的 17.0KeV 的 X 射线。Pu238
