1、現(xiàn)代物理實驗x射線識別光譜和吸收元培大學(xué)0080188 ma羅云實驗日期：2011 04 06一、實驗?zāi)康模?、驗證x射線生成法，驗證莫氏定律2、固體吸收x射線的方法研究3.學(xué)習(xí)和掌握使用閃爍體探測器測量x射線能譜的方法。了解探測器的結(jié)構(gòu)和工作原理第二，實驗原理：1、識別x射線生成，如果原子內(nèi)部殼體中存在電子空位，則更外層的電子會跳到內(nèi)層，填補這個空位，從而減少原子系統(tǒng)的總能量，根據(jù)玻爾原子理論，在這個過程中釋放的能量其中me代表電子質(zhì)量，e代表電子電荷，z代表原子編號，n1和N2代表電子開關(guān)的結(jié)束狀態(tài)和初始狀態(tài)的電子殼體的主量子數(shù)，k1代表n1=1，l線路的n1=2，屏蔽系數(shù)反映了核外電子的

2、核勢場屏蔽效果，因此有效原子負(fù)載小于Ze，n1的其他電子殼體的一系列轉(zhuǎn)移非常相似。不同原子發(fā)出的熒光光子的能量與該原子的能級結(jié)構(gòu)有關(guān)，實際上，不同原子的能級結(jié)構(gòu)完全不同，因此一旦知道x射線熒光光子的能量，就可以得出它來自哪些原子的結(jié)論，x射線被稱為特征x射線。莫氏雷發(fā)現(xiàn)，當(dāng)x射線管中陽極材料的原子編號繼續(xù)增加時，相應(yīng)的相同線系的識別x射線波長逐漸減小，這種變化不是像元素的其他特性那樣周期性的，而是單調(diào)的，逐漸減少，這表明x射線的產(chǎn)生與原子內(nèi)層電子的狀態(tài)有關(guān)，同時識別x射線的頻率和原子序數(shù)的關(guān)系，即莫氏定律：2，Osh過程如果原子的內(nèi)殼中有一個電子的空位，當(dāng)外電子填滿這個空位時，除了拍x光外，這

3、個退刀能量還會被給原子的其他電子，從而擺脫原子的束縛。這一過程稱為oshe過程，發(fā)射的電子稱為oshe電子，oshe電子的轉(zhuǎn)移概率隨原子數(shù)的增加而減少，x射線熒光輻射轉(zhuǎn)移概率隨原子數(shù)的增加而增加。兩者之和的總退刀概率為1。奧舍電子由于nm在固體中的滲透深度，經(jīng)常用于表面成分分析。3，吸收x射線一束強度為I0，光子能量垂直于吸收介質(zhì)進(jìn)入時，吸收介質(zhì)中因與原子的相互作用(吸收和散射)而釋放的x射線強度衰減，在介質(zhì)厚度很薄時出現(xiàn)近似現(xiàn)象。稱為線衰減系數(shù)，單位(cm-1)是吸收介質(zhì)種類和入射x射線波長的函數(shù)。實際上，吸收介質(zhì)設(shè)置固定厚度x，自下而上積分，入射光束強度I0，通過吸收介質(zhì)的x射線強度透射光

4、束強度隨吸收介質(zhì)厚度的增加而指數(shù)減小。線衰減系數(shù)由以下兩部分組成：作為線吸收系數(shù)，入射x射線吸收的是與吸收介質(zhì)的光電效應(yīng)、康普頓散射和正電子對效應(yīng)，對于能量小于電子靜止質(zhì)量的光子，不會產(chǎn)生電子對效應(yīng)。x射線能量在幾十keV時主要是光電效應(yīng)，非常接近光吸收的線衰減系數(shù)。稱為彈性散射系數(shù)，來源于湯姆森散射，吸收介質(zhì)中的電子在入射x射線電場的激勵下振動，得到一定的加速度，發(fā)射與入射x射線波長相同的電磁波。湯姆森散射后，x射線的波長就像入射束，除了可以偏離原來的方向，相互干涉和加強。對于x射線，吸收系數(shù)比彈性散射系數(shù)大得多，x射線的波長越長，線吸收系數(shù)所占的比例就越大，因此具有近似值的物理意義是光電效

5、應(yīng)引起的入射束通過單位厚度(單位：厘米)吸收介質(zhì)時的衰變率大小，等于每個原子對入射x射線的光電吸收截面(單位：cm2)乘以單位體積吸收介質(zhì)中的原子數(shù)n(單位：cm-3)實驗中得到的原子大致可以看到x射線光電子吸收截面和x射線波長的關(guān)系，如圖所示。1，入射x射線的波長越短，光電吸收截面越小。換句話說，光線對物質(zhì)的滲透力更強2，在某些值上發(fā)生變化，突變稱為吸收限制。原子在能量小于1MeV的x射線光電吸收截面上與幾乎吸收介質(zhì)中原子序數(shù)z的四階正方形成正比，與入射x射線波長的三階正方形成反比設(shè)定為吸收介質(zhì)的密度，與入射x射線的強度和介質(zhì)厚度的關(guān)系與光電效果相對應(yīng)的質(zhì)量吸收系數(shù)考慮到(a是吸收介質(zhì)中元素

6、的原子量)三、實驗裝置這個實驗用x射線發(fā)射樣品，使樣品院子的內(nèi)層電子激發(fā)或電離，產(chǎn)生空位，使用的激發(fā)圓為238Pu或241Am衰變產(chǎn)生的x射線，平均能量為17.0keV和59.6keV。光子能量用閃爍體探測器和微機多通道分析器測量實驗裝置，如圖所示。這里，源上部有厚的鉛板，防止這里反復(fù)出現(xiàn)源的x射線直接進(jìn)入閃爍器?？梢允褂檬静ㄆ髦苯佑^察前置放大器發(fā)出的脈沖信號。為了防止實驗中可能發(fā)生的中子泄露，發(fā)源地和樣品完全包裹在石蠟罐里。四、實驗內(nèi)容：(a)檢驗?zāi)ξ髀煞?、調(diào)整線性放大器的增益、光電倍增管的高壓，以使Mo樣品的最大頻率x-ray在顯示器的多通路范圍內(nèi)，并以保證峰值的半高線寬測量為基準(zhǔn)，最大

7、限度地向右調(diào)整峰值峰值。2、Mo、Sr、Se、Zn、Ni、Fe、Zr、Co、Cu、Ti放在樣品中，測量kk線路的x射線識別光譜，記錄與光電池所在的航線、峰值計數(shù)、峰值的半高全幅對應(yīng)的數(shù)量和計數(shù)，以及3.繪制上述元素的圖形。通過線性擬合這兩者，驗證了莫氏定律(b) x射線吸收Al到Mo、Sr、Zn、Ni、Fe和其他元素的k射線表示x射線的質(zhì)量吸收系數(shù)，對于其他采樣，此處源和閃爍體之間的插槽中具有不同厚度的Al吸收片的x射線強度變化。對于Mo，如果Sr峰值計數(shù)小于105，對于Zn，如果Fe峰值計數(shù)不小于5*105，則計算最大計數(shù)的80%到兩個結(jié)果之間的總計數(shù)。驗證公式，并計算單層鋁膜表面密度為18

8、.6mg/cm2、mo的Sr的識別光譜線、鋁膜層數(shù)為0，2，4，6，8、其他元素的0，1，2，3，4是否合適。四、實驗數(shù)據(jù)記錄和分析(a)確認(rèn)莫氏定律：不同元素x射線識別光譜數(shù)據(jù)記錄表元素平井桃ZrSrSeZnCuNi共同F(xiàn)et恤峰值流道地址38032829824717916715614213092峰值計數(shù)11017106951047011274110301143010579103101072510270左邊道路地址3182752451981421311201089767左側(cè)道路數(shù)5676533552945605542655495222509453191959右側(cè)道路地址45138935729

9、9224208193178164119右側(cè)道路數(shù)5638534951945536550355575246512554365151實際時間25119812910872711047791210能量分辨率0.3500.34760.37580.40890.45810.46110.46790.49300.51540.5652Sqrt(路徑)19.4918.1117.2615.7213.3812.9212.4911.9211.409.592z42403834302928272622將探測器視為測量范圍內(nèi)的線性檢測。也就是說，如果水道與入射粒子能量成正比，那么水道的平方根與發(fā)射x射線的元素的原子數(shù)成正比，線

10、性關(guān)系將最后兩行數(shù)據(jù)線性擬合。相關(guān)系數(shù)R=0.99887通道平方根和元素原子序數(shù)擬合圖分析：1.實驗數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果表明，x射線的能量平方根和原子序數(shù)的線性關(guān)系更好，并驗證了莫塞勒定律。另外，對原子編號3947范圍內(nèi)的元素進(jìn)行了檢查，實驗測量了與本實驗相似的值。2，通過能量分辨率和測量的x射線識別光譜的能量關(guān)系可以看出，測量的光能越高，能量分辨率越小。也就是說，儀器的光能量測量誤差變小。對于能量較大的x射線，在與閃爍的身體中的閃光材料作用后，由于高光電峰值能量對光電峰值沒有貢獻(xiàn)的粒子間作用與光電峰值能量相比，峰值有很大的差異，因此理論上，通過簡單的分析可以看出，由于入射光子能量的增加，散射子的能

11、量增加，比入射光子能量小的速度，即入射x射線能量越低，對光峰值沒有貢獻(xiàn)的相互作用就越強，然后再生它，能量分辨率對光電峰值能量的影響就越大。(b)，x射線吸收1，驗證公式：Al記錄用于標(biāo)識五個要素的x射線的吸收數(shù)據(jù)，如下所示：(1)Mo組：鋁厚度x02468重點區(qū)域數(shù)12737912329310217210908786101挽救時間4145414945單位時間數(shù)3106.80492739.844424922226.2651913.356-ln(I/I0)0.125669370.220950930.3332690.484736R=0.99423(2)Sr組：鋁厚度x02468重點區(qū)域數(shù)124627

12、103677869648007859409挽救時間2728283330單位時間數(shù)4615.81483702.753105.85712426.6061980.3-ln(I/I0)0.11783610.2936220.5404180.743664R=0.99813(3)Fe組：鋁板材厚度01234重點區(qū)域數(shù)6869391348183084459492170生市184201208198194單位時間數(shù)3733.3641670.73632148.2884630.0454511.18557Ln(I/I0)1.71668893.22590554.8223545.810441R=0.99525(4)Zn組：

13、鋁厚度x01234重點區(qū)域數(shù)78411147564526667112868969079挽救時間122131125127125單位時間數(shù)6427.13933630.87792133.3681013.299552.632-ln(I/I0)0.5710551.10282751.8473182.453592R=0.99816(4)Ni組：鋁厚度x01234重點區(qū)域數(shù)560149196744785572635311750挽救時間145147150155164單位時間數(shù)3863.09661338.3946523.71333170.019471.64634-ln(I/I0)1.0599841.998283.

14、1233123.987482R=0.99884分析：在管接頭相關(guān)系數(shù)方面，實驗結(jié)果與指數(shù)部分很好地匹配，但Ni和Mo的系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，可忽略的系數(shù)、Fe、Zn、Sr組分別為、誤差表明，由于以下原因引起的多個因素的x-identificati光能量可能不同，之前的實驗驗證了隨著光能量值的降低，儀器的x-ray能量分辨率可能會顯著提高，因此，根據(jù)使用80%峰值計數(shù)作為每個因素選擇積分區(qū)域的基準(zhǔn)的多個因素的準(zhǔn)確程度，測量儀器內(nèi)部的不確定性可能會影響光譜線強度的準(zhǔn)確計算。此外，如果Al吸收x射線，則剩下的能量x射線通過測量儀變得更寬，具有特定能量的x射線在Al介質(zhì)中扮演另一個角色(如auger電子)，

15、因此該能量的x射線強度進(jìn)一步降低，在Fe組中測量的I要小得多。以x顯示光線發(fā)射Fe時出現(xiàn)在吸收峰右側(cè)的新峰的討論：現(xiàn)象：新峰值的相關(guān)數(shù)據(jù)如下Al切片厚度峰值計數(shù)峰值流道地址11037340299034438193464771348從該表中可以看出，最大速度在340350的道路內(nèi)是固定值，根據(jù)前面莫瑟萊的定律，莫瑟萊的x射線能量為17.5keV，通道380，如果新峰的道路地址為345，那么能量為15.88keV，如果查看峰值數(shù)，就會發(fā)現(xiàn)隨著阿爾薄膜厚度的增加，透射的x射線強度明顯減小。由于此能量遠(yuǎn)高于Al和Fe識別的x射線能量，因此估計此峰值的發(fā)生與Al和Fe無關(guān)，輻射源238Pu產(chǎn)生的17.0keV的x射線在Fe外部電子和康普頓散射(散射角1800)發(fā)生后被Al吸收。這種散射光的能量以15.9keV計算。此過程大大小于Pu的x射線刺激采樣x射線的概率，因此在驗證母體射線定律和x射線能量高的吸收定律時，將忽略此峰值。隨著樣品原子數(shù)的減少和Al薄片厚度的增加(實驗中用Zn測量鋁薄片厚度x=4時出現(xiàn)小峰值，用Ni測量時在x=2，3，4時發(fā)現(xiàn)新峰值)，可以通過Al，并且與入射x射線能