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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2 二 2me4h2 (r心(6-1)11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，（z-二）， 称为莫塞莱定律。本实验目的之一即为通过测量不同原子序数的
2、材料样品的标识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增加而衰减。当介质很薄时，衰减率dl /1与吸收层厚度dx成正比：dl .-°dx（ 6-2）比例常数 称为线衰减系数，量纲为 L4，单位为cm，在吸收介质和入射 X射线波长为 一定时是一个常数。实际介质的厚度为 乂，对（6-2）式积分得l =l0exp（-、0X）（ 6-3） 线衰减系数丄0由两部分构成:0(6-4)（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）a称为线吸收系数，入射 X射线与介质相互作
3、用而被介质吸收的机制有三种：光电效应、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。 匚d称为弹性散射系数，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a比匚d大得多，而且X射线波长越长，.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称为相应于光电效应的质量吸收系数。e的意义是由于光电效应引起的入射束通过单位厚度（cm）吸收介质时衰减率的大小。根据实验特征可以得到下面
4、的半经验公式： e = N C Z4，3，（ 6-6）C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43C NZm e /AMANZ43扎A(6-7)X射线的，m并验证式中A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（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238 Pu，其上方为铅板以防止源 X射线进入探测器 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Nal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。经光电倍增管线性放大后产生一个
5、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。前置放大>线性放大光电倍増管N创闪烁（本多道分析器Pb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
6、到半高宽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MoZrSrSeZnNiFeTi峰值道址458442407322236201167113左半高道址35434231624317814311361右半高道址566546503404309268226160峰值计数1020910036100301003710276106261357110100时间（s）372400233185146151221380表6-1 不同材料
7、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、Fe和Ni）。样品材料MoSeZnNiFe时间（s）6030120150150积分区间44254928936521228417425013720
8、4n=0积分值142418114449557418523335503501n=1366021303815118985n=21211268014120983611207024435n=3112278390655471n=41080795035960589174241845n=69444430002n=88485916799n=10739659752表6-2不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MoZrSrSeZnNiFeTi、峰值道址21.421.020.217.915.414.212.910.6原子序数Z4240383430282622表6-
9、3:峰值道址与原子序数Z的关系由于峰值道址正比于 X射线频率，故只需验证v峰值道址兀Z即可。如下表6-3。以原子序数Z作横坐标，峰值道址作纵坐标进行直线拟合得图6-2。相关系数0.996表明线性良好，于是莫塞莱定律得到验证。由于本实验未进行道址定标，故不能得出截距和斜率 的确切值。2422201916141210Testify of Mosslei's lawa202530354045Z图6-2峰值道址与原子序数Z的关系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|n /10。对各个不同靶和各个n计算ln( |n /|0)的值，如
10、表6-4。靶材料MoSeZnNiFen=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)与铝片层数n和不同的标识 X射线靶的关系对每个靶作ln(In /l0)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，验证了( 6-5)式。Aluminu
11、m X-ray adsoprtion of various elennent's characteristics X-ray图6-3 In(ln/l0)与铝片层数n和不同的标识 X射线靶的关系图6-4 吸收系数与X射线波长的关系 m，如下表6-5。考虑到X。=16.8mg/cm，将各个拟合得到的斜率除以该数即得到考虑:'二峰值道址/，取与每个靶相应的峰值道址的三次方倒数得到'（任意单位），作zm 九3图并进行线性拟合，如图6-4，相关系数0.998，验证了（ 6-7）式。靶材料MoSeZnNiFeg/（cm2/g）3.5513.530.247.676.9.3扎（a.u.
12、）0.10410.29950.76081.23142.1471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本实验通过验证峰值道址与靶材料原子序数 Z的线性关系，验证了莫塞莱定律。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7.1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2得铝对其吸收系数（相应光电效应）为 .m =3.55cm /g。铝的原子数密度为N=Ja2
13、7 6。22 1023A27 八一22二3cm =6 10 cm则光电效应的散射截面为肿 3.55 2.7226 1022 2=10 cm而汤姆逊散射的散射截面为8：i%2Z8- （2.8 103）213=10f2可见，汤姆逊散射截面比光电效应散射截面二a小一个量级。当 X射线波长增加时 二a还会增加，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238 Pu源发出的17.0KeV的X射线。