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文檔簡介

1、X射線的康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)前請(qǐng)仔細(xì)閱讀附后的輻射防護(hù)知識(shí)。(注:各組前10位同學(xué)預(yù)習(xí)“核磁共振成像”,11、12號(hào)預(yù)習(xí)本實(shí)驗(yàn))一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、通過X-射線在NaCl晶體上的第一級(jí)衍射認(rèn)識(shí)鉬陽極射線管的能譜,了解Edge absorption。2、驗(yàn)證X光子康普頓散射的波長漂移二實(shí)驗(yàn)原理:1、X射線的產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的電子遇到物質(zhì)而減速時(shí),即可產(chǎn)生X-射線。根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論,這種減速將產(chǎn)生電磁波輻射。能譜分連續(xù)譜和特征譜兩部分:連續(xù)譜是高速電子與靶原子發(fā)生碰撞,一般會(huì)有多次碰撞,輻射出的光子能量各不相同,形成連續(xù)譜,即軔致輻射,它是一個(gè)連續(xù)光譜,且有確定的最高頻率(或最小波長)。當(dāng)電子的能量超過一臨

2、界值時(shí),將會(huì)出現(xiàn)X射線的特征譜線,即在連續(xù)的軔致輻射光譜上添加分離的光譜線。這是因?yàn)楫?dāng)更高能量的電子深入到陽極原子的殼內(nèi),通過撞擊將最里面軌道上的電子驅(qū)逐出來后,產(chǎn)生的空位由外層軌道的電子填補(bǔ),并發(fā)射X射線。各外層電子躍遷到n=1的殼層(K層)產(chǎn)生的X射線組成K線系:L層到K層的為線,M層到K層的為線。本實(shí)驗(yàn)的X射線光管結(jié)構(gòu)如圖:X光管的結(jié)構(gòu)如圖4所示。它是一個(gè)抽成高真空的石英管,其下面(1)是接地的電子發(fā)射極,通電加熱后可發(fā)射電子;上面(2)是鉬靶,工作時(shí)加以幾萬伏的高壓。電子在高壓作用下轟擊鉬原子而產(chǎn)生X光,鉬靶受電子轟擊的面呈斜面,以利于X光向水平方向射出。(3)是銅塊、(4)是螺旋狀熱

3、沉,用以散熱。(5)是管腳。 X射線的產(chǎn)生,為我們更透徹的認(rèn)識(shí)事物的微觀結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)非常有效的手段。因?yàn)槠洳ㄩL較短(與原子間距同數(shù)量級(jí)),射入原子有序排列的晶體時(shí),會(huì)發(fā)生類似可見光入射到光柵時(shí)的衍射現(xiàn)象。其基本規(guī)律即為布拉格公式:,其中 即掠射角,d是晶體的晶面間距。2、 康普頓效應(yīng)1923年,美國物理學(xué)家Compton發(fā)現(xiàn)被散射體散射的X射線的波長的漂移,并將原因歸結(jié)為X射線的量子本質(zhì)。他解釋這種效應(yīng)是一個(gè)X光量子和散射物質(zhì)的一個(gè)電子發(fā)生碰撞,其中X光量子的能量發(fā)生了改變,它的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)移給了電子。 h:普朗克常數(shù) c:光速 :波長在碰撞中,能量和動(dòng)量守恒。碰撞前,電子可以認(rèn)為是靜止的。

4、碰撞后電子的速度為v,和是X光量子散射前后的波長,依據(jù)相對(duì)論的能量守恒的公式表述可以得到: M0:電子的質(zhì)量X光子的動(dòng)量為:動(dòng)量的守恒導(dǎo)致:碰撞角度(見上圖)最終波長的改變量為常數(shù)定義為康普頓波長,本實(shí)驗(yàn)是利用一個(gè)銅箔來證明波長漂移現(xiàn)象的存在。因?yàn)殂~箔的透射系數(shù)TCu會(huì)隨X光子的波長變化,故由于康散而導(dǎo)致的X光子波長的漂移就表現(xiàn)在透射率或計(jì)數(shù)率的改變。波長與銅箔的透射率間的關(guān)系可以用公式表述為:其中=7.6,n2.75實(shí)驗(yàn)的開始是記錄被鋁散射的X光子的無衰減時(shí)的計(jì)數(shù)率R0,接著是將銅箔放置在鋁的前后得到的兩個(gè)計(jì)數(shù)率R1和R2(看下圖)。因?yàn)橛?jì)數(shù)率低,故背景輻射R也要考慮。則透射率是: 和 由此

5、得到X光子的平均波長、。根據(jù)公式得到波長的漂移為故有三實(shí)驗(yàn)儀器:實(shí)驗(yàn)儀器為德國萊寶公司生產(chǎn)的X射線實(shí)驗(yàn)儀。其正面從左往右依次為控制面板、X光室和實(shí)驗(yàn)區(qū)??刂泼姘宓慕榻B如下:1、 控制面板b1為顯示區(qū),通常第一行顯示G-M計(jì)數(shù)管的計(jì)數(shù)率(正比于X光光強(qiáng)),第二行顯示工作參數(shù)的具體值。b2 調(diào)整b1第二行的工作參數(shù)值。b3均為工作參數(shù)選擇鍵,含下面5個(gè)鍵:U:X 射線管高壓,035kV;I:發(fā)射電流,, 01mA;:測(cè)量時(shí)間(每角度步幅),510s;:步進(jìn)角寬度,0°20° limits:確定測(cè)角器掃描范圍的上限角和下限角,(第一次按,出現(xiàn)“”,利用b2選擇下限角,第二次按,出

6、現(xiàn)“”,利用b2選擇上限角)b4:掃描模式 (進(jìn)入或啟動(dòng)該掃描模式)及歸零鍵,共4個(gè)鍵sensor :傳感器掃描模式,按下此鍵后,只是帶GM計(jì)數(shù)器的機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)??衫胋2手動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器的位置,也可用 limits設(shè)置自動(dòng)掃描時(shí)傳感器的上、下限角,顯示器的下行此時(shí)顯示傳感器的角位置;target::靶臺(tái)掃描模式,放置樣品用的平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)節(jié)方法同sensor。coupled: 耦合掃描模式,計(jì)數(shù)器和靶臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。且傳感器的轉(zhuǎn)角自動(dòng)保持為靶臺(tái)轉(zhuǎn)角的2倍。調(diào)節(jié)方法同上。Zero:歸零鍵,靶臺(tái)和傳感器都回到0位。b5:五個(gè)操作鍵。Reset:靶臺(tái)和傳感器回到0位,且參數(shù)(b3中設(shè)定的值)回到缺省值,X管

7、的高壓斷開;replay:將顯示的數(shù)據(jù)再次輸入到計(jì)算機(jī);scan(on/off):測(cè)量系統(tǒng)的開關(guān)鍵,開啟時(shí),X管加高壓,測(cè)角器開始自動(dòng)掃描,數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入計(jì)算機(jī); X: 聲脈沖開關(guān),本實(shí)驗(yàn)中不必用它;Hv(ONOFF):開關(guān)X光管上的高壓,其上的指示燈(b6)閃爍時(shí),表示已加了高壓。2、實(shí)驗(yàn)區(qū)可安排各種實(shí)驗(yàn),它的玻璃門可滑動(dòng),在X射線管工作時(shí),儀器的安全保護(hù)電路應(yīng)確保此門處于鎖閉狀態(tài)。其主要器件分為3部分:X光的出口,安放樣品的靶臺(tái),裝有GM計(jì)數(shù)管的傳感器。3 測(cè)試軟件本實(shí)驗(yàn)儀器專用的軟件“X-ray Apparatus”已安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi),只要雙擊該快捷鍵的圖標(biāo),即可出現(xiàn)一個(gè)測(cè)量畫面,它主要由上

8、部的菜單欄、左邊的數(shù)據(jù)欄和右邊的圖形欄三部分組成。在菜單欄上選擇“Bragg”,即可進(jìn)行布拉格衍射實(shí)驗(yàn)。當(dāng)在X射線實(shí)驗(yàn)儀中按下“SCAN”開關(guān)(ON)時(shí),軟件就開始自動(dòng)采集和顯示測(cè)量結(jié)果:屏幕的左邊顯示靶臺(tái)的角位置和傳感器中接收到的X光光強(qiáng)的數(shù)據(jù);而右邊則將此數(shù)據(jù)作圖,其縱坐標(biāo)為X光光強(qiáng)(單位是1s),橫坐標(biāo)為靶臺(tái)的轉(zhuǎn)角(單位是°) 。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:1 鉬原子的X特征譜線1) 將NaCl放置在靶臺(tái)上。操作時(shí),必須戴一次性手套,首先將鎖定桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),靶臺(tái)鎖定解除,把NaCl樣品(平板)輕輕放在靶臺(tái)上,向前推到底后將靶臺(tái)輕輕向上抬起,確保樣品被支架上的凸楞壓?。蛔詈箜槙r(shí)針輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)鎖定桿,

9、使靶臺(tái)鎖定。2)設(shè)置工作參數(shù)高壓U=30kV,發(fā)射電流I=1mA,=6s,=0.1分別按COUPLED和 limits鍵設(shè)置靶的下限為2.5°,上限32.5°啟動(dòng)管高壓HV(ONOFF),按SCAN啟動(dòng)測(cè)量。3)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量結(jié)束后,調(diào)出程序中的setting對(duì)話框(F5),輸入NaCl的d值(d=282.01pm),此時(shí)圖的橫坐標(biāo)由掠射角自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL。記錄各級(jí)衍射峰的中心值(、),并求出其平均值。2邊吸收(edge absorption)1)戴一次性手套,將Zr濾波器安裝在準(zhǔn)直器的出口端,注意:該儀器實(shí)驗(yàn)區(qū)的空間較小,而準(zhǔn)直器的安裝位較深,拔出時(shí)不要用力過猛,以免撞到

10、放置樣品的靶臺(tái)。2)實(shí)驗(yàn)設(shè)置和步驟如上。3)記錄衍射峰峰值,并和實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果比較。3X射線的康普頓效應(yīng)1)經(jīng)靶臺(tái)上的NaCl樣品換成實(shí)驗(yàn)提供的的鋁塊。2)按下TARGET,使用ADJUST鈕調(diào)節(jié)靶的角度到20°。按下SENSOR,用ADJUST鈕調(diào)節(jié)傳感器的角度到145°。3)設(shè)置管高壓U=30kV,反射電流I=1.00mA。角的步進(jìn)寬度 a)無銅濾波器設(shè)定測(cè)量時(shí)間使用HV(ONOFF)、SCAN鍵啟動(dòng)測(cè)量。當(dāng)測(cè)量時(shí)間結(jié)束時(shí),按REPLAY鍵,顯示區(qū)的第一行即為平均計(jì)數(shù)率,記錄下該值,標(biāo)為R0。 b)銅濾波器放在鋁散射體的前面將銅濾波器安裝在準(zhǔn)直器的出口,測(cè)量時(shí)間升至后,實(shí)

11、驗(yàn)步驟同a),該計(jì)數(shù)率標(biāo)為R1。c)銅濾波器放在鋁散射體的后面將銅濾波器安裝在傳感器上,測(cè)量時(shí)間為后,實(shí)驗(yàn)步驟同a),該計(jì)數(shù)率標(biāo)為R2。d)背景效應(yīng)取下銅濾波器,設(shè)定發(fā)射電流I=0,測(cè)量時(shí)間為后,實(shí)驗(yàn)步驟同a),該計(jì)數(shù)率標(biāo)為R。使用SCAN鍵啟動(dòng)測(cè)量。當(dāng)測(cè)量時(shí)間結(jié)束時(shí),按REPLAY鍵,顯示的即為平均計(jì)數(shù)率R,記錄下該值,標(biāo)為R。f)數(shù)據(jù)計(jì)算依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中的相關(guān)公式計(jì)算其波長漂移量,并與與康散的理論值相比輻射防護(hù)知識(shí):X射線裝置在X射線管輻射中心區(qū)域產(chǎn)生的局部劑量率可能超過10 Sv/h(安全劑量率:5Sv/h或1mSv/a),即使短時(shí)間照射,該劑量率也會(huì)對(duì)生命組織產(chǎn)生較嚴(yán)重的傷害。在裝置外部,由于內(nèi)置的防護(hù)裝置和屏蔽限制局部劑量率小于1Sv/h,該值與天然本底輻射處于同一量級(jí)。裝置內(nèi)部所產(chǎn)生的高計(jì)量率意味著使用者在操作X射線裝置時(shí)要特別小心。未經(jīng)許可不得進(jìn)入到裝置內(nèi)部。開啟該裝置前,要檢查設(shè)備的外罩,尤其是鉛玻璃窗和包圍X射線管的鉛玻璃管是否完好,玻璃滑門應(yīng)關(guān)閉良好。測(cè)試兩個(gè)安全保護(hù)電路能否正常工作。按下滑動(dòng)門的鎖銷時(shí),要注意觀察X射線管,確保其高壓能自動(dòng)切斷。不

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