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文本内容:
X射线的康普顿效应实验前请仔细阅读附后的辐射防护知识(注各组前10位同学预习“核磁共振成像”,
11、12号预习本实验)一.实验目的
1、通过X-射线在NaCl晶体上的第一级衍射认识钼阳极射线管的能谱,了解Edgeabsorption
2、验证X光子康普顿散射的波长漂移二.实验原理
1、X射线的产生高速运动的电子遇到物质而减速时,即可产生X-射线根据经典电动力学理论,这种减速将产生电磁波辐射能谱分连续谱和特征谱两部分连续谱是高速电子与靶原子发生碰撞,一般会有多次碰撞,辐射出的光子能量各不相同,形成连续谱,即轫致辐射,它是一个连续光谱,且有确定的最高频率(或最小波长)当电子的能量超过一临界值时,将会出现X射线的特征谱线,即在连续的轫致辐射光谱上添加分离的光谱线这是因为当更高能量的电子深入到阳极原子的壳内,通过撞击将最里面轨道上的电子驱逐出来后,产生的空位由外层轨道的电子填补,并发射X射线各外层电子跃迁到n=1的壳层(K层)产生的X射线组成K线系L层到K层的为线,M层到K层的为线本实验的X射线光管结构如图X光管的结构如图4所示它是一个抽成高真空的石英管,其下面1是接地的电子发射极,通电加热后可发射电子;上面2是钼靶,工作时加以几万伏的高压电子在高压作用下轰击钼原子而产生X光,钼靶受电子轰击的面呈斜面,以利于X光向水平方向射出3是铜块、4是螺旋状热沉,用以散热5是管脚X射线的产生,为我们更透彻的认识事物的微观结构提供了一个非常有效的手段因为其波长较短(与原子间距同数量级),射入原子有序排列的晶体时,会发生类似可见光入射到光栅时的衍射现象其基本规律即为布拉格公式,其中即掠射角,d是晶体的晶面间距
2、康普顿效应1923年,美国物理学家Compton发现被散射体散射的X射线的波长的漂移,并将原因归结为X射线的量子本质他解释这种效应是一个X光量子和散射物质的一个电子发生碰撞,其中X光量子的能量发生了改变,它的一部分动能转移给了电子h:普朗克常数c:光速波长在碰撞中,能量和动量守恒碰撞前,电子可以认为是静止的碰撞后电子的速度为v,和是X光量子散射前后的波长,依据相对论的能量守恒的公式表述可以得到M0:电子的质量X光子的动量为动量的守恒导致碰撞角度(见上图)最终波长的改变量为常数定义为康普顿波长,本实验是利用一个铜箔来证明波长漂移现象的存在因为铜箔的透射系数TCu会随X光子的波长变化,故由于康散而导致的X光子波长的漂移就表现在透射率或计数率的改变波长与铜箔的透射率间的关系可以用公式表述为其中=
7.6,n=
2.75实验的开始是记录被铝散射的X光子的无衰减时的计数率R0接着是将铜箔放置在铝的前后得到的两个计数率R1和R2看下图因为计数率低,故背景辐射R也要考虑则透射率是和由此得到X光子的平均波长、根据公式得到波长的漂移为故有三.实验仪器实验仪器为德国莱宝公司生产的X射线实验仪其正面从左往右依次为控制面板、X光室和实验区控制面板的介绍如下
1、控制面板b1为显示区,通常第一行显示G-M计数管的计数率(正比于X光光强),第二行显示工作参数的具体值b2调整b1第二行的工作参数值b3均为工作参数选择键,含下面5个键U X射线管高压,0~35kV;I发射电流,0~1__;测量时间(每角度步幅)5~10s;步进角宽度0°~20°limits:确定测角器扫描范围的上限角和下限角,(第一次按,出现“↓”,利用b2选择下限角,第二次按,出现“↑”,利用b2选择上限角)b4:扫描模式(进入或启动该扫描模式)及归零键,共4个键sensor:传感器扫描模式,按下此键后,只是带G-M计数器的机械臂转动可利用b2手动旋转传感器的位置,也可用limits设置自动扫描时传感器的上、下限角,显示器的下行此时显示传感器的角位置;target:靶台扫描模式,放置样品用的平台转动调节方法同sensorcoupled:耦合扫描模式,计数器和靶台一起转动且传感器的转角自动保持为靶台转角的2倍调节方法同上Zero归零键,靶台和传感器都回到0位b5:五个操作键Reset靶台和传感器回到0位,且参数(b3中设定的值)回到缺省值,X管的高压断开;replay:将显示的数据再次输入到计算机;scanon/off测量系统的开关键,开启时,X管加高压,测角器开始自动扫描,数据自动输入计算机;声脉冲开关,本实验中不必用它;HvON/OFF开关X光管上的高压,其上的指示灯(b6)闪烁时,表示已加了高压
2、实验区可安排各种实验,它的玻璃门可滑动,在X射线管工作时,仪器的安全保护电路应确保此门处于锁闭状态其主要器件分为3部分X光的出口,安放样品的靶台,装有G—M计数管的传感器3测试软件本实验仪器专用的软件“X-rayApparatus”已__在计算机内,只要双击该快捷键的图标,即可出现一个测量画面,它主要由上部的菜单栏、左边的数据栏和右边的图形栏三部分组成在菜单栏上选择“Bragg”,即可进行布拉格衍射实验当在X射线实验仪中按下“SCAN”开关ON时,软件就开始自动采集和显示测量结果屏幕的左边显示靶台的角位置和传感器中接收到的X光光强的数据;而右边则将此数据作图,其纵坐标为X光光强单位是1/s,横坐标为靶台的转角单位是°四.实验内容1钼原子的X特征谱线1)将NaCl放置在靶台上操作时,必须戴一次性手套,首先将锁定杆逆时针转动,靶台锁定解除,把NaCl样品平板轻轻放在靶台上,向前推到底后将靶台轻轻向上抬起,确保样品被支架上的凸楞压住;最后顺时针轻轻转动锁定杆,使靶台锁定2)设置工作参数高压U=30kV,发射电流I=1__,=6s,=
0.1分别按COUPLED和limits键设置靶的下限为
2.5°,上限
32.5°启动管高压HVON/OFF,按SCAN启动测量3)记录实验结果测量结束后,调出程序中的setting对话框(F5),输入NaCl的d值(d=
282.01pm),此时图的横坐标由掠射角θ自动转变为波长记录各级衍射峰的中心值(、),并求出其平均值2边吸收(edgeabsorption)1)戴一次性手套,将Zr滤波器__在准直器的出口端,注意该仪器实验区的空间较小,而准直器的__位较深,拔出时不要用力过猛,以免撞到放置样品的靶台2)实验设置和步骤如上3)记录衍射峰峰值,并和实验1的结果比较3X射线的康普顿效应1)经靶台上的NaCl样品换成实验提供的的铝块2)按下TARGET,使用ADJUST钮调节靶的角度到20°按下SENSOR,用ADJUST钮调节传感器的角度到145°3)设置管高压U=30kV,反射电流I=
1.00__角的步进宽度a无铜滤波器设定测量时间使用HVON/OFF、SCAN键启动测量当测量时间结束时,按REPLAY键,显示区的第一行即为平均计数率,记录下该值,标为R0b铜滤波器放在铝散射体的前面将铜滤波器__在准直器的出口,测量时间升至后,实验步骤同a),该计数率标为R1c铜滤波器放在铝散射体的后面将铜滤波器__在传感器上测量时间为后,实验步骤同a),该计数率标为R2d背景效应取下铜滤波器,设定发射电流I=0,测量时间为后,实验步骤同a),该计数率标为R使用SCAN键启动测量当测量时间结束时,按REPLAY键,显示的即为平均计数率R,记录下该值,标为Rf数据计算依据实验原理中的相关公式计算其波长漂移量,并与与康散的理论值相比辐射防护知识X射线装置在X射线管辐射中心区域产生的局部剂量率可能超过10Sv/h(安全剂量率5μSv/h或1mSv/a),即使短时间照射,该剂量率也会对生命__产生较严重的伤害在装置外部,由于内置的防护装置和屏蔽限制局部剂量率小于1μSv/h,该值与天然本底辐射处于同一量级装置内部所产生的高计量率意味着使用者在操作X射线装置时要特别小心未经许可不得进入到装置内部开启该装置前,要检查设备的外罩,尤其是铅玻璃窗和包围X射线管的铅玻璃管是否完好,玻璃滑门应关闭良好测试两个安全保护电路能否正常工作按下滑动门的锁销时,要注意观察X射线管,确保其高压能自动切断不要将活的生物放入装置内不要让X射线管的阳极过热当装置工作时,应确保X射线管室的通风设备也在运转必须戴着手套后再进行样品的拿放五.思考题1,___要在出射的X光前加锆滤波?2,简述Edgeabsorption的原理3,将探测器转到145°的理由是什么,如果角度偏差(例如
0.5°),会影响到计算结果吗?4,如果将测量时间加大,会减小误差吗?PAGE1。