X射线的康普顿散射

1X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K线，M层到K层的为K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：sin2dn，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。2hcE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，1和2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：22002121mchchcmcvcM0:电子的质量X光子的动量为：hp动量的守恒导致0221coscos1mhhvc022sinsin01mhvc,：碰撞角度（见上图）最终波长的改变量为1201coshmc常数02.43hpmmc定义为康普顿波长c，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：100napmCuTe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：RRRRT011和RRRRT022由此得到X光子的平均波长1、2。根据公式得到波长的漂移为12故有110201lnlnlnln100nnRRRRRRRRpmaa3三．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,，0～1mA；t：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sensor。coupled: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；scan(on/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；Hv(ON／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”已安装在计算机内，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°)。4四．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=1mA，t=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HV(ON／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)(pm。记录各级衍射峰的中心值（)(k、)(k），并求出其平均值。2边吸收（edgeabsorption）1）戴一次性手套，将Zr滤波器安装在准直器的出口端，注意：该仪器实验区的空间较小，而准直器的安装位较深，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=1.00mA。角的步进宽度0.0a)无铜滤波器设定测量时间90ts使用HV(ON／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R0。b)铜滤波器放在铝散射体的前面将铜滤波器安装在准直器的出口，测量时间升至900ts后，实验步骤同a），该计数率标为R1。5c)铜滤波器放在铝散射体的后面将铜滤波器安装在传感器上,测量时间为900ts后，实验步骤同a），该计数率标为R2。d)背景效应取下铜滤波器，设定发射电流I=0，测量时间为900ts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R。f)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组织产生较严重的伤害。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，为什么要在出射的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？