前要了解相关的辐射防护知识

1、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)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Edge absorption2、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

2、)。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

3、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： n 2 d sin ，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

4、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。E h c 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：2h cm0 c02hcm0 c10: 电子的质量X 光子的动量为：动量的守恒导致sin 0h m0cos 0coscv2h sin2m01 cv 2, ：碰撞角度（见上图）最终波长的改变量为1 cos m0 c常数 h2.43 pm 定义为康普顿波长 c ，m0 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

5、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：aTCu e100pm其中 =7.6 ， n2.75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：T1R1 R 和T2 R2 RR0 RR0 R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11 故有 100pm ln R0 R ln R2 R n ln R0 R ln R1 R n

6、aa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 20limits: 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“”

7、，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

8、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GM计数管的传感器。3 测试软件本实验仪器专用的软件“ X-ray Apparatu

9、s ”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 1s） ，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 ）

10、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 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

11、。2 边吸收（ edge absorption ）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。3 X 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 TARGE，T 使用 ADJUST钮调节靶的角度到 20。按下 SENSO，R 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 0.0a）无铜滤波器 设定测量时间 t

12、90s 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 t 900s 后，实验步骤同 a），该计数率标为 R1。c）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 t 900s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 t 900s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

13、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10 Sv/h（安全剂量率： 5 Sv/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1Sv/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