实验十二X——ray

1、实验 X光实验【实验目的】1 了解用电子加速轰击金属靶产生X光的方法与X光的特性。2 了解晶体衍射（布拉格衍射）测量晶格常数的原理和方法。3 了解材料对 X光吸收特性。【实验原理】1 电子加速轰击金属靶发射X光 图1 钼的X光发射光谱 当具有一定能量的电子和原子相碰撞时，可把原子的外层电子撞击到高能态(称为激发)甚至击出原子(称为电离)。当电子从高能态回归到低能态，或被电离的原子(离子)与电子复合时，就会发光。这是一般气体放电光源(如生活中常用的日光灯、实验室常用的汞灯、钠灯等)的基本发光过程。如果电子的能量高达几万电子伏(1014焦耳)时，它就可能把原子的内层电子撞击到高能态，甚至击出原子。

2、这时，原子的外层电子就会向内层跃迁，其所发出的光子能量较大，即波长较短，通常为X光。例如，钼原子内主要有两对电子可在其间跃迁的能级，其能量差分别为17.4kev和19.6kev，电子从高能级跃迁到低能级时，分别发出波长为7.13´l0-2nm和6.33´ 10-2nm的两种X光。这两种X光在光谱图上表现为两个尖峰(如图1中两尖峰曲线所示)，在理想情况下则为两条线，故称为“线光谱”，这种线光谱反映了该物质(钼)的特性，称为“标识X射线谱”或“X射线特征光谱”。此外，高速电子接近原子核时，原子核的库仑场要使它偏转并急剧减速，同时产生电磁辐射，这种辐射称为“轫致辐射”， 只要电子

3、的速度足够大，这种轫致辐射就能达到X光的频率范围。与标识谱不同，它的能量分布是连续的，在光谱图上表现为很宽的光谱带，称为“连续谱”(如图1中的宽带曲线所示)。2X光的布拉格散射图2 X射线在晶格上的衍射由于X光的波长与一般物体中原子的间距同数量级，因此X光成为研究物质微观结构的有力工具。当X光射入原子有序排列的晶体时，会发生类似于可见光入射到光栅时的衍射现象(如图2所示)。1913年，英国科学家布拉格父子(W HBragg和W L Bragg)证明了X光在晶体上衍射的基本规律为： (1)其中，d是晶体的晶面间距，即相邻晶面之间的距离，q是衍射光的方向与晶面的夹角，l是X光的波长，k是一个整数，

4、代表衍射级次。(1)式被称为布拉格公式。根据布拉格公式，既可以利用已知的晶体(d已知)通过测量q 角来研究未知X光的波长，也可以利用已知X光(l已知)来测量未知晶体的晶面间距。本实验利用已知钼的X光特征谱线来测量氟化锂(LiF) （或氯化钠 NaCl）晶体的晶面间距。3X射线与物质的相互作用图 3 X光的吸收X射线和物质相互作用时，会发生与可见光类似的反射、折射、偏振、吸收、散射等各种物理现象。X射线穿过物质时，具有一定的穿透能力，但由于物质的吸收作用，使射线强度要衰减，一束强度为I0的X射线垂直入射到吸收介质上，入射的X射线强度将由于和吸收物质的相互作用而衰减。X光的入射强度I0与穿过物质后

5、的透射强度I之比I/I0称为透射因数(见图3)。 通常，透射因数越大，则吸收衰减越小。衰减的程度与物质的厚度成指数关系，即有下式： （2） 式中是线衰减系数。我们也可写成： （3） 引起衰减的原因主要是物质对X射线的吸收和散射，因此线衰减系数是由吸收系数a和散射系数s构成。 （4） 对于X射线来说，其线吸收系数a比散射系数s大得多，所以一般散射系数s可略,近似有=a。 （5） a可理解为主要由于光电效应所引起的入射X光通过单位厚度(cm)介质时吸收衰减率的大小。图4 吸收系数的突变另外，吸收系数a是不连续的，它随入射波长的变化在某些l值处，会出现突变。在图4中可见到吸收系数的突变处：K、L1、

6、L2、L3，称为吸收限，也叫吸收沿。吸收限的产生是由于入射X光子能量恰使吸收体的原子在某壳层能吸收该能量后产生电离，物质的吸收作用突然增加而形成的。同时应注意，各种物质对同一波长的X射线吸收不同，同一物质对波长不同的X射线吸收也各异。射线的波长愈短时，吸收系数也越小，即X射线对物质的穿透能力也越大。在各段吸收曲线中，近似地服从以下关系： （6）式中K在一定波长范围内为一常数，Z是吸收物质的原子序数。就是说，对一定波长的X射线，重元素比轻元素吸收作用大，其吸收量与Z4成正比。图5 X射线实验仪 利用物质对X光的吸收作用，我们可以对吸收体(材料或生物体)进行无损检测(也叫探伤、透视)，这种方法主要

7、是根据X射线经过衰减系数不同的吸收体时，所穿过的射线强度不同而实现的。若被检验的物质中存在着气泡、裂纹、夹杂物或生物体中的病变等，由于这些部位对X射线吸收各不相同，因此在透射方向的感光底片上便出现深浅不一的阴影。根据阴影可判断出物质内部缺陷的部位和性质。一般说来，缺陷的厚度仅为吸收体厚度的1时，就可被检验出来。根据物质对X光的吸收限特性，可作原子内层能级图。也能做成滤波片，使谱线单色化。【实验内容】1X光的晶体布拉格散射验证11用NaCI晶体(已知其晶面间距为0.283nm)调校测角器的零点。(1) 按ZERO键，使测角器归零。(2) 在靶台上装NaCl晶体(注意：NaCl晶体易碎、且极易受潮

8、，平时应放在干燥缸中，取出时须戴手套，不可用手直接接触其表面)。(3) 关好铅玻璃门，设置高压为35kV，管电流为lmA，在“COUPLED”模式下，将b-LIMIT设定为上限角 2.5°；下限角10°， 设定为0.1°，t为1s。(4) 按SCAN得到X光氯化钠晶体第一级衍射曲线，检验衍射曲线的最高峰（7.1l´l0-2nm波段X光形成的第一级衍射峰）是否为7.2°。如果不在7.2°，则按58步骤操作。否则即可验证布拉格衍射公式了。(5) 在COUPLED模式下，用调节转盘把靶台转到最高峰的位置附近。(6) 并用HV键打开高压。分别

9、用SENSOR和TARGET模式，用转盘（ADJUST）手动调节靶台和传感器，仔细寻找计数率最大的传感器和靶台位置。(7) 找到此位置后，用COUPLED模式令靶台反向(顺时针)旋转7.2° (为什么?)。此时应为真正的零点位置(实际显示值可能是正或负)。(8) 同时按下TARGET、COUPLED和bLIMIT三个键，从而确认该位置为新的零点位置。注意：“三键同时按”，会把原来设置的0位取消，并以当前位置为新的0位。这个操作如有错误，将导致仪器严重失调而难以恢复！12验证布拉格衍射公式零点调校好后，在高压35kV、管电流lmA、Dt= 10s的情况下，用 SCAN键对NaCI晶体进

10、行自动扫描(b=0.1° ，b=2.5° 27°)。可测得三级衍射角，计算与分析各衍射角的实验误差。并将实验数据与图线保存下来。13 测定LiF晶体的晶面间距图9 安装吸收板(1) 取下NaCl晶体，放回干燥缸(小心!)。换上LiF晶体(注意：LiF晶体也易碎、易受潮，平时应放在干燥缸中，取出时须戴手套，不可用手直接接触其表面)。(2) 在高压35kV、管电流lmA、Dt= 10s的情况下，用SCAN键自动测试LiF的X光衍射曲线(b=0.1° ，b=5°35°)。(3) 从曲线上求出LiF的晶面间距。(4) 取下LiF晶体，放回干燥

11、缸(小心!)。2X射线与物质的相互作用2.1测量X光的吸收与材料厚度的关系。(1) 实验时，拆卸靶支架并从支架上拿走靶台。关上铅玻璃门，按下SENSOR键，打开HV，调节转盘使传感器处于计数率最大处。然后将带有不同厚度的铝Al吸收体的滑槽放进靶支架弯曲的狭缝中，如图9。(2) 测量不同厚度的铝材料的透射因数及衰减系数时，实验时实验仪用TARGET(靶)模式，可不用计算机。实验以两种方式进行：（a） 准直器上不加滤波片。参考设置：U=21KV，I=0.05mA，t=l00s，=0。（如样品的空档所测得入射X光强度计数率<1000可适当增大I）实验过程中，以手动方式，让靶(样品)每转动10&

12、#176;测量一次，每次测量后，按REPLAY键，即可得到该位置X光透过铝片后的强度计数率R在t时间内的平均值。(b) 在准直器上套上圆形滤波片(滤波片符号：Zr)。参考设置：U=21KV，I=0.15mA,t=200s,=0。实验结果处理：将两方法分别测得列两表计算不同厚度所测得铝的透射因数及衰减系数。以d(铝材厚度：mm)-lnT(透射因数)为X、Y轴作图(将两种方法测得两曲线画在同一张图上)，进行实验结果分析与讨论。2.2 测量不同材料(Z不同)的透射因数及衰减系数时(选做)，同样不用计算机。实验也采用带滤波片与不带滤波片两种方法进行，参考的参数设置如下： U=30KV，在测量空档、C、

13、Al材料时：I=002mA，t=30s；在测量Fe、Cu、Zr、Ag材料时：I=1.00mA，t=300s。实验测得数据应同样列表计算透射因数及衰减系数。但计算时，应注意，电流I取0.02mA时测试的X光强度R计数率应乘以50(与I=1mA时一致)。将实验结果作(衰减系 数)-Z(原子序数)图线。进行实验结果分析与讨论。【实验数据】一布拉格散射公式的验证1在NaCl晶体中，X射线的布拉格反射数据记录k17.21931.670.9214.6575.071.3322.2128.671.3的平均值为k16.5863.664.7212.9208.263.2319.659.063.3的平均值为实验值71.263.7理论值71.363.3误差0.1%0.6%以上误差均在误差范围之内，所以布拉格公式得到验证2 测定LiF晶体的晶面间距k110.11748.40.203220.6274.80.202331.961.60.202d平均值0.202LiF晶体的晶面间距d=0.202nm3. 测量X光的吸收与材料厚度的关系I0=690与转动厚度d/mm0（0）669.3-0.03681.5-0.0110（0.5）321.8-0.76294.6-0.8520（1.0）150