X射线的探测及在材料中的衰减.doc

X射线的探测与在材料中的衰减X射线是德国科学家伦琴（W.C.Röntgen）于1895年在研究阴极射线管时发现的，是人类揭开研究微观世界序幕的“三大发现”之一，给医学和物质结构的研究带来了新的希望．就在伦琴宣布发现X射线的第四天，一位美国医生就用X射线照相发现了伤员脚上的子弹．从此，对于医学来说，X射线就成了神奇的医疗手段．因为这一具有划时代意义的重大发现，伦琴于1901年被授予第一届诺贝尔物理学奖．X射线可用来帮助人们进行医学诊断和治疗；也可用于工业上的非破坏性材料的检查；在基础科学和应用科学领域内，则被广泛用于晶体结构分析、化学分析和原子结构的研究．有关X射线的实验非常丰富，其内容十分广泛而深刻．本实验用德国莱宝公司生产的X射线实验仪及附件，对X射线影像、X射线在材料中的衰减进行研究，从而对X射线的产生、特点和应用有初步的认识．【实验目的】1. 初步了解X射线的产生、基本性质；2. 观察X射线影像；3. 研究X射线的衰减与吸收体厚度的关系； 4. 研究X射线的衰减与吸收体物质的关系．【实验原理】1． X射线的产生、基本性质图1 X光管结构图X射线和可见光线一样，也是电磁波的一种，不同的是较之可见光，它的波长更短，介于紫外线和γ射线之间，约10 nm ~ 0.001 nm（注：1 nm = 10-9 m）．波长小于0.01 nm的称为超硬X射线，在0.01 ~ 0.1 nm范围内的称为硬X射线，0.1 ~ 10 nm范围内的称为软X射线．其中，波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析；波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属的分析．医学上采用的X射线波长为1 nm ~ 10 nm。

X射线的产生有多种方式高速运动的电子流、γ射线、中子流等高能辐射流在突然减速时均能产生X射线目前最常用的方式是通过高速运动的电子流轰击金属靶来获得的在实验室中X射线由X射线管产生，X射线管是具有阴极和阳极的真空石英管，其结构如图1所示：①是接地阴极，即电子发射极，用钨丝构成，通电加热后可发射电子；②是阳极靶材，本实验中采用钼靶，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．③铜块和④螺旋状热沉用以散热．⑤是管脚．高速运动的电子轰击阳极靶时，其能量的绝大部分（~99%）转化为热能而损失，只有极少部分的能量转化为X射线所以X射线管工作时靶极必须散热冷却．经过X射线管发射出的X射线分为两种：连续光谱和标识光谱．能量为eU的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hn的光子，这样的光子流即为X射线．单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱． 因为连续光谱是由于高速电子受靶极阻挡而产生的轫致辐射，所以其短波极限λ0由加速电压U决定：lλ0 = hc/eU，其中h为普朗克常数，e为电子电量，c为真空中的光速．连续光谱又称为“白色”X射线，包含了从短波限λ0开始的全部波长，其强度随波长变化连续地改变。

从短波限开始随着波长的增加强度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向于零（图2）当增加管压时，电子动能增加，电子与靶的碰撞次数和辐射出来的X射线光量子的能量都增高，因此连续谱各波长的强度都相应增高，λ0减小当管压不变，增加管流时，X射线光量子数目增加，连续谱各波长的强度都相应增高，但光量子能量不变，短波极限也不变标识光谱的产生则与阳极靶材的原子内部结构紧密相关的．原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级．在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态．较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱．每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构的特征．K系激发与辐射是将原子系统的K层电子击走，原子系统的能量由基态升高至K激发态，这个过程称为K系激发K层能级被高能级电子填充时产生的辐射称为K系辐射K系辐射分Kα辐射和Kβ辐射其中Kβ辐射：在K系辐射中，由M层电子填充K层能级时产生的辐射Kα辐射：在K系辐射中，由L层电子填充K层能级时产生的辐射图2 X射线管产生的X射线的波长谱L层电子填充K层能级的几率远大于M层电子填充K层能级的几率，故Kα辐射产生的光量子数目远大于Kβ辐射，因此Kα辐射的强度远大于Kβ辐射的强度。

除去不需要的Kβ线，使用过滤片是最简单的单色化方法，使X射线管产生的X射线单色化，同时使用Kβ滤波片还可以吸收掉大部分的“白色” 射线本实验采用锆滤片X射线的强度是指单位时间内通过与X射线传播方向垂直的单位面积上的所有光量子的能量总和经验公式表明连续X射线谱的总强度与X射线管电流（i）、阳极靶材的原子序数（Z）及管电压（V）的平方成正比2． X射线的探测因人的肉眼看不见X射线，故利用它与物质相互作用发生的现象来判断其有无和强度，主要有以下几种方法：(1) 荧光屏法当X射线照射到荧光物质上时，荧光物质受激发而发出可见的荧光，由此确定X射线的有无和强弱．例如把计算器放在荧光屏前，用不同的管高压和管电流来照射，发现：当管电流一定时（一般取I = 1.00 mA），高压越大，透射象的强度越强，清晰程度越好；同样，当高压一定时（一般取U = 32 KV），电流越大，透射象的强度越强，清晰程度越好．(2) X射线照相法 X射线对照相底片的作用与普通可见光很相似．因此在记录衍射花样时广泛使用照相底片．例如：把胶片放在胶片架上，用不同的管电流和照射时间来照射，发现：在相同的时间照射下，管电流越大，即X射线强度越强，胶片越黑；在X射线的强度一样下，照射时间越长，胶片也越黑．也就是说X射线照射剂量越大，胶片越黑．(3) 电离法X射线光子和高速电子一样，也能引起气体电离，即从气体分子中打出电子，同时产生一个正离子．电离现象可以作为测量X射线强度的基础． 3．X射线的衰减X射线穿过物质之后，强度会衰减。

这是因为X射线同物质相互作用时经历各种复杂的物理、化学过程，从而引起各种效应转化了入射线的部分能量如下图所示：图3 X射线的衰减假设入射线的强度为R0，通过厚度dx的吸收体后 ，由于在吸收体内受到“毁灭性”的相互作用，强度必然会减少，减少量dR显然正比于吸收体的厚度dx，也正比于束流的强度R，若定义μ为X射线通过单位厚度时被吸收的比率，则有（图3）： 　　　 （1）考虑边界条件并进行积分，则得： 　　 　 （2）透射率 ，则得： （3） （4）式中μ称为线衰减系数，x为试样厚度我们知道，衰减至少应被视为物质对入射线的散射和吸收的结果，系数μ应该是这两部分作用之和但由于因散射而引起的衰减远小于因吸收而引起的衰减，故通常直接称μ为线吸收系数，而忽略散射的部分本实验研究X射线的衰减与吸收体厚度的关系，以及吸收体物质种类（原子序数）的关系实验仪器】1、X射线实验仪 图4为X射线实验装置示意图，其正面装有两扇铅玻璃门，既可看清楚X光管和实验装置的工作状况，又保证了人身不受到X射线的危害．为保护操作者的安全，一旦打开玻璃门，X光管上的高压会立即断开．该装置分为三个工作区：中间是X光管，右边是实验区，左边是监控区．X光管的结构在实验原理中已介绍，这里不重复． 右边的实验区可安排各种实验．A1：准直器——准直器前后端面各开有一条狭缝，使得从准直器出射X光形成一束平行的片状光束．准直器前端可套上各种滤波器；A2：安放晶体样品的靶台；A3：装有G - M计数管的传感器，它用来探测X光的强度．G - M计数管是一种用来测量X射线强度的探测器，其计数率与所测X射线的强度成正比．由于本装置的X射线强度不大，因此计数管的计数率较低，计数的相对不确定度较大；（根据放射性的统计规律，射线的强度可表示为，故计数率N越大相对不确定度越小．）延长计数管每次测量的持续时间，从而增大总强度计数N，有利于减少计数的相对不确定度．图4 X射线实验仪A2和A3都可以转动，并可通过测角器分别测出它们的转角．A4：荧光屏，它是一块表面内涂有荧光物质的圆形铅玻璃平板，平时外面有一块盖板遮住，以免环境光太亮而损害荧光物质；让X光打在荧光屏上，打开盖板，即可在荧光屏的右侧外面直接看到X光的荧光，但因荧光较弱，此观察应在较暗的环境中进行．左边的监控区包括电源和各种控制装置．B1：液晶显示区，分上下两行，上行显示G - M计数管的计数率N（正比与X光光强R），下行显示工作参数．B2：大转盘，用来调节和设置各参数．转动时应缓慢。

B3含五个设置按键，确定B2所调节和设置的对象，这五个按键从上至下依次是：1) U：设置X光管上所加的高压值（通常取35 KV）；2) I：设置X光管内的电流值（通常取1.00 mA）；3) Dt：设置每次测量的持续时间（通常取5 s ~ 10 s）；4) Db：设置自动测量时测角器每次转动的角度，即角步幅（通常取0.1 °）；5) b - LIMIT：在选定扫描模式后，设置自动测量时测角器的扫描范围，即上限角与下限角．（第一次按此键时，显示器上出现“↓”符号，此时利用B2选择下限角；第二次按此键时，显示器上出现“↑”符号，此时利用B2选择上限角．）B4有三个扫描模式选择按键和一个归零按键．三个扫描模式按键从左至右依次是：1) SENSOR：传感器扫描模式，按下此键时，可利用B2手动旋转传感器的角位置，也可用b - LIMIT设置自动扫描时传感器的上限角和下限角，显示器的下行此时显示传感器的角位置；2) TARGET：靶台扫描模式，按下此键时，可利用B2手动旋转靶台的位置，也可b - LIMIT设置自动扫描时传感器的上限角和下限角，显示器的下行此时显示靶台的角位置；图5：COUPLED模式下靶台和传感器的角位置3) COUPLED：耦合扫描模式，按下此键时，可利用B2手动同时旋转靶台和传感器的角位置——传感器的转角自动保持为靶台转角的2倍（如图5），而显示器的下行此时显示靶台的角位置，也可用b - LIMIT设置自动扫描时传感器的上限角和下限角．4) 归零按键是ZERO：按下此键后，靶台和传感器都回到0位，但此0位是上次实验时人为确定的．B5有五个操作键，它们依次是：1) RESET：按下此键，靶台和传感器都回到测量系统的0位置，所有参数都回到缺省值，X光管的高压断开：2) REPLAY：按下此键，仪器会把最后的测量数据再次输出至计算机或记录仪上；3) SCAN(NO/OFF)：此键是整个测量系统的开关键，按下此键，在X光管上就加了高压，测角器开始自动扫描，所得数据会被储存起来（若开启了计算机的相关程序，则所得数据自动输出至计算机．）；4) ：此键是声脉冲开关；5) HV(ON/OFF)：此键开关X光管上的高压，它上面的指示灯闪烁时，表示已加了高压．2、吸收体如图6所示，实验中用到两种吸收体来研究X射线衰减与吸收体厚度、吸收体物质（原子序数）的关系。

图6 吸收体吸收体1：铝质，厚度分别为0，0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3mm吸收体2：厚度均为0.5mm，材质分别为聚苯乙烯（原子序数Z=6）、铝（Z=13）、铁（Z=26）、铜（Z=29）、锆（Z=40）、银（Z=47）。