X射線的探測(cè)與在材料中的衰減

1、- #-圖1X光管結(jié)構(gòu)圖- - -圖1X光管結(jié)構(gòu)圖- #-X射線的探測(cè)與在材料中的衰減X射線是德國科學(xué)家倫琴（WCR&ntgen）于1895年在研究陰極射線管時(shí)發(fā)現(xiàn)的，是人類揭開研究微觀世界序幕的“三大發(fā)現(xiàn)”之一，給醫(yī)學(xué)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究帶來了新的希望.就在倫琴宣布發(fā)現(xiàn)X射線的第四天，一位美國醫(yī)生就用X射線照相發(fā)現(xiàn)了傷員腳上的子彈從此，對(duì)于醫(yī)學(xué)來說，X射線就成了神奇的醫(yī)療手段因?yàn)檫@一具有劃時(shí)代意義的重大發(fā)現(xiàn)，倫琴于1901年被授予第一屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)X射線可用來幫助人們進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷和治療；也可用于工業(yè)上的非破壞性材料的檢查；在基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，則被廣泛用于晶體結(jié)構(gòu)分析、化學(xué)分析和原子結(jié)構(gòu)

2、的研究.有關(guān)X射線的實(shí)驗(yàn)非常豐富，其內(nèi)容十分廣泛而深刻.本實(shí)驗(yàn)用德國萊寶公司生產(chǎn)的X射線實(shí)驗(yàn)儀及附件，對(duì)X射線影像、X射線在材料中的衰減進(jìn)行研究，從而對(duì)X射線的產(chǎn)生、特點(diǎn)和應(yīng)用有初步的認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹砍醪搅私釾射線的產(chǎn)生、基本性質(zhì)；觀察X射線影像；研究X射線的衰減與吸收體厚度的關(guān)系研究X射線的衰減與吸收體物質(zhì)的關(guān)系實(shí)驗(yàn)原理】X射線的產(chǎn)生、基本性質(zhì)X射線和可見光線一樣，也是電磁波的一種，不同的是較之可見光，它的波長更短，介于紫外線和Y射線之間，約10nm0.001nm（注：1nm=10-9m）.波長小于0.01nm的稱為超硬X射線，在0.010.1nm范圍內(nèi)的稱為硬X射線，0.110nm范圍內(nèi)的稱

3、為軟X射線其中，波長較短的硬X射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析；波長較長的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于非金屬的分析醫(yī)學(xué)上采用的X射線波長為1nm10nm。X射線的產(chǎn)生有多種方式。高速運(yùn)動(dòng)的電子流、Y射線、中子流等高能輻射流在突然減速時(shí)均能產(chǎn)生X射線。目前最常用的方式是通過高速運(yùn)動(dòng)的電子流轟擊金屬靶來獲得的。在實(shí)驗(yàn)室中X射線由X射線管產(chǎn)生，X射線管是具有陰極和陽極的真空石英管，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：是接地陰極,即電子發(fā)射極，用鎢絲構(gòu)成，通電加熱后可發(fā)射電子；是陽極靶材，本實(shí)驗(yàn)中采用鉬靶，工作時(shí)加以幾萬伏的高壓電子在高壓作用下轟擊鉬原子而產(chǎn)生X光銅塊和螺旋狀熱沉用

4、以散熱是管腳高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊陽極靶時(shí)，其能量的絕大部分（99%）轉(zhuǎn)化為熱能而損失，只有極少部分的能量轉(zhuǎn)化為X射線。所以X射線管工作時(shí)靶極必須散熱冷卻.經(jīng)過X射線管發(fā)射出的X射線分為兩種：連續(xù)光譜和標(biāo)識(shí)光譜能量為eU的電子與陽極靶的原子碰撞時(shí)，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個(gè)能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線.單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽極靶面的電子數(shù)目是極大量的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，因此出現(xiàn)連續(xù)X射線譜.因?yàn)檫B續(xù)光譜是由于高速電子受靶極阻擋而產(chǎn)生的軔致輻射，所以其短波極限人由加速電壓U決定：入=hc/eU,其中h為普朗克常數(shù)，e為電子電

5、量，c為真空中的光速連續(xù)光譜又稱為“白色”X射線，包含了從短波限*開始的全部波長，其強(qiáng)度隨波長變化連續(xù)地改變。從短波限開始隨著波長的增加強(qiáng)度迅速達(dá)到一個(gè)極大值，之后逐漸減弱,趨向于零（圖2）。當(dāng)增加管壓時(shí)，電子動(dòng)能增加，電子與靶的碰撞次數(shù)和輻射出來的X射線光量子的能量都增高，因此連續(xù)譜各波長的強(qiáng)度都相應(yīng)增高，人減小。當(dāng)管壓不變，增加管流時(shí)，X射線光量子數(shù)目增加，連續(xù)譜各波長的強(qiáng)度都相應(yīng)增高，但光量子能量不變，短波極限也不變。標(biāo)識(shí)光譜的產(chǎn)生則與陽極靶材的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個(gè)能級(jí).在電子轟擊陽極的過程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽極靶原子

6、的內(nèi)層電子擊出時(shí)，于是在低能級(jí)上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài).較高能級(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)X射線譜.每種元素各有一套特定的標(biāo)識(shí)譜，反映了原子殼層結(jié)構(gòu)的特征.K系激發(fā)與輻射是將原子系統(tǒng)的K層電子擊走，原子系統(tǒng)的能量由基態(tài)升高至K激發(fā)態(tài)，這個(gè)過程稱為K系激發(fā)。K層能級(jí)被高能級(jí)電子填充時(shí)產(chǎn)生的輻射稱為K系輻射。K系輻射分K輻射和輻射。其中%輻射：在K系輻射中，由M層電子填充K層能級(jí)時(shí)產(chǎn)生的輻射K輻射：在K系輻射中，由L層電子填充K層能級(jí)時(shí)產(chǎn)生的輻射a圖2X射線管產(chǎn)生的X射線的波長譜L層電子填充K層能級(jí)的幾率遠(yuǎn)大于M層電子填充K層能級(jí)的幾率，故K輻射產(chǎn)生a

7、的光量子數(shù)目遠(yuǎn)大于匕輻射，因此K輻射的pa強(qiáng)度遠(yuǎn)大于輻射的強(qiáng)度。除去不需要的Kp線，使用過濾片是最簡(jiǎn)單的單色化方法，使X射線管產(chǎn)生的X射線二單色化，同時(shí)使用Kp濾波片還可以吸收掉大部分的“白色”射線。本實(shí)驗(yàn)采用鋯濾片。X射線的強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)通過與X射線傳播方向垂直的單位面積上的所有光量子的能量總和。經(jīng)驗(yàn)公式表明連續(xù)X射線譜的總強(qiáng)度與X射線管電流、陽極靶材的原子序數(shù)（Z）及管電壓（V）的平方成正比。X射線的探測(cè)因人的肉眼看不見X射線，故利用它與物質(zhì)相互作用發(fā)生的現(xiàn)象來判斷其有無和強(qiáng)度，主要有以下幾種方法:熒光屏法當(dāng)X射線照射到熒光物質(zhì)上時(shí)，熒光物質(zhì)受激發(fā)而發(fā)出可見的熒光，由此確定X射線的有無

8、和強(qiáng)弱例如把計(jì)算器放在熒光屏前，用不同的管高壓和管電流來照射，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)管電流一定時(shí)(一般取I=1.00mA)，高壓越大，透射象的強(qiáng)度越強(qiáng)，清晰程度越好；同樣，當(dāng)高壓一定時(shí)(一般取U=32KV),電流越大，透射象的強(qiáng)度越強(qiáng)，清晰程度越好.X射線照相法X射線對(duì)照相底片的作用與普通可見光很相似因此在記錄衍射花樣時(shí)廣泛使用照相底片例如：把膠片放在膠片架上，用不同的管電流和照射時(shí)間來照射，發(fā)現(xiàn)：在相同的時(shí)間照射下，管電流越大，即X射線強(qiáng)度越強(qiáng)，膠片越黑；在X射線的強(qiáng)度一樣下，照射時(shí)間越長，膠片也越黑也就是說X射線照射劑量越大，膠片越黑.電離法X射線光子和高速電子一樣，也能引起氣體電離，即從氣體分子中打出

9、電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)正離子.電離現(xiàn)象可以作為測(cè)量X射線強(qiáng)度的基礎(chǔ).X射線的衰減X射線穿過物質(zhì)之后，強(qiáng)度會(huì)衰減。這是因?yàn)閄射線同物質(zhì)相互作用時(shí)經(jīng)歷各種復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，從而引起各種效應(yīng)轉(zhuǎn)化了入射線的部分能量。如下圖所示：假設(shè)入射線的強(qiáng)度為R0,通過厚度dx的吸收體后，由于在吸收體內(nèi)受到“毀滅性”的相互作用，強(qiáng)度必然會(huì)減少，減少量dR顯然正比于吸收體的厚度dx,也正比于束流的強(qiáng)度R,若定義卩為X射線通過單位厚度時(shí)被吸收的比率，則有(圖3)：-dR，Rdx(1)考慮邊界條件并進(jìn)行積分，則得：R，Re-x(2)0- -圖1X光管結(jié)構(gòu)圖- #-R透射率T，則得:R0e，x或lnT二卩x（4）式中“稱為

10、線衰減系數(shù)，x為試樣厚度。我們知道，衰減至少應(yīng)被視為物質(zhì)對(duì)入射線的散射和吸收的結(jié)果，系數(shù)“應(yīng)該是這兩部分作用之和。但由于因散射而引起的衰減遠(yuǎn)小于因吸收而引起的衰減，故通常直接稱“為線吸收系數(shù)，而忽略散射的部分。本實(shí)驗(yàn)研究X射線的衰減與吸收體厚度的關(guān)系，以及吸收體物質(zhì)種類（原子序數(shù)）的關(guān)系。【實(shí)驗(yàn)儀器】1、X射線實(shí)驗(yàn)儀圖4為X射線實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，其正面裝有兩扇鉛玻璃門，既可看清楚X光管和實(shí)驗(yàn)裝置的工作狀況，又保證了人身不受到X射線的危害.為保護(hù)操作者的安全，一旦打開玻璃門，X光管上的高壓會(huì)立即斷開該裝置分為三個(gè)工作區(qū)：中間是X光管，右邊是實(shí)驗(yàn)區(qū)，左邊是監(jiān)控區(qū).X光管的結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)原理中已介紹，這里

11、不重復(fù).右邊的實(shí)驗(yàn)區(qū)可安排各種實(shí)驗(yàn)A1：準(zhǔn)直器一準(zhǔn)直器前后端面各開有一條狹縫，使得從準(zhǔn)直器出射X光形成一束平行的片狀光束.準(zhǔn)直器前端可套上各種濾波器；A2：安放晶體樣品的靶臺(tái)；A3：裝有G-M計(jì)數(shù)管的傳感器，它用來探測(cè)X光的強(qiáng)度.G-M計(jì)數(shù)管是一種用來測(cè)量X射線強(qiáng)度的探測(cè)器，其計(jì)數(shù)率與所測(cè)X射線的強(qiáng)度成正比由于本裝置的X射線強(qiáng)度不大，因此計(jì)數(shù)管的計(jì)數(shù)率較低，計(jì)數(shù)的相對(duì)不確定度較大；（根據(jù)放射性的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,射線的強(qiáng)度可表示為N，故計(jì)數(shù)率N越大相對(duì)不確定度越小.）延長計(jì)數(shù)管每次測(cè)量的持續(xù)時(shí)間，從而增大總強(qiáng)度計(jì)數(shù)N，有利于減少計(jì)數(shù)的相對(duì)不確定度.監(jiān)控區(qū)X光管實(shí)驗(yàn)區(qū)- -圖1X光管結(jié)構(gòu)圖- #-匚匚耳

12、rrnrrnBE0.ss00/0Ooooooi此區(qū)內(nèi)所有操作必須帶上手套進(jìn)行！圖4X射線實(shí)驗(yàn)儀A2和A3都可以轉(zhuǎn)動(dòng)，并可通過測(cè)角器分別測(cè)出它們的轉(zhuǎn)角.A4：熒光屏，它是一塊表面內(nèi)涂有熒光物質(zhì)的圓形鉛玻璃平板，平時(shí)外面有一塊蓋板遮住，以免環(huán)境光太亮而損害熒光物質(zhì)；讓X光打在熒光屏上，打開蓋板，即可在熒光屏的右側(cè)外面直接看到X光的熒光，但因熒光較弱，此觀察應(yīng)在較暗的環(huán)境中進(jìn)行左邊的監(jiān)控區(qū)包括電源和各種控制裝置B1：液晶顯示區(qū)，分上下兩行，上行顯示G-M計(jì)數(shù)管的計(jì)數(shù)率N（正比與X光光強(qiáng)R），下行顯示工作參數(shù).B2:大轉(zhuǎn)盤，用來調(diào)節(jié)和設(shè)置各參數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)應(yīng)緩慢。B3含五個(gè)設(shè)置按鍵，確定B2所調(diào)節(jié)和設(shè)置的對(duì)

13、象，這五個(gè)按鍵從上至下依次是：1）U:設(shè)置X光管上所加的高壓值（通常取35KV）;2）I：設(shè)置X光管內(nèi)的電流值（通常取1.00mA）;3）t:設(shè)置每次測(cè)量的持續(xù)時(shí)間（通常取5s10s）;4）卩：設(shè)置自動(dòng)測(cè)量時(shí)測(cè)角器每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，即角步幅（通常取0.1，）;5）卩-LIMIT：在選定掃描模式后，設(shè)置自動(dòng)測(cè)量時(shí)測(cè)角器的掃描范圍，即上限角與下限角.（第一次按此鍵時(shí)，顯示器上出現(xiàn)“廠”符號(hào)，此時(shí)利用B2選擇下限角；第二次按此鍵時(shí)，顯示器上出現(xiàn)“L符號(hào)，此時(shí)利用B2選擇上限角.）B4有三個(gè)掃描模式選擇按鍵和一個(gè)歸零按鍵.三個(gè)掃描模式按鍵從左至右依次是：1）SENSOR：傳感器掃描模式，按下此鍵時(shí)，可利

14、用B2手動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器的角位置，也可用卩-LIMIT設(shè)置自動(dòng)掃描時(shí)傳感器的上限角和下限角，顯示器的下行此時(shí)顯示傳感器的角位置;2）TARGET：靶臺(tái)掃描模式，按下此鍵時(shí)，可利用B2手動(dòng)旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)的位置，也可卩-LIMIT設(shè)置自動(dòng)掃描時(shí)傳感器的上限角和下限角，顯示器的下行此時(shí)顯示靶臺(tái)的角位置;- - -3）COUPLED:耦合掃描模式，按下此鍵時(shí)，可利用B2手動(dòng)同時(shí)旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)和傳感器的角位置一一傳感器的轉(zhuǎn)角自動(dòng)保持為靶臺(tái)轉(zhuǎn)角的2倍（如圖2q5），而顯示器的下行此時(shí)顯示靶臺(tái)的q角位置，也可用卩-LIMIT設(shè)置自動(dòng)掃描時(shí)傳感器的上限角和下限角.4）歸零按鍵是ZERO:按下此鍵后，靶圖5:COUPLED模式

15、下靶臺(tái)和傳感器的角位置臺(tái)和傳感器都回到0位，但此0位是上次實(shí)驗(yàn)時(shí)人為確定的.B5有五個(gè)操作鍵，它們依次是：1）reset:按下此鍵，靶臺(tái)和傳感器都回到測(cè)量系統(tǒng)的0位置，所有參數(shù)都回到缺省值，X光管的高壓斷開：2）REPLAY：按下此鍵，儀器會(huì)把最后的測(cè)量數(shù)據(jù)再次輸出至計(jì)算機(jī)或記錄儀上；3）SCAN（NO/OFF）：此鍵是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的開關(guān)鍵，按下此鍵，在X光管上就加了高壓，測(cè)角器開始自動(dòng)掃描，所得數(shù)據(jù)會(huì)被儲(chǔ)存起來（若開啟了計(jì)算機(jī)的相關(guān)程序，則所得數(shù)據(jù)自動(dòng)輸出至計(jì)算機(jī)）；4）:此鍵是聲脈沖開關(guān)；5）HV（ON/OFF）：此鍵開關(guān)X光管上的高壓，它上面的指示燈閃爍時(shí)，表示已加了高壓.2、吸收體如圖

16、6所示，實(shí)驗(yàn)中用到兩種吸收體來研究X射線衰減與吸收體厚度、吸收體物質(zhì)（原子序數(shù)）的關(guān)系。圖6吸收體吸收體1：鋁質(zhì)，厚度分別為0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3mm。吸收體2：厚度均為0.5mm，材質(zhì)分別為聚苯乙烯（原子序數(shù)Z=6）、鋁（Z=13）、鐵（Z=26）、銅（Z=29）、鋯（Z=40）、銀（Z=47）?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】觀察X射線影像，記錄下看到的情況，并進(jìn)行分析。1）研究熒光屏亮度變化移走準(zhǔn)直器，在傳感器掃描模式下將傳感器轉(zhuǎn)至一合適角度，使之不影響X射線對(duì)熒光屏的照射。移去熒光屏保護(hù)蓋。關(guān)閉鉛玻璃門，打開高壓源，設(shè)置加在X光管上的電流為1mA，改變高壓值從0到35kV，觀察熒光

17、屏上亮度變化。關(guān)閉鉛玻璃門，打開高壓源，設(shè)置加在X光管上的高壓為35kV，改變電流值從0到1mA,觀察熒光屏上亮度變化。2）將計(jì)算器夾在支架上，打開鉛玻璃門，將該物體放置于熒光屏和X射線源之間。關(guān)閉鉛玻璃門，打開高壓源，設(shè)置加在X光管上的電流為1mA，改變高壓值從0到35kV，觀察熒光屏上像亮度、對(duì)比度變化。關(guān)閉鉛玻璃門，打開高壓源，設(shè)置加在X光管上的高壓為35kV，改變電流值從0到1mA，觀察熒光屏上像亮度、對(duì)比度變化。3）請(qǐng)同學(xué)自己準(zhǔn)備一兩樣含兩種以上物質(zhì)的物品（注：要考慮對(duì)X光的吸收不同和分布情況，其最大投影面積7cm7cm）;設(shè)置加在X光管上的高壓值和電流值，觀察熒光屏上該物體的影像；

18、2X射線衰減1）吸收體的安裝仔細(xì)裝上準(zhǔn)直器，將吸收體系列的滑槽放進(jìn)靶支架的90彎曲的狹縫中，并盡可能的滑進(jìn)靶支架。關(guān)閉鉛玻璃門按ZERO鍵，使測(cè)角器歸零。2）測(cè)量背景影響設(shè)置X光管的高壓U=0KV，電流I=0mA，角步幅卩0，測(cè)量時(shí)間At300s。測(cè)量光強(qiáng)。3）X射線衰減與吸收體厚度的關(guān)系直準(zhǔn)器前沒安裝鋯濾片（Zr）按ZERO鍵，使測(cè)角器歸零。a、設(shè)置X光管的高壓U=21KV，電流I=0.05mA,角步幅A,，測(cè)量時(shí)間At100s。b、按TARGET鍵，用ADJUST旋鈕，使靶的角度依次為0、10、20、30、40、50、60（每轉(zhuǎn)動(dòng)10吸收體厚度增加0.5mm）。c、分別按SCAN鍵進(jìn)行自動(dòng)

19、掃描、掃描完畢后，按REPLAY鍵，讀取數(shù)據(jù)。繪制透射率隨厚度d變化圖、透射率對(duì)數(shù)值隨d變化圖，利用線性擬合得到線衰減系數(shù)卩。（選做）分別改變高壓和管流，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何？直準(zhǔn)器前安裝鋯濾片（Zr）按ZERO鍵，使測(cè)角器歸零。a、設(shè)置X光管的高壓U=21KV，電流I=0.15mA，角步幅A,，測(cè)量時(shí)間At200s。b、按TARGET鍵，用ADJUST旋鈕，使靶的角度依次為00、10、20、30o、40o、50o、60o。c、分別按SCAN鍵進(jìn)行自動(dòng)掃描、掃描完畢后，按REPLAY鍵，讀取數(shù)據(jù)。繪制透射率隨厚度d變化圖、透射率對(duì)數(shù)值隨d變化圖，利用線性擬合得到線衰減系數(shù)卩。4）X射線衰減與吸收體物質(zhì)

20、（原子序數(shù)）的關(guān)系、直準(zhǔn)器前沒安裝鋯濾片（Zr）按ZERO鍵，使測(cè)角器歸零設(shè)置X光管的高壓U=30KV,電流I=0.02mA,角步幅卩,，測(cè)量時(shí)間人t,30s。按TARGET鍵，用ADJUST旋鈕，使靶的角度依次為0、10、20。（每轉(zhuǎn)動(dòng)約10吸收體物質(zhì)發(fā)生改變）。按SCAN鍵進(jìn)行自動(dòng)掃描。掃描完畢后，按REPLAY鍵，讀取數(shù)據(jù)。設(shè)置X光管的高壓U=30KV，電流I=1.00mA,角步幅卩,，測(cè)量時(shí)間人t,300s。按TARGET鍵，用ADJUST旋鈕，使靶的角度依次為30、40、50、60。按SCAN鍵進(jìn)行自動(dòng)掃描。掃描完畢后，按REPLAY鍵，讀取數(shù)據(jù)。繪制線衰減系數(shù)卩隨原子序數(shù)Z變化圖。直準(zhǔn)器前安裝鋯濾片（Zr）按ZERO鍵，使測(cè)角器歸零設(shè)置X光管的高壓U=30KV，電流I=0.02mA,角步幅卩,，測(cè)量時(shí)間At，30so按TARGET鍵，用ADJUST旋鈕，使靶的角度依次為0、10、20。按SCAN鍵進(jìn)行自動(dòng)掃描。掃描完畢后，按REPLAY鍵，讀取數(shù)據(jù)。設(shè)置X光