X射线实验报告

X射线的吸收和单晶布拉格衍射

及其能谱特性研究实验

实验报告

姓名：任宇星班级：F1407204（致远物理）学号：

5140729003

指导老师：叶庆好实验日期：2016.4.1

一、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材料的关系．

二、实验内容

1．实验研究X射线衰减与吸收体物质材料厚度和吸收体材料的关系，并分析实验结果。

2．测定NaCl 单晶的X射线布拉格衍射谱。

3．研究杜红—昆特关系，测定普朗克常数，并分析实验结果。

4．研究X射线的边缘吸收，分析解释实验现象。

三、实验仪器

X射线管，NaCl晶体，吸收体样品，Zr滤罩

四、实验原理

1、研究X射线的衰减与吸收体厚度的关系

理论上透射强度R= R0

X射线衰减与吸收体物质材料厚度的关系满足Lambert定律，即透射率T 随吸收体物质材料厚度的增大，呈指数衰减。

或

其中T为透射率，为透射前计数和透射后计数的比值，为衰减系数，x为材料厚度。

不同厚度的吸收样品置于同一圆弧状底片上，中心间距10°，（0°处厚度为0）则对准第一个中心位置，设置好仪器参数不变，逐次将底片旋转10°，记下透射强度（各角度均测100秒透射计数平均值），即可得到X射线的衰减与吸收体厚度的关系。

再加上Zr滤罩，每个位置取300s计数平均值，重复实验。

2、研究X射线的衰减与吸收体物质的关系

与上实验装置类似，不同材料的吸收片间隔排列，依次旋转底片即得X射线的衰减与吸收体材料的关系。

3、测定NaCl 单晶的X射线布拉格衍射谱

布拉格衍射公式:

其中d为晶面间距，n为衍射级数，为入射波波长。

将NaCl单晶置于X射线管中，等时间间隔旋转一定角度。测得各角度下的衍射强度即得其布拉格衍射谱。

已知的初级衍射角为7.2度，将样品台和探测头调整至0点，在2度至25度之间扫描，即可得到NaCl单晶的布拉格衍射谱。

4、研究杜红—昆特关系，测定普朗克常数

X光子能量关系:

则：

即最小波长和电压的倒数成正比。

故测得即可计算普朗克常量h.

用已有的程序进行计算波长的值：

其中d=282.01pm，由此可以得到R关于波长的曲线

5、研究X射线的边缘吸收

材料吸收X射线时，对某些波长的X光会出

现透射率的突变：

对应频率称边缘频率。

实验中，用同样的材料作为x射线发射管，发射出两个波长的射线，峰值分别为和，两个波长满足关系：

我们测定某特定材料的吸收系数。

设定U = 30.0 kV I = 1.00 mA，从4.2度到8.3度每0.1度取一个数据点，得到一条吸收。加上Zr滤罩，重复实验，得到稍低的另一条曲线。

测量各峰值面积，代入下方公式计算的辐射特征：

五、实验数据及处理

1、研究X射线的衰减与吸收体厚度的关系（U=22.0kV,I=0.20mA）

无Zr滤罩

有Zr滤罩

实验软件所得曲线

有Zr滤罩

无Zr滤罩

T-x、LnT-x关系如下图所示：

根据Origin拟合，衰减系数为：(无Zr) μ=8.3869+0.1898/mm-1,u=2.26%

(有Zr) μ=10.7164+0.2719/mm-1,u=2.54% 可以看到与理论上呈指数衰减的规律吻合得较好。

2、研究X射线的衰减与吸收体材料的关系

参数设置：

0°、10°(C)、20°（Al）：U=30.0kV,I=0.02mA,t=30s；

30°(Zr)、40°(Fe)、50°(Ag)、60°(Cu)：U=30.0kV,I= 1.00Ma,t=300s；

背景：U=0 kV,I=1.0mA,t=300s

(背景所得吸收强度为:0.67)

又因为材料厚度为0.5mm,故算得材料的衰减系数如下表：

衰减系数μ随原子序数变化关系为：

3、测定NaCl 单晶的X射线布拉格衍射谱

调节仪器接受衍射的角度，依次从2°至25°，所得衍射谱如下：（U=35.0 kV,I=1mA）

根据软件采集的数据表可以读出：

理论上谱线波长分别为：λα=71.08pm，λβ=63.09pm

则：实验中衍射角与nλ关系为：

拟合得NaCl的晶格常数d=(282.7+0.8)pm,相对误差为0.3%

4、研究杜红—昆特关系，测定普朗克常数

设定仪器参数为：

测得曲线为：

利用实验软件得到最小波长与电压倒数的关系为：

斜率为k=1.20907pm•V

可以看到结果很符合杜红—昆特关系，即最小波长和电压的倒数成正比。

代入C=2.9979╳108m/s，e=1.60222╳10-19C

得h=e/C╳k=6.46╳10-34J·s,与理论值的相对误差为2.5%

5、研究X射线的边缘吸收

实验软件所得曲线为：

算得峰的面积及辐射特征值如下：

可以看到Zr滤罩对X射线的辐射特征值V有明显的减小作用。

六、对实验现象的思考探究

1、“探究X射线衰减率与吸收体厚度的关系”实验中，从实验曲线可以看到2.5mm 厚度的吸收体明显透射率偏大。

分析：1）注意到样品中2.5mm厚度的薄片位置与设定位置有偏差，角度偏大。可能因此而使样品的边缘对透射产生了影响，或有少量辐射从样品间的缝隙逸出，使得接收器探测到的辐射偏大，故实验测得透射率偏大。

2）可能由于探测器的测量及计算机的信号感应存在误差。

2、吸收体厚度对X射线衰减率的影响

1）X射线的衰减率与吸收体厚度成正相关。

2）同一种材料，衰减系数一定。

3、Zr滤罩对X射线衰减率的影响

1）增加Zr滤罩后，衰减率明显增加，衰减系数亦增加。

2）吸收材料及滤罩材料不变，衰减系数不变。

3）增加Zr滤罩对衰减率的增加程度与吸收样品的材料无关。

4、X射线衰减率与吸收样品材料的原子序数Z的关系。

1）当Z小于40（Zr）时，衰减系数随Z的增大而快速增加