X射线的康普顿散射

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）一．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 absorption 。

2、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）。

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αK 线，M 层到K 层的为βK 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：θλsin 2⋅⋅=⋅d n ，其中θ 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。

h cE λ⋅=h:普朗克常数 c:光速 λ：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v ，1λ和2λ是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：22012h ch cm c λλ⋅⋅+⋅=+M 0:电子的质量X 光子的动量为：λhp =动量的守恒导致21cos cos hhθυφλλ⋅+⋅=2sin sin 0hθυφλ⋅⋅=ϕθ,：碰撞角度（见上图）最终波长的改变量为()1201cos hm cλλθ-=-⋅ 常数0 2.43hpm m c=⋅ 定义为康普顿波长c λ， 本实验是利用一个铜箔来证明波长漂移现象的存在。

因为铜箔的透射系数T Cu 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： 100na pm Cu T eλ⎛⎫- ⎪⎝⎭= 其中α=7.6，n ＝2.75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R 0,接着是将铜箔放置在铝的前后得到的两个计数率R 1和R 2(看下图)。

因为计数率低，故背景辐射R 也要考虑。

则透射率是：R R R R T --=011 和 RR RR T --=022由此得到X 光子的平均波长1λ、2λ。

根据公式得到波长的漂移为12λλλ-=∆故有()()()()110201ln ln ln ln 100nn R R R R R R R R pm a a λ⎧⎫------⎡⎤⎡⎤⎪⎪∆=⋅-⎨⎬⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎪⎪⎩⎭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；β∆：步进角宽度,0°～20°β limits: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“↑”，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β 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G—M计数管的传感器。

3 测试软件本实验仪器专用的软件“X-ray Apparatus”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β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1／s)，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)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 ，β∆=0.1分别按COUPLED 和β 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θ自动转变为波长)(pm λ。

记录各级衍射峰的中心值（)(αλk 、)(βλk ），并求出其平均值。

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TARGET ，使用ADJUST 钮调节靶的角度到20°。

按下SENSOR ，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︒=∆0.0βa)无铜滤波器设定测量时间90t s ∆=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R 0。

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900t s ∆=后，实验步骤同a ），该计数率标为R 1。

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900t s ∆=后，实验步骤同a ），该计数率标为R 2。

d)背景效应取下铜滤波器，设定发射电流I=0，测量时间为900t s ∆=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：5μSv/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1μSv/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。

按下滑动门的锁销时，要注意观察X 射线管，确保其高压能自动切断。

不要将活的生物放入装置内。

不要让X 射线管的阳极过热。

当装置工作时，应确保X 射线管室的通风设备也在运转。

必须戴着手套后再进行样品的拿放五．思考题1，为什么要在出射的X 光前加锆滤波？ 2，简述Edge absorption 的原理。

3，将探测器转到145°的理由是什么，如果角度偏差（例如0.5°），会影响到计算结果吗？ 4，如果将测量时间加大，会减小误差吗？。