正比计数管测量X射线的吸收和特征谱.doc

正比计数管测量X射线的吸收和特征谱 实验目的： （1）、学习使用正比计数器并熟悉其工作原理 （2）、了解X射线与物质的相互作用，及其在物质中的吸收规律； （3）、测量Cu的源激发X射线在Al中的质量吸收系数； （4）、验证元素特征X射线能量与原子序数Z的关系（莫塞莱关系）； 实验仪器： Be窗正比计数器1个、FH423电荷灵敏前置放大器1个、FH426B高压电源1个、FH1031A型低压电源1个、FH1002A线形放大器1个、UMS微机多道采集系统、样品台和屏蔽体1套 238Pu X射线源1个、55Fe X射线源1个、金属膜样品Ge、Zn、Cu、Fe、Cr、Ti各一个、未知金属样品三个、不同厚度的Al吸收片（0、2、4、6、8、10、12、14） 实验原理： X射线的吸收 一束单色X射线垂直入射到吸收体上时，通过吸收体后，其强度将减弱，即X射线被物质吸收。这一过程分为吸收和散射两部分。 其中吸收主要是光电吸收效应，即X射线激发原子内层电子逃逸后，高层电子跃迁发射本征X射线（其中最主要的K线系本征X射线）或放出俄歇电子（对轻元素发生机率较大）。散射主要是X射线与核外电子相互作用发生不改变波长的汤姆孙散射和改变波长的康普顿散射两个过程。 理论上X射线垂直通过厚度为t的物质后，强度衰减为 其中，μ为该物质对某一能量X射线的线性吸收系数，μ=Nσ，N为原子的数密度，σ为截面。 吸收系数除以物质的质量密度就是物质的质量吸收系数为μm 所以 Al吸收体在X射线能量为1.5596keV到6.20keV之间时，质量吸收系数的经验公式为 （2）X射线的特征谱 根据玻尔理论，核外电子跃迁时放出的光子能量为 其中n1,n2位电子终态、始态所处壳层的主量子数，对Kα线系n1=1,n2=2，根据特征X射线的能量，可以分辨吸收体的元素种类。 莫塞莱在实验中发现，轻元素的原子序数与Kα及Lα系特征X射线的频率v1/2之间存在线性关系。Kα系的关系为 （3）源激发X射线 源激发X射线是指由低能γ源、X射线源或轫致辐射源照射样品，激发样品原子的核外电子产生相应元素的本征X射线。激发源的活度一般在1mCi至1Ci之间，本实验中采用的是238Pu源。同时，源激发的本征X射线产额较低，因而需要有高分辨的探测器才能达到较好的效果。 （4）正比计数器 正比计数器的工作原理是当气体电离室的高压升至有限正比区时，正比计数管得输出电脉冲幅度与初电离事件数目成正比，而初电离事件数目与入射粒子的能量正比，所以正比计数器的电脉冲幅度直接正比于入射粒子的能量。它可将入射粒子（低能γ或X射线）产生的初电离效应放大许多倍，其输出脉冲幅度为，其中M为气体放大系数，N为初电离离子对数，C0为管子两电极间电容，e为单位电荷，负号表示负极性输出。正比管输出脉冲较大，自身噪声较小，可看成一个没有噪声的理想放大器，在测量低能粒子方面有独特的作用，广泛用于测量低能γ和X射线的强度和能量。 由于正比管对电离过程粒子对数的统计涨落，正比管的能量分辨率不高，仅考虑初电离粒子对数N和气体放大系数M引起的统计张落时，正比管的能量分辨率可以表达为 其中，，，F为法诺因子。统一写作 实验步骤： 打开低压电源使前置放大器处于工作状态，再打开高压电源预热60s； 逐渐增大高压至1900V，将Ge样品置于样品台上，调节线形放大其放大倍数，使Ge的Kα线峰位处于多道的700道左右； 依次放上金属样品Ge、Zn、Cu、Fe、Cr、Ti，各采集500s计数并记录Kα线峰位，查表得到6种样品的Kα线能量，线性拟合得到正比计数管的能量刻度曲线； 逐个测量3个未知样品的源激发X射线能谱，通过峰位道址计算各自的Kα线能量，查表辨别出元素名称； 放上Cu样品，依次逐个将带有0、2、4、6、8、10、12片Al金属片的吸收片插入样品台内，测量各自条件下500s的X射线能谱并保存，采用两种数据处理方式以0片Al膜为基准，得到X射线吸收后相对强度与Al膜厚度的关系曲线，并计算Cu的Kα线在Al中的质量吸收系数； 将Fe55样品置于样品台上，测量500s内的X射线能谱曲线，找到Kα线对应的峰，计算峰位、峰能量、半高宽并得到该能量下系统的能量分辨率。 五、实验结果和分析 （1） 系统工作状态参数： 高压：1900V 线形放大器放大倍数：16x1.66=26.56 （2） 正比计数管及配套系统的能量刻度 表1、6种金属样品对系统的能量刻度 样品 Ti Cr Fe Cu Zn Ge Kα线能量/keV 4.510 5.414 6.403 8.047 8.638 9.885 峰位道址V 298 353 429 548 579