Поглинання електромагнітних хвиль у рентгенівському діапазоні

Автор Шиховцев Юрій
Студент магістратури КАУ, факультет фізики.

Завдання роботи:

перевірити відповідність реального характеру поглинання речовиною X-променів теоретичним припущенням; отримати залежність інтенсивності піків характеристичного випромінювання від товщини поглинаючого шару.

Обладнання:

рентгенівська камера, гоніометр, набір поглиначів, набір випромінювальних ламп, набір дифракційних кристалів, ПК.

Програмне забезпечення: PHYWE measure.

Теоретична частина

Поглинання рентгенівських променів металами описується рівнянням:

 де N0 – початкова інтенсивність променя, x – довжина шару метала, μ – лінійний коефіцієнт поглинання.

Кількісна характеристика поглинаючої речовини – товщина шару речовини, який при опроміненні поглинає половину початкової інтенсивності променя. Визначення цієї величини пов’язано з коефіцієнтом лінійного поглинання:

Рентгенівський фотон, що потрапляє в речовину, може здійснити один з таких процесів: вибити електрон, зіткнутися з електроном і змінити імпульс (розсіяння Комптона). Кожен з цих процесів зумовлює зменшення інтенсивності променя, що пройшов крізь товщу речовини. Домінантне значення для діапазону лабораторної установки відіграє фактор фотоефекту. Коефіцієнт фотоелектричного поглинання при цьому . Експериментально відомо співвідношення:

 де ρ – густина речовини, k – коефіцієнт пропорційності. k набуває різних значень залежно від того, чи достатньою є енергія фотона для іонізації електронної оболонки.

Дифракція рентгенівських променів описується рівнянням Вульфа-Брегга:

 ,

де d – міжплощинна відстань, θ – кут падіння променя на площину кристала, λ – довжина хвилі монохроматичного випромінювання, n – порядок дифракції (натуральне число).

Хід роботи

  1. Проведіть вимірювання спектру характеристичного випромінювання міді, заліза та молібдену, як описано в пп. 1–10 лабораторної роботи з теми “Рентгеноструктурний та рентгеноспектральний аналіз”, або відкрийте отриманий раніше результат. За спектром визначте довжини хвиль та частоти піків, користуючись формулою Вульфа-Брегга.

         Увага! Випромінювання, що не пройшло дифракцію на кристалі, надто інтенсивне для лічильника. Не встановлюйте малі кути повороту гоніометра надовго.

  1. Перерахуйте значення пікової інтенсивності з урахуванням інертності лічильника за формулою:

де N0 – виміряна інтенсивність, N – шукана реальна інтенсивність, t = 90 мкс – «мертвий час» лічильника.

  1. Повторіть вимірювання, встановивши на шляху променя алюмінієві поглинаючі пластини різної товщини. Проведіть експеримент не менш ніж 5 разів із різними комбінаціями пластин.
  2. Для пікових значень інтенсивності побудуйте графічні залежності величини від товщини поглинаючого шару алюмінію, де d – товщина поглинача,  – інтенсивність випромінювання без поглинача на довжині хвилі λ.
  3. Апроксимуйте залежності прямими та визначте μ і .
  4. Повторіть пункти 3–5 із цинковими поглиначами.
  5. Установіть такі параметри вимірювання: часовий крок – 50 с, кутовий крок – 1, кутові межі вимірювання – 6-30, анодна напруга – 25 кВ, анодний струм – 1 мА.
  6. Виміряйте спектр випромінювання лампи з аналізатором LiF для різних поглиначів:
  • Al, d = 0.025 мм, Z = 13, ρ = 2.7 г/см3;
  • Cu, d = 0.025 мм, Z = 29, ρ = 8.96 г/см3;
  • Ni, d = 0.025 мм, Z = 28, ρ = 8.99 г/см3.

        Увага! Випромінювання, що не пройшло дифракцію на кристалі, надто інтенсивне для лічильника. Не встановлюйте малі кути повороту гоніометра надовго.

  1. Перерахуйте значення інтенсивності для всього діапазону кутів з урахуванням інертності лічильника за формулою, наведеною в пункті 2 цієї роботи.
  2. Для пікових значень інтенсивності визначте величину .

Середнє значення за піками прийміть за μ.

  1. Побудуйте графіки залежності величини від довжини хвилі для кожного поглинача. За певного значення  відбудеться скачок значення k, тому графік можна апроксимувати лише двома прямими з різним кутом нахилу до і після скачка.
  2. Визначте k, λk та питому енергію іонізації   для всіх поглиначів.

Аналіз даних

.