X光强度与管电压U管电流I的研究-复旦大学物理教学试验中心.DOC

X光强度与管电压U、管电流I关系的定量研究 徐菊良 摘要：由于在做Ｘ光衍射实验时要选者不同的管压和管流以得到最好的衍射图像，而实际实验中并不能很好的选择，本文利用X光能使气体电离这一特点，用平行板电容器间接地测量出X光强度与管电压Ｕ和管电流Ｉ的关系，并计算得出当管电压U为35KV时衍射图像质量最好。 关键词：X光，阀值电压Vk，连续谱强度，特征谱强度，最佳管电压。 引言 波长在10-8m到10-11m范围的电磁波称为X光。当高速运动的电子与原子相碰时，一般会发射X光。如果高速电子与原子中的内层电子相互作用使其激发，当其退激时会发出X光，其能量E=En-Em，由于此能量反应了该物质的特性，所以此射线称为“X射线特征谱”，如图1所示的Kα、Kβ。而当高速电子接近原子核时，原子核会使它偏转并产生电磁辐射，这种辐射也在X光的范围，它的能量分布是连续的，所以称为“连续谱”,如图1箭头所指。 钼钼靶X光管的工作原理：阳极钼靶上加高压U，阴极通入电流I后会发射电子，这些电子在高压的作用下轰击钼原子而产生X光。图1所示为钼靶X光管发出的X光，由图可知，当电压低于20KV时只有连续谱，而当电压超过20KV后才有特征谱，此20KV即为钼靶X光管的阀值电压。由图1还可知当管电压U增大时，X光强度也会增大，但是具体X光电强度与管电压U、管电流I的关系不能一目了然。本文就是要研究X光强度与U、I的关系，并计算出在做X光衍射实验时最佳的管电压U。 实验原理及实验仪器 大气的主要成分为氧气（21%）和氮气（78%），氧气分子的第一电离能为13.6eV，氮气分子的第一电离能为14.6eV，而X光的能量在124eV~124KeV，所以X光足以使空气电离，利用Ｘ光的这一特性可以用间接的办法测出Ｘ光的强度。 原理图如下： 图2 当X射线通过平行板电容器时，空气被电离。在电容器上加上适当大的电压，离子就会在电场的作用下到达电容器上，由于Ｘ射线是在源源不断地出射，所以离子数也会不断增加，同时离子会在电场的作用下不断打到电容器上，很快就会达到动态平衡，并在电容器上产生一饱和电流，该电流再通过放大器的放大由电压表V1测量，此电压的大小正比于X射线的强度，所U1的大小反应了X射线的相对强度。通过测量不同电压U和不同电流I下V1的值，即可得出Ｘ光连续谱强度Ｕx、特征谱强度Uk与管电压U、管电流I的关系，并能根据测得的关系算出做Ｘ光衍射实验时最佳的管电压U。 本实验所用仪器为德国莱宝公司生产的X射线实验仪。 实验结果与讨论 利用上述方法，分别测量了：⑴Ｉ＝１ｍＡ，U1与管电压U的关系，如图3曲线1；⑵U=35KV，U1与I的关系，如图5曲线3；⑶U=18KV，U1与I的关系，如图5曲线4。从图3曲线1中可以观察到当U在11KV以下时，U1几乎没有变化，这是因为实验中平行板电容器并没有放在X射线的出射口，因此在管电压较低时，X射线会在出射口到电容器之间衰减完；而在U=21KV时，曲线会有一个拐点，这是因为在U=21KV时开始有X特征谱出现，此值即为实际测得的钼靶X光管的阀值电压Vk。 图3 图4 由Excel曲线拟合后得出在I=1mA时，X光连续谱强度 Ux=0.0058(U-11.47)2 （R2 = 0.9996） ① 根据此公式计算，得出了22KV~35KV时Ux的值，如图3曲线2。 曲线1与曲线2之差即为X光特征谱强度。图4为I=1mA时X光特征谱强度Uk与管电压U的关系，由Excel曲线拟合后得出 Uk=0.02966(U-Vk)1.26 （R2 = 0.9988） ② 由图5曲线3可知，在U=18KV时： Ux=0.249I ③ （R2 = 0.9949） 由①式和③式通过待定系数法可得X光连续谱强度： Ux=0.0058I(U-11.47)2 ④ 由图5曲线4可知，在U=35KV时： Uk=0.7266I （R2 = 0.9988） ⑤ 由②式和⑤式通过待定系数法可得X光特征谱强度：Uk=0.026I(U-Vk)1.26 ⑥ R2为Excel自动生成的相关系数，由以上分析可知所有的曲线拟合相关系数R2都大于0.99，这说明拟合线能够以大于99%地解释、涵盖了实测数据，具有很好的一般性 下图为η与U的关系，从图中可以看出，在U=35KV左右η取最大值。而实验用的X射线衍射仪的最高电压为35KV，由此可知该