相对论效应实验的谱图分析及其应用性探讨

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,相对论效应实验的谱图分析及其应用性探讨,一引言,本实验利用,RES-99,型相对论实验谱仪测量快速电子动量与动能的关系，从而验证其符合相对论关系而非经典关系。,本文两个主要内容：,一，对其能谱曲线低能区作详细的分析，得出该区域内的小峰为,Pb,的特征,X,射线的结论，其论证过程是有新意的；,二，利用该实验谱仪和,射线源对不同物质测量其吸收能谱，以期望拓展本实验在监测、预警及测量等方面应用。,二 实验装置与内容,本实验所用,RES99,型,相对论效应,实验谱仪的,构造如右图,1,所示,经典力学中物体的动能与动量之间的关系为：,基本原理,相对论中物体的动能与动量之间的关系变为：,本实验通过测出快速电子的动量与动能，并依此作出,Ek,-PC,图，将其与经典和相对论的理论关系曲线进行比较，从而得出结论。,电子动量可由磁谱仪上标尺读数间接给出。,图,2,快速电子关系曲线与经典和相对论关系的比较,实验关系曲线,根据不同动量的电子对应的动能值作图并与经典曲线和相对论曲线比较（如图,2,所示）。,从图表中可以清楚地看到高速运动的电子其行为在一定误差范围内严格符合相对论的理论，从而无可置疑地证明了相对论理论的正确性,;,原始实验数据,三能谱问题的分析,电子与物质相互作用比较复杂，当其能量在,4MeV,以下时，主要作用有电离、激发、散射以及韧致辐射等情况，而且这四种情况也因具体能量大小作用有强有弱。,图,3,电子的辐射损失和电离损失,图,4,不同能量电子的能谱图与无放射源下的本底计数,这是我们在不同能量下测量的谱图曲线。,我们注意到此区中有一明显的小而有规律的峰位，根据这一系列图的一致性，可以推测其形成机理。,这条峰的能量并不随着入射电子的能量大小而变化，根据前面电子与物质相互作用类型的分析，这条谱线只能是某元素的,X,谱线，而且由于轫致辐射发出的光子能量不为定值，所以这只能是这种元素的,X,特征谱线即,K,线。,序号,1,2,3,4,5,6,7,道址,（,ch,）,24.09,24.24,23.83,24.15,23.64,24.81,24.13,偏差,（,%,）,0.2,0.4,2.9,0.1,2.0,2.1,0.01,根据探测器的结构，它们可能是,Pb,、,I,、,Fe,、,Tl,等元素。,考虑到,Tl,含量的稀少，其形成的谱线强度有限，我们排除了元素,Tl,。,作为,NaI,闪烁体的组成元素,I,，其发射的光子在光电倍增管的驰豫时间内被一并输出，含在了入射电子的单能峰里面。,而,Fe,壳在,Pb,防护层的外侧，经过,Pb,的两次屏蔽,Fe,的特征射线不可能这这么强。,因此，特征,X,射线的小峰，只能是散射或透射的电子打在探头周围的,Pb,防护层所发出的,。,探测器结构,陶瓷外壳，铁层，,Pb,防护层以及内核。,内核中含有,NaI,微量的,TI,元素。,补充验证实验,其一，将一个厚度,5mm,左右的有机玻璃板（已证明足以屏蔽,射线）,挡在探头前，并撤去所有源。发现这一小峰仍存在，只是其强度减弱,很多，可以认为这是由于宇宙射线打在,Pb,屏蔽层上产生的,X,射线。,其二，本人又用能量较高的几束单能电子，重点测试其强度变化。,下表是测量结果。,项目,位置,35.5,35.0,33.0,32.5,道址（,ch,）,23.13,23.73,23.49,23.31,峰位计数,784,925,1346,1546,注意到,射线源发射出的电子，其强度随能量的升高而降低，故可以从上表和右图比较看出这些电子打在,Pb,屏蔽板上的,X,射线强度是与入射电子的强度成正比的。这与,X,射线理论相符。,采用低能区能量标定的局限性,Devare,和,Tandon,曾测量了由探测器的非线性响应所引起的单能峰向较高能量方向的漂移。,图,5,中也能看出低于,0.2MeV,后整个响应曲线完全失去线性了。,而分辨率要求较高的低能定标源难以获得，即我们不能使用对低能区定标的办法确定峰值。,图,5,NaI,（,Tl,）晶体的光输出非线性与入射光子能量的关系,以上可以看出我们巧妙地运用了一些实验事实，就可准确地完成对整个,射线能谱的完全解析。更重要的是，这使我们对带电粒子（,射线）与物质的相互作用的理论有了更深刻的理解。,四实验的应用性拓展,射线在工业生产与日常生活中有着广泛的用途：常被用到在线测量、气体监测以及污染预警等各个方面。但大多数是直接利用,放射源测量射线强度变化，灵敏度比较低，误差也不小。,本实验中,磁谱仪发挥了重要作用，它将天然,放射源发出的连续谱，分离成能量分辨率很高的单能快速电子，这就能利用,射线单能谱能量与强度两个方面来对一些物质进行测量，尤其是利用能量的变化可以提高检测灵敏度，本文便对这些应用作初步的分析。,首先在不同介质中测量,射线的吸收能谱，以便对其性能有一个大致了解。,从上图中可以清楚地看出，与其他介质相比，塑料的穿透效应还是比较强的其峰位只有稍微左移。,而从有机玻璃的谱图可以看出，,射线基本已经损失殆尽，仅剩下前面所提到的本底计数。最后观察一下水的谱线（第三条蓝线），也基本损失完了。，从这里我们还能得出这样的结论：用,射线测吸收峰的办法不适合用于对液体的测量。,下面便具体做一下有关,射线应用的试探性实验。,首先，我们测量一下封装纯净空气的塑料瓶的吸收谱，然后，在同样的条件下，测量充入了烟气的塑料瓶，然后将测得谱线比较画在图,7,中。测量时间,1200s,，入射,射线能量在,1.5MeV,左右（即图,6,中正常谱线）。,很遗憾的是两图相差很微弱，几乎看不出什么变化。,比较图,6,中的有机塑料谱图，可以找到产生这种效果的原因。问题出在，有机塑料的吸收效应远大于在空气和烟尘中的吸收效应。另外由于实验条件的限制，当测量时间过长时，烟尘已经大部分沉淀，其作用在谱图上反映不出来了。,由于实验时间的限制，我们尚未作进一步的测量 ， 仅在此提出一些改进方案：,1,为摆脱容器的干扰，可以将探头与特殊的气体容器固连；或者不用另外的容器，让气体在管道中循环流动，改静态测量为动态测量，而放射源与探测器固连在管道上，这对于测混合气体比较有利，避免因沉淀分离导致的浓度变化。,2,对于有些不能明显看出其吸收峰变化的气体，这是因的弱电离性引起的（电子质量很小），所以可以换用其他源如,射线源进行检测。,3,利用,射线在物质中能量的变化监测气体时，其分辨率要受到探测器的限制，这可换用较高分辨率的探头如半导体探头。,六参考文献,1,复旦大学，清华大学等合编 原子核物理实验方法 原子能出版社,2,戴亚飞，罗成林,.,快速电子验证相对论效应实验中几个问题的分析 大学物理实验 ，,2003,，,16,（,1,）,.,3,刘运祚 主编 常见放射性核素衰变纲图 原子能出版社,4,C.E.Crouthamel,Applied Gamma-Ray Spectrometry,Pergamon,Press,5,李星洪等编 辐射防护基础 原子能出版社,6,同济大学物理系近代物理实验室编 相对论效应系列实验讲义,谢鸣,感谢陆景彬老师对我的全面指导以及其他老师的大力支持！,感谢同组成员王新民、李相林等的通力合作和佟超等同学提出的宝贵意见！,