穆斯堡尔效应与穆斯堡尔谱仪

穆斯堡尔效应与穆斯堡尔谱仪1内容介绍•概述•穆斯堡尔效应•多普勒效应及应用•穆斯堡尔谱仪系统构成•穆斯堡尔谱仪的应用•前景展望2一.概述•R.L.MoGAIssbauer鲁道夫·穆斯堡尔•出生：1929年1月31日；德国慕尼黑•逝世：2011年9月14日（82岁）•德国巴伐利亚州格林瓦尔德•居住地:德国;国籍:德国•研究领域：物理学•任职于:慕尼黑工业大学;加州理工学院•母校:慕尼黑工业大学•博士导师:海因茨·迈尔-莱布尼茨•(en:HeinzMaier-Leibnitz)•著名成就:1957年首次γ射线的无反冲共•振吸收现象，当时只有28岁；•是一名博士研究生•获奖：Nobelprizemedal.svg1961年•诺贝尔物理学奖（32岁）3二.穆斯堡尔效应•穆斯堡尔效应(Mössbauereffect)，即原子核辐射的无反冲共振吸收。这个效应首先是由德国物理学家穆斯堡尔(RudolfLudwigMößbauer,1929-)于1958年首次在实验中实现的，因此被命名为穆斯堡尔效应。•穆斯堡尔效应，即原子核辐射的无反冲共振吸收。这个效应首先是由德国物理学家穆斯堡尔于1958年首次在实验中实现的，因此被命名为穆斯堡尔效应。应用穆斯堡尔效应可以研究原子核与周围环境的超精细相互作用，是一种非常精确的测量手段，其能量分辨率可高达10-13，并且抗干扰能力强、实验设备和技术相对简单、对样品无破坏。由于这些特点，穆斯堡尔效应一经发现，就迅速在物理学、化学、生物学、地质学、冶金学、矿物学、地质学等领域得到广泛应用。近年来穆斯堡尔效应也在一些新兴学科，如材料科学和表面科学开拓了应用前景。4穆斯堡尔效应•理论上，当一个原子核由激发态跃迁到基态，发出一个γ射线光子。当这个光子遇到另一个同样的原子核时，就能够被共振吸收。但是实际情况中，处于自由状态的原子核要实现上述过程是困难的。因为原子核在放出一个光子的时候，自身也具有了一个反冲动量，这个反冲动量会使光子的能量减少。同样原理，吸收光子的原子核光子由于反冲效应，吸收的光子能量会有所增大。这样造成相同原子核的发射谱和吸收谱有一定差异，所以自由的原子核很难实现共振吸收。迄今为止，人们还没有在气体和不太粘稠的液体中观察到穆斯堡尔效应。5•共振吸收这一物理概念在19世纪60年代物理学界人人皆知了，如机械振动的共振吸收会使桥梁断裂，声波的共振吸收与发射可产生共鸣，光谱学中的共振吸收早已成为研究原子和分子能级结构的重要手段。那么人们要问γ射线作为一种波长极短的光波，似乎理应存在共振吸收与发射，但是为什麽人们从未有观察到这种现象呢？•人们终于发现之所以观察不到γ射线的共振吸收是因为由于原子核反冲损失了一部分能量造成的。人们用给γ射线补充一部分能量升温时原子核热震动和利用吸收体运动造成多普勒效应均不成功。6•年轻的穆斯堡尔提出了一个完全不同的设想：既然问题是出在反冲上，可否不让反冲发生？比如站在马车上的人从车上跳下时，马车会产生反冲而吸收一部分能量，但在地球上的人跳上跳下时，其地球由于质量巨大其人跳的反冲可以忽略，吸收能量也可忽略。穆斯堡尔在实验中将放射源和吸收体的铱原子嵌在晶体中，这样就使吸收γ射线的反冲动能为零，从而观察到了无反冲共振吸收效应。7ER=Eγ=Eo-ER射出能量•发射能量时，还有很小一部分变成了反冲原子核动能ER，即Eγ=Eo-ER•吸收能量时也会发生同样大小的反冲，即E'γ=Eo+ER•原子核从激发态跃迁到基态时，辐射出能量Eγ=hν,动量p=hν/c,•p=Eγ/c=MvREγ=Eo-ER;M为核的质量，vR为核的反冲速度；•反冲能ER=;8ABEoEγEo-ERE'γEo+ERγ光子的发射γ光子的吸收Eo222MCEo反冲能222MCEo原子核发射γ光子时反冲动能•Eγ—发射能量；ER—反冲能量；Eo—激发能量;Γ—自然线宽；M—原子核的质量•h—普朗克常数；6.5821220x10-16ev·s;τ—核半衰期57Fe=t1/2/97.9x10-9s•ER==1.95x10-3eV•Γ==4.67x10-9eV；ΓER没有共振吸收92023126222210957210022.6106.1104.144.1422MCEMCErOsseV916107.97693.010582173.6sseV916107.97693.010582173.6发射谱线和多普勒展宽后的吸收谱线与共振吸收1011共振吸收无共振吸收ΓER没有共振吸收Γ－线宽•常规的γ射线能谱仪对57Co放射源只能测量的是6.4KeV、14.4KeV、122KeV和136KeV的能量。穆斯堡尔谱仪测量的不是这些能量，而是测量在14.4KeV能量上变化的10-8eV能量变化。•由此可见，穆斯堡尔谱仪可测出极微细的吸收体上的γ光子能量变化，是迄今为止任何其它物理测量仪器所不能达到的。12三.多普勒效应及应用13141516171819马航失联与多普勒效应20•2014年3月8日马航MH370失联，17天后，马来西亚总理纳吉布24日晚临时召开新闻发布会宣布：“根据最新数据，MH370航班在印度洋南部终结。”参与失联航班调查的国际海事卫星组织副总裁麦克洛克林解释说，他们运用多普勒效应理论，结合其他参考因素，在大量数据分析基础上给出了MH370的最终走向。•穆斯堡尔谱仪正是用了多普勒展宽效应，从而完成了对γ射线无反冲原子核共振吸收。21四.穆斯堡尔谱仪系统构成•穆斯堡尔谱仪概述•系统构成与系统框图•各部件的作用及组成•工作原理•主要技术指标22穆斯堡尔谱仪概述•它是根据无反冲原子核共振吸收γ射线的原理制成的一套仪器。它可测量共振吸收谱线，其数值为10-8～10-9eV。不像一般的γ谱仪能测量57Co的6.4KeV、14.4KeV、122KeV和136KeV的能量，穆斯堡尔谱仪测量的是14.4KeV能量上变化的10-8eV能量变化。这是任何最好的γ射线探测器和谱仪无法分辨和测量的。•什麽是无反冲原子核共振吸收?当放射源放出的γ光子能量和待测样品所需要的吸收能量完全一致时，才可产生共振吸收。•穆谱的放射需要专门加工，即将液态的放射源用电镀法或蒸发法使其附在固体上（以钯Pd为衬基），然后再热扩散到无精细劈裂的立方晶格中去，使得放射源的原子核被牢牢地被晶格束缚住，发出单能的无反冲原子核的γ光子。待测样品只能含有57Fe元素的吸收体，这样吸收体上也不存在对入射57Feγ光子的反冲，能量一致，这样就产生了无反冲原子核的共振吸收。•57Co放射源的基态就是57Fe14.4KeV。•现在我们有了无反冲放射源和吸收样品，是不是就可以用穆斯堡尔谱去测量γ射线的无反冲共振吸收谱数据了？还不能！23•这是由于物质的结构不同，如同质异能移δ、电四级相互作用、磁偶极相互作用（核塞曼效应）等相互作用，由于这三种相互作用对所引起的对放射源的能量变化是10-8～10-9eV范围，这么极窄的范围是无法测到的。你们有什麽好的办法？•还是年轻的穆斯堡尔提出了解决办法：采用多普勒展宽的办法，成功地解决了这个问题。24Vo•采用多谱勒展宽效应来微小地改变γ射线的能量，用一合适的相对运动速度V，使放射源和吸收样品中的原子核跃迁能量相匹配，以获得共振吸收。具体办法是让放源运动,当放射源朝向吸收样品时其速度为正，远离样品方向时为负（把放射源固定在振子一端），所引起的能量变化为•△E=(V/C)×Eγ式中：△E---吸收样品上的γ光子能量变化•V---振子运动速度；C-----光速（3X1010cm）•Eγ-----入射γ光子能量，在这里为14.4KeV,57Co•当振子速度V=1mm/Sec时，•相应的△E=(V/C)×Eγ=4.8×10-8eV•我们采用的以匀加速方式的振子运动。•我们的穆谱线宽Γ≤0.26mm/s时的能量线宽：•△EΓ=Γx△E=1.248×10-8eV;•分辨率σ=△EΓ/Eo=8.66×10-13eV这也是世上最高的谱仪分辨率。25振子驱动三角波与正像、镜像谱26-5.3285.328(mm/s)(mm/s)-0.838-3.0830.8383.08325.57x10-8eV14.8x10-8eV获得γ辐射的共振吸收谱线的方法•将57Co扩散到质量更大的Pd箔表面，将减少反冲能量•采用多普勒展宽，将源装到振子上，振子做匀加速运动，将谱线展宽。•从而使得发射能量峰与吸收能量峰有大的重合•振子做匀加速，应与MCS道步进和相应的计数同步。•最终才可获得γ辐射的共振吸收27穆斯堡尔谱仪全套系统（打开屏蔽罩）28系统构成与系统框图29FH1083B功率放大器振子30FH1084A函数产生器FH1085B时钟产生器正比计数器FH1048BBH1218放大器BH1283N1.5KV高压电源BH1231N插道式NIM电源/机箱±（6V,12V,24V)MCS–pciMCA/MCS卡计算机三角波输出方波输出驱动输出SCAIN拾波＋拾波－外道步进信号外启动信号A.MCS-pci进口卡外启动、外同步、外步进工作方式框图源吸收体3132331）振子其内部装有2个磁路系统，每个磁路系统的缝隙处分别安装驱动线圈和拾波线圈，2个线圈又与连杆和弹簧片紧密连接以组合成传动系统，在电磁力与弹性力的共同作用下，使固定在振子一端的放射源以10Hz的频率来回做匀加速运动。2）FH-1083B功率放大器它是振子的驱动器，同时检测驱动系统的状态，并通过拾波信号与三角波信号相比较，达到稳定振速的目的。同时，要求功放输出的三角波线性、对称性要好，以便得到线性较好的正像和镜像谱。3）FH-1084A函数产生器由时钟产生器输出的方波（周期为200μSx512道）经积分器后成为三角波，给到FH-1083B功率放大器。要求三角波的线性、稳定性要好。否则，就会出现峰位对称性变差的情况。4）FH-1085B时钟产生器内部由一个100KHz的晶振产生的脉冲，经过分频产生200μs的步进信号给到MCS-pci多道/多路定标分析器的外步进输入。同步启动信号给到MCS-pci的外启动输入。方波输出（周期为200μSx512道），给到函数产生器的输入。要求步进信号干净，同步启动信号要与步进脉冲同步，否则，就会出现峰位游动的情况。各部件的作用及组成34各部件的作用及组成•5）BH-1218线性放大器•将探测器的输出加以成形、放大，输出到MCS-pci的SCA输入。要求输入50Ώ匹配，具有良好的稳定性和线性。•6）正比计数探测器•探测和收集样品上的γ射线，探测器的主要技术指标直接影响系统的峰深。•7）FH1073A3KV高压电源•为探测器提供高压电源。•8)BH-1231N插道式电源•为系统提供低压电源。•9）MCS-pci多道/多路定标分析器•穆斯堡尔谱仪的数据采集和处理系统。该部件的稳定性和微分、积分非线性，直接影响整套系统的技术指标。在系统中，可采用外步进、外启动、外同步或内步进、内启动、内同步工作方式。35符合国家放射卫生标准要求的铅屏蔽罩铅屏蔽:振子两端10cm厚的铅砖，方2mm厚的铅皮）振子上装有5mCi57Co源的情况下实测无屏蔽罩（uSv/h)有屏蔽罩（uSv/h）振子前面：1.380.11探头后面：7.190.13振子上方：22.90.21注：振子上方正对着放射源，加屏蔽罩后，辐射降低了109倍。此时，现场楼层本底为：0.106uSv/h，没有超过3倍的本底，被认为无放射性。36•振子、探测器系统与屏蔽罩37拧上57Co放射源的振子、探测器系统3857Co放射源39振子、探头系统40屏蔽罩411线宽：对57Co源（Rh--铑衬底）测α-Fe（25μm）样品线宽≤0.26mm/Sec对57Co源（Pd—钯衬底）测α-Fe（25μm）样品线宽≤0.33mm/Sec2.速度线性：≤±0.5%（在10mm/Sec条件下）3.镜像对称性：≤±1道4.稳定性：≤±1道（8小时连续工作）5.振子频率：10Hz6.速度范围：≥±20mm/Sec7.工作方式