中大近代物理实验实验报告（LaTeX实现）

最近在学LaTeX，终于用LaTeX做出了一份完整的实验报告。自己所学有限，报告里用到的图片设置以及表格设置命令都非常基础，见谅。实验分析写的稀碎，请自行忽略。此报告使用TeXworks编译器实现。此报告主要关注于与word排版的实验报告的相似程度，没有考虑序号和参考文献等一些命令对文章可读性的贡献。

先展示效果：

全都代码：

\documentclass[12pt,a4paper,UTF8]{ctexart}%设置页边距
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\geometry{left=2.5cm,right=2.5cm,top=2.5cm,bottom=2.5cm}%需要用到的扩展包
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\rhead{热释光辐射剂量测量}
\lhead{近代物理实验实验报告}
\cfoot{Page\thepage/\pageref{LastPage}}
\rfoot{\today}%报告中用到的图片存放在这个tex文件所在目录中的figures子目录中
\graphicspath{{figures/}}%报告开始
\begin{document}%设置课程标题
\begin{center}
\heiti\LARGE{《近代物理实验》课程实验报告}
\end{center}%设置实验人信息以及实验时间表格
\begin{doublespacing}
\centering
\begin{tabular}{lcr}
{\songti 学院：物理学院}&{\songti 专业：物理学}&{\songti 年级：19级}\\
{\songti 实验人姓名(学号)：鸭大学子(19349999)} &\multicolumn{2}{c}{\songti 合作者姓名(学号)：鸭大学生(19349999)}\\
\multicolumn{3}{c}{\songti{实验时间：2022年01月28日~星期四~上午(第一次)}}\\
\multicolumn{3}{c}{\songti{实验时间：2022年01月28日~星期四~上午(第二次)}}\\
\hline
\end{tabular}
\end{doublespacing}%实验题目
\begin{center}
\LARGE\textbf{热释光辐射剂量测量}
\end{center}%实验目的
%\subsection*中的*代表[实验目的]这一标题不含有章节编号，\subsubsection*的*也是这一效果
\subsection*{[实验目的]}
%为了与word版实验报告相似，这里的序号没有采用\item命令，之后的序号也没有用\item命令
1.了解热释光测量仪的工作原理，并掌握热释光测量仪的正确使用方法。\par
2.测量分析氟化锂(LiF:Mg,Cu,P)剂量计元件的发光曲线，了解发光曲线的意义。\par
3.了解LiF:Mg,Cu,P剂量计的温度稳定性。\par
4.测量LiF:Mg,Cu,P的剂量响应曲线。\par
5.测量未知剂量的热释光曲线，确定其照射剂量。%实验原理
\subsection*{[实验原理]}
\subsubsection*{1.热释光}
物质受到电离辐射等作用后，将辐射能量储存于陷阱中。当加热时，陷阱中的能量便以光的形式释放出来，这种现象称为热释发光。具有热释发光特性的物质称为热释光磷光体(简称磷光体)，如锰激活的硫酸钙[CaSO$_4$(Mn)]、镁钛激活的氟化锂[LiF(Mg、Ti)]、氧化铍[BeO]、Al$_2$O$_3$:C等。\par
磷光体的发光机制可以用固体的能带理论解释。假设磷光体内只存在一种陷阱，并且忽略电子的多次俘获，则热释光的强度$I$为：
\begin{equation}\label{eq:1}
I=nS\exp\left(-\frac{\epsilon}{kT}\right)
\end{equation}
这里，$S$为一常数，$k$是玻耳兹曼常数，$T$是加热温度(K)，$n$是在所考虑时刻陷阱能级上的电子数。强度$I$与磷光体所吸收的辐射能量成正比，因此通常用光电倍增管测量热释光的强度，就可以探测辐射及确定辐射剂量。
\subsubsection*{2.发光强度曲线}
热释光的强度与加热温度(或加热时间)的关系曲线叫做发光曲线。如图\ref{fig-1}所示。晶体受热时，电子首先由较浅的陷阱中释放出来，当这些陷阱中储存的电子全部释放完时，光强度减小，形成图中的第一个峰。随着加热温度的增高，较深的陷阱中的电子被释放，又形成了图中的其它的峰。发光曲线的形状与材料性质、加热速度、热处理工艺和射线种类等有关。对于辐射剂量测量的热释光磷光体，要求发光曲线尽量简单，并且主峰温度要适中。\par
发光曲线下的面积叫做发光总额。同一种磷光体，若接受的照射量一定，则发光总额是一个常数。因此，原则上可以用任何一个峰的积分强度确定剂量。但是低温峰一般不稳定，有严重的衰退现象，必须在预热阶段予以消除。很高温度下的峰是红外辐射的贡献，不适宜用作剂量测量。对LiF元件通常测量的是210℃下的第五个峰。另外，剂量也可以与峰的高度相联系。所以测量发光强度一般有两种方法：\par
(1)峰高法：测量发光曲线中峰的高度。这一方法具有测速快、衰退影响小、本底荧光和热辐射本底干扰小等优点。它的主要缺点是，因为峰的高度是加热速度的函数，所以加热速度和加热过程的重复性对测量带来的影响比较大。\par
(2)光和法：测量发光曲线下的面积，亦称面积法。这一方法受升温速度和加热过程重复性的影响小，可以采用较高的升温速度，并可采用测量发光曲线中一部分面积的方法(窗户测量法)消除低温峰及噪声本底的影响。它的主要缺点是受“假荧光”热释光本底及残余剂量干扰较大。所以在测量中必须选择合适的“测量”阶段和“退火”阶段的温度。合理地选择各阶段持续时间，以保证磷光体各个部分的温度达到平衡，以利于充分释放储存的辐射能量。
\begin{figure}[htbp]
\centering
\includegraphics[height=7.5cm]{1.png}
\caption{LiF(TLD-100)的发光曲线}\label{fig-1}
\end{figure}
\subsubsection*{3.热释光探测器的剂量学特性}
(1)灵敏度：指单位照射量的热释光响应。它与元件热释光材料性质和含量、激活剂种类、射线能量和入射方向、热处理条件等有关。一般原子序数较高的元件，灵敏度较高。\par
(2)照射量响应：在照射量10$^{-3}$伦\~{}10$^3$伦范围内，许多磷光体对辐射的响应是线性的。当照射量更大时，常出现非线性现象。\par
(3)能量响应：即热释光灵敏度与辐照能量的依赖关系。它与元件材料的原子序数、颗粒度、射线种类有关。一般原子序数高的元件比原子序数低的元件能量响应差，因此使用时需要外加过滤器进行能量补偿。LiF元件在能量大于30keV情况下，在25\%的精度内对能量依赖性很小。\par
(4)衰退：指受过辐照的磷光体，热释光会自行减弱。衰退的快慢与磷光体种类、环境温度、光照等因素有关。如果测量LiF的主峰，在室温下可以保存几十天。\par
(5)光效应：指磷光体的热释光在可见光、紫外光的作用下可产生衰退和假剂量两种效应。它的强弱与磷光体的种类、辐照历史等有关，如LiF的光效应小，而MgSiO$_4$(Tb)的光效应比较大，所以在使用中应注意光屏蔽。\par
(6)重复性：热释光元件可以重复使用，但发光曲线形状、灵敏度等在测量加热过程或长期存放中会发生改变，因此在重复使用时，一般需进行退火即再生，退火条件必须认真选择，并定期进行刻度。\par
(7)分散性：指同一批探测器在相同退火、照射和测量条件下，热释光灵敏度的相对偏差(以百分数来表示)。实际上，它除了与探测器灵敏度的分散性和重复性有关外，还包括了测量系统的涨落和操作的不重复性。因此，使用前应进行探测器分散性的筛选，分组作出修正系数。在测量过程中还应尽量保证测量系统的稳定性和操作技术的重复性。\par
(8)本底：通常将未经人为辐照的元件的测量值统称为本底(或“假荧光”)。它包括元件表面与空气中水气或有机杂质接触产生的化学热释光和摩擦产生的摩擦热释光。它与材料的种类和使用条件有关，因此，必须注意保持元件和加热盘的清洁。在低剂量测量时更要设法予以减少或扣除。\par
(9)方向性：探测器灵敏度与辐射入射方向的依赖关系。它与射线的能量和探测器的形状有关。
\subsubsection*{4.热释光剂量响应曲线}
将热释光元件照射不同剂量，分别测量其发光曲线，图\ref{fig-2}表示了Al$_2$O$_3$:C辐照不同剂量的发光曲线。作出热释光剂量峰的峰高或峰面积随剂量的变化关系曲线，称为热释光剂量响应曲线。对于不同热释光元件，剂量响应曲线分为线性、亚线性、超线性3种类型，如图\ref{fig-3}所示。理想的热释光元件的剂量响应曲线是线性的，由此可以计算热释光元件所受到的辐照剂量。
\begin{figure}[htbp]
\centering
\begin{minipage}{0.45\textwidth}
\centering
\includegraphics[height=5.5cm]{2.png}
\caption{Al$_2$O$_3$:C的发光曲线}\label{fig-2}
\end{minipage}
\hfill
\begin{minipage}{0.45\textwidth}
\centering
\includegraphics[height=5.5cm]{3.png}
\caption{三种类型的剂量响应曲线}\label{fig-3}
\end{minipage}
\end{figure}
\subsubsection*{5.热释光测量仪的基本工作原理}
热释光测量仪的基本工作原理是：经辐照后的待测元件由仪器内的电热片或热气等加热，待测元件加热后所发出的光，通过光学系统滤光、反射、聚焦后，通过光倍增值管转换成电信号。输出显示可用率表指示出发光峰的高度(峰高法)或以数字显示出电荷积分值(光和法)，最后再换算出待测元件所接收到的照射量。\par
测量装置示意图如图\ref{fig-4}所示。
\begin{figure}[htbp]
\centering
\includegraphics[height=7cm]{4.png}
\caption{热释光测量仪系统方框图}\label{fig-4}
\end{figure}
\subsubsection*{6.LiF:Mg,Cu,P的升温程序}
\textbf{注：为保证剂量片性能的稳定性，其加热温度不超过250℃。}\par
通常热释光测量采用三段法：预热、测量和退火。可以在计算机中对升温程序进行设置。两次测量过程之间的间隔不能太短，避免造成剂量片更换时温度过高而影响发光曲线，测量前应确认加热盘温度低于60℃。\par
1)剂量测量程序\par
为测量剂量元件中的吸收剂量，设置程序如下：\par
a)预热阶段(温度140℃，速率5℃/s，保持10s)；\par
b)测量阶段(温度240℃，速率5℃/s，保持20s)，\par
c)退火阶段(温度250℃，速率5℃/s，保持60s)。\\
其中预热阶段可以清除剂量元件中浅陷阱中不稳定信号，提高测量结果的精度。退火阶段可以清空元件中的热释光残留信号。\par
2)线性加热程序\par
为测量热释光发光曲线，采用线性加热方法，以获取可反映不同陷阱发光强度的曲线。设置程序如下：\par
a)预热阶段(温度0℃，速率2℃/s，保持0s)；\par
b)测量阶段(温度250℃，速率2℃/s，保持0s)，\par
c)退火阶段(温度250℃，速率2℃/s，保持60s)。%实验仪器
\subsection*{[实验仪器]}
热释光测量仪SL08；氟化锂(LiF)测量计；辐照器FJ417($^{137}$Cs)源，照射率为0.546mSv/min，标定时间为2020年1月)；定时器1个。%实验内容与分析
\subsection*{[实验内容与分析]}
\textbf{注：实验中均采用线性加热程序}
\subsubsection*{第1次实验：}
1.领取剂量片，注意：对剂量片进行辐照前均需退火处理；\par
2.测量PMT的坪曲线，确定仪器的工作电压：\par
辐照一固定剂量(3分钟)，在不同高压的情况下(500、550、$\cdots$、950V)测量热释光曲线，作出热释光强度随高压的变化曲线。\par
不同高压下测得的热释光曲线见图\ref{fig-5}：
\begin{figure}[htbp]
\centering
\includegraphics[height=6cm]{5.png}
\caption{不同高压下热释光曲线}\label{fig-5}
\end{figure}不同电压下，曲线下的面积分别见表\ref{tab-1}
\begin{table}[htbp]
\centering
\caption{不同电压下，曲线下的面积}\label{tab-1}
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|}
\hline
高压/V & 500 & 550 & 600 & 650 & 700 \\
\hline
曲线下的面积 & 113 & 223 & 227 & 565 & 998 \\
\hline
高压/V & 750 & 800 & 850 & 900 & 950 \\
\hline
曲线下的面积 & 1711 & 2938 & 4332 & 6714 & 9752 \\
\hline
\end{tabular}
\end{table}通过计算各曲线下的面积可得到热释光强度随高压的变化曲线见于图\ref{fig-6}
\begin{figure}[htbp]
\centering
\includegraphics[height=7cm]{6.png}
\caption{不同高压下的热释光强度}\label{fig-6}
\end{figure}由图\ref{fig-6}可以看出曲线下的面积与高压的关系为$y=ax^b$，其中，$y$为曲线下的面积，$x$为高压。通过观察不同高压下热释光曲线，本小组得出的最佳高压值为950V。3.测定剂量片的稳定性\par
辐照一固定剂量，取出片后分别等待不同时间(0min，5min，10min)，观察发光曲线的变化。\par
\begin{figure}[htbp]
\centering
\includegraphics[height=6cm]{7.png}
\caption{等待不同时间下的发光曲线}\label{fig-7}
\end{figure}从图\ref{fig-7}中可以看出，在等待5分钟时曲线的最高峰的峰值最大，其次是10min，最小的是0min。但是在误差允许的范围内，我们可以认为三个曲线没有明显差异。可以看出辐射一固定剂量后，等待一定时间再去测量发光曲线，得到的曲线不会有明显变化，至少在15min内曲线不会有明显变化。这里得出曲线稳定是因为等待时间较短。在很长时间(与特定样品有关)等待后，曲线上处于低温出的峰会先衰退，处在高温下的峰后衰退。\par
辐照一固定剂量，取出片后分别测量正反面，比较其灵敏度差异。
\begin{figure}[htbp]
\centering
\includegraphics[height=6cm]{8.png}
\caption{正反面的发光曲线}\label{fig-8}
\end{figure}从图\ref{fig-8}可以看出正反两面得到的发光曲线并没有明显的差别，可见灵敏度并没有明显的差异。\par
4.测定升温速率对发光曲线的影响\par
辐照一固定剂量，取出片后分别以不同的升温速率(1℃/s，2℃/s，5℃/s，10℃/s)，观察发光曲线的变化。
\begin{figure}[htbp]
\centering
\includegraphics[height=6cm]{9.png}
\caption{不同升温速率下的发光曲线}\label{fig-9}
\end{figure}从图\ref{fig-9}可以看出，升温速率越快发光曲线最高峰峰位对应的温度越大，通过分析发现在升温速率并不是很大时，峰位与升温速率呈现良好的线性关系。当升温速率过高时，例如本实验的10℃/s，峰位处在了260℃，即计数主要集中在了退火的时候，这是因为升温速率过快使得陷阱中储存的能量来不及释放就到了退火的时间，能量只能集中在退火时间释放。峰高随着升温速率的增大而增大，前三个升温速率的峰高呈现出良好的线性关系，而10℃/s的峰高处在了拟合线的下方，峰高向着饱和的方向变化，这是因为升温速率过高时，能量在同一退火温度下释放，能量是个固定值，因此峰高也应不变，这就意味着升温速率过高时峰的高度随升温速率变化不明显。\subsubsection*{第2次实验：}
目的：测量未知辐射剂量\par
1.领取两个剂量片，这两个剂量片已经被辐照了一个相同待测剂量；\par
2.测量待测样品的发光量；
\begin{figure}[htbp]
\centering
\includegraphics[height=6.5cm]{10.png}
\caption{剂量片1的发光曲线}\label{fig-10}
\end{figure}\begin{figure}[htbp]
\centering
\includegraphics[height=6.5cm]{11.png}
\caption{剂量片2的发光曲线}\label{fig-11}
\end{figure}通过计算得到剂量片1和剂量片2发光曲线的峰的面积分别为11042以及11147。\par
3.测量剂量响应曲线：分别辐照不同时间，测量其发光量，作出剂量响应曲线(要求：至少5个点，其中最大剂量的发光量约为待测剂量片发光量的2倍)，直线拟合计算剂量片的灵敏度；
\newline%\newline这一命令强制换行，用这一命令是为了排版（不用会导致图片乱飞，我不会调图片位置）
\begin{figure}[ht]
\centering
\includegraphics[height=6cm]{12.png}
\caption{剂量片1不同辐照时间下的发光曲线}\label{fig-12}
\end{figure}\begin{figure}[ht]
\centering
\includegraphics[height=6cm]{13.png}
\caption{剂量片2不同辐照时间下的发光曲线}\label{fig-13}
\end{figure}剂量片1和剂量片2不同辐照时间下，最高峰的面积$S_1$和$S_2$见于表\ref{tab-2}：
\begin{table}[htbp]
\centering
\caption{不同辐照时间下，最高峰的面积S$_1$和S$_2$}\label{tab-2}
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|}
\hline
辐照时间/min & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 \\
\hline
$S_1$ & 6637 & 10058 & 13295 & 17628 & 20900 \\
\hline
$S_2$ & 7044 & 10761 & 14072 & 18191 & 21966 \\
\hline
\end{tabular}
\end{table}将表\ref{tab-2}的数据画于图\ref{fig-14}以及图\ref{fig-15}
\begin{figure}[ht]
\centering
\includegraphics[height=6.5cm]{14.png}
\caption{剂量片1不同辐照时间下最高峰面积}\label{fig-14}
\end{figure}\begin{figure}[ht]
\centering
\includegraphics[height=6.5cm]{15.png}
\caption{剂量片2不同辐照时间下最高峰面积}\label{fig-15}
\end{figure}从图\ref{fig-14}可以看出峰面积与辐照时间的关系为$S_1=a_1t+b_1$，其中$a_1=3609.6\pm98.6$，$b_1=-734.8\pm418.0$。其中$t$的单位为min。\par
从图\ref{fig-15}可以看出峰面积与辐照时间的关系为$S_2=a_2t+b_2$，其中$a_2=3727.4\pm68.7$，$b_2=-502.8\pm291.2$。其中$t$的单位为min。
\newline%\newline这一命令强制换行，用这一命令是为了排版（不用会导致图片乱飞，我不会调图片位置）4.计算出待测剂量，试进行误差讨论。\par
通过计算可以求出剂量片1和剂量片2的辐照时间分别为3.26min以及3.13min。其中，辐照时间测量值的误差主要来源于待测剂量片放置了很长时间导致发光曲线的峰产生了衰退，而实验测量灵敏度时未静置剂量片，这就会导致待测剂量片辐照时间的测量值比真实值偏低。%实验总结
\subsection*{[实验总结]}
本实验为热释光辐射剂量测量实验。本小组通过测量不同高压下的发光曲线得到了实验最佳的高压值950V。通过测量样品不同静置时间后的发光曲线，本小组发现短时间内发光曲线并没有明显的变化。但是有理论分析可知，长时间的静置会导致温度低的峰先衰退，然后温度高的峰再衰退。另外，剂量片正反面的灵敏度没有明显的区别。通过测量不同升温速率下的发光曲线，我们发现在升温速率较低时，发光曲线的最高峰峰位对应的温度以及峰高与升温速率呈现较好的正相关线性关系，但当升温速率过高时，峰位对应的温度以及峰高会达到饱和。第二次实验时，通过测量不同辐照时间下的发光曲线，本小组测出剂量片1和剂量片2的辐照时间分别为3.26min以及3.13min。但这一测量值比辐照时的真实值偏低。%参考文献
%参考文献部分，由于用\bibitem等命令会产生“参考文献”这一居中显示的标题，我不想要，但限于所学有限，因此参考文献直接手写。
\subsection*{[参考文献]}
[1]张建，王亚平，郭勇，王兴功，宁静，张军良.~LiF(Mg,Cu,P)热释光探测器测量、退火方式的确定[J].辐射防护，2003，23(02)：122-124\par
[2]罗达玲，杨健明.~$\gamma$辐射剂量计的响应函数及特征参量[J].中山大学学报(自然科学版)，1991，30(04)：45-50\par
[3]刘小伟，罗达玲，张纯祥.热释光剂量响应与升温速率的相关性[J].中山大学学报(自然科学版)，1993，32(02)：83-85
%报告结束
\end{document}

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