伽马射线吸收系数的测量

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1、Y射线的吸收与物质吸收系数卩的测定初阳学院综合理科081 班 马甲帅 08800140指导老师 林根金摘要：本实验研究的主要是窄束丫射线在金属物质中的吸收规律。测量Y射线在不同厚度的 铅、铝中的吸收系数。通过对Y射线的吸收特性，分析与物质的吸收系数与物质的面密度， 厚度等因素有关。根据已知一定放射源对一定材料的吸收系数来测量该材料的厚度。关键词：Y射线吸收系数卩60Co、137CS放射源引言：Y射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继a、B射线后发现的第三种原子核 射线。原子核衰变和核反应均可产生Y射线。Y射线具有比X射线还要强的穿透能力。Y射 线是处于激发态原子核损失能量的最显著方式，Y

2、跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激 发态、而原子序数Z和质数A均保持不变的退激发过程。Y射线是光子，光子会与被束缚在原 子中的电子、自由电子、库伦场、核子等带电体发生相互作用。不同能量的Y射线与物质的 相互作用效果不同，为了有效地屏蔽Y辐射，需要根据物质对Y射线的吸收规律来选择合适 的材料及厚度，反之，利用物质对Y射线的吸收规律可以进行探伤及测厚等。因此研究不同 物质对Y射线的吸收规律的现实意义非常巨大，如在核技术的应用与辐射防护设计和材料科 学等许多领域都有应用。正文1 实验原理11 Y射线与带电体的作用原理Y射线与带电体的相互作用会导致三种效应中的一种。理论上讲，Y射线可能的吸收核 散射

3、有12种过程。这些效应所释放的能量在lOKeV到lOMeV之间的只有三种，也就是基本 上每种相互作用都产生一种主要的和吸收散射过程。这三种主要过程是：1.1.1 光电效应：低能Y光子所有的能量被一个束缚电子吸收，核电子将其能量的一部分用来克服原子 对它的束缚，成为光电子；其余的能量则作为动能，发生光电效应。1.1.2 康普顿效应：Y光子还可以被原子或单个电子散射，当Y光子的能量(约在IMeV)大大超过电子 的结合能时，光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子 ，使它反 冲出来，而散射光子的能量和运动方向都发生了变化，发生康普顿效应。1.1.3 电子对效应：若入射光子的能量超过1

4、.02MeV，Y光子在带电粒子的库仑场作用下则可能产生正、 负电子对，产生的电子对总动能等于Y光子能量减去这两个电子的静止质量能 (2mc2=1.022MeV)1.2三种Y射线与带电体发生相互作用的基础上，物质对Y射线的吸收规律如 下：1.2.1作用特点：Y射线与物质原子间的相互作用只要发生一次碰撞就是一次大的能量转移；它不同于带电粒子穿过物质时，经过许多次小能量转移的碰撞来损失它的能量。带 电粒子在物质中是逐渐损失能量，最后停止下来，有射程概念；Y射线穿过物质时，强度 逐渐减弱，按指数规律衰减，不与物质发生相互作用的光子穿过吸收层，其能量保持不变, 因而没有射程概念可言，但可用“半吸收厚度”

5、来表示Y射线对物质的穿透情况。1.2.2吸收规律：本实验研究的主要是窄束Y射线在物质中的吸收规律。所谓窄束丫射 线是指不包括散射成份的射线束，通过吸收片后的Y光子，仅由未经相互作用或称为未经 碰撞的光子所组成。“窄束”一词是实验上通过准直器得到细小的束而取名。这里所说的“窄 束”并不是指几何学上的细小，而是指物理意义上的“窄束”即使射线束有一定宽度，只 要其中没有散射光子，就可称之为“窄束”。窄束Y射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度就会减弱，这种现象称为Y射 线的吸收。Y射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即I = I e -o n = I e-也(21)0 0其中，I、I分别是穿过

6、物质前、后的Y射线强度，X是Y射线穿过的物质的厚度(单铝討H射妊的吸收.系数一和能量的托.系頤埃位cm),。是光电、康r普顿、电子对三种效应 截面之和，N是吸收物 质单位体积中的原子 数，卩是物质的线性吸 收系数(卩=。N,单位 r为cm)。显然卩的大小 反映了物质吸收Y射 线能力的大小。需要说明的是，吸收系数卩是物质的原子序数Z和Y射线能量的函数，且：ph c p式中卩ph、卩c、卩p分别为光电、康普顿、电子对效应的线性吸收系数；其中：卩ph X Z5、Z、卩p X Z2 (Z为物质的原子序数)。丫射线与物质相互作用的三种效 应的截面都是随入射Y射线的能量已丫和吸收物质的原子序数Z而改变。Y

7、射线的线性吸收 系数卩是三种效应的线性吸收系数之和。右图给出了铅对Y射线的线性吸收系数与Y射线 能量的线性关系。实际工作中常用质量厚度R (g/cm2)来表示吸收体厚度，以消除密度的影响。因此3m1)式可表达为I(R) = I e-哦S(22)0由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率N总与该时刻的Y射线强度I成正比， 又对(32)式取对数得：In N 二-hmR + In NP0(23)由此可见，如果将吸收曲线在半对数坐标纸上作图，将得出一条直线，如右图所示。 卩/ P可以从这条直线的斜率求出，即m(24)卩 ln N 一 ln Nm =21p R 一 R2 1ini AlnLR i1-尺冷

8、/cm?)除吸收系数卩夕卜，物质对丫射线的吸收能力也经常用“半吸收厚度”表示。所谓“半吸 收厚度”就是使入射的(25)丫射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作: d = 0.6931/2 uu2实验装置2.1实验器材Y放射源137CS和6oCo(强度1.5微居里)；200umAl窗NaI(Tl)闪烁探头;宦曲I高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器；Pb、Cu、Al吸收片若干；微机。2.2实验装置连接方式做Y射线吸收实验的一般做法可按如上图（a）所示，在源和探测器之间用中间有小圆 孔的铅砖作准直器。吸收片放在准直器中间,前部分铅砖对源进行准直；后部分铅砖则滤去 Y射线穿过吸收片时因发生康普顿

9、散射而偏转一定角度的那一部分射线，从而确保Y射线为 窄束射线。这样的装置体积比较大，且由于吸收片前后两个长准直器使放射源与探测器的距 离较远，因此放射源的源强需在毫居里量级。但它的窄束性、单能性较好，因此只需闪烁计 数器记录。本实验中，在Y源的源强约2微居里的情况下，由于专门设计了源准直孔（3 12mm）, 基本达到使Y射线垂直出射；而由于探测器前有留有一狭缝的挡板，更主要由于用多道脉冲 分析器测Y能谱，就可起到去除Y射线与吸收片产生康普顿散射影响的作用。因此，实验装 置就可如上图（b）所示，这样的实验装置在轻巧性、直观性及放射防护方面有前者无法比 拟的优点，但它需要用多道分析器，在一般的情况

10、下，显得有点大材小用，但在本实验中这 样安排，可以说是充分利用现有的实验条件。3 实验步骤1）调整实验装置，使放射源、准直孔、闪烁探测器的中心位于一条直线上。2）在闪烁探测器和放射源之间加上0、 1、 2 片已知质量厚度的吸收片（所加吸收片最 后的总厚度要能吸收Y射线70%以上），进行定时测量（建议t=1200秒），并存下实验谱图。3）计算所要研究的光电峰净面积Ai=Ag-Ab，这样求出的Ai就对应公式中的Ii、Ni。4）分别用作图法和最小二乘法计算吸收片材料的质量吸收系数。5）依照上述步骤测量Pb、Al对137Cs的Y射线（取0.661MeV光电峰）的质量吸收系数。6）测量Pb、Al对60C

11、o的Y射线（取1.17、1.33MeV光电峰或1.25MeV综合峰）的质量 吸收系数（选做）。7）利用Al对137Cs的Y射线（取0.661MeV光电峰）的质量吸收系数测Al片厚度。4 数据记录4.1 137Cs 与 60Co 为伽马放射源的全能谱见附件。42以下是在以金属A1测试以137Cs为Y放射源的Al吸收系数卩的测定。参数设置，预置时间：300s,高压电源：866V；放大倍数：03倍全谱道数：512道扩展道数：128道，道数：159,位置：404皿1 - 铝R ( g-/ CYil1 )心计总峰位卫半高宽中净面分辨块数屮计积心率口数数率屮12.404382455lll5S.86c15.

12、13th1319952块Q0门tm*hq4p畑2Z4(R2.44 户73403ti-15S,80cV-jV-jV-e15,17ch11449.55块4*?2hn*口32.40+2,44+2.4259374th=15S.SSc15.37rh964“9.67贻24卢hn屮n屮蜒屮42.40+2.44+2.42+2553341159,1 &c14.74ch7846 屮9,26如.4383hn图.1上下两边参数设置相同铅R (_g.f 亡曲 j q计总峰位q半高宽彳净面分辨块计积口率心的数位率初旦12.10101463tl59,74cVvW-Vv16.44c160210,29块442irn心hup4烁

13、22.1042.08805卫383H159.32c16.27c120010.21绘4卢hil存hilp3心烁32.10+2.08+2.084363932411159.99c16.27c101410.172imjImp7p畑斗2.1042.08+2.08+5妙273thl59,57c、2小卢215.46c81646%2.102户bn户in户图.2参数设置，预置时间：300s,高压电源，866V,放大倍数：03倍全谱道数：512道扛展這数：门呂道，道熱153叱3 P刻度(cm)旧总计数率屮峰位卩半高宽户净面积#分辨率护位詈1:40.4p13006th=161.44-chii16.16chn15S9

14、1I10.01 畑位詈Z401346护5th=16145dLty16,51ehiv斗7322屮1022 沧位詈矢40:813625thl5&.76dirLi：16,17clmr5002610.19%图.3的全能峰测量丿参数设置预置时间：500s,高压电源：呂69V,放大倍数：氏3倍全谱道数，512道，扩農道数=128道，道数，322刻度(cm)心总计数率心峰位屮半高宽户淨面积卩分辨率户位詈Ip41q4434th=320,80chnv1638dm.4205.11位詈2p41.54744tl321.19dm17.21 elm6225.36%何胃3门42心4764tiF=320.76clinlS,S

15、5clm294 93%图.45数据分析运用公式2-4可以计算出Al对Y射线的吸收系数为：卩=0.10512cm-i，相对误差 =45.8%.AlPb对Y射线的吸收系数为：卩=1.34579cm-i，相对误差 8=10.9%.6误差分析从5中的误差结果不难看出，本实验中的误差较大，特别是Al对Y射线的吸收系数相 对误差达到了 45.8%在实验中是绝对不允许的，下面我将对可能导致实验误差的原因进行分 析。 由于每次试验中探测器与放射源的距离都相等，这样导致每次试验过程中探测器与 放射源之间的空气厚度不一样，由于空气对Y涉嫌也具有吸收能力，这样增加了实验的误差。 在试验中 Al 片与 Pb 片的放置

16、位置不是很规则，它们之间存在一定间隙，对实验结 果产生影响。 试验次数太少，导致偶然误差较大。 NaI(T I)闪烁晶体的发光效率受温度的影响，在不同的温度下，同样能量的Y射线 打出的光子数会发生变化，其结果必然会影响实验的准确性。 实验结果也会受到NaI(TI)闪烁晶体制造工艺的影响，晶体的透明度不好，使晶体 发射的部分荧光光子被其本体吸收，或者闪烁体与光阴极的光学接触不好，致使荧光光子的 收集不完全，从而导致数据的偏差。7 结束语 本实验对实验者的要求较高，实验数据需要较强的数学软件处理能力，认真完成对学生 的动手能力以及理论知识都会有一定提高。我们也可以在此实验的基础上研究X射线吸收 系数的测量以及B射线吸收系数的测量。参考文献1 林根金等近代物理实验讲义M.浙江师范大学数理信息学院近代物理实验 室.2009:54-682 姜东光.近代物理实验M.北京：科学出版社.20073 屈国普.凌球.Nal(Tl)闪烁谱仪谱漂移原因分析J.南华大学学报.2005.03:47-504 郭春营罗永锋林源根.NaI(Tl)闪烁谱仪峰总比的蒙特卡罗计算J.核电子学与核测技 术.2002.09:453-455李帮军.Y射线辐射测量实验原理与特性研究J.中国现代教育装备.2007.10:104-105