γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定毕业设计(论文).doc

毕业设计毕业设计( (论文论文) ) 题题 目目 射射线线的的吸吸收收与与物物质质吸吸收收 系系数数 的的测测定定 学院名称学院名称 核科学技核科学技术术学院学院 南 华 大 学 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 学学 院院 ： 核科学技术学院 题题 目目 ： 射线的吸收和物质吸收系数 的测定 起起 止止 时时 间间： 2011.1.52011.5.20 学学 生生 姓姓 名名： 专专 业业 班班 级级： 核工程与核技术 071 指指 导导 教教 师师： 教研室主教研室主 任任： 院院 长长： 2011 年 3 月 6 日 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以 标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究 成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而 使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均 已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论 文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 指导教师评阅书指导教师评阅书 指导教师评价：指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 指导教师：指导教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 评阅教师评阅书评阅教师评阅书 评阅教师评价：评阅教师评价： 一、一、论论文（文（设计设计） ）质质量量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 二、二、论论文（文（设计设计）水平）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 评阅教师：评阅教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）及教学系意见 教研室（或答辩小组）评价：教研室（或答辩小组）评价： 一、答一、答辩过辩过程程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二、二、论论文（文（设计设计） ）质质量量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、三、论论文（文（设计设计）水平）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 评定成绩：评定成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 教研室主任（或答辩小组组长）：教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年年 月月 日日 教学系意见：教学系意见： 系主任：系主任： （签名） 年年 月月 日日 设计(论文)内容及要求: 设计设计内容：内容： 1 射线穿过物质时吸收与吸收系数 的测定研究现状。 2 射线的吸收与物质吸收系数 的测定原理和方法。 3 实验仪器简介。 4 实验数据处理。 5 结论及展望。 设计设计要求：要求： 1 设计任务书设计内容,作出设计进度安排，撰写开题报告； 2 撰写毕业设计（论文），篇幅不少于 1.5 万字，要求数据完整； 3 收集查找资料，参考资料不少于十本； 4 按毕业设计（论文）规范要求，打印装订成册两本； 5 完成英语译文一篇。 主要参考资料： 1 凌球等.核辐射探测.原子能出版社，2002 2 p.m armier and e.sheldon,physics of nucei and particles.vol.1,chapter 4. academic press inc.,new york.(1969) 3 kleinkecht,konrad.detectors for particle radiation ,p.19,cambrdige university press,(1986) 指导教师：郑贤利 2011 年 3 月 6 日 南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目 射线的吸收与物质吸收系数 的测定 设计（论文）题目来源其它 设计（论文）题目类型 实证研究类 起止时间 2011.1-2011.6 、 设计设计（ （论论文）依据及研究意文）依据及研究意义义： ： 射线是由于原子核由激发态退激到较低的激发态或基态（而原子序数 z 和 质量数 a 均保持不变）的过程中产生的。 射线与物质相互作用的方式主要有：光 电效应、康普顿效应和电子对效应。 射线穿过物质时其强度的衰减服从指数规 律，即： （其中 即物质的吸收系数） xnx eieii r 00 随着社会的发展，大型核设施的大力兴建，辐射安全愈来愈显得重要，而 射线的防护就是辐射防护中十分重要的一个方面。对射线进行防护就需要屏蔽 辐射源，而在选择屏蔽材料的时候就要选择吸收系数大的材料，所以研究 射线 的吸收与物质吸收系数 的测定就有十分重要的意义和价值。 、 设计设计（ （论论文）主要研究的内容、文）主要研究的内容、预预期目期目标标：（技：（技术术方案、路方案、路线线） ） 主要研究内容： 1 射线穿过物质时吸收与吸收系数 的测定研究现状。 2 射线的吸收与物质吸收系数 的测定原理和方法。 3 实验仪器简介。 4 实验数据处理。 5 结论及展望。 预期目标： 得出正确的结论；通过做实验，掌握仪器的使用方法以及数据处理的方法。 三、设计设计（ （论论文）的研究重点及文）的研究重点及难难点：点： 研究重点： 物质吸收系数 的测定 研究难点： 吸收系数 的测定及数据处理 四、四、设计设计（ （论论文）研究方法及步文）研究方法及步骤骤（ （进进度安排）：度安排）： 研究方法：研究方法： 调研、理论学习与实验三者相结合。 研究步研究步骤骤： 2011 年 1 月2010 年 3 月 在导师处获得毕业设计题目，收集资料完成开 题报告。 2011 年 3 月2010 年 5 月初 学习实验的原理及数据的处理方法，做好前 期的理论工作 2011 年 5 月初5 月中旬 完成实验，处理、分析测量数据，得出结论，完 成论文初稿。 2011 年 5 月下旬 做好修改和完善初稿工作，并做好论文答辩准备。 2011 年 5 月下旬进行论文答辩。 五、五、进进行行设计设计（ （论论文）所需条件：文）所需条件： cs-137 辐射源； 不同厚度铅板、铁板、有机玻璃板； 核技术应用实验平台； 康普顿散射谱仪; 六、六、指指导导教教师师意意见见： ： 签名： 2011 年 3 月 6 日 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 i 射射线线的的吸吸收收与与物物质质吸吸收收系系数数 的的测测定定 摘要摘要：从伽马射线被发现开始，人们对它做了大量的研究，发现它具有很多的重 要的特性，比如它比 x 射线的穿透力更强，因此把他应用在 射线工业探伤上； 同时也发现了它很多的应用上的弊端，比如伽马射线的波长很短，能量很大很容 易对人体产生损伤，经常接触放射性射线的人会出现皮肤烧伤、毛发脱落、眼痛、 白血球减少甚至骨髓瘤等症状。 随着研究的深入人们发现伽马射线与物质相互 作用主要有三种作用方式：光电效应、康普顿散射和电子对效应，从而为伽马射 线的屏蔽提了理论的基础。 实验研究过程中，分别使用康普顿散射谱仪和实验平台两套实验仪器对穿 过屏蔽物质后的射线进行计数，再通过计算得到屏蔽物质的线性吸收系数。 关键词：关键词：伽马射线、作用方式、吸收系数、能谱 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 ii absorptionabsorption ofof gammagamma raysrays andand thethe measurementmeasurement ofof absorptionabsorption coefficientcoefficient abstract:since the discovery of gamma rays,people make a lot of study and find some important characteristics,for example, his air-penetration is stronger than x- ray,so that gamma rays is used in gamma rays industrial testing;at the same tine,some shortages is knowed, such as, the wavelength of gamma rays is very short,has very high energy and very easily produces damage on the human body . frequent contact will appear burned skin、eye pain and even cancer. with the development of research, people found the gamma ray and material interaction effect mainly have three ways: photoelectric effect, compton scattering and electronic to effect , thus carrying a theory foundation for the gamma ray shielding during the experimental study, separately using compton scattering mass spectrometer and experimental platform ,two sets of experimental apparatus , measure the count of gamma rays, which through shielding material.then we can get the linear absorption coefficient of the shielding material through the calculation. key words: gamma rays, mode of action, absorption coefficient, energy spectrum 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 iii 目录目录 1 概述1 1.1 射线的产生1 1.2 射线的屏蔽.1 1.3 研究的目的和意义.2 1.4 研究的内容.3 2 伽马射线与物质作用机制及吸收规律4 2.1 射线与物质作用机制4 2.1.1 光电效应：.4 2.1.2 康普顿效应：.6 2.1.3 电子对效应：.7 2.2 射线的吸收规律.8 3 数据处理方法11 3.1 计数相加法.11 3.1.1 全峰面积 ctpa)法11 3.1.2 covell 法12 3.1.3 wasson 法13 3.2 函数拟合法.14 4 实验仪器装置简介16 4.1 康普顿散射谱仪.16 4.1.1 康普顿散射实验台.16 4.1.2 bh1324 型一体化多道分析器 .18 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 iv 4.1.3 ums38 仿真软件 20 4.2 实验平台.20 4.2.1 工作原理.21 4.2.2 组成及结构.21 4.2.3 闪烁探测器.22 4.2.4 定标器23 4.2.5 射极跟随器.24 4.2.6 电离室.24 5 实验26 5.1 材料26 5.2 步骤.26 5.2.1 使用康普顿散射谱仪测 26 5.2.2 使用实验平台测 26 5.3 结果.27 5.3.1 康普顿散射谱仪的测量结果.27 5.3.2 使用实验平台的测量结果28 5.4 处理29 5.4.1 使用康普顿散射谱仪的处理结果.30 5.4.2 使用实验平台的处理结果.33 5.5 误差分析.36 6 结论与展望.38 6.1 结论.38 6.2 展望.38 参考文献.40 致 谢.41 附录 a 使用康普顿散射谱仪的实验原始数据42 附录 b 使用康普顿散射谱仪的到得能谱截图43 附录 c 使用实验平台的实验原始数据.46 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 v 英文原文.49 翻译.60 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 1 页，共 66 页 1 概述概述 1.11.1 射线的产生射线的产生 射线是一种强电磁波，它的波长比 x 射线还要短，一般波长小于 0.001 纳 米。在原子核反应中，当原子核发生 、 衰变后，往往衰变到某个激发态，处 于激发态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状 态，而这些能量的释放是通过辐射射线来实现的，这种射线就是 射线1。 射线的能量为跃迁前后始末激发态的能量差(即 e=e初态-e末态)。原子核的 不同激发态所携带的能量是固定的，而且由于原子核进行 跃迁服从选择定律2， 所以当原子核进行 跃迁时只能从较高的激发态跃迁到特定的激发态或基态，其 所释放的 射线的能量是固定值，比如 137cs 释放的 射线能量只有 660kev 一种， 60co 只有 1173kev 和 1332kev 两种。 1.21.2 射线的屏蔽射线的屏蔽3,4 3,4 屏蔽 射线的材料很多，如水、土壤、铁矿石、混凝土、铁、铅、铅玻璃、 以及铅硼聚乙烯等。这些材料对 射线的屏蔽效果各不相同，其中重金属最有效， 体积小、总重量轻。目前人们通常采用铅做屏蔽材料，因为铅具有高的耐腐蚀性能 抵抗空气的氧化和酸的腐蚀，熔点较低(347.4 )，在高温(260 以上)下就会 0c0c 发生变化，熔化浇注容易。目前我国大部分厂家采用两块外围用钢包的铅块拼成狭 缝作为准直板，用铅屏蔽 x 射线，已远远落后于国外相同行业。自然界中，铅的三 个同位素 、分别是三个天然放射性系列铀系、钍系、錒系的最 206pb208pb207pb 终衰变产物，因此大家认为铅是有毒的。近年来国际上为了防止公害、保护环境， 提出了开发代替铅的辐射屏蔽材料的要求。 天津纺织工学院发明了涉及一种中子和 x 射线屏蔽材料。其特征是该材料包括 下述物质:耐高温聚合物占混合物重量(下同)的 16%60%;屏蔽物质占 30%80%， 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 2 页，共 66 页 平均粒径为 1m40m;硅烷类偶联剂占 0.1%1.3%;抗氧剂占 0.03%0.07%;交 联剂占 0.1%1% ;增强纤维占 2%15%，该发明材料的成型体可在-2 5190 0c 温度内不变形，且耐冲击和振动，对热中子屏蔽率达 8098% ,且无二次辐射， 0c 特别适于作测井仪上使用的屏蔽体。另外日本曾用甲基丙烯酸铅与乙烯基酯共聚的 方法制取了防 射线透明材料，防护效果较好，并申请了专利;国内蒋平平等通过 溶剂法、重结晶法合成了纯度较高，适合本体聚合的有机铅化合物，制备了透光率 大于 80%，有一定力学性能的防辐射有机材料。 高比重合金(钨合金)材料是一类以钨为基体(w 含量 70%99%)，并添加有 ni, cu, co, mo, cr 等兀素组成的合金。按合金组成特性及用途分为 w-ni , w-ni-cu, w-co, w-cu, w-ag 等主要系列，其密度高达 16.5 g/ 19.og/ ,而被人们 3 cm 3 cm 称为高比重合金，它还具有一系列优异的特性，比重大，强度高，吸收射线能力强， 导热系数大，有良好的可导电性能;具有良好的可焊性和加工性。鉴于高比重合金 有上述优异的功能，它被广泛地运用在航天、航空、军事、石油钻井、电器仪表、 医学等领域。钨镍合金薄片，主要医疗器械上比如 ce 机器 x 光机，以及安全检测 设备上，比如奥运会安全检测上以及航天航空上，比如导航系统，凡是接触到有信 号，有辐射的地方都可以使用。 1.31.3 研究的目的和意义研究的目的和意义 射线虽然有广泛的用途，但人体受到放射线的照射，随着射线作用剂量的 增大，有可能随机地出现某些有害效应。例如它可能诱发白血病、甲状腺癌、骨肿 瘤等恶性肿瘤;也可能引起人体遗传物质发生基因突变和染色体畸变，造成先天性 畸形、流产、死胎、不育等病症。不过，这种情况发生的几率很低，其危险度一般 没有超过目前人们可以接受的范围5。 射线的威力主要表现在以下两个方面:一是 射线的能量大。由于 射线 的波长非常短，频率高，因此具有非常大的能量。高能量的 射线对人体的破坏 作用相当大，当人体受到 射线的辐射剂量达到 200 雷姆-600 雷姆时，人体造血 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 3 页，共 66 页 器官如骨髓将遭到损坏，白血球严重地减少，内出血、头发脱落，在两个月内死亡 的概率为 0-80%;当辐射剂量为 600-1000 雷姆时，在两个月内死亡的概率为 80-100%; 当辐射剂量为 1000-1500 雷姆时，人体肠胃系统将遭破坏，发生腹泻、发烧、内分 泌失调，在两周内死亡概率几乎为 100%;当辐射剂量为 5000 雷姆以上时，可导致 中枢神经系统受到破坏，发生痉挛、震颤、失调、嗜眠，在两天内死亡的概率为 100 %。二是 射线的穿透本领极强。人体受到 射线照射时， 射线可以进入 到人体的内部，并与体内细胞发生电离作用，电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分 子，如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主要成份，一旦它们遭到破 坏，就会导致人体内的正常化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡。所以寻找 一种安全可靠的防护材料对十从事放射性工作人员的安全至关重要防护， 射线 的屏蔽材料的研究便成为一项十分重要的课题3。 随着社会的进步，能源问题日益突出，核能被越来越多的国家列为第一发展能 源。由于核工业的快速发展，辐射防护愈来愈显的重要。核辐射主要包括以下几种 粒子：中子、质子、 粒子、中微子、 射线、x 射线和重离子。其中 射线是 这几种粒子中最重要的危害粒子之一。为了减少工作人员承受的辐射剂量，除了减 少与辐射源的接触时间和扩大与辐射源的距离外，还要对辐射源进行屏蔽。进行屏 蔽就需要对屏蔽材料进行选择。传统的辐射防护材料是铅，然而随着核技术的广泛 应用，在实践中人们发现：铅作为辐射防护材料有很多弊端，比如铅在屏蔽 射 线时，同时会产生二次轫致辐射，硬度也比较差的，同时铅本身是重金属污染源， 很可能在使用过程中造成重金属中毒。因此，寻找安全可靠的屏蔽材料是至关重要 的，做为评价防护材料好坏的重要标准吸收系数，自然具有非常重要的研究价 值。 1.41.4 研究的内容研究的内容 本课题主要进行以下几个内容： 1）137cs 射线穿过不同物质的吸收情况； 2）不同方法测定 射线在不同物质中的吸收系数； 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 4 页，共 66 页 3） 射线穿过不同物质厚度的能谱变化关系。 2 伽马射线与物质作用机制及吸收规律伽马射线与物质作用机制及吸收规律1 1 2.12.1 射线与物质作用机制射线与物质作用机制 射线是由于原子核由激发态退激到较低的激发态或基态（而原子序数 z 和质 量数 a 均保持不变）的过程中产生的，是处于激发态原子核损失能量的最显著方 式。由于射线不带电、静止质量为 0 等特点决定了它同物质的作用方式与带电 粒子不同，带电粒子(或粒子等)在一连串的多次电离和激发事件中不断地损失 其能量， 光子与物质原子相互作用时，发生一次相互作用就导致损失其大部或 全部能量(大量能转移)，光子不是完全消失就是大角度散射。光子(射线)通过 物体时会与其中的下述带电体发生相互作用： 1） 被束缚在原子中的电子； 2） 自由电子(单个电子)； 3） 库仑场(核或电子的)； 4） 核子(单个核子或整个核)。 这些类型的相互作用可以导致：光子的完全吸收、弹性散射、非弹性散射三种 效应中的一种（在从约 10kev 到约 10mev 范围内，大部分相互作用产生下列过程 中的一种）主作用过程有三种：光电效应、康普顿效应、电子对效应。 2.1.1 光电效应：光电效应： 光子与靶物质原子的束缚电子相互作用时，光 子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去， 而光子本身消失掉，这种过程称光电效应（见图 2.1） 。 光电效应发射出来的电子叫做光电子。光电子可以从 原子的 k、l、m 等各个壳层中发射出来。但是由于要 满足能量守恒的同时还要满足动量守恒定律，这就必须 图 2.1 光电效应 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 5 页，共 66 页 要有第三者即原子核的参加。因此，自由电子不可能产生光电效应。原子中外层电 子的结合能很小，原子核反冲动量也很小，动量守恒条件不容易得到满足；但随着 电子束缚程度的增加，原子核得到的反冲动量很快增加，较易满足动量守恒，因此 光电效应概率随着电子束缚程度的自己而很快增加。当入射光子能量大于 k 层电子 的结合能时，从 k 壳层发射光电子的概率最大。 1）光电子的能量 入射光子的能量（=）一部分用来克服电子在原子中的结合能，另一部 0 eh 分转化为光电子的动能，所以光电子的能量可有动量守恒定律得到 ee= - （i=k，l，m， ） 式中为第 i 壳层的结合h i b i b 能。 2）光电截面 射线与物质相互作用发生光电效应的概率就是光电吸收截面，或简称光电 截面。当而 时，对于 k 层电子，每个原子的光电截面为6 2 e hm ch k b 2 5/247/25 2() e kphth m c z h 当时 2 e hm c 2 45 1.5 e kphth m c z h 式中：=1/137 是精细结构常数，是每个电子的汤姆逊散射截面，其值 2 /ehc th 为 2222252 88 (/)6.651 10 33 ethee em crcm 由上可见正比于 z5，所以重元素的光电效应截面比轻元素的截面大得多， th 许多 探测器常用高 z 材料，以获得较高的探测效率。另一方面，首先随 kth 而减小，而后随而减小。显然，即使是很重的元素，当1mev 时， 7/2 ()h 1 ()h h 光电效应已是次要的了，当h接近 bk时 kth达到峰值，因此=成 k 吸收限。h k b 同样还有 l 吸收限和 m 吸收限等。 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 6 页，共 66 页 2.1.2 康普顿效应康普顿效应： 光子的能量较高时，除上述光电效应外， 还可能与核外电子发生弹性碰 撞， 光子 的能量和运动方向均有改变， 而产生的现象称 为康普顿效应 （见图 2.2） 。康普顿散射发生在 入射光子与物质原子核外的轨道电子之间。入射 光子偏离他原来的运动方向。散射情况因入射 光子能量不同而不同。 1）散射光子和康普顿电子的能量 入射光子的能量接近或超过时的散射成为康普顿散射。散射时入射光h 2 e m c 子和轨道电子相碰撞，入射光子被电子所散射不仅改变其运动方向，而且损失能量。 电子获得能量从原子中飞出，这个反冲电子成为康普顿电子。康普顿散射发生在束 缚得最松的外层电子上的概率大，外层的电子的结合能同入射 光子的能量h 相比较，可以忽略。同时外层电子轨道运动的速度也远远小于光速，康普顿散射就 认为是 光子和静止状态的“自由电子”之间的弹性碰撞。利用相对论的能量和 动量公式及康普顿散射中的能量和动量守恒，就可以推算出： 散射光子能量表达式为 2 0 1(1 cos ) e e e m c 康普顿反冲电子能量表达式为 2 2 0 (1 cos ) (1 cos ) e e e m ce 2）作用截面 由理论可得到康普顿散射截面 7： ce 2 22 12(1)111 3 2ln(12 )ln(12 ) 122(12 ) cee r （式中） 2 / e hm c 图 2.2 康普顿散射 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 7 页，共 66 页 当 1 时，上式近似可以写成 311 (ln2) 82 ceeth 当 1 时，得到 2 26 (12 5 ceetheth ）=（1-2 ） 显然这就是汤姆逊散射的情况。 2.1.3 电子对效应：电子对效应： 当光子的能量大于 1.02mev 时， 光子经过与之相互作用物质的原子核附近 时，与原子核发生电磁相互作用， 光子消失而 产生一个正电子和一个负电子（简称电子对） ， 这就是电子对产生效应（见图 2.3） 。 1） 能量 电子对效应必须有第三者原子核参加， 才能满足能量守恒和动量守恒定律。但是，因为 原子核的质量相对地说很大，反冲能量很小，可以忽略不计。所以入射光子的能量 除一部分转为正负电子的静止能量（1.02mev）外，其余的就作为电子的动能，即 2 2 ee e heem c 其中和分别是正负电子的动能。显然，对于一定能量的入射光子，电子 e e e e 对产生效应产生的正电子和负电子的动能之和为常数。但是电子和正电子之间的能 量是随机任意分配的，他的动能从 0 到（）都是有可能的。由于动量守 2 2 e hm c 恒关系，电子和正电子的发射几乎都是沿着光子的入射方向前倾的。入射光子能量 越大，正负电子的发射方向就越前倾。电子对效应中产生的正电子和电子与物质相 互作用，负电子最终被吸收，但正电子在其绝大部分动能损失而与周围物质达到热 平衡时将与物质用的一个电子发生湮灭，放出两个能量均为 0.51mev 的 光子。 2）作用截面 光子在一个原子核上产生电子对的总截面 p 可以由理论计算得到7： 图 2.3 电子对效应 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 8 页，共 66 页 当时 221/3 2137 ee m chm c z 2 2 (1)282218 ln() 137927 e p e z zrh m c 当时 21/3 137 e hm c z 2 1/3 (1)281832 ln() 137927 e p z zr z 在不同情况下 射线与物质相互作用的三种效应的主要表现不同，总的来说， 光电效应在低能高 z 区占优势，康普顿散射在中能低 z 区占优势，电子对效应在高 能高 z 区占优势。 除了上述三种主要相互作用方式外，其它一些相互作用方式有8: （1）相干散射。低能光子()与束缚电子之间的弹性碰撞，而靶原子 2 2 e hm c 保持它的初始状态。碰撞后的光子能量不变，即电磁波波长不变，称汤姆逊散射或 相干散射。散射光子主要沿入射方向发射。在光子能量低、靶物质原子序数大时， 这种相干散射占优势。当 光子能量较高()，靶物质原子序数小时， 2 2 e hm c 这种相干散射与康普顿散射相比，可以忽略。康普顿散射中，散射前后光子的能量 要改变，即电磁波波长发生变化，所以康普顿散射是一种非相干散射过程。 （2）光致核反应。大于一定能量的 光子与物质原子的原子核作用，可以发 射出粒子，例如,n反应。但这种相互作用的大小与其它效应相比是很小的，所 以可以忽略不计。 （3）核共振反应。入射光子把原子核激发到激发态，然后退激时再放出 光 子。 2.22.2 射线的吸收规律射线的吸收规律 对于一定能量的一束 射线，通过某种物质时，其中有的与物质发生作用， 有的没有发生作用。只要发生作用，原来的光子就消失；未发生作用的光子，其能 量就不变而穿过物质。因此，射线的强度随物质的厚度的增加而逐渐减弱，通常用 吸收体的厚度来表示吸收体使 射线衰减的程度。一束强度为 io 的窄束 射线 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 9 页，共 66 页 穿过厚度为 x 的物体后强度为 i，在穿过厚度为 dx 的物质，强度将衰减 di，则 a diindxin dx a 式中为 射线三种效应的总截面 为物质中单 cphp / a nna 位体积内的原子数， 和 a 分别为物质密度和原子量，na为阿伏加德罗常量。 利用初始条件 x=0 时 i=，将上式积分得 0 i 0 / 00 i=ii nx a x ee 可见， 射线穿过物质时其强度随着穿过厚度的增加而按指数规律衰减。 称为物质的衰减系数，也叫线性吸收系数。当衰减厚度单位为 cm 0 /na 时，衰减系数但单位为 cm-1，他表示 射线穿过单位厚度时发生相互作用的概率， 它包括了光电效应、康普顿效应和电子对效应，因此 可以表示为三部分之和 c () phcpphp n 其中：、（z 为物质的原子序数） 。射线与 5 zphzc 2 zp 物质相互作用的三 种效应的截面都是随入射 射线的能量 e和吸收物 质的原子序数z 而改变。射线的线性吸收系数 是三种效应的线性吸 收系数之和。图2.4 给出了铅对射线的线性 吸收系数与射线能量的 线性关系。 对于上边的公式： 0 ln(i/ i =- x ） 图 2.4 铅对 射线的吸收吸收的能量的关系曲线 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 10 页，共 66 页 两边取对数得： 0 i ln=- x i 变换可得： 0 ln(i/ i =- x ） 容易得到,i、都可可通过实验测得，以屏蔽物质的厚度为横轴，以 0 i 为纵轴，做出线性关系图，计算其斜率就可以得到屏蔽物质的线性吸收系 0 ln i/ i（） 数。 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 11 页，共 66 页 3 数据处理方法数据处理方法8 8 在进行谱仪的效率刻度与能谱分析中，都要从实验测量中求出特征峰的面积， 从而定出 y 射线的强度。确定峰面积的方法很多9，原则上可以分为两类:一类叫 计数相加法，此法比较简单，将峰内测到的各道计数按一定的规律直接相加，但只 适于确定单峰面积;另一类叫函数拟合法，将所测到的数据拟合某个函数，然后将 这个函数积分得到峰面积，这种方法计算工作量大，需在计算机中完成，但求出的 峰面积精确度较高，尤其适合于重峰的分解。下面简略地说明这两种方法。 3.13.1 计数相加法计数相加法 计数相加法按照扣除本底和选取边界道方法的不同，可分为全峰面积 ctpa)法， 科沃尔（ cavell ）峰面积法，瓦森铁板铝板玻璃。 （4）通过康普顿散射谱仪得到的能谱的全能峰的峰位 随能量屏蔽物质的厚度的增加而向后移动，全能峰的幅度随屏蔽物质厚度的增加而 逐渐降低。 6.26.2 展望展望 当今世界的能源格局是以化石燃料为主和可再生能源、新能源并存的多样化能 源格局。化石燃料（石油、煤炭、天然气）是非可再生能源，在未来几十年内将会 被消耗殆尽，作为新能源的核能将会得到大力的发展。然而随着核工业的发展，放 射性同位素应用范围的不断扩大，辐射防护问题日益突出，各种检测方法也相应得 到发展。射线的辐射与防护是一门涉及原子核物理放射化学、辐射剂量学、核电子 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 40 页，共 66 页 学、放射医学、放射生物学及放射生态学等学科领域的综合性边缘学科,内容广泛、 复杂。随着移动式反应堆和可携带辐射源使用频率的增加，传统、单一的屏蔽材料 已经不能满足现代防护设备的使用要求，如混凝土重量重，可移动性差；pb 对能 量高于 88 kev 和 1340kev 之间的射线有良好的吸收能力，但对能量介于 40kev88kev 之间的射线却存在一个 pb 的弱吸收区。因此，人们试图也一直在寻 找一种具有良好综合性能的屏蔽材料,这就要求其既要有理想的屏蔽效果、又要有 可操作性较强的制备工艺。为解决这些问题,目前对新型屏蔽材料的要求是尽可能 体积小、重量轻、密度大、含氢量大。 随着研究的深入，各种合金材料、高分子聚合物等新型屏蔽材料相继问世，他 们对 射线有较高的吸收系数，且本身的密度较小，方便移动，适合未来核射线 屏蔽的需要。作为衡量屏蔽材料综合性能的最重要指标吸收系数，必然是新型 材料研究工作的重中之重。 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 41 页，共 66 页 参考文献参考文献 1 凌球等.核辐射探测m.北京：原子能出版社,2002 2 卢希庭.原子核物理m.原子能出版社.2000.10 3 何莉莉. 一种新型材料对_射线的屏蔽性能研究d. 成都理工.2009.6 4 徐希杰 ,吕坤祥等.含金属聚合材料屏蔽 射线效果的测定j.中国辐射卫生， 2001.3（1）：2324 5 电离辐射剂量与防护理论.南华大学核科学技术学院 6 p.marmier and e.sheldon.physics of nuclei.vol.1,chapter4.academic press inc.,new york.(1969) 7 kleinknecht,konrad.detectors for particle radiation,p.19,cambridge university press,(1986) 8 吴治华等.原子核物理试验方法m.原子能出版社.1997.6 9 中国计量科学研究院译编，放射核素计量第一届国际放射核素计最学讨 论会译文集,194-204 页,209-216 页,1976 年. 10 庞巨丰. 能谱数据分析.陕西科学技术出版社.1990 11 康普顿散射谱仪说明书 12 实验平台说明书 13 王芝兰主编.核电子技术原理m.原子能出版社.1989 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 42 页，共 66 页 致致 谢谢 在大四第二学期的学习过程中，我的导师郑贤利都给予了我耐心的指导和热心 的帮助，从平时的的学习，到论文的选题、资料的查找、论文的撰写、修改、定稿 无不渗透着他的心血！在她的谆谆教导和严格要求下，我在实验理论及仪器操作上 都有了长足的进步。在此毕业之际，我向郑贤利老师表示衷心的感谢和崇高的敬意， 并感谢谢菊英老师和赵越老师等实验室老师在实验上为我提供大量的指导以及无私 的关怀！ 虽然这半年的学习生活是艰苦的，但也是充实和快乐的，因为有老师、同学和 朋友们的关心和帮助！在此，向陈继伟、王冲、孙智威、王建华、罗明文等同学表 示感谢，感谢他们对我在毕业设计上的支持和帮助，感谢大家一起度过的美好时光。 最后，特别感谢家人和社会对我无私的关爱！ 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业论文 第 43 页，共 66 页 附录附录 a 使用康普顿散射谱仪的实验原始数据使用康普顿散射谱仪的实验原始数据 附表 1 使用铅板为屏蔽材料时的记录表 铅板厚度（mm）04.18.212.316.420.524.6 峰位道址330329326326324326325 峰位能量(kev)665.9664.0658.1658.1654.2658.1656.1 总面积1771601111173 4 68474541287424614214668384117 净面积1652136103114 5 63043737863122500313345776422 附表 2 使用铁板为屏蔽材料时的记录表 铁板厚度（mm）03.4256.810.22513.7318.4525.25 峰位道址333331330330327327326 峰位能量(kev)671.8667.9665.9665.9660.0660.0658.1 总面积224974 2 192800 6 162282 5 134821 7 104958 5 729616604623 净面积209745 2 179665 1 150903 4 125001 4 969873670470553947 附表 3 使用铝板为屏蔽材料时的记录表 铝板厚度（mm）03.8757.77511.6516.07517.7522.15 峰位道址334334333332334330330 峰位能量(kev)673.7673.7671.8669.8673.7665.9665.9 总面积24855632330189218622 1 201815 9 19622221816838158216 1 净面积23183412173701203881 0 188276 1 18305881692018147425 8 附表 4 使用有机玻璃板为屏蔽材料时的记录表 bl 板厚度（mm）04.77510.913.87517.12520.126.225 峰位道址334334334334334333334 峰位能量(kev)673.7673.7673.7673.7673.7671.8673.7 总面积253079 9 2410039237144023066542254736214359 4 206619 3 净面积235969 8 2249078221431221540032103414200152 1 193150 0 附表 5 测量材料厚度的记录表 南华大学核科学技术学院 2011 届本科毕业