实验2γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定实验报告.doc

近代物理实验报告 射线的吸收与物质吸收系数测定学 院 数理与信息工程学院 班 级 光信081班 姓 名 陈亮 学 号 08620114 时 间 2011年04月27日 射线的吸收与物质吸收系数的测定 班级：光信081 姓名：陈亮 学号：08620114摘要：学会NaI(Tl)单晶闪烁体整套装置的操作、调整和使用；在此基础上测量137Cs和60Co的能谱，求出能量变化率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形；了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶谱测量中的数据采集及其基本功能，在数据处理中包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等。通过测量137Cs和60Co的射线的吸收曲线，研究射线与物质（被束缚在原子中的电子、自有电子、库仑场、核子）相互作用的特性，了解窄束射线在物质中的吸收规律及测量其在不同物质中的吸收系数。关键字：射线 能谱 物质吸收系数 光电效应 康普顿效应 电子对效应 引言：原子核由高能级向低能级跃迁时会辐射 射线，它是一种波长极短的电磁波，其能量由原子核跃迁前后的能级差来表示即：射线与物质发生相互作用则产生次级电子或能量较低的 射线，将 射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到 辐射强度按能量的分布，即为“能谱”。测量能谱的装置称为“能谱仪”。闪烁探测器是利用带电粒子或非带电粒子与某些物质的相互作用下转化成为带电粒子对物质原子的激发，从而会产生发光效应的特性来测量射线的仪器。它的主要优点是即能测量各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子；即能测量粒子强度，又能测量粒子能量；并且探测效率高。射线，又称粒子流，是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，是波长短于0.2埃的电磁波。首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继、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射线 。射线的波长比X射线要短，所以射线具有比X射线还要强的穿透能力。当射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。原子核释放出的光子与核外电子相碰时，会把全部能量交给电子，使电子电离成为光电子，此即光电效应。由于核外电子壳层出现空位，将产生内层电子的跃迁并发射X射线标识谱。高能光子（2兆电子伏特）的光电效应较弱。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，从而产生康普顿效应。当光子的能量大于电子静质量的两倍时，由于受原子核的作用而转变成正负电子对，此效应随光子能量的增高而增强。光子不带电，故不能用磁偏转法测出其能量，通常利用光子造成的上述次级效应间接求出，例如通过测量光电子或正负电子对的能量推算出来。此外还可用谱仪（利用晶体对射线的衍射）直接测量光子的能量。由荧光晶体、光电倍增管和电子仪器组成的闪烁计数器是探测射线强度的常用仪器。 通过对射线谱的研究可了解核的能级结构。射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。射线是原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时所发出的一种辐射，其辐射的能量由原子核跃迁前后两能级的能量之差决定。由于射线的能量与原子核激发态的能级密切相关， 因此，射线能量的测量对于了解原子核的结构、获得原子核内部的信息是一个十分重要的途径。正文实验目的1了解射线与物质相互作用的特性；2了解窄束射线在物质中的吸收规律；3测量其在不同物质中的吸收系数。实验原理辐射是处于激发态原子核损失能量的最显著方式，其产生的原因主要有：a、b衰变引起的副产品；核反应；基态激发。射线会与被束缚在原子中的电子、自由电子、库仑场、核子等带电体发生相互作用，大部分作用是光电效应、康普顿效应、电子对效应中的一种。低能时以光电效应为主；当光子能量大大超过电子的结合能时，以康普顿效应为主；只有当入射光子能量超过1.02MeV，电子对的生成才成为可能。本实验研究的主要是窄束射线在物质中的吸收规律。所谓窄束射线是指不包括散射成份的射线束，通过吸收片后的光子，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，这种现象称为射线的吸收。射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即 （1）其中，I0、I分别是穿过物质前、后的射线强度，x是射线穿过的物质的厚度（单位cm），r是光电、康普顿、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，是物质的线性吸收系数（=rN，单位为cm）。显然的大小反映了物质吸收射线能力的大小。实际工作中常用质量厚度Rm（g/cm2）来表示吸收体厚度，以消除密度的影响。因此（1）式可表达为 （2）由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率N总与该时刻的射线强度I成正比，又对（2）式取对数得： （3）若将吸收曲线在半对数坐标纸上作图，将得出一条直线，如图所示。m/可以从这条直线的斜率求出，即 （4）6物质对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射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作： （5）实验装置放射源137Cs (强度2微居里)；200mmAl窗NaI(Tl)闪烁探头； 高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器； Al与Pb吸收片若干实验步骤：测量137Cs的射线在Al吸收片和Pb吸收片中的吸收曲线，并根据实验数据求得线性吸收系数。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，进行定时测量（t=300秒）；3.分别记录片数n=0,1,2,3,4时的R0、R1、R2、R3、R4所对应的光电峰计数N0、N1、N2、N3、N4。4.根据公式得错误！未定义书签。计算吸收片材料的质量吸收系数01、02、03、04、12、13、14、23、24、34。并求平均值。5.依照上述步骤测量Al和Pb对137Cs的射线的质量吸收系数Al、Pb。 6.整理仪器，经教师检查签字离开。数据处理计算吸收系数所用的放射性元素：137Cs，电压U=684，Al=2.7g/cm3, Pb=11.34g/cm3Al的吸收系数组别12345质量厚度（g/cm2）02.484.937.379.94计数率869765709666630峰位（chn）160.71160.51160.55160.46160.47半高宽（chn）15.2614.6714.5914.5814.38净面积2785323741195931635913379分辨率9.49%9.14%9.09%9.08%8.96%计数18371634139311821042对上述数据进行两两分组，这样可以得到10组数据，通过计算可得到10个的值。计算吸收系数公式为：各组两两对应后代入公式的值10.13140.15330.16270.15482/0.17630.17890.16293/0.18150.15634/0.1324平均值=0.1591 cm-1Pb的吸收系数组别12345质量厚度（g/cm2）02.084.166.268.36计数率869638527434363峰位（chn）160.71160.45161.02160.65160.9半高宽（chn）15.2615.4114.8414.8414.78净面积2785323150184101455911578分辨率9.49%9.59%9.22%9.24%9.19%计数183715511209965828各组两两对应后代入公式的值组别234510.93861.14871.17311.08612/1.35871.28981.13503/1.22151.02424/0.8269平均值=1.1203 cm-1实验分析与总结通过本次实验了解闪烁探测器的结构与原理，了解射线与物质相互作用的特性以及窄束射线在物质中的吸收规律及测量其在不同物质中的吸收系数。另外通过这次实验对核技术有个初步的了解。本次实验实验实现了对137Cs和60Co的射线能谱的测量，但所得的实验结果存在一定的误差，通过差资料可能原因有：i)、闪烁体由于长期使用性能下降，使有效的闪烁次数减少；ii)、计数不够多，能谱峰值处的横向座标还不够稳定就读了数iii)、调节放大倍数的器件本身有仪器误差。在吸收系数的测定的实验中所得的结果与理论值也存在这偏差，可能的原因有：i)、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，由于空气对涉嫌也具有吸收能力，这样增加了实验的误差；ii)、在试验中Al片与Pb片的放置位置不是很规则，它们之间存在一定间隙，对实验结果产生影响；iii)、试验次数太少，导致偶然误差较大；iv）、NaI(TI)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。在试验的过程中要特别注意人身安全。在实验过程中一定要小心拿取放置放射源，并时刻注意时刻注意射线的位置及其朝向。实验结束后必须注意把电压与放大系数调零，以避免下次开机电压过高造成损坏。实验问题分析1、 测定吸收系数时减少AL或Pb的块数时是否应将探头往里移动紧贴？答：保持单一变量原则，在Al与Pb对比实验中不能改变探头与材料间距