γ射线能谱的测量与吸收系数的测定

1、射线能谱的测量及物质吸收系数的测定物理082班 叶品昭 08180236【摘要】本实验是用Nal(Tl) 闪烁谱仪来测量Co和Cs 元素所发出来射线能谱分布规律与窄束射线在在Pb、Al中的吸收规律。通过实验了解NaI(T )闪烁谱仪原理，特性与结构，掌握NaI(T )闪烁谱仪的使用方法。并通过对射线能谱与物质吸收系数的测量，加深对射线与物质相互作用的理解以及在现实生活中的一些重要意义。【关键词】能谱 射线 闪烁谱仪 吸收系数【引言】某些物质的原子核能发生衰变，会放出射线，核辐射主要有、三种射线。射线是由原子核由高能级向低能级跃迁时产生的一种辐射。它是一种波长极短的电磁波，其能量由原子核跃迁前后

2、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”。 、三种射线我们可以通过不同的实验仪器能够探测到这些肉眼无法看见的射线。同时由于射线与物质相互作用，导致射线通过一定厚度物质后，能量或强度有一定的减弱，称为物质对射线的吸收。研究物质对射线的吸收规律，不同物质的吸收性能等，在防护核辐射、核技术应用和材料科学等许多领域都有重要意义。本实验主要用到了用Nal(Tl) 闪烁谱仪，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

3、。【正文】一、实验原理A、射线能谱的测量闪烁能谱仪正是利用光子与闪烁体相互作用时产生次级带电粒子，进而由次级带电粒子引起闪烁体发射荧光光子，通过这些荧光光子的数目来推出次级带电粒子的能量，再推出光子的能量，以达到测量射线能谱的目的。闪烁谱仪内部含有闪烁体，而闪烁体在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射荧光，可以把射线的能量转变成光能。射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程，光子与物质相遇时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应或电子对效应而损失能量，其结果是产生次级带电粒子，如光电子、反冲电子或正负电子对。次级带电粒子的能量与入射光子的能量直接相关，因此，

4、可通过测量次级带电粒子的能量求得光子的能量。闪烁能谱仪可测得能谱的形状，图1就是典型的射线能谱图。图的纵轴代表单位时间内的脉冲数目即射线强度，横轴代表脉冲幅度即反映粒子的能量值。从能谱图上看，有几个较为明显的峰，光电峰，又称全能峰，其能量就对应射线的能量。实验过程中要保证最终的峰值与图中A峰的CH（道数）尽量的接近，这样测得的结果才有实验价值。B、物质吸收系数的测定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

5、线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即其中，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。因此上式可表达为 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，又对上式取对数得： 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。可以从这条直线的斜率求出，即 除吸收系数外，物质对g射线的吸

6、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g射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作：三实验装置实验器材包括：放射源137Cs和60Co(强度1.5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。Pb、Al吸收片各4片。四、实验步骤：A、射线能谱的测量1、取出放射源137Cs和60Co，开机预热二十分钟；把放射源137Cs放在先将放射源放入实验谱仪中适当的位置，调节放大倍数为0.3，调节高压是谱线中的全能峰尽量靠近160道（60Co为320道）设置采集时间为300s（60Co为500s）。转动实验谱仪上的手柄，使闪烁体的位置对准放

7、射源，使射线能够刚好入射进入闪烁体。2、分别测137Cs的全能谱并分析谱形。利用多道数据处理软件对所测得的谱形进行数处理，寻峰，半宽度记录，净面积记录，能量刻度，能量分辨率等数据。3、改变探测器的位置，重复上述步骤对137Cs进行3次采集。4、把137Cs换成60Co，重复以上步骤；4、在得到的6组能谱中选取137Cs和60Co中最佳的，然后将实验所得图像保留并打印；5、关闭RS能偶仪的时候要先把仪器上的调节开关全部打到0档，并把数据调到0再关闭仪器的电源。B、物质吸收系数的测定1、打开电源，预热二十分钟，调整合适的电压（700-900V左右）2、取出放射源Cs，放到装置上去；调整实验装置，使

8、放射源、准直孔、闪烁探测器的中心位于一条直线上；3、在闪烁探测器和放射源之间加上4片已知质量厚度的铝片（2.48cm2+2.45 cm2+2.44g/cm2+2.57g/cm2），进行定时测量（t=300秒）。再逐个减去铝片，分别测量3，2，1，0块的铝片的能谱图。4、利用多道数据处理软件对所测得的谱形进行数处理，寻峰，半宽度记录，净面积记录，能量刻度，能量分辨率等数据。5、把铝片换成铅片（进行定时测量时t=500），重复以上步骤。五、数据处理一些必要的数据已在实验步骤中给出A射线能谱的测量利用闪烁谱仪测量137Cs能谱所的的三组数据： 组数123测量时间300300300电压（V）66366

9、3663道数161161161计数率200319972010峰位（chn）161.25161.23161.21半高宽（chn）14.9215.0214.61净面积734537236673964分辨率9.25%9.32%9.06%计数490647024689利用闪烁谱仪测量60Co能谱所的的三组数据：组别123测量时间500500500电压（V）663663663道数314312313计数率421418422峰位（chn）313.65313.23313.6半高宽（chn）14.4419.3315.76净面积215426212237分辨率4.60%6.17%5.02%计数217259257调节探测

10、器的位置视为了是探测器与放射源的小孔尽量在一条直线上，让更多的射线进入探测器，以总计数率最大值来判断最佳图像的标准。上面三组中137Cs最大的计数率为2010，所以137Cs的能谱图选第3组。60Co最大计数率为422，所以60Co的能谱图选第3组。通过对比137Cs和60Co的计数率，可以知道137Cs的总计数率的变化值比60Co要大，更明显，并且通过对比能谱图，两者的全能峰的强度相差也较大，可以看出137Cs所发出的射线的强度比 60Co要大。B物质吸收系数的测定所用的放射性元素：137Cs，电压U=663，Al=2.7g/cm3, Pb=11.34g/cm3Al的吸收系数组别12345质

11、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/

12、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.

13、13503/1.22151.02424/0.8269平均值=1.1203 cm-1六、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