γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定

1、射线的吸收与物质吸收系数的测定【摘要】 我们知道原子核的能级跃迁可以产生伽马射线，而通过测量射线的能量分布，可确定原子核激发态的能级，这对于放射性分析，同位素应用及鉴定核素等都有重要意义。同时通过学习了解伽马射线与物质相互作用的特性,测定窄束射线在不同物质中的吸收系数。因此本实验通过使用伽马闪烁谱仪测定不同的放射源的射线能谱；根据当光子穿过吸收物质时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量。闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子，闪烁光子入射到光阴极上，光电效应产生光电子，电子会在阳极负载上建立起电信号等原理，对射线进行研究。【关键词】 伽马射线 吸收系数 60Co、13

2、7Cs放射源 能谱 闪烁谱仪【引言】提出问题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。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。而这在防护核辐射、核技术应用和材料科学等许多领域都有重要意义。核辐射主要是、三种射线，人工辐射源包括放射性诊断和放射性治疗辐射源、放射性药物、放射性废物、核武器爆炸的 落下灰尘以及核反应堆和加速器产生的照射等，辐射时处于激发态原子核损失能量的最显著方式。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

3、激发过程。我们使用何种仪器来探测伽马射线，又如何测量物质对射线的吸收规律，不同物质的吸收性能等。这是都是本次实验需要去解决的问题。解决问题本实验使用的是闪烁谱仪。闪烁谱仪内部含有闪烁体，可以把射线的能量转变成光能。实验中采用含TI（铊）的NaI晶体作射线的探测器。利用此来研究窄束射线在物质中的吸收规律。【正文】 通过查阅相关资料，我了解了伽马闪烁谱仪的基本工作原理以及整个的工作过程。NaI(TI)闪烁探测器的结构如下图所示。整个谱仪由探头（包括闪烁体，光电倍增管，射极跟随器），高压电源，线性放大器，多道脉冲幅度分析器等组成。 图一探测器结构闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子放大器件三个

4、主要部分组成。（1）闪烁体:  闪烁体是用来把射线的能量转变成光能的。本实验中采用含TI（铊）的NaI晶体作射线的探测器。（2）光电倍增管:  光电倍增管的结构如图2。它由光阴极K、收集电子的阳极 A和在光阴极与阳极之间十个左右能发射二次电子的次阴极D（又称倍增极、打拿极或联极）构成。在每个电极上加上正电压，相邻的两个电极之间的电位差一般在100V左右。当闪烁体放出的光子打到光阴极上时，发生光电效应，打出的光电子被加速聚集到第一倍增极D1上，平均每个光电子在D1上打出36个次电子，增值后的电子又为D1和D2之间的电场加速，打到第二倍增极D2上，平均每个电子又打出36个次级电

5、子，这样经过n级倍增以后，在阳极上就收集到大量的电子，在负载上形成一个电压脉冲。图 2 百叶窗式光电倍增管示意图（3）射极跟随器：光电倍增管输出负脉冲的幅度较小，内阻较高。一般在探头内部安置一级射极跟随器以减少外界干扰的影响，同时使之与线性放大器输入端实现阻抗匹配。（4）线性放大器：由于入射粒子的能量变化范围很大，线性放大器的放大倍数能在101000倍范围内变化，对它的要求是稳定性高、线性好和噪声小。开启实验仪器工作时射线通过闪烁体，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比，即入射线的能量越大，在闪烁体内损失能量越多，闪烁体的发光强度也越大。当射线（如、）进入闪烁体时，在某一地点产生次

6、级电子，它使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子（一般光谱范围从可见光到紫外光，并且光子向四面八方发射出去）。在闪烁体周围包以反射物质，使光子集中向光电倍增管方向射出去，当闪烁光子入射到光阴极上，就会产生光电子，这些光电子受极间电场加速和聚集，在各级打拿极上发生倍增（一个光电子最终可产生104109个电子），最后被阳级收集。大量电子会在阳极负载上建立起电信号，通常为电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆将信号传输到电子学仪器中去。由原子物理学中可知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，如图 3所示。  

7、60;       图 3 射线与物质相互作用示意图最终实现了能谱图样的输出如下：图中的横坐标CH表示道数，与能量成正比，纵坐标表示强度，也就是射线的密集程度，与计数成正比。 而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。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”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

8、为“窄束”。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。需要说明的是，吸收系数是物质的原子序数Z和射线能量的函数，且：式中、分别为光电、康普顿、电子对效应的线性吸收系数；其中：、（Z为物质的原子序数）。射线与物质相互作用的三种效应的截面都是随入射射线的能量Eg和吸收物质的原

9、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。下图给出了铅对射线的线性吸收系数与射线能量的线性关系。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（31）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g射线强度I成正比，又对（2）式取对数得： （3）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 （4）物质对g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g射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作： （5）下图为伽马射线与吸收质量密度关系曲线

10、：实验操作程序1阅读仪器使用说明，掌握仪器及多道分析软件的使用方法。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仪器开机并调整好工作电压（700-750V）和放大倍数后，预热30分钟左右。3、把放射源或放在探测器前，调节放大倍数为0.3，在600V850V之间，调节高压使或能谱的最大脉冲幅度尽量大而又不超过多道脉冲分析器的分析范围。4、用多道分析器观察137Cs的能谱的形状，识别其光电峰、反散射峰、X射线峰及康普顿边界等；记录光电峰、反散射峰的峰位（道数）；打印能谱图。5、测量60Co的能谱，绘制能谱图，记录光电峰位（两个光电峰，能量分别为1.33MeV和1.17MeV）

11、，结合137Cs的能谱的光电峰（0.662MeV）和反散射（0.184MeV）位来标定谱仪的能量刻度，打印能量刻度曲线。6、用一组铝吸收片测量对 137 Cs 的射线（取 0.662MeV 光电峰）的吸收曲线，并用最小二法原理拟合求质量吸收系数。根据铝的密度（ r = 2.7 g/cm 3）求线性吸收系数，与理论值（0.194 -1）比较，求相对不确定度。计算半吸收厚度。7、重复上述步骤，用一组铅吸收片测量对 137Cs的射线（取0.662MeV光电峰）的吸收曲线，并用最小二法原理拟合求质量吸收系数。根据铅的密度（r = 11.34 g/cm 3）求线性吸收系数，与理论值（1.213 -1）比

12、较，求相对不确定度。计算半吸收厚度。数据处理与分析1. Cs的能谱图测量参数设置，预置时间300s，高压电源667V，放大倍数0.3倍，全谱道数512道，扩展道数128道，道数160道137Cs刻度（cm）总计数率峰位半高宽净面积分辨率位置一40.518232th=157.53chn14.90chn335829.46%位置二40.718642th=157.44chn15.17chn486449.63%位置三40.317512th=157.44chn14.95chn397149.5%2. Co的能谱图测量参数设置，预置时间500s，高压电源668V，放大倍数0.3倍，全谱道数512道，扩展道数1

13、28道，道数320道60Co刻度（cm）总计数率峰位半高宽净面积分辨率位置一40.54125th=318.24chn15.69chn17584.93%位置二40.74244th=314.68chn18.20chn12985.78%位置三40.33825th=323.77chn16.56chn12645.12%能谱图见附页3.利用铝块测量吸收系数参数设置，预置时间300s，高压电源667V，放大倍数0.3倍，全谱道数512道，扩展道数128道，位置40.5cm铝块数量R(g/c)计数总计数率峰位半高宽净面积分辨率一块2.4017698325th=163.251.73chn-1632251.06%

14、两块2.40+2.441460770163.271.59chn-1369400.97%三块2.40+2.44+2.421230723163.111.34chn-1215110.82%四块2.40+2.44+2.42+2.43987687163.101.11chn-977930.68%根据吸收系数计算公式 十组数据的平均值：0.078 相对误差59.8%4利用铅块测量吸收系数上下两边参数一样铅块数量R(g/c)计数总计数率峰位半高宽净面积分辨率一块2.4016326834th=163.423.14chn-1501681.92%两块2.40+2.4413605654th=162.902.30chn

15、-1298371.41%三块2.40+2.44+2.4210634673th=163.012.68chn-1013291.64%四块2.40+2.44+2.42+2.438763914th=163.112.34chn-804931.43%根据吸收系数计算公式 十组数据的平均值：0.8697 相对误差为28.3%误差分析从误差结果不难看出，本实验中的误差较大，特别是Al对射线的吸收系数相对误差达到了59.8%在实验中是不允许的，下面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，由于空气对射线也具有吸收能力，这

16、样增加了实验的误差。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。由于试验次数太少，导致偶然误差较大。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。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。实验结论1、Co、Cs的能谱（道数E、计数I）(1)比较Co、Cs的能谱图可以看出， Co的能量大强度小，Cs的能量小强度大。(2)在实验的不断尝试过程中发现很多问题