大学毕业论文--γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定

1、毕业设计（论文）题 目 丫射线的吸收与物质吸收系数口的测定学院名称南华大学毕业设计（论文）任务书学 院：核科学技术学院题 目：丫射线的吸收和物质吸收系数U的 测定起止时 间： 2011.1.5 2011.5.20学生姓名：专业班级：核工程与核技术 071指导教师：教研室主任：院长: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

2、。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：学位论文原创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，

3、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 日学位论文版权使用授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。导师签名:日期： 年 月作者签名：日期：年月日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计

4、）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

5、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：优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“ V”）指导教师：（签名）单位：（盖章）评阅教师评阅书评阅教师评价：一、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）？优良中及格不及格二、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：优 良 中

6、 及格 不及格（在所选等级前的内画“ V”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程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、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

7、？优良中及格不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平不及格（签名）日优良中及格不及格 评定成绩：优 良 中 及格（在所选等级前的内画“ V）教研室主任（或答辩小组组长）：年 月（签名）月 日教学系意见：系主任：年设计（论文）内容及要求:设计内容：丫射线穿过物质时吸收与吸收系数卩的测定研究现状。丫射线的吸收与物质吸收系数卩的测定原理和方法。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

8、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，2002P.M armier and E.Sheldon,Physics of Nucei and particles.Vol.1,chapterAcademic Press In c.,New York.（1969）Klein kecht,K on rad.Detectors for Particle Radiati on ,p.19,Cambrdige Uni versity 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）开题报告设计（论文）题目丫射线的吸收与物质吸收系数卩

9、的测定设计（论文）题目来源其它设计（论文）题目类型头证研究类起止时间2011.1-2011.6一、设计（论文）依据及研究意义：丫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。丫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。丫射线穿过物质时其强度的衰减服从指数 规律，即：1 =loeSx=le卫（其中卩即物质的吸收系数）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，而丫 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，所以研究丫

10、射线的 吸收与物质吸收系数卩的测定就有十分重要的意义和价值。二、设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线）主要研究内容：1、丫射线穿过物质时吸收与吸收系数卩的测定研究现状。2、丫射线的吸收与物质吸收系数卩的测定原理和方法。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（论文）的研究重点及难点：研究重点：物质吸收系数卩的测定研究难点：吸收系数卩的测定及数据处理四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）：研究方法：调研、理论学习与实验三者相结合。研究步骤：2011年1月一一2010年3月 在导师

11、处获得毕业设计题目，收集资料完成开 题报告。2011年3月一一2010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月初一一5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、进行设计（论文）所需条件：Cs-137y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、指导教师意见: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 Y射线的吸收与物质吸收系数卩的测定摘要：从伽马射线被发现开始，人们对它做了大量的

12、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，因此把他应用在丫射线工业探伤上； 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：伽马射线、作用方式、吸收系数、能谱Absorpt

13、ion of gamma rays and the measurement ofabsorption coefficientAbstract:Si nee the discovery of gamma rays,people make a lot of study and find some importa nt characteristics,for exampleHis air-pe netratio n is stro nger tha n X-ray,so that gamma rays is used in gamma rays in dustrial test in g;At th

14、e same tin e,some shortages is kno wedsuch as, the wavele ngth of gamma rays is very short,has very high en ergy and very easily produces damage on the huma n body . Freque nt con tact will appear burned skin eye pain and evenca ncer.With the developme nt of research, people found the gamma ray and

15、material in teractio n effect mainly have three ways:photoelectric effect, Compton scattering and electronic to effect , thus carrying a theory foundation for the gamma ray shieldingDuring the experimental study,separately using Compton scattering mass spectrometer and experime ntal platform ,two se

16、ts of experime ntal apparatusmeasure 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目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK

17、l bookmark30 o Current Document 1概述1 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 丫射线的产生1.丫射线的屏蔽 1. HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 1.3研究的目的和意义2. HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 1.4研究的内容3. HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2伽马射线与物质作用机制及吸收规律 4 HYPERLINK l bookmark40 o Current

18、 Document 丫射线与物质作用机制 4. HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 光电效应：4. HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 康普顿效应： 6. HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 电子对效应： 7. HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 丫射线的吸收规律8.3数据处理方法 11 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3.1 计数相加法1.1 HYPE

19、RLINK l bookmark54 o Current Document 全峰面积CTPA法11 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document Covell 法12 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document Wasson 法1.3 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3.2函数拟合法1.44实验仪器装置简介 1.6. HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 4.1康普顿散射谱仪 1.6 HYPERLINK l bookma

20、rk66 o Current Document 康普顿散射实验台16 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document BH1324型一体化多道分析器 1 8Ums38 仿真软件204.2实验平台20 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 4.2.1工作原理21 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 4.2.2组成及结构21 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 423闪烁探测器22 HYPERLINK l bookmark

21、78 o Current Document 4.2.4定标器23 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 4.2.5射极跟随器24 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 4.2.6电离室245实验26 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 5.1材料26 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 5.2步骤26 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 使用康普顿散射谱仪测卩2

22、6 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 5.2.2使用实验平台测卩26 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 5.3结果27 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 康普顿散射谱仪的测量结果 27 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 5.3.2使用实验平台的测量结果28 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 5.4处理29 HYPERLINK l bookmark

23、102 o Current Document 5.4.1使用康普顿散射谱仪的处理结果 30 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 5.4.2使用实验平台的处理结果 33 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 5.5误差分析.3.66结论与展望386.1结论386.2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 .4.2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英文原文49翻译6.0.南华大学核科学技术学院2011届本科毕业论文第 页，共

24、66页1概述Y射线的产生丫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 a、B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，这种射线就是丫射线1 O丫射线的能量为跃迁前后始末激发态的能量差 （即Ey =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丫跃迁服从选择定律2，所以当原子核进行丫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 放的丫射线的能量是固定值，比如137Cs释放的丫射线能量只

25、有660KeV 种，60Co 只有1173KeV和1332KeV两种。1.2 丫射线的屏蔽3,4屏蔽丫射线的材料很多，如水、土壤、铁矿石、混凝土、铁、铅、铅玻璃、以 及铅硼聚乙烯等。这些材料对丫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 c），在高温（260 0c以上）下就会发生 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206 Pb、208 Pb、207 Pb分别

26、是三个天然放射性系列铀系、钍系、錒系的最终衰 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%平均粒径为1卩40卩m;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 5c190 c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，特别适于作测井仪上使用的屏蔽体。另外日本曾用

27、甲基丙烯酸铅与乙烯基酯共聚的方法 制取了防丫射线透明材料，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/ cm319.Og/ cm3,而被人们 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

28、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。1.3研究的目的和意义丫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

29、低，其危险度一般没 有超过目前人们可以接受的范围 O丫射线的威力主要表现在以下两个方面：一是丫射线的能量大。由于丫射线的波 长非常短，频率高，因此具有非常大的能量。高能量的 丫射线对人体的破坏作用相 当大，当人体受到丫射线的辐射剂量达到200雷姆-600雷姆时，人体造血器官如骨 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

30、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 %。二是丫射线的穿透本领极强。人体受到丫射线照射时，丫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，丫射线的屏蔽材料的研究便成为一项十分重要的课题o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

31、要。核辐射主要包括以下几种 粒子：中子、质子、a粒子、中微子、丫射线、X射线和重离子。其中丫射线是这 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，比如铅在屏蔽丫射线时， 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一一吸收系数，自然具有非

32、常重要的研究价值。1.4 研究的内容本课题主要进行以下几个内容：137Cs 丫射线穿过不同物质的吸收情况；不同方法测定丫射线在不同物质中的吸收系数；丫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12.1 y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， 丫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

33、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10Ke V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:y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.

34、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。但是由于要满图2.1光电效应足能量守恒的同时还要满足动量守恒定律，这就必须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。光电子的能量入射光子的能量(Eo=h、)一部分用来克服电子在原子中的结合能，另一部分转化为光电

35、子的动能，所以光电子的能量可有动量守恒定律得到Ee=hv - Bi(i=K L，M, ,)式中Bi为第i壳层的结合能。光电截面丫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, 2 6 面。当h ： meC而h Bk时，对于K层电子，每个原子的光电截面为2当hT八meC时25/24 / mieC7/25匚 KPH =2：() Z Jhv24 PHe c5,_KPH _ 匸5 -Z - thhv式中：a =e2/hc =1/137是精细结构常数，h是每个电子的汤姆逊散射截面，其值822 2 8 2-25 2Sth(e /mec )re =6.651 10 cm3由上可见二th

36、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， 许 多丫探测器常用高Z材料，以获得较高的探测效率。另一方面，匚kth首先随(h )2而 减小，而后随(h )4而减小。显然，即使是很重的元素，当 h 1MeV时，光电效应 已是次要的了，当hv接近B时c kth达到峰值，因此h. =Bk成K吸收限。同样还有 L吸收限和M吸收限等。2.1.2康普顿效应：反冲电干丫光子的能量较高时，除上述光电效应 外，还可能与核外电子发生弹性碰撞，丫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。入射丫光子偏离他原来的运动方

37、向。散射情况因入图2.2康普顿散射射丫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h接近或超过meC2时的散射成为康普顿散射。散射时入射光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丫光子的能量hv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 为是丫光子和静止状态的“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康普

38、顿反冲电子能量表达式为EeEyEy12（1-cos）mcE 2（1-cos2 m0cE （1_cos寸）2）作用截面由理论可得到康普顿散射截面匚ce:2 1 + 2（1 +2 沁:一丄 In（12： ）丄 In（1 2 ）-2歩（式中二 h / mec2）当a1时，上式近似可以写成 二ce = 3二eth * 1 （In 2用 1）8 。 2当a1时，得到26 2二ce 二；eth(1 -2)=eth( 1-2 ：)5显然这就是汤姆逊散射的情况。2.1.3 电子对效应:当光子的能量大于1.02MeV时，丫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，丫光子消失而产生hvr

39、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 ）。人附光孑正负电予对电子对效应必须有第三者一一原子核参加,图2.3电子对效应1）能量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22 = Ee +Ee_+2mec其中Ee和Ee_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（h：-2mc2）都是有可能的。

40、由于动量守恒 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的丫光子。2）作用截面丫光子在一个原子核上产生电子对的总截面 （7 p可以由理论计算得到： 当 2mec2 : h 137mec2Z4/3 时2meCZ(28ln(生)壬1379meC27当 h 137meC2ZJ/3 时2272Z(Z 1)re 28 |n(183) ln( 1379 Z在不同情

41、况下丫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 能咼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 ：相干散射。低能光子(h ：2meC2)与束缚电子之间的弹性碰撞，而靶原子保持它的初始状态。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。当丫光子能量较高(h2meC2)，靶物质原子序数小时，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

42、长发生变化，所以康普顿散射是一种非相干散射过程。光致核反应。大于一定能量的丫光子与物质原子的原子核作用，可以发射 出粒子，例如Y,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。核共振反应。入射光子把原子核激发到激发态，然后退激时再放出丫光子丫射线的吸收规律对于一定能量的一束丫射线，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丫射线衰减的程度。一束强度为Io的窄束丫射线穿过厚 度为x的物体后强度为I，

43、在穿过厚度为dx的物质，强度将衰减dl，则Pdl = 1 ；Ndx = 1 ； N Adx式中匚为丫射线三种效应的总截面厂-；ph ；C ；p N =Na/A为物质中单位体积内的原子数，P和A分别为物质密度和原子量，Nx为阿伏加德罗常量 利用初始条件X=0时匸Io，将上式积分得No5 x/A_I 0eIe-i.x可见，丫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二? N。；二/ A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时，衰减系数但单位为 cm1，他表示丫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，因此卩可以表示为三部分之和

44、PhPh其中：JphZ5、Lc = Z、PZ2 （ 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丫射线的能量E和吸收物质 的原子序数Z而改变。 射线的线性吸收系数卩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。蛰对少射线的眼收系数和能凰的关系曲线图2.4 铅对丫射线的吸收吸收的能量的关系曲线对于上边的公式:p_ln(I /Io)x两边取对数得：In L =x1 o变换可得：n(I /Io)x容易得到,I、I。都可可通过实验测得，以屏蔽物质的厚度为横轴，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数3

45、数据处理方法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，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。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 Wasson)峰面积法，斯托林斯基

46、(Sterlinski) 峰面积法，奎特纳(Quit-tner)峰面积法等.这里只介绍前三种方法全峰面积CTPA法全峰面积法要求把属于峰内的所有脉冲计数加起来，本底是按直线变化趋势加 以扣除。首先确定峰的左右边界道，一般可选在峰两侧的峰谷位置，或者选在本底 直线与峰相切的那两道上。设左边界道址为l，右边界道址为r，则峰所占道数为r-l +1 o然后，求出峰内各道计数的总和：rT八yil式中，yi为峰内第i道的计数。接着计算本底面积 B,可按梯形面积计算，即1B 石(yr yj(r -l 1)然后求出峰内净计数面积即峰面积，以 N表示r1N =T B 二 % -匚(齐 y(r l 1)i2在峰面

47、积的确定中，有种种原因会引起误差。全峰面积法中的误差主要来自两个方面：本底按直线变化趋势扣除是否正确，这要看峰区本底计数变化的实际情 况。这个本底不限于谱仪本身的本底计数，还包括样品中其它高能丫射线康普顿坪的千扰。在测量孤立峰或单一能量的射线时，峰受其它射线的干扰小，按直线本底 考虑问题不大在测量多种能量射线时，则峰可能落在其它谱线的康普顿边缘或落在 其它的小峰上，按直线本底考虑就会造成很大涨落。在实际工作中，应对本底仔细 分析，小心处理。在全能峰面积法中，由于对峰所采用的道数较多，本底按直线考 虑容易偏离实际情况，因此，此方法容易受到本底扣除不准的影响。计数统计误 差.将上式改写一下，按统计

48、误差公式计算，可得如下结果： TOC o 1-5 h z 口1N 二T -B 八 (yr yi)(r -l 1)lA2r22二n =嘉 yi -(yr yi) (y yJ(1-r i) /4i1=T -(r -l -3)B21二 N ( r -l 1) B2可以看出，峰面积的方差 匚N与N、B这两块面积有关，但 B的系数因子是1-(r -l 1)，而N的系数因子是1,因此，本底面积的大小对峰面积的误差有较大贡献。为了减少统计误差，计算本底面积时，边界道计数可以取边界附近几道计数的 平均值.以上两种误差都与计算峰面积时峰占的道数有关.为减少误差，峰的道数不 宜取得太多，故又提出其它方法。与其它方

49、法相比，全峰面积法是有不足之处，但 它利用了峰内的全部脉冲数，受峰的漂移和分辨率变化的影响最小，同时也比较简 单，因此仍是一种常用的方法。Covell 法该方法是在峰的前后沿上对称地选取边界道，并以直线连接峰曲线上相应 于边界的两点，把此直线以下的面积作为本底扣除。此方法提高了峰面积与本底面积的比值，结果受本底不确定的影响较小。但n的选择对结果的精度有较大的影响，n选太大，失去采用道数较少的优点；若 n选 得太小每则有容易受峰漂和分辨率变化的影响，同时 n太小则基线较高，从而降低 了峰面积与本底面积的相对比值。Wasson法该法边界道的取法与Covell法一样，但本底基线选择较低，与 TPA法

50、一样。 这一方法进一步提高了峰面积与本底面积的比值，本底基线的不准和计数统计误差对峰面积准确计算的影响较小；而受分辨率变化的影响与 Covell法相同，没有TPA 法好。图3.1为三种方法具体示意图：七_Ltn n(a) TPM去(bJ Cove 1n n(它J Wasson/图3.1三种方法示意图及比较F面对三种方法进行列表比较:表3.1三种全峰面积法的比较项X目 法、边界选法扣除本底方法优点缺点全峰面积法可选在峰两侧 的峰谷位置， 或者选在本底 直线与峰相切 的那两道上按直线变化趋势 加以扣除，即将 选取的边界两点 连接，与X轴组 成梯形，梯形内都是本底受峰的漂移和 分辨率变化的 影响最小

51、，同时 也比较简单本底面积的大 小对峰面积的 误差有较大贡 献，另外峰的 道数不宜取得 太多Covell 法在峰的前后沿上对称地选取边界道以直线连接峰曲 线上相应于边界 的两点，把此直 线以下的面积作 为本底扣除。提高了峰面积 与本底面积的 比值，结果受本底不确定的影 响较小n的选择对结果的精度有较大的影响Wass on法在峰的前后沿上对称地选取边界道本底基线选择较低，与TPA法一样本底基线的不 准和计数统计 误差对面积准 确计算的影响 较小n的选择对结果的精度有较大的影响3.2函数拟合法其基本思路是根据所测量的峰区数据，把峰用一个已知的函数来描述，然后求 出有关的参数(如峰高，半宽度等)，峰

52、的面积可以通过对这个函数的积分运算求出. 例如，假设一个峰能用一个高斯函数来描述，即在峰区内各道计数y(x)与道数x的关系为：y(x)二式中，xo为峰中心道数,yo为峰中心计数，即y二y（xo），二是描述峰分布宽窄的 一个参量（均方根差），它与半宽度（FWHM的关系为：FWHM =2 . 2ln 2；.一 - 2.355匚若峰的参数y0，二已知，则峰的面积N可通过积分计算得到：cdoO2N = j_y（x）dx= Lyoe岚）/2二 dx二壬y。春：(FWHM )yo -1.O65(FWHM )yo上式中的峰高yo与半宽度FWHM可以用不同的方法求出.最直观的一种方法是在1出借的峰形后扣除本底

53、（穿过峰底的一条直线或曲线 ），然后从峰形上画出 yo与 FWHM另一种方法是根据半宽度刻度曲线求出相应于所求峰的半宽度来，然后用图 解法在峰形上找出宽度与这个半宽度相等之点，由此可以测量此半宽度以上至峰顶 的距离，该值的两倍就是该峰的峰高。还有一种所谓的矩方法，在该方法中把全能 峰看成是服从高斯分布的函数，因此峰的中心道数和方差可由分布的一阶和二阶矩 求出：xo 二送x2%yi峰位xo:2方差匚: 然后再利用公式求出峰的半宽度实际的峰形与高斯函数的描述有很大差异，为了准确计算峰面积就必须找出能 够确切地描述峰形的函数形式。各种峰形函数的形式可参阅文献10中的630页假定这个函数形式已选定，求

54、峰面积可分两步进行：第一步是使所测到的峰区数据拟 合于所选择的函数，函数的参量要用非线性最小二乘法求出。第二步是积分求这个 函数或是利用已得到的积分公式的参量代入求得峰面积，这种方法叫函数拟合法综上所述，全峰面积 CTPA法，算法简便，且误差较小，所以本论文才用主要 全峰面积CTPA法。4实验仪器装置简介本课题实验部分主要用到两套仪器：康普顿散射谱仪和实验平台。4.1康普顿散射谱仪114.1.1康普顿散射实验台康普顿散射实验台的结构包括3个方面：工作台、铅屏蔽室和探头（见图4.1）: 工作台：工作台承载并固定铅屏蔽室、散射棒、探头和使得探测器转动定位的平台，所以它要求制造精细，定位精度高。为了

55、保证在 0120。范围内每10。测量位 置点的测量精度好于土 1,所以在设计上采用位置精度为 0.05mm从而保证了该 系统的准确，也保证了射线从准直孔到铝散射棒中心位置的精度要求。（1）铅屏蔽室（见图4.2）:铅屏蔽室是贮藏137Cs源的要求菱形体，要求在正常 使用，手柄放到开的位置（见图4.3 ），射线从准直孔射出，在不使用时，手柄放到 关的位置，这时源偏离准直孔，保证在安全范围内，并且用锁锁定。铅屏蔽室厚度 足够厚，内部准直孔分为两部分，使准直效果更为理想，测试结果完全符合卫生防 护标准要求图4.1康普顿散射试验台图4.2铅屏蔽室(2)探头：为了减少天然本底的影响，在探测器前端实际加了铅

56、屏蔽层。探测器安装在一个固定块上，可通过人工操作在工作台的环行槽上自由转动(见图4.4)图4.3铅屏蔽室手柄图4.4探头实验台装置的布局结构合理，探测器定位准确，转动灵活自如，放射源贮藏安 全可靠，并附有必要的警告标志，满足了实验的要求4.1.2BH1324型一体化多道分析器1）用途与特点：BH1324体化多道分析器，是以BH1224型多道分析器卡为基础而改进的新产品（见图4.5 ）。他集高压、放大器和多道分析器卡为一体，通过RS-232串口电缆与计算机连接，免去了由于市场上出售的带ISA槽的计算机逐渐淡出带来的影响，对 计算机的机型选择更为灵活，使得多道分析器本身受计算机制约的因素减少，为用

57、 户选择各种档次、不同机型的计算机提供方便。本产品谱仪作为各类谱仪的基础部 件，可灵活组成各类谱仪；配套的Ums38仿真软件，在window操作系统下运行，具 有数据通讯与传递、能量刻度、寻峰、设置重点区、显示能量分辨率、打印谱和重 点区的数据等功能。稳定可靠，设计新颖美观，使用方便，为定型产品。图4.5 BH1324型一体化多道分析器2)组成系统BH1324型 一体化多道分析器加上相关配套设备可组成如下谱仪系统：BH1324A型多道丫谱仪BH1324B型 X射线谱仪BH1324C型多道a谱仪BH1324D型四路a谱仪BH1324E型环境丫谱仪BH1324A型康普顿散射谱仪主要技术性能微分非线

58、性：w 1.6%积分非线性：w 0.1%下阈：w 100mV( 100mV-5.5V 连续可调)，上阈：5.5V (100mV- 5.5V 连续可调)长期稳定性：开机预热30min,连续工作8h,道数漂移v 1%谱长：512、1024、2048、4096 道通过软件(PHA1.8/Ums38 任意调节ADC寸钟频率：80MHz高压：01500V可调低压：土 5V、土 12V、(-24V可附加配进口探头)，有过载放大增益：1160倍连续可调4)使用环境环境温度：+5C+35C环境湿度：W 80% (30C)电源供给：交流 220V 22V, 50Hz 1Hz4.1.3 Ums38仿真软件：=爭*

59、婕粗生亂蛊 E* J. HWiU)1 -IS呼輦琵谭止j|井瞋豐示IL I1&1值址：0址计数0半鬲曲IQ全if瞬IIAIZJ Od 0起姑薇瞬岀F0mtSi0曲束潢:00磁 潘计靛 4 i道计滑定平0小M 10 fl- 0 削余=車1&15120有时订6 活916道址.1 1血.iSWUECEMI DKilii畑:Hf$幣嵐畑:o图4.6 Ums38多道数据仿真软件界面Ums38仿真软件，在window操作系统下运行，具有数据通讯与传递、能量刻度、 寻峰、设置重点区、显示能量分辨率、打印谱和重点区的数据等功能。具体各项功 能后面详细解释。4.2实验平台12核技术应用实验平台是2008年南华大

60、学核科学技术学院联合北京核仪器厂共 同研究开发的一个综合性的实验平台，针对实验教学设计的“核技术应用实验平台” 将射线密度、厚度、料位（液位）等测量手段整合为一体，并能连接其它核类仪器， 如：示波器、多道定标器、放大器等实验仪器，能够完成大部分核技术应用类实验， 并可进一步开发核物理、辐射防护等方面的实验。其主要应用在实验教学、教学研 究、科研实验等领域，让学生自主设计实验方案，加深对测量原理的理解，无论对 实验教学还是新产品开发研究都将发挥巨大的作用。虽然核技术应用实验平台现阶 段只是在南华大学核科学技术学院核技术实验室正式使用，但随着对平台技术性能 的进一步改进、对平台功能的进一步开发以及