γ射线的吸收与物质吸收系数测定

近代物理实验报告

Y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 物理092 _______

姓 名 艾合买提江 _________

学 号 09180218 _______

时 间 2011年9月26日 Y射线的吸收与物质吸收系数P的测定

摘要：

学会NaKTl）单晶丫闪烁体整套装置的操作、调整和使用：在此基础上测M 137Cs和60C。

的Y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^Nal（Tl）单晶Y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60C。的Y射线的吸收曲线，研究Y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，了解窄束丫射线在 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：

Y射线能谱物质吸收系数p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•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：射线打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”。

闪烁探测器是利用帯电粒子或罪带电粒子与某些物质的相互作用下转化成为帯电粒子 对物质原子的激发，从而会产生发光效应的特性來测量射线的仪器。它的主要优点是即能测 量各种类型的帯电粒子，又能探测中性粒子；即能测量粒子强度，又能测量粒子能量：并口 探测效率高。

V射线，又称V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a、0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Y射纽-

Y射线的波长比X射线要短，所以Y射线几有比X射线还要强的穿透能力。当 Y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Y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Y光子（＞2兆电子伏特）的光电效应较弱。y光子 的能屋校高时，除上述比电效应外，还可能与孩外电子发生弹性碰撞，丫光子的能量 和运动方向均有改变，从而产生康普顿效应。当Y光子的能量人于电子静质量的两 倍时，由于受原子核的作用而转变成正负电子对，此效应随丫光子能量的增高而增 强。Y光子不带电，故不能用磁偏转法测出其能量，通常利用Y光子造成的上述次 级效应间接求出，例如通过测屋光电子或正负电子对的能屋推算出來。此外还町用V 谱仪（利用晶体对Y射线的衍射）直接测量Y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Y射线强度的常用仪器。 通过对Y射线谱的研究可了解核的能级结构。Y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。Y射线对细胞有杀伤力，医疗上用來治疗肿瘤。Y 射红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。市于Y射线的能量与原子核激发态的能级密切相关，因 此，Y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Y射线与物质相互作用的特性：

2. 了解窄束Y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

Y辐射是处于激发态原子核损失能最的址显著方式，其产生的原因主要有：①a、p衰 变引起的副产品；②核反应：③基态激发。V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，人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：当光子能最大犬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7射线在物质中的吸收规律。所谓窄束Y射线是指不包括散射 成份的射线束，通过吸收片后的丫光子，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。 窄束Y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Y射线的吸 收。Y射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即

其中，10、I分别是穿过物质前、后的丫射线强度，x是Y射线穿过的物质的厚度(单 位cm),

or是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，N是吸收物质单位体枳中的原子 数，卩是物质的线性吸收系数(卩=6汎，单位为cm)。显然p的大小反映了物质吸收Y射线 能力的大小。

实际工作中常用质量厚度Rm (g/cm3)来表示吸收体厚度，以消除密度的影响。因此 (1)式可表达为

I(R) = I°e-W ⑵

由丁•在相同的实验条件2某一时刻的计数率N总与该时刻的丫射线强度I成正比，又 对(2)式取对数得：

lnN = -^-R+liiN0

P (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 Jp町以从这条 直线的斜率求出，即

(a) -^1 b)

① 放射源仗Cs （强度=2微居里）：

② 200nanAl窗Nal （T1）闪烁探头；

③ 高压电源、放人器、多道脉冲幅度分析器；

®A1与Pb吸收片若干

实验步骤：

测1，；Cs的Y射线在A1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P。

1. 调整实验装置，使放射源、准直孔、闪烁探测器的屮心位于一条直线上：

2. 在闪烁探测器和放射源之间加上0、1、2…片己知质量厚度的吸收片，进行定时测量（t二300

秒）；

3. 分别记录片数n二0,1, 2, 3, 4时的Ro、&、R?、R$、R所对应的光电峰计数N。、N】、N：、N$、

N>o

4. 根据公式疋-=讐严得p =-p 畔严计算吸收片材料的质量吸收系数p ox. p “、

p K2"KI

M os、M M i：'* M w M 忙 M M 2八 M $2 并求平均值p。

5. 依照上述步骤测量Al和Pb对U7Cs的丫射线的质量吸收系数p小M no

6. 整理仪器，经教师检査签字离开。

数据处理计算吸收系数P

所用的放射性元素：1，：Cs,电压 U=669, p n=2. 7g/cm，, p p.=U. 34g/cm5 实验装置

777X7, 物质对Y射线的吸收能力也经常用半吸】n】？

吸确 I高压电源 Al的吸收系数

组别 1 2 3 4 5

质量厚度(g/cm：) 0 2.46 4. 97 7. 45 10. 04

计数率 869 588 537 499 457

峰位(chn) 160. 71 161. 66 161. 65 161. 75 161. 66

半咼宽(chn) 15. 26 15.37 15. 18 14. 75 14. 96

净面积 27853 30088 24777 21641 12618

分辨率 9.49% 9. 51% 9. 39% 9. 12% 9. 25%

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：

InN? - lnN]

Pb的吸收系数

组别 1 2 3 4 5

质量厚度(g/cm2) 0 2.08 4. 16 6.26 8.36

计数率 869 638 527 434 363

峰位(chn) 160. 71 160. 45 161. 02 160. 65 160.9

半高宽(chn) 15. 26 15.41 14. 84

14. 84 14. 78

净面积 27853 23150 18410 14559 11578

分辨率 9. 49% 9. 59% 9. 22% 9. 24% 9. 19%

计数 1837 1551 1209 965 828

各组两两对应后代入公式〃的值

组别 2 3 4 5

1 0. 9386 1. 1487 1. 1731 1. 0861

2 / 1. 3587 1. 2898 1. 1350

3 / / 1. 2215 1. 0242

4 / / / 0. 8269

平均值〃二1・1203 cm'1

实骏分析与总结

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屋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。 1 0. 1314 0. 1533 0. 1627 0. 1548

2 / 0. 1763 0. 1789 0. 1629

3 / / 0. 1815 0. 1563

4 / / / 0. 1324 P R? _Ri

平均值〃 =0. 1591 cm'1 各纽两两对应后代入公式“的值 本次实验实验实现了对1，：Cs和MCo的丫射线能谱的测最，但所得的实验结果存在一定 的误差，通过差资料町能原因有：i）、闪烁体由于长期使用性能卜•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）、调节放人倍数的 器件本身有仪器误差。

在吸收系数P的测定的实验中所得的结果与理论值也存在这偏差，町能的原因有：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Z 间的空气厚度不一样，由于空气对Y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片的放置位宜不是很规则，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，导致偶然误差较犬：iv）、NaI（TI）闪烁晶体的发光效率受温度的 影响，在不同的温度卜"，同样能量的Y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京取放置放射源，并时 刻注意时刻注意射线的位胃•及其朝向。实验结束后必须注意把电斥与放大系数调零，以避免 下次开机电压过高造成损坏。

实骏问题分析

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® •变量原则，在A1与Fb对比实验中不能改变探头9材料间距离，但单独 做某一金属时需要尽量靠近以减少空气的影响。

2、 三块Pb,其中一块厚度为10cm,另两块用于•紧压后厚度也为10cm,两组分别测定 吸收系数其结果是否相同？

答：不同，用手简单压制，无法做到分子程度压制，其中必然存在空气，所以两材料实 际不同，结果也不同。

3、 实验数据处理方法？

答：利用公式：

“m _ InN?

P R2 _R1 （4）

其中N可用（1）计数N、（2）计数率N、（3）净面积 三种数据分别带入，产生三种结 果，提高精度.