γ射线能谱的测量
【摘要】某些物质的原子核能够发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线，γ射线产生的原因正是由于原子核的能级跃迁。我们通过测量γ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。因此本实验通过使用γ闪烁谱仪测定不同的放射源的γ射线能谱。同时学习和掌握γ射线与物质相互作用的特性,并且测定窄束γ射线在不同物质中的吸收系数μ。
【关键词】γ射线能谱γ闪烁谱仪
【引言】从1896年的法国科学家贝可勒尔发现放射性现象开始，经过居里夫人等一系列科学家对一些新放射性元素的发现及其性质进行研究的杰出工作后，人类便进入了对原子核能研究、利用的时代。
而原子核衰变能放出α、β、γ三种射线，这些射线可以通过仪器精确测量。本次实验主要研究γ射线，通过对γ射线谱的研究可了解核的能级结构。γ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。人体受到γ射线照射时，γ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。
因此本次实验研究了不同材料对于γ射线的吸收情况这是非常具有实际意义的，比如在居民区制造防空洞的时候可以使用一定厚度的抗辐射材料确保安全，而且在核电站、军事防护地以及放射源存放处等地方我们都有必要使用防辐射材料。
γ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，如下图所示。
本实验主要研究的是窄束γ射线在物质中的吸收规律。所谓窄束γ射线是指不包括散射成份的射线束，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。窄束γ射线再穿过物质时，由于上述三种效应，其强度就会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。γ射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律。
本次实验仪器如下：
NaI 闪烁谱仪，γ射线源
137
Cs 和60Co ，高压电源放大器，Pb,Al 吸收片各四片，计算机
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。
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γ、β）进入闪烁体时，在某一地点产生次级电子，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104～109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。
在相同的实验条件下，某一时刻的计数率N 总与该时刻的γ射线强度I 成正比，又对（3—2）式取对数得：
0ln ln N R N m
+-
=ρμ （3—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。/m m r 可以从这条直线的斜率求出，即
121
2ln ln R R N N m --=-
ρμ （3—4）
物质对γ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γ射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作：
μμ
693
.02
ln 2
1=
=
d （3—5）
实验内容：
1、连接好实验仪器线路，经教师检查同意后接通电源。
2、开机预热后，选择合适的工作电压使探头的分辨率和线性都较好。
3、把放射源137Cs 或60Co 放在探测器前，调节高压和放大倍数，使显示器上出现的137Cs 能谱的最大脉冲幅度尽量大而又不超过多道脉分析器的分析范围。
4、分别测137Cs 或60Co 的全能谱并分析谱形。
5、利用多道数据处理软件对所测得的谱形进行数据处理，分别进行光滑化、寻峰、半宽度记录、峰面积计算、能量刻度、感兴趣区处理等工作并求出各光电峰的能量分辨率。
6、测量γ射线在一组吸收片中的吸收曲线，并用最小二乘原理拟合求线性吸收系数。
实验结果及数据分析：
实验1 不同的位置中137Cs 全能峰的测量： 参数设定：
预置时间：300秒；高压电压：664V ；放大系数：0.3； 全谱道数：512；扩展谱道数：128；道数：160
实验2 不同的位置中60Co 全能峰的测量： 参数设定：
预置时间：500秒；高压电压：667V ；放大系数：0.3； 全谱道数：512；扩展谱道数：128；道数：160道
接来下是测定吸收系数的实验，本次测定使用的都是用137Cs 作为放射源。
根据公式（3—4）：
121
2ln ln R R N N m --=-
ρμ 本次实验我们通过电脑的软件系统同时取得了总计数率N 、净面积S 等数据，由于软件对于
最终的总计数率没有保存，手动计数的精确度不够高，因此我们使用净面积S 获得更高的精确度。
此时3—4式修改为
21
21ln ln m A A R R m
r --
=-
上式中A 就代表净面积，因此上页（3—4）式代表的图纵坐标改为A 即可。
实验3 Al 对γ射线的吸收系数的测定： 1、 A l 对γ射线的吸收系数的测定：
铝密度：2.70 g/cm 3
；预置时间：300秒；高压电压：664V ； 放大系数：0.3；全谱道数：512；扩展谱道数：128；道数：160道
