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实验报告γ射线能谱测定及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定γ射线能谱测定以及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定实验报告摘要原子核的能级跃迁可以产生伽马射线，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。
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γ射线在不同物质中的吸收系数μ。
本实验通过使用伽马闪烁谱仪测定不同的放射源的γ射线能谱；根据当γ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γ射线进行研究。
γ射线，又称γ粒子流，是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，波长短于0.2埃的电磁波，具有很强的穿透性。
本实验将γ射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，通过电子学仪器得到它的能谱图。
实验中使用NaI单晶γ闪烁谱仪对γ的能谱进行测定。
最后得到γ射线在160道数及320道数位置的一些相关数据。
在这些位置它的数量和能量的值都比较合适，有一定数量，又有一定的穿透能力。
实验中将了解NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪是如何测量γ射线的能谱，NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的结构、原理与特性；掌握NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用方法。
并通过对137Cs和60Co 放射源γ能谱的测量，加深对γ射线与物质相互作用的理解以及通过该实验了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶γ谱测量中的数据采集及其基本功能。
在第一个实验的基础上，采用NaI闪烁谱仪测全能峰的方法测量137Cs的γ射线在铅、铝材料中的吸收系数。
并且通过实验对核试验安全防护的重要性有初步的认识。
关键词γ射线吸收系数μ60Co、137Cs放射源能谱NaI单晶γ闪烁谱仪多道分析器引言γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，γ射线是光子，是由原子核的衰变产生的，当原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时，就有可能辐射出γ射线。
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137Cs 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。
γ射线能谱的测量以及物质吸收系数的μ测定摘要本实验通过使用NaI(T1)γ单晶闪烁谱仪来测量γ能谱，并求出各项指标，分析谱形。
了解单道脉冲分析器和多道脉冲分析器的基本工作原理。
了解γ射线与带电体发生相互作用以及产生的三种主要效应。
了解窄束γ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。
关键词NaI(T1)γ单晶闪烁谱仪单道/多道脉冲分析器窄束γ射线的吸收系数引言γ射线是光子，是由原子核的衰变产生的，当原子核从激发态跃迁到较低能态或基态是，就有可能辐射出γ射线。
本实验将γ射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到γ射线强度按能量的分布，即能谱。
测量能谱的装置称为能谱仪，简称谱仪。
本实验采用NaI(T1)γ单晶闪烁谱仪。
γ辐射时处于激发态原子核损失能量的最显著方式，γ跃迁可定义为一个核有激发态到脚底的激发态、而原子序数Z和质数A均保持不变的退激发过程。
γ射线会与被束缚在原子中的电子，自由电子，库仑场和核子发生相互作用。
这些相互作用可以导致下列三种效应：1、光子的完全吸收；2、弹性散射；3、非弹性散射。
但从约10KeV到约10MeV范围内，主要为：低能时以光电效应为主；1MeV左右时主要为康普顿效应；超过1.02MeV是电子对的生成成为可能。
正文一、γ射线能谱的测量原子核发生裂变时，会发出α、β、γ射线，核反应会产生各种离子。
其对应的探测器大致可分为两种,信号型和径迹型两种。
其中闪烁型探测器即为信号型中的一种。
本实验采用NaI(TI) 闪烁探测。
其利用核辐射与某些物质反应相互作用会使其电离、激发而发射荧光的原理工作。
当放射源发出的C射线进入闪烁体时, C光子即与闪烁体中的原子、分子及晶体系统发生相互作用(如光电效应, 康普顿散射和电子对效应等)。
相互作用的结果产生次级电子, C光子的能量转化为次级电子的动能。
探头的闪烁体是荧光物质,它被次级电子激发而发出荧光, 这些光子射向光电倍增管的光阴极。
3系08级 姓名：方一 日期：6月12日 PB08206045实验题目: γ能谱及γ射线的吸收实验目的:学习闪烁γ谱仪的工作原理和实验方法，研究吸收片对γ射线的吸收规律。
实验原理:γ射线与物质的相互作用γ射线与物质原子之间的相互作用主要有三种方式：光电效应、康普顿散射、电子对效应。
1）光电效应当能量γE 的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失，发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应．发射出光电子的动能i e B E E -=γ （1）i B 为束缚电子所在壳层的结合能。
原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X 射线。
例如L 层电子跃迁到K 层，放出该原子的K 系特征X 射线。
2）康普顿效应γ光子与自由静止的电子发生碰撞，而将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，γ光子被散射改变了原来的能量和方向。
计算给出反冲电子的动能为)cos 1(1)cos 1()cos 1(20202θθθγγγγ-+=-+-=E cm E E c m E E e （2）式中20c m 为电子静止质量，角度θ是γ光子的散射角，见图2.2.1-2所示。
由图看出反冲电子以角度φ出射，φ与θ间有以下关系：2tan 1cot 20θϕγ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=c m E （3） 由式（2）给出，当 180=θ时，反冲电子的动能e E 有最大值：γγE cm E E 2120max +=（4）这说明康普顿效应产生的反冲电子的能量有一上限最大值，称为康普顿边界E C 。
3）电子对效应当γ光子能量大于202c m 时，γ光子从原子核旁边经过并受到核的库仑场作用，可能转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对效应。
此时光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和，如202c m E E E e e ++=-+γ （5）其中MeV c m 02.1220=。
3系08级 姓名：方一 日期：6月12日 PB08206045实验题目: γ能谱及γ射线的吸收实验目的:学习闪烁γ谱仪的工作原理和实验方法，研究吸收片对γ射线的吸收规律。
实验原理:γ射线与物质的相互作用γ射线与物质原子之间的相互作用主要有三种方式：光电效应、康普顿散射、电子对效应。
1）光电效应当能量γE 的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失，发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应．发射出光电子的动能i e B E E -=γ （1）i B 为束缚电子所在壳层的结合能。
原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X 射线。
例如L 层电子跃迁到K 层，放出该原子的K 系特征X 射线。
2）康普顿效应γ光子与自由静止的电子发生碰撞，而将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，γ光子被散射改变了原来的能量和方向。
计算给出反冲电子的动能为)cos 1(1)cos 1()cos 1(20202θθθγγγγ-+=-+-=E cm E E c m E E e （2）式中20c m 为电子静止质量，角度θ是γ光子的散射角，见图2.2.1-2所示。
由图看出反冲电子以角度φ出射，φ与θ间有以下关系：2tan 1cot 20θϕγ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=c m E （3） 由式（2）给出，当 180=θ时，反冲电子的动能e E 有最大值：γγE cm E E 2120max +=（4）这说明康普顿效应产生的反冲电子的能量有一上限最大值，称为康普顿边界E C 。
3）电子对效应当γ光子能量大于202c m 时，γ光子从原子核旁边经过并受到核的库仑场作用，可能转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对效应。
此时光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和，如202c m E E E e e ++=-+γ （5）其中MeV c m 02.1220=。
实验二γ射线的吸收一、实验目的：1、了解γ射线在物质中的吸收规律；2、测量γ射线在不同介质中的吸收系数。
二、实验器材：1、KZG03C辐射检测仪一台；2、Cs137点放射源一个；3、铅准直器一个；4、40×40×dcm3的水泥、铝、铁、铜、铅吸收屏若干块（附屏支架）；5、手套、长钳夹子、尺子、绳子各一套。
三、实验原理：天然γ射线与物质相互作用的三种主要形式：光电效应、康普顿散射和形成电子对效应。
由于三种效应的结果，γ射线通过物质时发生衰减（吸收），其总衰减系数应为三者之和：μ=τ+σ+κ实验证明，γ射线在介质中的衰减服从指数规律：式中：I为射线经过某一介质厚度的仪器净读数（减去本底）；I0为起始射线未经过介质的仪器净读数（减去本底）；d 为介质厚度，单位为cm;dm 为介质面密度，单位为g/cm 2 ；μ为γ射线经过介质的线吸收系数，单位为cm-1；μm 为γ射线经过介质的质量吸收系数，单位为g/cm 2 ；半吸收厚度：为使射线强度减少一半时物质的厚度，即四、实验内容：1.选择良好的测量条件（窄束），测量Cs 137源的γ射线在同一组吸收屏（水泥、铝、铁、铜、铅）中的吸收曲线，并由半厚度定出吸收系数；2.用最小二乘拟合的方法计算出吸收系数与1中的结果进行比较；3.测量不同散射介质时（同一角度，同一厚度）γ射线的强度。
五、实验步骤：1.吸收实验1)调整装置，使放射源、准直孔、探测器的中心在一条直线上；2)测量本底I0’；3)将源放入准直器中，测量无吸收屏时γ射线强度I 0”；4)逐渐增加吸收屏，并按相对误差在N±δ的要求测出对应厚度计数I d’，每个点测三次取平均植；5)更换一种吸收屏，重复步骤4，测量时注意测量条件不变。
吸收实验装置原理图：六、数据分析与处理：1. 吸收实验：表1 本底数据读数一读数二读数三均值117123128122.7表2 有放射源无吸收介质数据第一次第二次第三次平均值IO=I 有源-I 本底587 663 606 618.7 496表3 有介质时增加的厚度mm 总厚度mm 第一次第二次第三次平均值I=I 平均-I 本底Ln(I/IO)本底117 123 128 122.67无介质0 0 587 663 606 618.67Fe 10.3 10.3 308 306 322 312 189.3333333 -0.9630710.47 20.77 225 250 221 232 109.3333333 -1.5121710.33 31.1 178 150 141 156.33 33.66666667 -2.6900710.37 41.47 137 126 137 133.33 10.66666667 -3.839457.94 49.41 136 114 136 128.67 6 -4.4148210.62 49.73 113 122 108 114.33 -8.333333333 #NUM! Al 19.803 19.803 404 430 432 422 299.3333333 -0.5050221.7 41.503 278 312 309 299.67 177 -1.0304319.62 61.123 239 236 231 235.33 112.6666667 -1.4821422.1 83.223 196 203 223 207.33 84.66666667 -1.7678520.25 103.473 164 160 174 166 43.33333333 -2.4376520.58 124.053 152 157 132 147 24.33333333 -3.0147318.9 142.953 125 136 145 135.33 12.66666667 -3.6676 Pb 5.4 5.4 179 193 178 183.33 60.66666667 -2.101183.72 9.12 140 153 151 148 25.33333333 -2.974455.2 14.32 119 115 116 116.67 -6 #NUM! 大理石21 21 415 404 395 404.67 282 -0.5646724 45 301 265 283 283 160.3333333 -1.1293220 65 228 223 242 231 108.3333333 -1.5213623 88 174 185 193 184 61.33333333 -2.0902520.5 108.5 163 174 157 164.67 42 -2.4689123 131.5 129 166 151 148.67 26 -2.9484820.5 152 157 128 145 143.33 20.66666667 -3.1780519.5 171.5 118 120 131 123 0.333333333 -7.30519 图1 γ射线在不同介质中的吸收曲线表4 吸收系数比较介质原子序数半厚度(cm) 吸收系数(cm-1 /g) 拟合吸收系数(cm-1 /g) 水泥多种元素 2.1713360.259780.3192铝13 2.8094970.241910.2467铁26 0.7630510.8694780.9084铅82 0.209617 3.57627 3.3067七、实验结果和心得体会通过实验我们可以知道，不同的材料对射线的吸收是不一样的。
γ射线能谱的测量与吸收系数的测定吕永平 浙江师范大学数理与信息工程学院物理041班摘 要：我们做过能谱分析实验，其中我们研究了γ射线的能量和强度，知道了射线的能量很大的，既然γ射线具有很大的能量和很强的穿透能力，那么当γ射线通过一定物质时，它的能量会不会减少呢？同的物质对γ射线的吸收彼此之间有什么关系？本实验验证γ射线通过物质时其强度减弱遵循指数规律，测量γ射线在不同厚度的铅、铝中的吸收系数。
通过对γ射线的吸收特性，分析与物质的吸收系数与物质的密度，厚度等因素有关。
关键词：γ射线；吸收系数引 言：不同物质对同种射线的吸收系数是不同的，地质学上利用这个性质，实 现矿物质的快速精确勘探，医学上利用癌细胞与正常细胞的不同的吸收特性，来帮助医生诊断癌症。
通过改变吸收物的厚度，控制射线的强度，得到所需的强度。
强度弱射线的应用于杀菌，强度强的射线诱导基因突变育种等。
因此对物质吸收系数的测量的技术有着十分重要的意义现在社会γ-射线技术应用于很多领域，如医学、天文学、生物学、军事等。
γ射线的威力主要表现在以下两个方面：1．γ射线的能量大。
2．γ射线的穿透本领极强。
实验方案：实验目的：1．了解闪烁探测器的结构，原理。
2．掌握NaI 单晶γ闪烁谱仪的几个性能指标和测试方法。
3．了解核电子学仪器的笋据采集，记录方法和数据处理原理。
4．了解γ射线与物质相互作用的特性。
5．了解窄束γ射线在物质中的吸收规律及测量在不同物质中的吸收系数。
实验装置：γ放射源137Cs 和60Co ; 200m μAl 窗(1)NaI T 闪烁探头； 高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器; Pb ,Al 吸收片若干。
实验步骤：1， 连接好实验仪器线路，经老师检查同意后接通电源。
2， 取出放射源Cs 和Co 。
打开电脑预热，准备实验。
3， 了解电脑上软件的使用方法，并了解一些有关物理量的物理意义。
4， 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有较好。
实验9-3 γ射线的吸收与物质吸收系数的测定一．【实验目的】1、进一步认识γ射线与物质相互作用的规律。
2、测量不同能量的窄束γ射线在不同物质中的吸收系数。
二．【实验原理】准直成平行束的γ射线，通常称为窄束γ射线。
单能的窄束γ射线在穿过物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对效应三种效应，其强度会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。
γ射线强度的衰减服从指数规律，即x x N e I e I I r μσ--==00 （9-3-1）其中I 0和I 分别是穿过吸收物质前、后的γ射线强度，x 是γ射线穿过吸收物质的厚度（单位为㎝），σr 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原子数，μ是吸收物质的线性吸收系数（N r σμ=，单位为㎝-1）。
显然μ的大小反映了吸收物质吸收γ射线能力的大小。
考虑到σr 是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，那么线性吸收系数μ就可以表示为p c ph μμμμ++= （9-3-2）式中ph μ、c μ、p μ分别为光电、康普顿、电了对效应的线性吸收系数，且⎪⎩⎪⎨⎧∝∝∝25Z Z Z p c ph μμμ （9-3-3） 从中可以看出线性吸收系数μ与吸收物质的原子序数Z 之间的复杂关系。
对于线性吸收系数μ与γ射线能量γE 之间的关系也比较复杂，并且随吸收物质的不同而存在显著差别。
图9-3-1给出了铅、锡、铜、铝对γ射线的线性吸收系数μ与γ射线能量γE 之间的关系曲线。
图9-3-1 铅、锡、铜、铝对γ射线的吸收系数和能量的关系实际工作中常用质量吸收系数m μ表示物质对γ射线的线性吸收系数μ，m μ与μ的关系为 ρμμ=m （9-3-4） 其中ρ是吸收物质的密度（单位为3cm g ）。
用m μ表示的γ射线强度的指数衰减规律为m m x e I I μ-=0 （9-3-5）式中的ρx x m =为吸收物质的质量厚度，单位为2/cm g 。
因为()p c ph Ar m AN N σσσρσρμμ++===（9-3-6） 其中N A 是阿佛加德罗常数，A 是原子量数。
γ能谱及γ射线的吸收实验报告学校：河南农业大学班级：能源与动力工程19-2姓名：刘轩志学号：1904116046指导教师：谭明实验时间：2020-06-29一、实验简介根据原子核结构理论，原子核能级属于分立能级。
当处于激发态上的核跃迁到低能级上时，就发射γ射线。
放出的光量子能量，此处h 为普朗克常数，ν为γ光子的频率。
原子核衰变放出的γ射线的能量反映了核能级差，且能量大小通常为特征能量，因此通过测量γ射线强度按能量的分布即γ射线能谱，可以用于研究核能级、核衰变纲图等，在放射性分析、同位素应用及鉴定核素等领域有重要的意义。
当γ射线穿过物质时，可能通过光电效应、康普顿效应和电子对效应（当E γ＞1.02MeV ）而损失能量，强度逐渐减弱，这种现象称为物质对γ射线的吸收。
目前物质对γ射线的吸收规律广泛应用于工业、科研、医疗、资源勘探、环境保护许多领域。
闪烁γ能谱仪具有实用范围广、探测效率高、时间分辨小、价格低廉等优点，是测量γ射线能谱最常用的工具。
本实验的目的是学习闪烁γ谱仪的工作原理和实验方法，研究吸收片对γ射线的吸收规律。
二、实验原理1.γ射线与物质的相互作用γ射线与物质原子之间的相互作用主要有三种方式：光电效应、康普顿散射、电子对效应。
（1）光电效应当能量的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失，发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应．发射出光电子的动能：（1），为束缚电子所在壳层的结合能。
原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X 射线。
例如L 层电子跃迁到K 层，放出该原子的K 系特征X 射线。
（2）康普顿效应2E 1E 12E E hv −=γE i e B E E −=γi Bγ光子与自由静止的电子发生碰撞，而将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，γ光子被散射改变了原来的能量和方向。
实验报告γ射线能谱测定及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定实验目的：1.学习使用谱仪测定γ射线的能谱。
2.通过实验测定不同物质对γ射线的吸收比例，确定物质的吸收系数μ。
实验原理：1.γ射线能谱测定：γ射线是电磁波谱中能量较高的一种，具有较强的穿透力。
通过使用谱仪，可以测定γ射线的能量分布，也称为能谱。
2.γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定：当γ射线穿过物质时，会与物质中的原子相互作用，包括散射、吸收等过程。
吸收系数μ表示单位长度物质对γ射线的吸收能力，是一个与物质本身性质相关的参数。
实验步骤：1.连接γ射线源和能谱仪，打开仪器，并调整合适的工作电压和放大倍数。
2.调整谱仪下方的定位器，使得探测器能够垂直于γ射线的入射方向。
3.选择一种物质样品，如铅，将其放在射线路径上，并记录下γ射线的能谱。
4.移除铅样品，选择其他物质样品进行测量，如铝、铁等，依次记录下γ射线的能谱。
5.根据能谱中的峰值位置和峰值强度，分析γ射线经过不同物质时的吸收情况。
实验结果：1.γ射线能谱测定结果：通过测量，得到γ射线的能谱图，并标出不同能量区间的峰值。
2.γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定结果：根据能谱分析，得到不同物质对γ射线的吸收比例，计算出它们的吸收系数μ。
实验讨论：1.γ射线的能谱测定是否准确和完整。
2.不同物质对γ射线的吸收程度是否与预期一致。
3.吸收系数μ的大小是否符合物质的性质和密度等参数。
实验结论：1.γ射线能谱可以通过谱仪测定，并且能够分析出不同能量区间的峰值。
2.不同物质对γ射线的吸收比例不同，吸收系数μ也因此而有所差异。
3.本实验所测得的吸收系数μ结果应该与物质的性质和密度等参数相符合。
实验中可能存在的误差：1.谱仪的仪器误差。
2.样品的放置位置和角度不准确。
3.γ射线的能量分辨能力不够精确。
改进方案：1.使用更高精度的谱仪。
2.对样品的放置进行更精确的定位和角度调整。
3.使用具有更高能量分辨能力的γ射线源。
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级：应用物理学09-2班 姓名：王国强 同组者：庄显丽 教师：γ射线的吸收【实验目的】1、进一步认识γ射线与物质相互作用的规律。
2、测量不同能量的窄束γ射线在不同物质中的吸收系数。
【实验原理】γ射线与物质发生作用时，主要有三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应。
对于低能γ射线，与物质的作用以光电效应为主，如果γ射线能量接近1MeV ，康普顿效应将占主导地位，而当γ射线能量超过1.02MeV 时，就有可能产生电子对效应。
准直成平行束的γ射线，通常称为窄束γ射线。
单能的窄束γ射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。
γ射线强度的衰减服从指数规律，即x x N e I e I I r μσ--==00 （9-3-1）其中I 0和I 分别是穿过吸收物质前、后的γ射线强度，x 是γ射线穿过吸收物质的厚度（单位为㎝），σr 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原子数，μ是吸收物质的线性吸收系数（N r σμ=，单位为㎝-1）。
显然μ的大小反映了吸收物质吸收γ射线能力的大小。
需要注意的是，由于γ射线与吸收物质相互作用的三种效应的截面都是随入射γ射线的能量γE 和吸收物质的原子序数Z 而变化，所以线性吸收系数μ是吸收物质的原子序数Z 和γ射线能量γE 的函数。
考虑到σr 是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，那么线性吸收系数μ就可以表示为p c ph μμμμ++= （9-3-2）式中ph μ、c μ、p μ分别为光电、康普顿、电了对效应的线性吸收系数，且⎪⎩⎪⎨⎧∝∝∝25Z Z Z p c ph μμμ （9-3-3） 从中可以看出线性吸收系数μ与吸收物质的原子序数Z 之间的复杂关系。
对于线性吸收系数μ与γ射线能量γE 之间的关系也比较复杂，并且随吸收物质的不同而存在显著差别。
图9-3-1给出了铅、锡、铜、铝对γ射线的线性吸收 系数μ与γ射线能量γE 之间的关系曲线。
γ射线能谱测量和γ射线吸收和物质吸收系数μ的测定的实验报告许琪娜物理092 08070116摘要：本文主要简述了Nal（Tl）γ闪烁谱仪的结构和基本工作原理以及利用Nal （Tl）γ闪烁谱仪来测量γ射线能谱及γ射线吸收系数μ，具体实验操作过程以及实验中遇到的问题和解决方案。
关键词：γ射线能谱γ闪烁谱仪吸收系数引言：在放射性测量工作中，对射线的测量是一个非常重要组成部分，对射线的测量通常有强度测量和能谱测量两种方式。
NaI( Tl) 闪烁谱仪是一种常用的对射线进行能谱测量的谱仪，它与高纯锗谱仪相比具有探测效率高NaI( Tl) 晶体便于加工成各种形状，价格便宜等特点，因而在环境测量、工业在线检测以及监测等方面有着广泛的应用。
γ射线是波长短于0.2A 的电磁波，它由原子核能级间的跃迁而产生, 是继γ射线后发现的第三种原子核射线。
γ射线具有比X射线还要强的穿透能力，目前广泛的应用于工业探伤、测厚、冶金、自动化、医疗等方面。
研究不同物质对γ射线的线性吸收系数的测量方法, 这对于在工业应用中对γ射线进行防护，以及用γ射线准确检测各种容器内所储存的液体、浆体或固体物料的位置, 都具有重要的意义。
正文：一．NaI( Tl) 闪烁谱仪1.如图为实验装置。
闪烁探测器有闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。
其工作可分为五个相互联系的过程：（1）射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发；（2）受激原子、分子退激时发射荧光光子；（3）利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多得收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光子；（4）光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104~109个，电子流在阳极负载上产生电信号；（5）此信号由电子仪器记录和分析。
2.γ闪烁谱仪的调试方法：连接好实验仪器接线，高压为正极，所用的高压电缆在插头处有红色橡皮套，一头接探头后座，一头接仪器盒后面的+HV输出。
γ射线在物质中的吸收一、实验的目的和意义γ射线的测量在核辐射探测工作中占有非常重要的地位。
例如，在核物理研究中，测量原子核激发能级、核衰变纲图、短核的寿命以及进行核反应实验等都离不开γ射线的测量；同时，在放射性矿石分析、测定堆燃料元件的燃耗、实现某些裂变产物的流线分析以及在环境保护工作中分析污染物成分或进行活化分析等也都离不开γ射线的测量。
因此，研究γ射线与物质的相互作用、γ射线在物质中的衰变规律、吸收物质的吸收系数以及学习γ射线探测器的使用等就显得特别重要。
当γ射线穿过物质时，其注量率（单位时间内进入单位截面积小球的粒子数）将逐渐衰减。
对于单能窄束γ射线，在物质中符合负指数衰减规律。
本实验利用放射性核素137Cs衰变产生的γ光子（能量0.662MeV），经准直器准直后，通过观察γ探测器上（半导体高纯锗探测器）的计数的变化，研究其在不同物质中的衰减规律，计算出不同物质的吸收系数。
本实验的目的是学习γ探测器（半导体高纯锗探测器）的工作原理和使用方法；并在此基础上，利用半导体高纯锗探测器验证单能窄束γ射线在穿过物质时遵守指数衰减规律，并由此计算出各吸收物质的吸收系数。
通过实验要求学生掌握以下知识：1.学习半导体高纯锗探测器的设置和使用方法2.学会手工和电脑绘制物质厚度-计数的关系曲线3.掌握物质吸收系数的测量和计算方法4.比较不同吸收物质间吸收曲线的差异二、实验原理（1）γ射线的吸收当γ射线穿过物质时，γ射线与物质相互作用的主要三种形式：光电效应、康普顿效应和形成电子对效应。
这三种主要作用形式发生的几率（反应截面）与光子能量、吸收物质的原子序数如图8.1所示。
一般来说，低能量的光子与物质作用的主要形式是光电效应；中等能量的光子与物质作用的主要形式是康普顿效应；高能量的光子与物质作用的主要形式是形成电子对效应。
（2）窄束当γ射线穿过一定厚度的物质时，有些与物质发生了相互作用，有些则没有。
如果光子与物质发生光电效应或电子对效应，则光子完全被物质吸收；如果发生康普顿效应，则光子被散射，部分能量被吸收，散射光子亦可能穿过物质层。
γ射线能谱的测量及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定【摘要】原子核从激发态跃迁到较低能级或基态跃迁能产生γ射线，实验，将γ射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到γ辐射强度按能量的分布。
并通过测量γ射线在不同物质中的吸收系数，了解γ射线在不同物质中的吸收规律。
【关键字】γ闪烁谱仪γ射线能谱物质吸收系数当今的世界，以对核技术进行了相当广泛的运用。
从1896年法国科学家A.H.Becquerel发现放射性现象开始，经过M.Curie一些新放射性元素的发现及其性质进行研究后，人类便进入了原子核科学时代。
在原子核发生衰变时，会发出α、β、γ射线，核反应时会产生各种粒子。
人们根据射线粒子与物质相互作用的规律，研制了各种各样的探测器。
这些探测器大致可以分为“信号型”和“径迹型”两大类。
径迹型探测器能给出粒子运动的径迹，有的还能测出粒子的速度、性质等，如核乳胶、固体径迹探测器、威尔逊云室、气泡室、多丝正比室等。
而信号型探测器根据工作物质和原理的不同，又可分为气体探测器、半导体探测器、闪烁探测器。
其中闪烁探测器的工作物质是有机或无机的晶体闪烁体，射线与闪烁体相互作用，会使其电离激发而发射荧光。
从闪烁体出来的光子与光电倍增管的光阴极发生光电效应而击出光电子，光电子在管中倍增，形成电子流，并在阳极负载上产生电信号。
如NaI(TI)单晶γ探测器。
γ射线是由原子核的衰变产生的，当原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时，就有可能辐射出不同能量的γ射线。
人们已经对γ射线进行了很多研究，并在很多方面加以运用。
像利用γ射线杀菌，γ探伤仪等。
然而不恰当的使用γ射线也会对人类产生一定的危害。
γ射线的穿透力非常强，如果在使用过程中没有有效的防护，长时间被放射性元素照射的话可能发生细胞癌变。
在对γ射线进行了大量的研究后发现，按能量的不同，可以对其进行强度测量，从而得到γ辐射强度按能量的分布（能谱）。
测量γ射线能谱的装置就是上面所提到的NaI(TI)单晶γ闪烁探测器。
实验10-3 γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定【实验目的】1．了解γ射线与物质相互作用的特性指导：关于这一点，要着重向学生说明γ射线的特点如不带电、静止质量为零，与物质的三种相互作用光电效应、康普顿效应、电子对效应中的任何一种发生时，γ光子不是消失就是从原来的射线束中移去，因此是全或无相互作用，表现为强度的减弱而非能量损失，有别于β粒子与物质的相互作用。
2．了解窄束γ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指导：说明γ射线穿过物质时强度按指数规律衰减，没有射程概念，以及如何测定某一能量γ光子在某种物质中的吸收系数。
【实验内容】1．测量137Cs 的γ射线（取0.661MeV 光电峰）在一组吸收片（铅、铝）中的吸收曲线，并用最小二乘原理拟合求线性吸收系数。
指导：关于实验方案，建议只采用137Cs 放射源，测定Al 、Pb 对0.661MeV γ光子的吸收系数。
由于提供的137Cs 放射源较弱（仅有2微居里），因此计数较低，需要适当延长计数时间以尽可能减小因统计涨落带来的误差，为此可以考虑放弃对60Co 的实验。
2．测量60Co 的γ射线（取1.17、1.33MeV 光电峰，按1.25MeV 平均能量计算）在一组吸收片（铅）中的吸收曲线，并用最小二乘原理拟合求线性吸收系数。
3．根据已知一定放射源对一定材料的吸收系数来测量该材料的厚度。
【实验原理】γ辐射是处于激发态原子核损失能量的最显著方式，其产生的原因主要有：①α、β衰变引起的副产品；②核反应；③基态激发。
γ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，大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；当光子能量大大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。
γ射线一旦与吸收物质原子发生相互作用，就从原来的入射γ束中移去；它不同于带电粒子穿过物质时，经过许多次小能量转移的碰撞来损失它的能量。
实验2 γ射线的吸收实验目的1. 了解γ射线在物质中的吸收规律。
2. 测量γ射线在不同物质中的吸收系数。
3. 学习正确安排实验条件的方法。
实验内容1. 选择良好的实验条件，测量60Co 的γ射线在一组吸收片（铅、铜或铝）中的吸收曲线，并由半吸收厚度定出线性吸收系数。
2. 用最小二乘直线拟合的方法求线性吸收系数。
原理1. 窄束γ射线在物质中的衰减规律γ射线与物质发生相互作用时，主要有三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应（当γ射线能量大于1.02MeV 时，才有可能产生电子对效应）。
准直成平行束的γ射线，通常称为窄束γ射线。
单能的窄束γ射线在穿过物质时，其强度就会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。
γ射线强度的衰减服从指数规律，即x Nx e I e I I r μσ--==00 （1）其中I 0, I 分别是穿过物质前、后的γ射线强度，x 是γ射线穿过物质的厚度（单位是cm ），σr 是三种效应截面之和，N 是吸收物质单位体积中的原子数，μ 是物质的线性吸收系数（N r σμ=，单位为cm -1）。
显然μ的大小反映了物质吸收γ射线能力的大小。
由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率n 总是与该时刻的γ射线强度I 成正比，因此I 与x 的关系也可以用n 与x 的关系来代替。
由（1）式可以得到：x e n n μ-=0 （2）x n n μ-=0ln ln （3）可见，如果在半对数坐标纸上绘制吸收曲线，那么这条吸收曲线就是一条直线，该直线的斜率的绝对值就是线性吸收系数μ 。
由于γ射线与物质相互作用的三种效应的截面都是随入射γ射线的能量E γ和吸收物质的原子序数Z 而变化，因此单能γ射线的线性吸收系数μ是物质的原子序数Z 和能量E γ的函数。
ph c p μμμμ=++式中ph μ、c μ、p μ分别为光电效应、康普顿效应、电子对效应的线性吸收系数。
其中52ph c p Z Z Z μμμ∝∝∝ 图2给出了铅、锡、铜、铝对γ射线的线性吸收系数与γ射线能量的关系曲线。
3系08级 姓名：方一 日期：6月12日 PB08206045实验题目: γ能谱及γ射线的吸收实验目的:学习闪烁γ谱仪的工作原理和实验方法，研究吸收片对γ射线的吸收规律。
实验原理:γ射线与物质的相互作用γ射线与物质原子之间的相互作用主要有三种方式：光电效应、康普顿散射、电子对效应。
1）光电效应当能量γE 的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失，发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应．发射出光电子的动能i e B E E -=γ （1）i B 为束缚电子所在壳层的结合能。
原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X 射线。
例如L 层电子跃迁到K 层，放出该原子的K 系特征X 射线。
2）康普顿效应γ光子与自由静止的电子发生碰撞，而将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，γ光子被散射改变了原来的能量和方向。
计算给出反冲电子的动能为)cos 1(1)cos 1()cos 1(20202θθθγγγγ-+=-+-=E cm E E c m E E e （2）式中20c m 为电子静止质量，角度θ是γ光子的散射角，见图2.2.1-2所示。
由图看出反冲电子以角度φ出射，φ与θ间有以下关系：2tan 1cot 20θϕγ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=c m E （3） 由式（2）给出，当 180=θ时，反冲电子的动能e E 有最大值：γγE cm E E 2120max +=（4）这说明康普顿效应产生的反冲电子的能量有一上限最大值，称为康普顿边界E C 。
3）电子对效应当γ光子能量大于202c m 时，γ光子从原子核旁边经过并受到核的库仑场作用，可能转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对效应。
此时光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和，如202c m E E E e e ++=-+γ （5）其中MeV c m 02.1220=。
综上所述，γ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γ光子的能量直接相关，因此，可通过测量次级带电粒子的能量求得γ光子的能量。
闪烁γ能谱仪2.1、闪烁谱仪的结构框图及各部分的功能闪烁谱仪的结构框图示于图2.2.1-3中，它可分为闪烁探头、供电与信号放大模块、计算机数据采集系统等三部分。
以下分别介绍各部分的功能。
（1） 闪烁探头闪烁探头包括闪烁体、光电倍增管、分压电路以及屏蔽外壳。
实验中测量γ能谱多使用无机闪烁体如NaI (T1)晶体。
闪烁体的功能是在次级带电粒子的作用下产生数目与入射γ光子能量相关的荧光光子。
这些荧光光子被光导层引向光电倍增管，并在其光敏阴极再次发生光电效应而产生光电子，这些光电子经过一系列倍增极的倍增放大，从而使光电子的数目大大增加，最后在光电倍增管的阳极上形成脉冲信号。
脉冲数目是和进入闪烁体γ光子数目相对应的。
而脉冲的幅度与在闪烁体中产生的荧光光子数目成正比，从而和γ射线在闪烁体中损失的能量成正比。
图2.2.1-3 闪烁能谱仪结构框图整个闪烁探头应安装在屏蔽暗盒内以避免可见光对光电倍增管的照射而引起损坏。
（2）供电与信号放大模块高压电源通过分压电路为光电倍增管阳极和各倍增极提供工作电压。
由于探头输出的脉冲信号幅度很小，需要经过线性放大器将信号幅度按线性比例进行放大，一般输入脉冲的极性正或负均可，输出脉冲均为正极性，放大倍数可通过十圈电位器连续调节。
（3）计算机数据采集系统数据采集系统包括多道脉冲幅度分析器及其软件。
多道脉冲幅度分析器的功能是将输入的脉冲按其幅度不同分别送入相对应的道址（即不同的存贮单元）中，通过软件可直接给出各道址（对应不同的脉冲幅度）中所记录的脉冲数目，因此测量能谱就非常方便。
闪烁γ能谱仪正是利用γ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γ光子的能量，以达到测量γ射线能谱的目的。
2.2、γ能谱的形状137的γ射闪烁γ能谱仪可测得γ能谱的形状，图2.2.1-6所示是典型Cs线能谱图。
图的纵轴代表各道址中的脉冲数目，横轴为道址，对应于脉冲幅度或γ射线的能量。
从能谱图上看，有几个E，较为明显的峰，光电峰e又称全能峰，其能量就对应γ射线的能量E。
这是由于γ射线进入闪烁体后，由于光电效应产生光电子，能量关系见式（1），其全部能量被闪烁体吸收。
光电子逸出原子会留下空位，必然有外壳层上的电子跃入填充，同时放出能量i z B E =的X 射线，一般来说，闪烁体对低能X 射线有很强的吸收作用，这样闪烁体就吸收了z e E E +的全部能量，所以光电峰的能量就代表γ射线的能量，对Cs 137，此能量为0.661MeV 。
C E 即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。
背散射峰b E 是由射线与闪烁体屏蔽层等物质发生反向散射后进入闪烁体内而形成的光电峰，一般背散射峰很小。
2.3、谱仪的能量刻度和分辨率（1）谱仪的能量刻度闪烁谱仪测得的γ射线能谱的形状及其各峰对应的能量值由核素的蜕变纲图所决定，是各核素的特征反映。
但各峰所对应的脉冲幅度是与工作条件有关系的。
如光电倍增管高压改变、线性放大器放大倍数不同等，都会改变各峰位在横轴上的位置，也即改变了能量轴的刻度。
因此，应用γ谱仪测定未知射线能谱时，必须先用已知能量的核素能谱来标定γ谱仪。
由于能量与各峰位道址是线性的：b kN E +=γ，因此能量刻度就是设法得到k 和b 。
例如选择Cs 137的光电峰γE ＝0.661 MeV 和Co 60的光电峰17.11=γE MeV ，如果对应MeV E 661.01=的光电峰位于N 1道，对应MeV E 17.12=的光电峰位于N 2道，则有能量刻度MeV N N k b MeVN N k 2)()17.1661.0(661.017.12112+-+=--=（6）将测得的未知光电峰对应的道址N 代入b kN E +=γ即可得到对应的能量值。
（2）谱仪分辨率γ能谱仪的一个重要指标是能量分辨率。
由于闪烁谱仪测量粒子能量过程中，伴随着一系列统计涨落过程，如γ光子进入闪烁体内损失能量、产生荧光光子、荧光光子在光阴极上打出光电子、光电子在倍增极上逐级倍增等等，这些统计涨落使脉冲的幅度服从统计规律而有一定分布的。
定义谱仪能量分辨率η：100%FWHME γη=⨯ （7）其中FWHM(Full Width Half Maximum)表示选定能谱峰的半高全宽，E γ为与谱峰对应的γ光子能量，η表示闪烁谱仪在测量能量时能够分辨两条靠近的谱线的本领。
目前一般的NaI 闪烁谱仪对Cs 137光电峰的分辨率在10%左右。
对η的影响因素很多，如闪烁体、光电倍增管等等。
3、物质对γ射线的吸收当γ射线穿过物质时，一旦与物质中的原子发生三种相互作用，原来的光子就消失或通过散射改变入射方向。
通常把通过物质且未经相互作用的光子所组成的射线称为窄束γ射线（或良好几何条件下的射线束）。
实验表明，单能窄束γ射线的衰减遵循指数规律：（8）其中、分别是通过物质前、后的γ射线强度，在本实验中可用全能峰的峰面积表示，是γ射线通过物质的厚度，是三种作用截面之和，N 是吸收物质单位体积的原子数，μ是物质的线性吸收系数，表示单位路程上γ射线与物质发生三种相互作用的总几率，其大小反映了物质吸收γ射线能力的大小。
可见，如果在半对数坐标图上绘制吸收曲线，那么这条曲线就是一条直线，直线的斜率的绝对值就是线性吸收系数μ。
γ射线强度减弱一半所需的吸收层厚度称为半吸收厚度12d ，从（8）式可知：12l n 20.693d μμ==（9）实验仪器闪烁γ能谱仪、Co60放射源、Cs137放射源、铜片10块实验内容1.实验前开启高压电源，预热20分钟；2.测量并观察Cs 137和Co 60的γ能谱的形状，在图上指出光电峰、康普顿边界、电子对峰、背散射峰等峰位；3. 根据公式100%FWHME γη=⨯，测量γ能谱仪能量的分辨率；4.在放射源前增加铜片的厚度，测量Cs 137的γ射线在铜片中的吸收曲线，求出相应的线性吸收系数和半吸收厚度。
数据处理：1.测Co60右侧光电峰能量 由公式MeV N N k b MeVN N k 2)()17.1661.0(661.017.12112+-+=--=将2N =788.8 1N =416.8 代入得k=310368.1-⨯MeV b=210087.9-⨯MeVbkN E +=γ将Co60右侧光电峰道址代入，得E=1.337MeV 查阅资料得真实值为E0=1.33MeV测量相对误差 x=（1.337-1.33）/1.33*100%=0.53% 2.测量Cs 137和Co 60的γ能谱图，指出各峰位自动寻峰：光电峰道址为416.8自动寻峰：左侧道址788.8,右侧道址910.8.3.测量能量分辨率实验测得峰半高宽FWHM=42.7 对应光电峰道址416.8 由公式100%FWHME γη=⨯得=42.7/416.8*100%=10.24%4.测量Cs 137的γ射线在铜片中的吸收曲线 测量数据列表如下根据表中数据用计算机软件作出ln （I/I0）对x 的拟合曲线l n (I /I 0)xln(I/I 0)-x拟合直线由公式得ln(I/I0)=-ux 由表中数据u=0.0510mm -1所以 半吸收厚度 12ln 20.69313.590.0510d mm mm μ===误差分析1. 测量Cs 137和Co 60的γ能谱图时，误差与测量时间的长短有关，时间越长由于随机现象造成的误差越小，所得的图像也越准确，如Cs 137的峰值要达到2000，Co 60的第二个峰值要达到400也是这个道理。
2. 用游标卡尺测铜片的厚度时会有误差，应该可以用多次测量求平均值的方法来把误差减少到最低限度。
3. 在采用软件自动寻峰时，计算机寻找的峰往往不是很准确，有时需要自己调整，这也会产生误差。
心得体会1. 本次实验采用的是γ放射源，一定要注意安全，不能用眼睛直视放射源的小孔，取出和送回时也要小心轻放；2. 做实验时要注意合理的利用和分配时间，如可以在测量光电峰的等待时间内把铜片的厚度测完；3. 如果本次实验采用分辨率再高一点，应该可以看到比较清晰的康普顿边界和电子对效应等，而不只有光电峰。
思考题1.用闪烁谱仪测量γ射线能谱时，要求在多道分析器的道址范围内能同时测量出Cs 137和Co 60的光电峰，应如何选择合适的工作条件？在测量过程中该工作条件可否改变？答：可以选择Co 60右侧的光电峰的右侧峰脚在道址1000附近，这样第二个峰是完整的， 137Cs 的光电峰道址在Co 60的一半左右，即500附近，充分利用1024个道址，使测量结果精确而完整。
