γ射線的吸收與物質吸收系數(shù)μ的測定

1、Y射線的吸收與物質吸收系數(shù)u的測定【摘要】我們知道原子核的能級躍遷可以產生伽馬射線，而通過測量Y射線的能量 分布，可確定原子核激發(fā)態(tài)的能級，這對于放射性分析，同位素應用及鑒定核素 等都有重要意義。同時通過學習了解伽馬射線與物質相互作用的特性，測定窄束 Y射線在不同物質中的吸收系數(shù)“。因此本實驗通過使用伽馬閃爍譜儀測定不同 的放射源的Y射線能譜；根據(jù)當Y光子穿過吸收物質時，通過與物質原子發(fā)生光 電效應、康普頓效應和電子對效應損失能量。閃爍體分子電離和激發(fā)，退激時發(fā) 岀大量光子，閃爍光子入射到光陰極上，光電效應產主光電子，電子會在陽極負 載上建立起電信號等原理，對Y射線進行研究?！娟P鍵詞】伽馬射線

2、 吸收系數(shù) 60c。、137Cs放射源 能譜丫閃爍譜儀【引言】提出問題某些物質的原子核能發(fā)生衰變，會放出射線，核輻射主要有Q、0、丫三種 射線。我們可以通過不同的實驗儀器能夠探測到這些肉眼無法看見的射線。同時 山于射線與物質相互作用，導致射線通過一定厚度物質后，能量或強度有一定的 減弱，稱為物質對射線的吸收。而這在防護核輻射、核技術應用和材料科學等許 多領域都有重要意義。核輻射主要是a、B、Y三種射線，人工輻射源包括放射 性診斷和放射性治療輻射源、放射性藥物、放射性廢物、核武器爆炸的落下灰 塵以及核反應堆和加速器產生的照射等，輻射時處于激發(fā)態(tài)原子核損失能量的最 顯著方式。Y躍遷可定義為一個核山

3、激發(fā)態(tài)到較低的激發(fā)態(tài)、而原子序數(shù)Z和質 數(shù)A均保持不變的退激發(fā)過程。我們使用何種儀器來探測伽馬射線，乂如何測量 物質對射線的吸收規(guī)律，不同物質的吸收性能等。這是都是本次實驗需要去解決 的問題。解決問題本實驗使用的是Y閃爍譜儀。Y閃爍譜儀內部含有閃爍體，可以把射線的能 量轉變成光能。實驗中采用含TI （鎧）的Nal晶體作丫射線的探測器。利用此來 研究窄束Y射線在物質中的吸收規(guī)律?！菊摹客ㄟ^查閱相關資料，我了解了伽馬閃爍譜儀的基本工作原理以及整個的工作 過程。Nal仃I）閃爍探測器的結構如下圖所示。整個譜儀山探頭（包括閃爍體，光 電倍增管，射極跟隨器），高壓電源，線性放大器，多道脈沖幅度分析器等

4、組成。閃爍探測器山閃爍體、光電倍增管和相應的電子放大器件三個主要部分組成。（1）閃爍體：閃爍體是用來把射線的能量轉變成光能的。本實驗中釆用含TI （鎧）的Nal晶體作$射線的探測器。（2）光電倍增管：光電倍增管的結構如圖2。它由光陰極K、收集電子的陽極A 和在光陰極與陽極之間十個左右能發(fā)射二次電子的次陰極D （乂稱倍增極、打拿 極或聯(lián)極）構成。在每個電極上加上正電壓，相鄰的兩個電極之間的電位差一般 在100V左右。當閃爍體放出的光子打到光陰極上時，發(fā)生光電效應，打出的光 電子被加速聚集到第一倍增極D1 ±,平均每個光電子在D1上打出36個次電 子，增值后的電子乂為D1和D2之間的電場

5、加速，打到第二倍增極D2上，平均 每個電子乂打出36個次級電子，這樣經過n級倍增以后，在陽極上就收 集到大量的電子，在負載上形成一個電壓脈沖。圖2百葉窗式光電倍增管示意圖（3）射極跟隨器：光電倍增管輸出負脈沖的幅度較小，內阻較高。一般在探頭 內部安置一級射極跟隨器以減少外界干擾的影響，同時使之與線性放大器輸入端 實現(xiàn)阻抗匹配。（4）線性放大器：山于入射粒子的能量變化范圉很大，線性放大器的放大倍數(shù) 能在10-1000倍范圍內變化，對它的要求是穩(wěn)定性高、線性好和噪聲小。開啟實驗儀器工作時射線通過閃爍體，閃爍體的發(fā)光強度與射線在閃爍體內損失 的能量成正比，即入射線的能量越大，在閃爍體內損失能量越多，

6、閃爍體的發(fā)光 強度也越大。當射線（如Y、B）進入閃爍體時，在某一地點產生次級電子，它 使閃爍體分子電離和激發(fā)，退激時發(fā)出大量光子（一般光譜范圍從可見光到紫外 光，并且光子向四面八方發(fā)射岀去）。在閃爍體周圍包以反射物質，使光子集中向光電倍增管方向射出去，當閃爍光子入射到光陰極上，就會產生光電子，這些 光電子受極間電場加速和聚集，在各級打拿極上發(fā)生倍增（一個光電子最終可產 生104-109個電子），最后被陽級收集。大量電子會在陽極負載上建立起電信 號，通常為電流脈沖或電壓脈沖，然后通過起阻抗匹配作用的射極跟隨器，山電 纜將信號傳輸?shù)诫娮訉W儀器中去。山原子物理學中可知丁射線與物質的相互作用主要是光電

7、效應、康普頓散射和 正、負電子對產生這三種過程，如圖3所示。圖3 丫射線與物質相互作用示意圖最終實現(xiàn)了能譜圖樣的輸出如下：圖中的橫坐標CH表示道數(shù)，與能量成正比，縱坐標表示強度，也就是射線的密 集程度，與計數(shù)成正比。而Y躍遷可定義為一個核由激發(fā)態(tài)到較低的激發(fā)態(tài)、而原子序數(shù)Z和質數(shù)A 均保持不變的退激發(fā)過程。所謂窄束丫射線是指不包括散射成份的射線束，通過 吸收片后的丫光子，僅山未經相互作用或稱為未經碰撞的光子所組成。“窄束” 一詞是實驗上通過準直器得到細小的束而取名。這里所說的“窄束”并不是指兒何 學上的細小，而是指物理意義上的“窄束”。即使射線束有一定寬度，只要其中沒 有散射光子，就可稱之為“

8、窄束”。窄束丫射線在穿過物質時，山于上述三種效應，其強度就會減弱，這種現(xiàn)象 稱為Y射線的吸收。Y射線強度隨物質厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即I = JNx = 嚴（1）其中，Io、I分別是穿過物質前、后的丫射線強度，x是Y射線穿過的物質的 厚度（單位cm）, 6是光電、康普頓、電子對三種效應截面之和，N是吸收物質 單位體積中的原子數(shù)，p是物質的線性吸收系數(shù)（p=orN,單位為cm）。顯然口的 大小反映了物質吸收Y射線能力的大小。需要說明的是，吸收系數(shù)u是物質的原子序數(shù)Z和Y射線能量的函數(shù)，且：式中“卅、冷、“分別為光電、康普頓、電子對效應的線性吸收系數(shù)；其中： （Lph（X Z5 s仏（XZ、fL

9、PcxZ2 （Z為物質的原子序數(shù)）。丫射線與物質相互作用的 三種效應的截面都是隨入射Y射線的能量E和吸收物質的原子序數(shù)Z而改變。Y 射線的線性吸收系數(shù)u是三種效應的線性吸收系數(shù)之和。下圖給出了鉛對Y射線 的線性吸收系數(shù)與Y射線能量的線性關系。鉛對？射線的吸收系數(shù)和能量的關系曲線實際工作中常用質量厚度Rm （g/cm2）來表示吸收體厚度，以消除密度的影 響。因此（3-1）式可表達為心） = /（嚴"（2）山于在相同的實驗條件下，某一時刻的計數(shù)率N總與該時刻的射線強度I成 正比，乂對（2）式取對數(shù)得：山此可見，如果將吸收曲線在半對數(shù)坐標紙上作圖，將得出一條直線，如右 圖所示。"

10、加可以從這條直線的斜率求出，即物質對 射線的吸收能力也經常用半吸收厚度表示。所謂半吸收厚度就是使 入射的 射線強度減弱到一半時的吸收物質的厚度，記作：ln2 0693(5)下圖為伽馬射線與吸收質量密度關系曲線:實驗操作程序1閱讀儀器使用說明，掌握儀器及多道分析軟件的使用方法。調整實驗裝置，使 放射源、準直孔、閃爍探測器的中心位于一條直線上。2儀器開機并調整好工作電壓(700-750V)和放大倍數(shù)后，預熱30分鐘左右。3、把卩放射源心或叫力放在探測器前，調節(jié)放大倍數(shù)為03,在600V-850V 之間，調節(jié)高壓使或"Co能譜的最大脈沖幅度盡量大而乂不超過多道脈沖 分析器的分析范圍。4、用

11、多道分析器觀察H7Cs的丫能譜的形狀，識別其光電峰、反散射峰、X射線 峰及康普頓邊界等；記錄光電峰、反散射峰的峰位(道數(shù))；打印能譜圖。5、測量 牝。的丫能譜，繪制能譜圖，記錄光電峰位(兩個光電峰，能量分別為 1.33MeV和1.17MeV),結合137Cs的y能譜的光電峰(0.662MeV)和反散射(0.184MeV)位來標定譜儀的能量刻度，打印能量刻度曲線。6、用一組鋁吸收片測量對Cs的丫射線(取0.662MeV光電峰)的吸收曲 線，并用最小二法原理擬合求質量吸收系數(shù)。根據(jù)鋁的密度(r = 2.7g/cm 3)求線性吸收系數(shù)，與理論值(0.194 cm-1)比較，求相對不確定度。計算半吸收

12、厚度。7、重復上述步驟，用一組鉛吸收片測量對wcs的丫射線(取0.662MeV光電峰) 的吸收曲線，并用最小二法原理擬合求質量吸收系數(shù)。根據(jù)鉛的密度(r = 11.34 g/cm3)求線性吸收系數(shù)，與理論值(1.213 cw1)比較，求相對不 確定度。計算半吸收厚度。數(shù)據(jù)處理與分析1. Cs的能譜圖測量參數(shù)設置，預置時間300s,高壓電源667V,放大倍數(shù)0.3倍，全譜道數(shù)512道, 擴展道數(shù)128道，道數(shù)160道137CS刻度(cm)總計數(shù) 率峰位半高寬凈面積分辨率位置一40.518232th=157.53chn14.90ch n335829.46%位置二40.718642th=157.44

13、chn15.17ch n486449.63%位置三40.317512th=157 .44chn14.95ch n397149.5%2.Co的能譜圖測量參數(shù)設置，預置時間500s,高壓電源668V,放大倍數(shù)0.3倍，全譜道數(shù)512道, 擴展道數(shù)128道，道數(shù)320道60Co度mc 刻總計數(shù) 率峰位半髙寬凈面積分辨率位置一40.54125th=318.24chn15.69ch n17584.93%位置二40.74244th=314.68chn1&20chn12985.78%位置三40.33825th=323.77chn16.56ch n12645.12%能譜圖見附頁3 利用鋁塊測量吸收系數(shù)

14、參數(shù)設置，預置時間300s,高壓電源667V,放大倍數(shù)0.3倍，全譜道數(shù)512道,擴展道數(shù)128道，位置40.5cm鋁塊數(shù) 量R(g/c m*)計數(shù)總計數(shù) 率峰位半高寬凈面積分辨率一塊2.4017698325th=163.251.73chn1632251.06%兩塊2.40+2 441460770163.271.59ch n-1369400.97%三塊2.40+2 44+2.421230723163.111.34ch n-1215110.82%四塊2.40+2 44+2.42+2.43987687163.101.11ch n-977930.68%g _1譏 _lnN根據(jù)吸收系數(shù)計算公式p RZ

15、十組數(shù)據(jù)的平均值：0.078 相對誤差59.8%4利用鉛塊測量吸收系數(shù) 上下兩邊參數(shù)一樣鉛塊數(shù)量R(g/c m*)計數(shù)總計數(shù)率峰位半高寬凈面積分辨率一塊2.4016326834th=163.423.14chn-1501681.92%兩塊2.40+2 4413605654th=162.902.30chn-1298371.41%三塊2.40+2 44+2.4210634673th=163.012.68chn-1013291.64%四塊2.40+2 44+2.42+2.438763914th=163.112.34chn-804931.43%根據(jù)吸收系數(shù)訃算公式十組數(shù)據(jù)的平均值：0.8697 相對誤差

16、為28.3%誤差分析從誤差結果不難看出，本實驗中的誤差較大，特別是AI對Y射線的吸收系 數(shù)相對誤差達到了 59.8%在實驗中是不允許的，下面對可能導致實驗誤差的原因 進行分析。山于每次試驗中探測器與放射源的距離都相等，這樣導致每次試驗過 程中探測器與放射源之間的空氣厚度不一樣，山于空氣對Y射線也具有吸收能 力，這樣增加了實驗的誤差。在試驗中AI片與Pb片的放置位置不是很規(guī)則，它 們之間存在一定間隙，對實驗結果產生影響。山于試驗次數(shù)太少，導致偶然誤差 較大。Nal仃I)閃爍晶體的發(fā)光效率受溫度的影響，在不同的溫度下，同樣能量的 Y射線打出的光子數(shù)會發(fā)生變化，其結果必然會影響實驗的準確性。實驗結果也 會受到Nal仃I)閃爍晶體制造工藝的影響，晶體的透明度不好，使晶體發(fā)射的部 分熒光光子被其本體吸收，或者閃爍體與光陰極的光學接觸不好，致使熒光光子 的收集不完全，從而導致數(shù)據(jù)的偏差。實驗結論1、Co、Cs的能譜(道數(shù)sE、計數(shù)*l)比較C。、Cs的能譜圖可以看出，Co的能量大強度小，Cs的能量小強度大。(2)在實驗的不