γ射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)μ的測(cè)定

1、Y射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)u的測(cè)定【摘要】我們知道原子核的能級(jí)躍遷可以產(chǎn)生伽馬射線，而通過測(cè)量Y射線的能量 分布，可確定原子核激發(fā)態(tài)的能級(jí)，這對(duì)于放射性分析，同位素應(yīng)用及鑒定核素 等都有重要意義。同時(shí)通過學(xué)習(xí)了解伽馬射線與物質(zhì)相互作用的特性，測(cè)定窄束 Y射線在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)“。因此本實(shí)驗(yàn)通過使用伽馬閃爍譜儀測(cè)定不同 的放射源的Y射線能譜；根據(jù)當(dāng)Y光子穿過吸收物質(zhì)時(shí)，通過與物質(zhì)原子發(fā)生光 電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)損失能量。閃爍體分子電離和激發(fā)，退激時(shí)發(fā) 岀大量光子，閃爍光子入射到光陰極上，光電效應(yīng)產(chǎn)主光電子，電子會(huì)在陽(yáng)極負(fù) 載上建立起電信號(hào)等原理，對(duì)Y射線進(jìn)行研究?！娟P(guān)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(zhì)的原子核能發(fā)生衰變，會(huì)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(shí)驗(yàn)儀器能夠探測(cè)到這些肉眼無(wú)法看見的射線。同時(shí) 山于射線與物質(zhì)相互作用，導(dǎo)致射線通過一定厚度物質(zhì)后，能量或強(qiáng)度有一定的 減弱，稱為物質(zhì)對(duì)射線的吸收。而這在防護(hù)核輻射、核技術(shù)應(yīng)用和材料科學(xué)等許 多領(lǐng)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(yīng)堆和加速器產(chǎn)生的照射等，輻射時(shí)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(gè)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(zhì) 數(shù)A均保持不變的退激發(fā)過程。我們使用何種儀器來(lái)探測(cè)伽馬射線，乂如何測(cè)量 物質(zhì)對(duì)射線的吸收規(guī)律，不同物質(zhì)的吸收性能等。這是都是本次實(shí)驗(yàn)需要去解決 的問題。解決問題本實(shí)驗(yàn)使用的是Y閃爍譜儀。Y閃爍譜儀內(nèi)部含有閃爍體，可以把射線的能 量轉(zhuǎn)變成光能。實(shí)驗(yàn)中采用含TI （鎧）的Nal晶體作丫射線的探測(cè)器。利用此來(lái) 研究窄束Y射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律?！菊摹客ㄟ^查閱相關(guān)資料，我了解了伽馬閃爍譜儀的基本工作原理以及整個(gè)的工作 過程。Nal仃I）閃爍探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。整個(gè)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(cè)器山閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子放大器件三個(gè)主要部分組成。（1）閃爍體：閃爍體是用來(lái)把射線的能量轉(zhuǎn)變成光能的。本實(shí)驗(yàn)中釆用含TI （鎧）的Nal晶體作$射線的探測(cè)器。（2）光電倍增管：光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖2。它由光陰極K、收集電子的陽(yáng)極A 和在光陰極與陽(yáng)極之間十個(gè)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(gòu)成。在每個(gè)電極上加上正電壓，相鄰的兩個(gè)電極之間的電位差一般 在100V左右。當(dāng)閃爍體放出的光子打到光陰極上時(shí)，發(fā)生光電效應(yīng)，打出的光 電子被加速聚集到第一倍增極D1 ±,平均每個(gè)光電子在D1上打出36個(gè)次電 子，增值后的電子乂為D1和D2之間的電場(chǎng)

5、加速，打到第二倍增極D2上，平均 每個(gè)電子乂打出36個(gè)次級(jí)電子，這樣經(jīng)過n級(jí)倍增以后，在陽(yáng)極上就收 集到大量的電子，在負(fù)載上形成一個(gè)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(fù)脈沖的幅度較小，內(nèi)阻較高。一般在探頭 內(nèi)部安置一級(jí)射極跟隨器以減少外界干擾的影響，同時(shí)使之與線性放大器輸入端 實(shí)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(nèi)變化，對(duì)它的要求是穩(wěn)定性高、線性好和噪聲小。開啟實(shí)驗(yàn)儀器工作時(shí)射線通過閃爍體，閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度與射線在閃爍體內(nèi)損失 的能量成正比，即入射線的能量越大，在閃爍體內(nèi)損失能量越多，

6、閃爍體的發(fā)光 強(qiáng)度也越大。當(dāng)射線（如Y、B）進(jìn)入閃爍體時(shí)，在某一地點(diǎn)產(chǎn)生次級(jí)電子，它 使閃爍體分子電離和激發(fā)，退激時(shí)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(zhì)，使光子集中向光電倍增管方向射出去，當(dāng)閃爍光子入射到光陰極上，就會(huì)產(chǎn)生光電子，這些 光電子受極間電場(chǎng)加速和聚集，在各級(jí)打拿極上發(fā)生倍增（一個(gè)光電子最終可產(chǎn) 生104-109個(gè)電子），最后被陽(yáng)級(jí)收集。大量電子會(huì)在陽(yáng)極負(fù)載上建立起電信 號(hào)，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(hào)傳輸?shù)诫娮訉W(xué)儀器中去。山原子物理學(xué)中可知丁射線與物質(zhì)的相互作用主要是光電

7、效應(yīng)、康普頓散射和 正、負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生這三種過程，如圖3所示。圖3 丫射線與物質(zhì)相互作用示意圖最終實(shí)現(xiàn)了能譜圖樣的輸出如下：圖中的橫坐標(biāo)CH表示道數(shù)，與能量成正比，縱坐標(biāo)表示強(qiáng)度，也就是射線的密 集程度，與計(jì)數(shù)成正比。而Y躍遷可定義為一個(gè)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(zhì)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(jīng)相互作用或稱為未經(jīng)碰撞的光子所組成?！罢?一詞是實(shí)驗(yàn)上通過準(zhǔn)直器得到細(xì)小的束而取名。這里所說的“窄束”并不是指兒何 學(xué)上的細(xì)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(zhì)時(shí)，山于上述三種效應(yīng)，其強(qiáng)度就會(huì)減弱，這種現(xiàn)象 稱為Y射線的吸收。Y射線強(qiáng)度隨物質(zhì)厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即I = JNx = 嚴(yán)（1）其中，Io、I分別是穿過物質(zhì)前、后的丫射線強(qiáng)度，x是Y射線穿過的物質(zhì)的 厚度（單位cm）, 6是光電、康普頓、電子對(duì)三種效應(yīng)截面之和，N是吸收物質(zhì) 單位體積中的原子數(shù)，p是物質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(duì)效應(yīng)的線性吸收系數(shù)；其中： （Lph（X Z5 s仏（XZ、fL

9、PcxZ2 （Z為物質(zhì)的原子序數(shù)）。丫射線與物質(zhì)相互作用的 三種效應(yīng)的截面都是隨入射Y射線的能量E和吸收物質(zhì)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(yīng)的線性吸收系數(shù)之和。下圖給出了鉛對(duì)Y射線 的線性吸收系數(shù)與Y射線能量的線性關(guān)系。鉛對(duì)？射線的吸收系數(shù)和能量的關(guān)系曲線實(shí)際工作中常用質(zhì)量厚度Rm （g/cm2）來(lái)表示吸收體厚度，以消除密度的影 響。因此（3-1）式可表達(dá)為心） = /（嚴(yán)"（2）山于在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，某一時(shí)刻的計(jì)數(shù)率N總與該時(shí)刻的射線強(qiáng)度I成 正比，乂對(duì)（2）式取對(duì)數(shù)得：山此可見，如果將吸收曲線在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)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(zhì)對(duì) 射線的吸收能力也經(jīng)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(qiáng)度減弱到一半時(shí)的吸收物質(zhì)的厚度，記作：ln2 0693(5)下圖為伽馬射線與吸收質(zhì)量密度關(guān)系曲線:實(shí)驗(yàn)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(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置，使 放射源、準(zhǔn)直孔、閃爍探測(cè)器的中心位于一條直線上。2儀器開機(jī)并調(diào)整好工作電壓(700-750V)和放大倍數(shù)后，預(yù)熱30分鐘左右。3、把卩放射源心或叫力放在探測(cè)器前，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)為03,在600V-850V 之間，調(diào)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(shí)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(cè)量 牝。的丫能譜，繪制能譜圖，記錄光電峰位(兩個(gè)光電峰，能量分別為 1.33MeV和1.17MeV),結(jié)合137Cs的y能譜的光電峰(0.662MeV)和反散射(0.184MeV)位來(lái)標(biāo)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(cè)量對(duì)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(zhì)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(duì)不確定度。計(jì)算半吸收

12、厚度。7、重復(fù)上述步驟，用一組鉛吸收片測(cè)量對(duì)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(zhì)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(duì)不 確定度。計(jì)算半吸收厚度。數(shù)據(jù)處理與分析1. Cs的能譜圖測(cè)量參數(shù)設(shè)置，預(yù)置時(shí)間300s,高壓電源667V,放大倍數(shù)0.3倍，全譜道數(shù)512道, 擴(kuò)展道數(shù)128道，道數(shù)160道137CS刻度(cm)總計(jì)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(cè)量參數(shù)設(shè)置，預(yù)置時(shí)間500s,高壓電源668V,放大倍數(shù)0.3倍，全譜道數(shù)512道, 擴(kuò)展道數(shù)128道，道數(shù)320道60Co度mc 刻總計(jì)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(yè)3 利用鋁塊測(cè)量吸收系數(shù)

14、參數(shù)設(shè)置，預(yù)置時(shí)間300s,高壓電源667V,放大倍數(shù)0.3倍，全譜道數(shù)512道,擴(kuò)展道數(shù)128道，位置40.5cm鋁塊數(shù) 量R(g/c m*)計(jì)數(shù)總計(jì)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(jì)算公式p RZ

15、十組數(shù)據(jù)的平均值：0.078 相對(duì)誤差59.8%4利用鉛塊測(cè)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(jì)數(shù)總計(jì)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(duì)誤差

16、為28.3%誤差分析從誤差結(jié)果不難看出，本實(shí)驗(yàn)中的誤差較大，特別是AI對(duì)Y射線的吸收系 數(shù)相對(duì)誤差達(dá)到了 59.8%在實(shí)驗(yàn)中是不允許的，下面對(duì)可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差的原因 進(jìn)行分析。山于每次試驗(yàn)中探測(cè)器與放射源的距離都相等，這樣導(dǎo)致每次試驗(yàn)過 程中探測(cè)器與放射源之間的空氣厚度不一樣，山于空氣對(duì)Y射線也具有吸收能 力，這樣增加了實(shí)驗(yàn)的誤差。在試驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。山于試驗(yàn)次數(shù)太少，導(dǎo)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(huì)發(fā)生變化，其結(jié)果必然會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也 會(huì)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(xué)接觸不好，致使熒光光子 的收集不完全，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的偏差。實(shí)驗(yàn)結(jié)論1、Co、Cs的能譜(道數(shù)sE、計(jì)數(shù)*l)比較C。、Cs的能譜圖可以看出，Co的能量大強(qiáng)度小，Cs的能量小強(qiáng)度大。(2)在實(shí)驗(yàn)的不