射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測(cè)定

1、實(shí)驗(yàn)九Y射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)U的測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康? .了解射線與物質(zhì)相互作用的特性2.了解窄束 射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律3測(cè)量其在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)實(shí)驗(yàn)原理一、 射線與物質(zhì)的作用射線是由于原子核由激發(fā)態(tài)到較低的激發(fā)態(tài)退激（而原子序數(shù)Z和質(zhì)量數(shù)A均保持不變）的過程中產(chǎn)生的，包括：（1）或 衰變的副產(chǎn)品（2）核反應(yīng)（3）基態(tài)激發(fā)三部分，是處于激發(fā)態(tài)原子核損失能量的最顯著方式；由于射線具不帶電、靜止質(zhì)量為 0等特點(diǎn)決定了它同物質(zhì)的作用方式與帶電粒子不同，帶電粒 子（或粒子等）在一連串的多次電離和激發(fā)事件中不斷地?fù)p失其能量，而射線與物質(zhì)的相互作用卻在單次事件中完全吸收或散射。光子（射線）通過物體時(shí)會(huì)與

2、其中的下述帶電體發(fā)生相互作用：1）被束縛在原子中的電子；2）自由電子（單個(gè)電子）；3）庫侖場(chǎng)（核或電子的）;4）核子（單個(gè)核子或整個(gè)核）。這些類型的相互作用可以導(dǎo)致：光子的完全吸收、彈性散射、非彈性散射三種效應(yīng)中的一種（在從約 10KeV到約10MeV范圍內(nèi)，大部分相互作用產(chǎn)生下列 過程中的一種）表現(xiàn)為：（光電效應(yīng)）低能 光子所有的能量被一個(gè)束縛電子吸收，核電子將其能量的一部分用來克服原子對(duì)它的束縛，成為光電子；其余的光電效應(yīng):能量則作為動(dòng)能，發(fā)生光電效應(yīng)?？灯疹D效應(yīng):光子還可以被原子或單個(gè)電子散射， 當(dāng) 光子的能量（約在 1MeV ）大大超過 電子的結(jié)合能時(shí)，光子與核外電子發(fā)生非 彈性碰撞，

3、光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電 子，使它反沖出來，而散射光子的能量和 運(yùn)動(dòng)方向都發(fā)生了變化，發(fā)生康普頓效應(yīng)。電子對(duì)效應(yīng)：若入射光子的能量超過1.02MeV，光子在帶電粒子的庫侖場(chǎng)作用下則 可能產(chǎn)生正、負(fù)電子對(duì)，產(chǎn)生的電子對(duì) 總動(dòng)能等于光子能量減去這兩個(gè)電子（電子對(duì)效應(yīng)）從上面的討論可以清楚地看到，當(dāng)光子穿過吸收物質(zhì)時(shí)，通過與物質(zhì)原的靜止質(zhì)量能（2mc2=l.022MeV）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；射線一旦與吸收物質(zhì)原子發(fā)生這三種相互作用，原來能量為h的光子就消失，或散射后能量改變、并偏離原來的入射方向；總之，一旦發(fā)生相互作用，就從原來的入射束中移去。二、物質(zhì)對(duì) 射線的吸收規(guī)律：

4、作用特點(diǎn)：射線與物質(zhì)原子間的相互作用只要發(fā)生一次碰撞就是一次大的能量轉(zhuǎn)移；它不同于帶電粒子穿過物質(zhì)時(shí)，經(jīng)過許多次小能量轉(zhuǎn)移的碰撞來損失 它的能量。帶電粒子在物質(zhì)中是逐漸損失能量，最后停止下來，有射程概念；射線穿過物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度逐漸減弱，按指數(shù)規(guī)律衰減，不與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子 穿過吸收層，其能量保持不變，因而沒有射程概念可言，但可用“半吸收厚度” 來表示射線對(duì)物質(zhì)的穿透情況。吸收規(guī)律：本實(shí)驗(yàn)研究的主要是窄束 射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律。所謂窄束 射線是指不包括散射成份的射線束，通過吸收片后的光子，僅由未經(jīng)相互作用或稱為未經(jīng)碰撞的光子所組成。 “窄束” 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

5、所說的“窄束”并不是指幾何學(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“窄束”窄束 射線在穿過物質(zhì)時(shí)，由于上述三種效應(yīng)，其強(qiáng)度就會(huì)減弱，這種現(xiàn)象稱為 射線的吸收。射線強(qiáng)度隨物質(zhì)厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即(3 1)rNxler le其中，I。、I分別是穿過物質(zhì)前、后的丫射線強(qiáng)度， x是 射線穿過的物質(zhì)的 厚度（單位cm）, d r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)，是物質(zhì)的線性吸收系數(shù)（卩=d rN，單位為cm）。顯然口的大小反映了物質(zhì)吸收丫射線能力的大小。需要說明的是，吸收系數(shù)卩是物質(zhì)的原子序數(shù)Z和 射線能

6、量的函數(shù)，且：Ph式中ph、 c、 p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:Q 一一|0.1 1 10 100 1000對(duì)y射絨的咽 收系數(shù)和 能屋的芫系曲統(tǒng)52ph Z、 c Z、 p Z （Z為物質(zhì)的原子序數(shù)）。射線與物質(zhì)相互作用的三種效應(yīng)的截面都是隨入射丫射線的能量 E和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z而改變。射線的線性吸收系數(shù)是三種效應(yīng)的線性吸收系數(shù)之和。右圖給出了鉛對(duì)射線的線性吸收系數(shù)與射線能量的線性關(guān)系。實(shí)際工作中常用質(zhì)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(dá)為(32)l(R) le9由于在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，某一時(shí)刻的計(jì)數(shù)率N總與該時(shí)刻

7、的射線強(qiáng)度I成正比，又對(duì)（3 2）式取對(duì)數(shù)得:ln N R In N0(33)由此可見，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。m/ 可以從這條直線的斜率求出，即(34)In N2 In N1R2R-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:(35), In 20.693dj實(shí)驗(yàn)儀器裝置實(shí)驗(yàn)器材： 放射源137Cs和60Co（強(qiáng)度 1.5微居里弱200 mAI窗Nal（TI）閃爍探頭；高壓電源、放大器、多道脈沖幅度分析器；Pb、Cu、Al吸收片若干；微機(jī)。山）懊1機(jī)離I囑1 示懿做 射線吸收實(shí)驗(yàn)的一般做法可按如上圖（a）所示，在源和探測(cè)器之

8、間用中間有小圓孔的鉛磚作準(zhǔn)直器。吸收片放在準(zhǔn)直器中間，前部分鉛磚對(duì)源進(jìn)行準(zhǔn)直；后部分鉛磚則濾去射線穿過吸收片時(shí)因發(fā)生康普頓散射而偏轉(zhuǎn)一定角度的那一部分射線，從而確保射線為窄束射線。這樣的裝置體積比較大，且由于吸收片前后兩個(gè)長(zhǎng)準(zhǔn)直器使放射源與探測(cè)器的距離較遠(yuǎn)，因此放射源的源強(qiáng)需在毫居里 量級(jí)。但它的窄束性、單能性較好，因此只需閃爍計(jì)數(shù)器記錄。本實(shí)驗(yàn)中，在 源的源強(qiáng)約2微居里的情況下，由于專門設(shè)計(jì)了源準(zhǔn)直孔（03 12mm）,基本達(dá)到使射線垂直出射；而由于探測(cè)器前有留有一狹縫的擋板，更主要由于用多道脈沖分析器測(cè)能譜，就可起到去除射線與吸收片產(chǎn)生康普頓散射影響的作用。因此，實(shí)驗(yàn)裝置就可如上圖（b）所

9、示，這樣的實(shí)驗(yàn)裝置在輕巧性、直觀性及放射防護(hù)方面有前者無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但它需要用多道分析器， 在一般的情況下，顯得有點(diǎn)大材小用，但在本實(shí)驗(yàn)中這樣安排，可以說是充分利 用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 測(cè)量137Cs的 射線（取0.661MeV光電峰）在一組吸收片（鉛、銅或鋁）中 的吸收曲線，并用最小二乘原理擬合求線性吸收系數(shù)。2. 測(cè)量60Co的 射線（取1.17、1.33MeV光電峰或1.25MeV綜合峰）在一組吸 收片（鉛或銅）中的吸收曲線，并用最小二乘原理擬合求線性吸收系數(shù)。3. 根據(jù)已知一定放射源對(duì)一定材料的吸收系數(shù)來測(cè)量該材料的厚度。實(shí)驗(yàn)步驟1. 調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置，使放射源、準(zhǔn)直孔、閃爍探

10、測(cè)器的中心位于一條直線上。2. 在閃爍探測(cè)器和放射源之間加上0、1、2片已知質(zhì)量厚度的吸收片（所加吸收片最后的總厚度要能吸收射線70%以上），進(jìn)行定時(shí)測(cè)量（建議 t=1200秒）,并存下實(shí)驗(yàn)譜圖。3. 計(jì)算所要研究的光電峰凈面積Ai=Ag-Ab，這樣求出的 Ai就對(duì)應(yīng)公式中的Ii、 Ni。4. 分別用作圖法和最小二乘法計(jì)算吸收片材料的質(zhì)量吸收系數(shù)。5. 依照上述步驟測(cè)量 Pb、Al對(duì)137Cs的丫射線（取 0.661MeV光電峰）的質(zhì)量 吸收系數(shù)。6. 測(cè)量Pb、Al對(duì)60Co的丫射線（取1.17、1.33MeV光電峰或1.25MeV綜合峰） 的質(zhì)量吸收系數(shù)（選做）。7. 利用Al對(duì)137Cs

11、的 射線（取0.661MeV光電峰）的質(zhì)量吸收系數(shù)測(cè)Al片厚 度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與數(shù)據(jù)處理前面已經(jīng)提到，要求出材料對(duì)丫射線的 質(zhì)量吸收系數(shù)，必須先計(jì)算光電峰凈面積 Ai=AgAbo這里Ag為光電峰的毛面積， 是峰谷之間（含峰谷）每道計(jì)數(shù)之和；Ab為本底面積，是全能峰兩邊峰谷連線組成 的直角梯形面積。如右圖所示。下面簡(jiǎn)單介紹介紹計(jì)算光電峰凈面積的方法。確定峰面積有很多方法，原則上可分兩類，第一類叫計(jì)數(shù)相加法，即把峰內(nèi)測(cè)到的各道計(jì)數(shù)按一定公式相加，方法簡(jiǎn)單，但只適于確定單峰面積；第二類叫 函數(shù)擬合法，即將所測(cè)到的數(shù)據(jù)擬合與一個(gè)函數(shù)，然后積分這個(gè)函數(shù)得到峰面積,此方法比較準(zhǔn)確，也適于重迭峰，但計(jì)算工作量較大。因?yàn)槲覀冇靡詼y(cè)吸收系數(shù) 和測(cè)厚的是137Cs、60Co源的全能峰，峰形比較簡(jiǎn)單，為了計(jì)算方便，可采用計(jì)數(shù) 相加法。按照本底扣除和邊界道選取方法的不同，計(jì)數(shù)相加法主要可分為以下幾種方 法，如下圖所示。1.全峰面積法（TPA法）取兩邊峰