γ射線能譜的測(cè)量與吸收系數(shù)的測(cè)定

1、射線能譜的測(cè)量及物質(zhì)吸收系數(shù)的測(cè)定物理082班 葉品昭 08180236【摘要】本實(shí)驗(yàn)是用Nal(Tl) 閃爍譜儀來測(cè)量Co和Cs 元素所發(fā)出來射線能譜分布規(guī)律與窄束射線在在Pb、Al中的吸收規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)了解NaI(T )閃爍譜儀原理，特性與結(jié)構(gòu)，掌握NaI(T )閃爍譜儀的使用方法。并通過對(duì)射線能譜與物質(zhì)吸收系數(shù)的測(cè)量，加深對(duì)射線與物質(zhì)相互作用的理解以及在現(xiàn)實(shí)生活中的一些重要意義。【關(guān)鍵詞】能譜 射線 閃爍譜儀 吸收系數(shù)【引言】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、三種射線。射線是由原子核由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的一種輻射。它是一種波長極短的電磁波，其能量由原子核躍遷前后

2、的能級(jí)差來表示即：射線與物質(zhì)發(fā)生相互作用則產(chǎn)生次級(jí)電子或能量較低的 射線，將 射線的次級(jí)電子按不同能量分別進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)量，從而得到 輻射強(qiáng)度按能量的分布，即為“能譜”。 、三種射線我們可以通過不同的實(shí)驗(yàn)儀器能夠探測(cè)到這些肉眼無法看見的射線。同時(shí)由于射線與物質(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。研究物質(zhì)對(duì)射線的吸收規(guī)律，不同物質(zhì)的吸收性能等，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。本實(shí)驗(yàn)主要用到了用Nal(Tl) 閃爍譜儀，它的主要優(yōu)點(diǎn)是即能測(cè)量各種類型的帶電粒子，又能探測(cè)中性粒子，即能測(cè)量粒子強(qiáng)度，又能測(cè)量粒子能量，并且探測(cè)效率高

3、?！菊摹恳弧?shí)驗(yàn)原理A、射線能譜的測(cè)量閃爍能譜儀正是利用光子與閃爍體相互作用時(shí)產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，進(jìn)而由次級(jí)帶電粒子引起閃爍體發(fā)射熒光光子，通過這些熒光光子的數(shù)目來推出次級(jí)帶電粒子的能量，再推出光子的能量，以達(dá)到測(cè)量射線能譜的目的。閃爍譜儀內(nèi)部含有閃爍體，而閃爍體在帶電粒子作用下被激發(fā)或電離后，能發(fā)射熒光，可以把射線的能量轉(zhuǎn)變成光能。射線與物質(zhì)的相互作用主要是光電效應(yīng)、康普頓散射和正、負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生這三種過程，光子與物質(zhì)相遇時(shí)，通過與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)或電子對(duì)效應(yīng)而損失能量，其結(jié)果是產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，如光電子、反沖電子或正負(fù)電子對(duì)。次級(jí)帶電粒子的能量與入射光子的能量直接相關(guān)，因此，

4、可通過測(cè)量次級(jí)帶電粒子的能量求得光子的能量。閃爍能譜儀可測(cè)得能譜的形狀，圖1就是典型的射線能譜圖。圖的縱軸代表單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)目即射線強(qiáng)度，橫軸代表脈沖幅度即反映粒子的能量值。從能譜圖上看，有幾個(gè)較為明顯的峰，光電峰，又稱全能峰，其能量就對(duì)應(yīng)射線的能量。實(shí)驗(yàn)過程中要保證最終的峰值與圖中A峰的CH（道數(shù)）盡量的接近，這樣測(cè)得的結(jié)果才有實(shí)驗(yàn)價(jià)值。B、物質(zhì)吸收系數(shù)的測(cè)定本實(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

5、線強(qiáng)度隨物質(zhì)厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即其中，I0、I分別是穿過物質(zhì)前、后的射線強(qiáng)度，x是射線穿過的物質(zhì)的厚度（單位cm），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)（=rN，單位為cm）。顯然的大小反映了物質(zhì)吸收射線能力的大小。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。因此上式可表達(dá)為 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)刻的射線強(qiáng)度I成正比，又對(duì)上式取對(duì)數(shù)得： 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?？梢詮倪@條直線的斜率求出，即 除吸收系數(shù)外，物質(zhì)對(duì)g射線的吸

6、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g射線強(qiáng)度減弱到一半時(shí)的吸收物質(zhì)的厚度，記作：三實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)器材包括：放射源137Cs和60Co(強(qiáng)度1.5微居里)；200mmAl窗NaI(Tl)閃爍探頭；高壓電源、放大器、多道脈沖幅度分析器。Pb、Al吸收片各4片。四、實(shí)驗(yàn)步驟：A、射線能譜的測(cè)量1、取出放射源137Cs和60Co，開機(jī)預(yù)熱二十分鐘；把放射源137Cs放在先將放射源放入實(shí)驗(yàn)譜儀中適當(dāng)?shù)奈恢茫{(diào)節(jié)放大倍數(shù)為0.3，調(diào)節(jié)高壓是譜線中的全能峰盡量靠近160道（60Co為320道）設(shè)置采集時(shí)間為300s（60Co為500s）。轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)譜儀上的手柄，使閃爍體的位置對(duì)準(zhǔn)放

7、射源，使射線能夠剛好入射進(jìn)入閃爍體。2、分別測(cè)137Cs的全能譜并分析譜形。利用多道數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)所測(cè)得的譜形進(jìn)行數(shù)處理，尋峰，半寬度記錄，凈面積記錄，能量刻度，能量分辨率等數(shù)據(jù)。3、改變探測(cè)器的位置，重復(fù)上述步驟對(duì)137Cs進(jìn)行3次采集。4、把137Cs換成60Co，重復(fù)以上步驟；4、在得到的6組能譜中選取137Cs和60Co中最佳的，然后將實(shí)驗(yàn)所得圖像保留并打印；5、關(guān)閉RS能偶儀的時(shí)候要先把儀器上的調(diào)節(jié)開關(guān)全部打到0檔，并把數(shù)據(jù)調(diào)到0再關(guān)閉儀器的電源。B、物質(zhì)吸收系數(shù)的測(cè)定1、打開電源，預(yù)熱二十分鐘，調(diào)整合適的電壓（700-900V左右）2、取出放射源Cs，放到裝置上去；調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置，使

8、放射源、準(zhǔn)直孔、閃爍探測(cè)器的中心位于一條直線上；3、在閃爍探測(cè)器和放射源之間加上4片已知質(zhì)量厚度的鋁片（2.48cm2+2.45 cm2+2.44g/cm2+2.57g/cm2），進(jìn)行定時(shí)測(cè)量（t=300秒）。再逐個(gè)減去鋁片，分別測(cè)量3，2，1，0塊的鋁片的能譜圖。4、利用多道數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)所測(cè)得的譜形進(jìn)行數(shù)處理，尋峰，半寬度記錄，凈面積記錄，能量刻度，能量分辨率等數(shù)據(jù)。5、把鋁片換成鉛片（進(jìn)行定時(shí)測(cè)量時(shí)t=500），重復(fù)以上步驟。五、數(shù)據(jù)處理一些必要的數(shù)據(jù)已在實(shí)驗(yàn)步驟中給出A射線能譜的測(cè)量利用閃爍譜儀測(cè)量137Cs能譜所的的三組數(shù)據(jù)： 組數(shù)123測(cè)量時(shí)間300300300電壓（V）66366

9、3663道數(shù)161161161計(jì)數(shù)率200319972010峰位（chn）161.25161.23161.21半高寬（chn）14.9215.0214.61凈面積734537236673964分辨率9.25%9.32%9.06%計(jì)數(shù)490647024689利用閃爍譜儀測(cè)量60Co能譜所的的三組數(shù)據(jù)：組別123測(cè)量時(shí)間500500500電壓（V）663663663道數(shù)314312313計(jì)數(shù)率421418422峰位（chn）313.65313.23313.6半高寬（chn）14.4419.3315.76凈面積215426212237分辨率4.60%6.17%5.02%計(jì)數(shù)217259257調(diào)節(jié)探測(cè)

10、器的位置視為了是探測(cè)器與放射源的小孔盡量在一條直線上，讓更多的射線進(jìn)入探測(cè)器，以總計(jì)數(shù)率最大值來判斷最佳圖像的標(biāo)準(zhǔn)。上面三組中137Cs最大的計(jì)數(shù)率為2010，所以137Cs的能譜圖選第3組。60Co最大計(jì)數(shù)率為422，所以60Co的能譜圖選第3組。通過對(duì)比137Cs和60Co的計(jì)數(shù)率，可以知道137Cs的總計(jì)數(shù)率的變化值比60Co要大，更明顯，并且通過對(duì)比能譜圖，兩者的全能峰的強(qiáng)度相差也較大，可以看出137Cs所發(fā)出的射線的強(qiáng)度比 60Co要大。B物質(zhì)吸收系數(shù)的測(cè)定所用的放射性元素：137Cs，電壓U=663，Al=2.7g/cm3, Pb=11.34g/cm3Al的吸收系數(shù)組別12345質(zhì)

11、量厚度（g/cm2）02.484.937.379.94計(jì)數(shù)率869765709666630峰位（chn）160.71160.51160.55160.46160.47半高寬（chn）15.2614.6714.5914.5814.38凈面積2785323741195931635913379分辨率9.49%9.14%9.09%9.08%8.96%計(jì)數(shù)18371634139311821042對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩分組，這樣可以得到10組數(shù)據(jù)，通過計(jì)算可得到10個(gè)的值。計(jì)算吸收系數(shù)公式為：各組兩兩對(duì)應(yīng)后代入公式的值10.13140.15330.16270.15482/0.17630.17890.16293/

12、0.18150.15634/0.1324平均值=0.1591 cm-1Pb的吸收系數(shù)組別12345質(zhì)量厚度（g/cm2）02.084.166.268.36計(jì)數(shù)率869638527434363峰位（chn）160.71160.45161.02160.65160.9半高寬（chn）15.2615.4114.8414.8414.78凈面積2785323150184101455911578分辨率9.49%9.59%9.22%9.24%9.19%計(jì)數(shù)183715511209965828各組兩兩對(duì)應(yīng)后代入公式的值組別234510.93861.14871.17311.08612/1.35871.28981.

13、13503/1.22151.02424/0.8269平均值=1.1203 cm-1六、實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)通過本次實(shí)驗(yàn)了解閃爍探測(cè)器的結(jié)構(gòu)與原理，了解射線與物質(zhì)相互作用的特性以及窄束射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律及測(cè)量其在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)。另外通過這次實(shí)驗(yàn)對(duì)核技術(shù)有個(gè)初步的了解。本次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)137Cs和60Co的射線能譜的測(cè)量，但所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，通過差資料可能原因有：i)、閃爍體由于長期使用性能下降，使有效的閃爍次數(shù)減少；ii)、計(jì)數(shù)不夠多，能譜峰值處的橫向座標(biāo)還不夠穩(wěn)定就讀了數(shù)iii)、調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的器件本身有儀器誤差。在吸收系數(shù)的測(cè)定的實(shí)驗(yàn)中所得的結(jié)果與理論值也存在這偏差，可能的原因有：i)、由于每次試驗(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，由于空氣對(duì)涉嫌也具有吸收能力，這樣增加了實(shí)驗(yàn)的誤差；ii)、在試驗(yàn)中Al片與Pb片的放置