能譜吸收系數(shù)

1、Y射線(xiàn)能譜的測(cè)量與物質(zhì)吸收系數(shù)h的測(cè)定【摘要】本次實(shí)驗(yàn)運(yùn)用閃爍能譜儀來(lái)測(cè)量Co和Cs的能譜圖以及鉛和鋁對(duì)同一放 射源Cs的吸收系數(shù)，得出結(jié)論為Co的能量大強(qiáng)度小，Cs的能量小強(qiáng)度大；能 量分辨率越低，能譜圖越清；鉛和鋁在相同厚度的情況下，鉛的吸收系數(shù)大于 鋁；同一種元素的情況下，厚度越大，則吸收系數(shù)越大?！娟P(guān)鍵詞】Y射線(xiàn) 能譜Nal(Tl)閃爍譜儀Co Cs吸收系數(shù)【引言】Y射線(xiàn)在穿透物質(zhì)時(shí)，會(huì)被物質(zhì)吸收，吸收作用的大小用吸收系數(shù)來(lái)表 示。物質(zhì)的吸收系數(shù)U的值與Y射線(xiàn)的能量有關(guān)，也與物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)。 正確測(cè)定物質(zhì)的吸收系數(shù)，在核技術(shù)的應(yīng)用與輻射防護(hù)設(shè)計(jì)中具有十分重要的 意義。例如工業(yè)上廣泛

2、應(yīng)用的料位計(jì)、密度計(jì)、厚度計(jì)，醫(yī)學(xué)上的Y照相技術(shù) 等都是根據(jù)這一原理研究設(shè)計(jì)的?！菊摹恳?、閃爍能譜儀測(cè)量Y能譜的原理1、Y射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用如圖1所示：光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)圖1 Y射線(xiàn)光子與物質(zhì)原子相互作用Y光子與物質(zhì)相遇時(shí)，通過(guò)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Y光子的能量直接相關(guān)，因此，可通 過(guò)測(cè)量次級(jí)帶電粒子的能量求得Y光子的能量。閃爍Y能譜儀正是利用Y 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(guò)這些熒光光子的數(shù)目來(lái)推出次

3、級(jí)帶電粒子的能量，再推出 Y光子的能量，以達(dá)到測(cè)量Y射線(xiàn)能譜的目的。2、NaI(Tl)單品Y閃爍能譜儀的結(jié)構(gòu)與性能NaI (Tl)閃爍探測(cè)器閃爍探測(cè)器由閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子儀器三個(gè)主要部分組成。 探測(cè)器最前端是NaI(Tl)閃爍體，當(dāng)射線(xiàn)(如y和0)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。在閃爍 體周?chē)苑瓷湮镔|(zhì)，使光子集中向光電倍增管方向射出去。經(jīng)過(guò)光電倍增管 產(chǎn)生輸出信號(hào)，通常為電流脈沖或電壓脈沖，然后通過(guò)起阻抗匹配作用的射極 跟隨器，由電纜將信號(hào)傳輸?shù)诫娮訖z測(cè)儀器中去。單道與多道脈沖幅度分析器單道脈沖幅度分析器里有兩個(gè)甄別電壓V

4、(此電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié))和V， 如圖3所示。V和V也稱(chēng)下、上甄別域，差值/V稱(chēng)為窗寬。為保證足夠的分 辨率，以及減小統(tǒng)計(jì)2張落的影響，窗寬的選擇不能過(guò)大，也不能太小。這樣， V和V就像一扇窗子，低于V或高于V的電壓信號(hào)都被擋住，只有在V和V 之間的信號(hào)才能通過(guò)，形成輸出脈沖。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，按/V連續(xù)改變V值，就 可獲得全部能譜。1輸出信號(hào) 1圖3單道脈沖幅度分析原理顯然，使用單道脈沖幅度分析器進(jìn)行測(cè)量，既不方便也費(fèi)時(shí)，因此，現(xiàn)在 多使用多道脈沖幅度分析器。多道脈沖幅度分析器的作用相當(dāng)于幾百個(gè)單道脈 沖幅度分析器，一次測(cè)量可獲得整個(gè)能譜，非常方便，在本實(shí)驗(yàn)中就采用這種 方式。I(Tl)單品y閃爍譜儀

5、的主要指標(biāo)：能量分辨率：由于單能帶電粒子在閃爍體內(nèi)損失能量引起的閃爍發(fā)光所放出的熒光光子 數(shù)有統(tǒng)計(jì)漲落；一定數(shù)量的熒光光子打在光電倍增管光陰極上產(chǎn)生的光電子數(shù) 目有統(tǒng)計(jì)漲落。這就使同一能量的粒子產(chǎn)生的脈沖幅度不是同一大小而近似為 高斯分布。能量分辨率的定義是：門(mén)=竺乂 100%E(1)由于脈沖幅度與能量有線(xiàn)性關(guān)系，并且脈沖幅度與多道道數(shù)成正比，故可以寫(xiě)為門(mén)=CH * 100%CH CH為記數(shù)率極大值一半處的寬度(或稱(chēng)半寬度)，記作FWHM (Full Width at half maximum)o CH為記數(shù)率極大處的脈沖幅度。顯然譜儀能量分辨率的數(shù)值越小，儀器分辨不同的能量的本領(lǐng)就越高。而

6、且可以證明能量分辨率和入射粒子能量有關(guān)。門(mén)=L x 100%云(3)通常NaI(Tl)單品Y閃爍譜儀的能量分辨率以137C s的0.661MeV單能Y射線(xiàn) 為標(biāo)準(zhǔn)，它的值一般是10%左右，最好可達(dá)67%。S線(xiàn)性能量的線(xiàn)性就是指輸出的脈沖幅度與帶電粒子的能量是否有線(xiàn)性關(guān)系，以 及線(xiàn)性范圍的大小。E(Mev)NaI(Tl)單品的熒光輸出在150KeVEY6MeV的范圍內(nèi)和射線(xiàn)能量是成正比 的。但是NaI(Tl)單品丫閃爍譜儀的線(xiàn)性好壞還取決于閃爍譜儀的工作狀況。例 如當(dāng)射線(xiàn)能量較高時(shí)，由于光電倍增管后幾個(gè)聯(lián)極的空間電荷影響，會(huì)使線(xiàn)性 變壞。又如脈沖放大器線(xiàn)性不好等等。為了檢查譜儀的線(xiàn)性，必須用一組

7、已知 能量的Y射線(xiàn)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，分別測(cè)出它們的光電峰位，作出能量一 幅度曲線(xiàn)，稱(chēng)為能量刻度曲線(xiàn)(或能量校正曲線(xiàn))，如右圖所示。用最小二乘法 進(jìn)行線(xiàn)性回歸，線(xiàn)性度一般在0.99以上。對(duì)于未知能量的放射源，由譜儀測(cè)出 脈沖幅度后，利用這種曲線(xiàn)就可以求出射線(xiàn)的能量。譜儀的穩(wěn)定性：譜儀的能量分辨率，線(xiàn)性的正常與否與譜儀的穩(wěn)定性有關(guān)。因此在測(cè)量過(guò) 程中，要求譜儀始終能正常的工作，如高壓電源，放大器的放大倍數(shù)，和單道 脈沖分析器的甑別閾和道寬。如果譜儀不穩(wěn)定則會(huì)使光電峰的位置變化或峰形 畸變。在測(cè)量過(guò)程中經(jīng)常要對(duì)137Cs的峰位，以驗(yàn)證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。為避免電 子儀器隨溫度變化的影響，在測(cè)量前儀

8、器必須預(yù)熱半小時(shí)。二、吸收系數(shù)的測(cè)定的原理Y射線(xiàn)與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，主要有三種效應(yīng)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子 對(duì)效應(yīng)。對(duì)于低能Y射線(xiàn)，與物質(zhì)的作用以光電效應(yīng)為主，如果Y射線(xiàn)能量接 近1MeV，康普頓效應(yīng)將占主導(dǎo)地位，而當(dāng)Y射線(xiàn)能量超過(guò)1.02MeV時(shí)，就有 可能產(chǎn)生電子對(duì)效應(yīng)。光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)1 = 1再=瑚準(zhǔn)直成平行束的Y射線(xiàn)，通常稱(chēng)為窄束丫射線(xiàn)。單能的窄束丫射線(xiàn)在穿過(guò)物 質(zhì)時(shí)，由于上述三種效應(yīng)，其強(qiáng)度會(huì)減弱，這種現(xiàn)象稱(chēng)為/射線(xiàn)的吸收。Y射線(xiàn) 強(qiáng)度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即（1）其中I0和I分別是穿過(guò)吸收物質(zhì)前、后的Y射線(xiàn)強(qiáng)度，x是y射線(xiàn)穿過(guò)吸 收物質(zhì)的厚度（單位為cm） ,Or是光

9、電、康普頓、電子對(duì)三種效應(yīng)截面之和，N是 吸收物質(zhì)單位體積中原子數(shù)，是吸收物質(zhì)的線(xiàn)性吸收系數(shù)（p=arN，單位為cm-1）。 顯然的大小反映了吸收物質(zhì)吸收Y射線(xiàn)能力的大小。由于Y射線(xiàn)與吸收物質(zhì)相互作用的三種效應(yīng)的截面都是隨入射丫射線(xiàn)的能 量Eg和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z而變化，所以線(xiàn)性吸收系數(shù)p是吸收物質(zhì)的 原子序數(shù)Z和y射線(xiàn)能量Eg的函數(shù)?？紤]到q是光電、康普頓、電子對(duì)三種 效應(yīng)截面之和，那么線(xiàn)性吸收系數(shù)p就可以表示為 =5 Pc + Pp式中分別為光電、康普頓、電了對(duì)效應(yīng)的線(xiàn)性吸收系數(shù)，且從中可以看出線(xiàn)性吸收系數(shù)”與吸收物質(zhì)的原子序數(shù)z之間的復(fù)雜關(guān)系。對(duì)于線(xiàn)性吸收系數(shù)”與丫射線(xiàn)能量Eg之間的關(guān)

10、系也比較復(fù)雜，并且隨吸收 物質(zhì)的不同而存在顯著差別。圖1給出了鉛、錫、銅、鋁對(duì)Y射線(xiàn)的線(xiàn)性吸收系 數(shù)p與丫射線(xiàn)能量Eg之間的關(guān)系曲線(xiàn)。圖1鉛、錫、銅、鋁對(duì)Y射線(xiàn)的吸收系數(shù)和能量的關(guān)系實(shí)際工作中常用質(zhì)量吸收系數(shù)山表示物質(zhì)對(duì)Y射線(xiàn)的線(xiàn)性吸收系數(shù)，婚與 的關(guān)系為廣(4)式中的xm=xp為吸收物質(zhì)的質(zhì)量厚度，單位為g/cm 2。因?yàn)閜 oN Na r土=一 =+ O7 JP P A*其中Q是吸收物質(zhì)的密度(單位為g/cm-3)。用”表示的Y射線(xiàn)強(qiáng)度的指數(shù)衰減 規(guī)律為(6)其中NA是阿佛加德羅常數(shù)，A是原子量數(shù)。所以質(zhì)量吸收系數(shù)與吸收物質(zhì)的密 度及物理狀態(tài)無(wú)關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用上也就更為方便。在相同實(shí)驗(yàn)條件下

11、，由于某一時(shí)刻的計(jì)數(shù)率n總是與該時(shí)刻的y射線(xiàn)強(qiáng)度I 成正比，所以(5)式也可以表示為：n -普初岫上對(duì)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得顯然ln n與乂具有線(xiàn)性關(guān)系，如圖2所示。有時(shí)，物質(zhì)對(duì)Y射線(xiàn)的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的 Y射線(xiàn)強(qiáng)度減弱到一半時(shí)的吸收物質(zhì)厚度，記作2,在量值上為J ln2口二撲(9)顯然,d也是吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z和y射線(xiàn)能量Eg的函數(shù).利用半吸收 厚度，可以粗略估計(jì)Y射線(xiàn)的能量。三、實(shí)驗(yàn)的過(guò)程方法1、閱讀儀器使用說(shuō)明，掌握儀器及多道分析軟件的使用方法。2、儀器開(kāi)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 放射源i37Cs或60Co放在

12、探測(cè)器前，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)為0.3,在600V850V之間， 調(diào)節(jié)高壓使137Cs或60CO能譜的最大脈沖幅度盡量大而又不超過(guò)多道脈沖分析器的分 析范圍。4、用多道分析器觀察i37Cs的y能譜的形狀，識(shí)別其光電峰、反散射峰、X射 線(xiàn)峰及康普頓邊界等；記錄光電峰、反散射峰的峰位（道數(shù)）；繪制能譜圖。5、測(cè)量60Co的y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i37Cs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，繪制能量刻度曲線(xiàn)。6、用一組鋁吸收片測(cè)量對(duì)i37Cs的Y射線(xiàn)（取0.662MeV光電峰）的吸收

13、曲線(xiàn)， 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 = 2.7 g/cm 3） 求線(xiàn)性吸收系數(shù)，與理論值（0.194 cm-i）比較，求相對(duì)不確定度。計(jì)算半 吸收厚度。7、用一組鉛吸收片測(cè)量對(duì)i37Cs的Y射線(xiàn)（取0.662MeV光電峰）的吸收曲線(xiàn)， 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(xiàn)性吸收系數(shù)，與理論值（1.213 cm-1）比較，求相對(duì)不確定度。計(jì)算半 吸收厚度。四、數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)論1、經(jīng)實(shí)驗(yàn)挑選出Co、Cs能譜圖各一組，數(shù)據(jù)如下：物質(zhì)Co物質(zhì)Cs電壓/v668電壓/v666位置/cm41.5位置/cm40.7道數(shù)320道數(shù)1

14、58計(jì)數(shù)247計(jì)數(shù)6270測(cè)量時(shí)間/s500測(cè)量時(shí)間/s 300全譜道數(shù)512全譜道數(shù)512擴(kuò)展道數(shù)128擴(kuò)展道數(shù)128總計(jì)數(shù)率432總計(jì)數(shù)率2655峰位/chn5th=318.25峰位/chn3th=158.24半高寬/chn17.83半高寬/chn 15.82凈面積2770凈面積95816分辨率5.60%分辨率10.00%能譜圖如下所示:2、吸收系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)如下:鋁片數(shù)1片2片3片4片依次加入鋁片 密度/g/cm22.482.442.452.57道數(shù)159158158158計(jì)數(shù)139812431037842總計(jì)數(shù)率716653609574峰位/chn2th=158.622th=158.33

15、 2th=158.292th=158.13半高寬/chn15.5615.6814.9415.64凈面積1975815413118549467分辨率9.81%9.90%9.44%9.89%測(cè)量時(shí)間/s300全譜道數(shù)512擴(kuò)展道數(shù)吸收系數(shù)p/cm-i128日 ln N - ln N0.08 m 21pR R10組數(shù)據(jù)求平均值鉛塊數(shù)1塊2塊3塊4塊依次加入鉛塊密度/g/cm22.112.052.122.01道數(shù)158159158158計(jì)數(shù)14161124926774總計(jì)數(shù)率613510473376峰位/chn2th=158.542th=158.60 2th=158.352th=158.24半高寬/chn15.115.1915.6915.28凈面積1916415104112979147分辨率9.53%9.58%9.91%9.65%測(cè)量時(shí)間/s300全譜道數(shù)512擴(kuò)展道數(shù)吸收系數(shù)p/cm-i128日 ln N ln N0.859m 21pR R10組數(shù)據(jù)求平均值本次實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論 1、Co、Cs的能譜(道數(shù)xE、計(jì)數(shù)ocI)比較Co、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。在實(shí)驗(yàn)的不斷嘗試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題，能量分辨率越低，能譜圖越清晰;