能譜吸收系數(shù)

1、Y射線能譜的測量與物質(zhì)吸收系數(shù)h的測定【摘要】本次實驗運用閃爍能譜儀來測量Co和Cs的能譜圖以及鉛和鋁對同一放 射源Cs的吸收系數(shù)，得出結(jié)論為Co的能量大強度小，Cs的能量小強度大；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鍵詞】Y射線 能譜Nal(Tl)閃爍譜儀Co Cs吸收系數(shù)【引言】Y射線在穿透物質(zhì)時，會被物質(zhì)吸收，吸收作用的大小用吸收系數(shù)來表 示。物質(zhì)的吸收系數(shù)U的值與Y射線的能量有關，也與物質(zhì)本身的性質(zhì)有關。 正確測定物質(zhì)的吸收系數(shù)，在核技術(shù)的應用與輻射防護設計中具有十分重要的 意義。例如工業(yè)上廣泛

2、應用的料位計、密度計、厚度計，醫(yī)學上的Y照相技術(shù) 等都是根據(jù)這一原理研究設計的?！菊摹恳?、閃爍能譜儀測量Y能譜的原理1、Y射線與物質(zhì)的相互作用如圖1所示：光電效應康普頓效應電子對效應圖1 Y射線光子與物質(zhì)原子相互作用Y光子與物質(zhì)相遇時，通過與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應、康普頓效應或電 子對效應而損失能量，其結(jié)果是產(chǎn)生次級帶電粒子，如光電子、反沖電子或正 負電子對。次級帶電粒子的能量與入射Y光子的能量直接相關，因此，可通 過測量次級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產(chǎn)生次級帶電粒子，進而由次級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

3、級帶電粒子的能量，再推出 Y光子的能量，以達到測量Y射線能譜的目的。2、NaI(Tl)單品Y閃爍能譜儀的結(jié)構(gòu)與性能NaI (Tl)閃爍探測器閃爍探測器由閃爍體、光電倍增管和相應的電子儀器三個主要部分組成。 探測器最前端是NaI(Tl)閃爍體，當射線(如y和0)進入閃爍體時，在某一地 點產(chǎn)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。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。經(jīng)過光電倍增管 產(chǎn)生輸出信號，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，由電纜將信號傳輸?shù)诫娮訖z測儀器中去。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也稱下、上甄別域，差值/V稱為窗寬。為保證足夠的分 辨率，以及減小統(tǒng)計2張落的影響，窗寬的選擇不能過大，也不能太小。這樣， V和V就像一扇窗子，低于V或高于V的電壓信號都被擋住，只有在V和V 之間的信號才能通過，形成輸出脈沖。進行測量時，按/V連續(xù)改變V值，就 可獲得全部能譜。1輸出信號 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行測量，既不方便也費時，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于幾百個單道脈 沖幅度分析器，一次測量可獲得整個能譜，非常方便，在本實驗中就采用這種 方式。I(Tl)單品y閃爍譜儀

5、的主要指標：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=竺乂 100%E(1)由于脈沖幅度與能量有線性關系，并且脈沖幅度與多道道數(shù)成正比，故可以寫為門=CH * 100%CH CH為記數(shù)率極大值一半處的寬度(或稱半寬度)，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就越高。而

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

7、已知 能量的Y射線，在相同的實驗條件下，分別測出它們的光電峰位，作出能量一 幅度曲線，稱為能量刻度曲線(或能量校正曲線)，如右圖所示。用最小二乘法 進行線性回歸，線性度一般在0.99以上。對于未知能量的放射源，由譜儀測出 脈沖幅度后，利用這種曲線就可以求出射線的能量。譜儀的穩(wěn)定性：譜儀的能量分辨率，線性的正常與否與譜儀的穩(wěn)定性有關。因此在測量過 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)定則會使光電峰的位置變化或峰形 畸變。在測量過程中經(jīng)常要對137Cs的峰位，以驗證測量數(shù)據(jù)的可靠性。為避免電 子儀器隨溫度變化的影響，在測量前儀

8、器必須預熱半小時。二、吸收系數(shù)的測定的原理Y射線與物質(zhì)發(fā)生作用時，主要有三種效應：光電效應、康普頓效應和電子 對效應。對于低能Y射線，與物質(zhì)的作用以光電效應為主，如果Y射線能量接 近1MeV，康普頓效應將占主導地位，而當Y射線能量超過1.02MeV時，就有 可能產(chǎn)生電子對效應。光電效應康普頓效應電子對效應1 = 1再=瑚準直成平行束的Y射線，通常稱為窄束丫射線。單能的窄束丫射線在穿過物 質(zhì)時，由于上述三種效應，其強度會減弱，這種現(xiàn)象稱為/射線的吸收。Y射線 強度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即（1）其中I0和I分別是穿過吸收物質(zhì)前、后的Y射線強度，x是y射線穿過吸 收物質(zhì)的厚度（單位為cm） ,Or是光

9、電、康普頓、電子對三種效應截面之和，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射線能力的大小。由于Y射線與吸收物質(zhì)相互作用的三種效應的截面都是隨入射丫射線的能 量Eg和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z而變化，所以線性吸收系數(shù)p是吸收物質(zhì)的 原子序數(shù)Z和y射線能量Eg的函數(shù)?？紤]到q是光電、康普頓、電子對三種 效應截面之和，那么線性吸收系數(shù)p就可以表示為 =5 Pc + Pp式中分別為光電、康普頓、電了對效應的線性吸收系數(shù)，且從中可以看出線性吸收系數(shù)”與吸收物質(zhì)的原子序數(shù)z之間的復雜關系。對于線性吸收系數(shù)”與丫射線能量Eg之間的關

10、系也比較復雜，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Y射線的線性吸收系 數(shù)p與丫射線能量Eg之間的關系曲線。圖1鉛、錫、銅、鋁對Y射線的吸收系數(shù)和能量的關系實際工作中常用質(zhì)量吸收系數(shù)山表示物質(zhì)對Y射線的線性吸收系數(shù)，婚與 的關系為廣(4)式中的xm=xp為吸收物質(zhì)的質(zhì)量厚度，單位為g/cm 2。因為p 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射線強度的指數(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)無關，在實際應用上也就更為方便。在相同實驗條件下

11、，由于某一時刻的計數(shù)率n總是與該時刻的y射線強度I 成正比，所以(5)式也可以表示為：n -普初岫上對兩邊同時取對數(shù)，得顯然ln n與乂具有線性關系，如圖2所示。有時，物質(zhì)對Y射線的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的 Y射線強度減弱到一半時的吸收物質(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射線能量Eg的函數(shù).利用半吸收 厚度，可以粗略估計Y射線的能量。三、實驗的過程方法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。2、儀器開機并調(diào)整好工作電壓（700-750V）和放大倍數(shù)后，預熱30分鐘左右。3、把 放射源i37Cs或60Co放在

12、探測器前，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)）；繪制能譜圖。5、測量60Co的y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(jié)合i37Cs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，繪制能量刻度曲線。6、用一組鋁吸收片測量對i37Cs的Y射線（取0.662MeV光電峰）的吸收

13、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 = 2.7 g/cm 3） 求線性吸收系數(shù)，與理論值（0.194 cm-i）比較，求相對不確定度。計算半 吸收厚度。7、用一組鉛吸收片測量對i37Cs的Y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 cm-1）比較，求相對不確定度。計算半 吸收厚度。四、數(shù)據(jù)處理及實驗結(jié)論1、經(jīng)實驗挑選出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計數(shù)247計數(shù)6270測量時間/s500測量時間/s 300全譜道數(shù)512全譜道數(shù)512擴展道數(shù)128擴展道數(shù)128總計數(shù)率432總計數(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計數(shù)139812431037842總計數(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%測量時間/s300全譜道數(shù)512擴展道數(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計數(shù)14161124926774總計數(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%測量時間/s300全譜道數(shù)512擴展道數(shù)吸收系數(shù)p/cm-i128日 ln N ln N0.859m 21pR R10組數(shù)據(jù)求平均值本次實驗得出結(jié)論 1、Co、Cs的能譜(道數(shù)xE、計數(shù)ocI)比較Co、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。在實驗的不斷嘗試過程中發(fā)現(xiàn)很多問題，能量分辨率越低，能譜圖越清晰;