近代物理實驗

PAGEPAGE4實驗9-3γ射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測定測量物質(zhì)對γ射線的吸收規(guī)律，不僅有助于了解γ射線與物質(zhì)的相互作用機理，而且，作為一種重要的實驗方法，在許多科學(xué)領(lǐng)域都發(fā)揮著巨大的作用。例如，為了有效地屏蔽γ輻射，需要根據(jù)物質(zhì)對γ射線的吸收規(guī)律來選擇合適的材料及厚度，反之，利用物質(zhì)對γ射線的吸收規(guī)律可以進行探傷及測厚等?！緦嶒?zāi)康摹?、進一步認(rèn)識γ射線與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。2、測量不同能量的窄束γ射線在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)。【實驗原理】γ射線與物質(zhì)發(fā)生作用時，主要有三種效應(yīng)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)。對于低能γ射線，與物質(zhì)的作用以光電效應(yīng)為主，如果γ射線能量接近1MeV，康普頓效應(yīng)將占主導(dǎo)地位，而當(dāng)γ射線能量超過1.02MeV時，就有可能產(chǎn)生電子對效應(yīng)。準(zhǔn)直成平行束的γ射線，通常稱為窄束γ射線。單能的窄束γ射線在穿過物質(zhì)時，由于上述三種效應(yīng)，其強度會減弱，這種現(xiàn)象稱為γ射線的吸收。γ射線強度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即（9-3-1）其中I0和I分別是穿過吸收物質(zhì)前、后的γ射線強度，x是γ射線穿過吸收物質(zhì)的厚度（單位為㎝），σr是光電、康普頓、電子對三種效應(yīng)截面之和，N是吸收物質(zhì)單位體積中原子數(shù)，μ是吸收物質(zhì)的線性吸收系數(shù)（，單位為㎝-1）。顯然μ的大小反映了吸收物質(zhì)吸收γ射線能力的大小。需要注意的是，由于γ射線與吸收物質(zhì)相互作用的三種效應(yīng)的截面都是隨入射γ射線的能量和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z而變化，所以線性吸收系數(shù)μ是吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z和γ射線能量的函數(shù)。考慮到σr是光電、康普頓、電子對三種效應(yīng)截面之和，那么線性吸收系數(shù)μ就可以表示為（9-3-2）式中、、分別為光電、康普頓、電了對效應(yīng)的線性吸收系數(shù)，且（9-3-3）從中可以看出線性吸收系數(shù)μ與吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z之間的復(fù)雜關(guān)系。對于線性吸收系數(shù)μ與γ射線能量之間的關(guān)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9-3-1給出了鉛、錫、銅、鋁對γ射線的線性吸收系數(shù)μ與γ射線能量之間的關(guān)系曲線。圖9-3-1鉛、錫、銅、鋁對γ射線的吸收系數(shù)和能量的關(guān)系實際工作中常用質(zhì)量吸收系數(shù)表示物質(zhì)對γ射線的線性吸收系數(shù)μ，與μ的關(guān)系為（9-3-4）其中ρ是吸收物質(zhì)的密度（單位為）。用表示的γ射線強度的指數(shù)衰減規(guī)律為（9-3-5）式中的為吸收物質(zhì)的質(zhì)量厚度，單位為。因為（9-3-6）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(guān)，在實際應(yīng)用上也就更為方便。在相同實驗條件下，由于某一時刻的計數(shù)率n總是與該時刻的γ射線強度I成正比，所以（9-3-5）式也可以表示為（9-3-7）對兩邊同時取對數(shù)，得（9-3-8）顯然，與具有線性關(guān)系，如圖9-3-2所示。圖9-3-2—曲線有時，物質(zhì)對γ射線的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的γ射線強度減弱到一半時的吸收物質(zhì)厚度，記作，在量值上為（9-3-9）顯然，也是吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z和γ射線能量的函數(shù)。利用半吸收厚度，可以粗略估計γ射線的能量?！緦嶒炑b置與器材】實驗裝置如圖9-3-3所示，包括137Cs和60Coγ放射源、NaI（Tl）閃爍探測器、多道脈沖幅度分析器（含多道分析軟件，其操作方法請閱讀儀器使用說明書）、計算機，以及多個鉛吸收片和鋁吸收片等。圖9-3-3γ射線的吸收測量裝置由于實驗中采用NaI（Tl）閃爍探測器，配合多道脈沖幅度分析器進行測量，在計算機上顯示的是γ射線的全能譜，考慮到本底、計數(shù)統(tǒng)計漲落及光標(biāo)定位不準(zhǔn)的影響，所以無法直接準(zhǔn)確得到某一能量γ射線在某一時刻的計數(shù)率，比較好的解決辦法是，在相同實驗條件下（放射源與探測器的位置不變，探測器工作電壓和放大倍數(shù)不變，并保證相同的測量時間），首先獲得不同吸收厚度下的γ射線全能譜，然后計算所選光電峰的凈面積A（多道分析軟件中包含此功能），以此替代前述公式中的n或I。凈面積的計算方法有三種，分別是TPA算法、Covell算法和Wasson算法，如圖9-3-4所示。這些算法中，TPA算法比較簡單，準(zhǔn)確度也較高，因此在手工計算時，建議采用這種算法，具體做法請閱讀相關(guān)資料。圖9-3-4凈面積算法示意圖【實驗內(nèi)容】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(yù)熱30分鐘左右。3、在多道分析軟件中調(diào)整預(yù)置時間為600s。4、用一組鋁吸收片測量對137Cs的γ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（）求線性吸收系數(shù)，與理論值（0.194㎝-1）比較，求相對不確定度。計算半吸收厚度。5、用一組鉛吸收片測量對137Cs的γ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（）求線性吸收系數(shù)，與理論值（1.213㎝-1）比較，求相對不確定度。計算半吸收厚度。6、用一組鋁吸收片測量對60Co的γ射線（取1.17MeV或1.33MeV光電峰）吸收曲線，并用最小二法原理擬合求線性吸收系數(shù)、質(zhì)量吸收系數(shù)和半吸收厚度?！咀⒁馐马棥?、當(dāng)工作指示燈亮?xí)r，切勿關(guān)閉儀器。2、領(lǐng)用和歸還放射源必須作好登記?！舅伎碱}】1、如何用本實驗的方法測量一定材料的厚度？2、閃爍體前有一厚度約200μm的鋁質(zhì)密封窗，試分析其對測量結(jié)果有何影響？3、實驗中，是否可以用全譜總計數(shù)率代替光電峰的凈面積？為什么？4、根據(jù)實驗結(jié)果，談?wù)勗谳椛涞钠帘畏雷o方面應(yīng)如何選擇材料。5、根據(jù)實驗結(jié)果分析物質(zhì)對