實(shí)驗(yàn)2γ射線(xiàn)的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)μ的測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 射線(xiàn)的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)測(cè)定學(xué) 院 數(shù)理與信息工程學(xué)院 班 級(jí) 光信081班 姓 名 陳亮 學(xué) 號(hào) 08620114 時(shí) 間 2011年04月27日 射線(xiàn)的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測(cè)定 班級(jí)：光信081 姓名：陳亮 學(xué)號(hào)：08620114摘要：學(xué)會(huì)NaI(Tl)單晶閃爍體整套裝置的操作、調(diào)整和使用；在此基礎(chǔ)上測(cè)量137Cs和60Co的能譜，求出能量變化率、峰康比、線(xiàn)性等各項(xiàng)指標(biāo)，并分析譜形；了解多道脈沖幅度分析器在NaI(Tl)單晶譜測(cè)量中的數(shù)據(jù)采集及其基本功能，在數(shù)據(jù)處理中包括對(duì)譜形進(jìn)行光滑、尋峰，曲線(xiàn)擬合等。通過(guò)測(cè)量137Cs和60Co的射線(xiàn)的吸收曲線(xiàn)，研究射線(xiàn)與物質(zhì)（被束縛在原子中的電子、自有電子、庫(kù)侖場(chǎng)、核子）相互作用的特性，了解窄束射線(xiàn)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)。關(guān)鍵字：射線(xiàn) 能譜 物質(zhì)吸收系數(shù) 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng) 電子對(duì)效應(yīng) 引言：原子核由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)會(huì)輻射 射線(xiàn)，它是一種波長(zhǎng)極短的電磁波，其能量由原子核躍遷前后的能級(jí)差來(lái)表示即：射線(xiàn)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(xiàn)，將 射線(xiàn)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”。測(cè)量能譜的裝置稱(chēng)為“能譜儀”。閃爍探測(cè)器是利用帶電粒子或非帶電粒子與某些物質(zhì)的相互作用下轉(zhuǎn)化成為帶電粒子對(duì)物質(zhì)原子的激發(fā)，從而會(huì)產(chǎn)生發(fā)光效應(yīng)的特性來(lái)測(cè)量射線(xiàn)的儀器。它的主要優(yōu)點(diǎn)是即能測(cè)量各種類(lèi)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。射線(xiàn)，又稱(chēng)粒子流，是原子核能級(jí)躍遷蛻變時(shí)釋放出的射線(xiàn)，是波長(zhǎng)短于0.2埃的電磁波。首先由法國(guó)科學(xué)家P.V.維拉德發(fā)現(xiàn)，是繼、射線(xiàn)后發(fā)現(xiàn)的第三種原子核射線(xiàn)。原子核衰變和核反應(yīng)均可產(chǎn)生射線(xiàn) 。射線(xiàn)的波長(zhǎng)比X射線(xiàn)要短，所以射線(xiàn)具有比X射線(xiàn)還要強(qiáng)的穿透能力。當(dāng)射線(xiàn)通過(guò)物質(zhì)并與原子相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和正負(fù)電子對(duì)三種效應(yīng)。原子核釋放出的光子與核外電子相碰時(shí)，會(huì)把全部能量交給電子，使電子電離成為光電子，此即光電效應(yīng)。由于核外電子殼層出現(xiàn)空位，將產(chǎn)生內(nèi)層電子的躍遷并發(fā)射X射線(xiàn)標(biāo)識(shí)譜。高能光子（2兆電子伏特）的光電效應(yīng)較弱。光子的能量較高時(shí)，除上述光電效應(yīng)外，還可能與核外電子發(fā)生彈性碰撞，光子的能量和運(yùn)動(dòng)方向均有改變，從而產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。當(dāng)光子的能量大于電子靜質(zhì)量的兩倍時(shí)，由于受原子核的作用而轉(zhuǎn)變成正負(fù)電子對(duì)，此效應(yīng)隨光子能量的增高而增強(qiáng)。光子不帶電，故不能用磁偏轉(zhuǎn)法測(cè)出其能量，通常利用光子造成的上述次級(jí)效應(yīng)間接求出，例如通過(guò)測(cè)量光電子或正負(fù)電子對(duì)的能量推算出來(lái)。此外還可用譜儀（利用晶體對(duì)射線(xiàn)的衍射）直接測(cè)量光子的能量。由熒光晶體、光電倍增管和電子儀器組成的閃爍計(jì)數(shù)器是探測(cè)射線(xiàn)強(qiáng)度的常用儀器。 通過(guò)對(duì)射線(xiàn)譜的研究可了解核的能級(jí)結(jié)構(gòu)。射線(xiàn)有很強(qiáng)的穿透力，工業(yè)中可用來(lái)探傷或流水線(xiàn)的自動(dòng)控制。射線(xiàn)對(duì)細(xì)胞有殺傷力，醫(yī)療上用來(lái)治療腫瘤。射線(xiàn)是原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)或基態(tài)時(shí)所發(fā)出的一種輻射，其輻射的能量由原子核躍遷前后兩能級(jí)的能量之差決定。由于射線(xiàn)的能量與原子核激發(fā)態(tài)的能級(jí)密切相關(guān)， 因此，射線(xiàn)能量的測(cè)量對(duì)于了解原子核的結(jié)構(gòu)、獲得原子核內(nèi)部的信息是一個(gè)十分重要的途徑。正文實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解射線(xiàn)與物質(zhì)相互作用的特性；2了解窄束射線(xiàn)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)原理輻射是處于激發(fā)態(tài)原子核損失能量的最顯著方式，其產(chǎn)生的原因主要有：a、b衰變引起的副產(chǎn)品；核反應(yīng)；基態(tài)激發(fā)。射線(xiàn)會(huì)與被束縛在原子中的電子、自由電子、庫(kù)侖場(chǎng)、核子等帶電體發(fā)生相互作用，大部分作用是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)中的一種。低能時(shí)以光電效應(yīng)為主；當(dāng)光子能量大大超過(guò)電子的結(jié)合能時(shí)，以康普頓效應(yīng)為主；只有當(dāng)入射光子能量超過(guò)1.02MeV，電子對(duì)的生成才成為可能。本實(shí)驗(yàn)研究的主要是窄束射線(xiàn)在物質(zhì)中的吸收規(guī)律。所謂窄束射線(xiàn)是指不包括散射成份的射線(xiàn)束，通過(guò)吸收片后的光子，僅由未經(jīng)相互作用或稱(chēng)為未經(jīng)碰撞的光子所組成。 窄束射線(xiàn)在穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于上述三種效應(yīng)，其強(qiáng)度就會(huì)減弱，這種現(xiàn)象稱(chēng)為射線(xiàn)的吸收。射線(xiàn)強(qiáng)度隨物質(zhì)厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即 （1）其中，I0、I分別是穿過(guò)物質(zhì)前、后的射線(xiàn)強(qiáng)度，x是射線(xiàn)穿過(guò)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(xiàn)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(xiàn)能力的大小。實(shí)際工作中常用質(zhì)量厚度Rm（g/cm2）來(lái)表示吸收體厚度，以消除密度的影響。因此（1）式可表達(dá)為 （2）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(xiàn)強(qiáng)度I成正比，又對(duì)（2）式取對(duì)數(shù)得： （3）若將吸收曲線(xiàn)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上作圖，將得出一條直線(xiàn)，如圖所示。m/可以從這條直線(xiàn)的斜率求出，即 （4）物質(zhì)對(duì)射線(xiàn)的吸收能力也經(jīng)常用半吸收厚度表示。所謂半吸收厚度就是使入射的射線(xiàn)強(qiáng)度減弱到一半時(shí)的吸收物質(zhì)的厚度，記作： （5）實(shí)驗(yàn)裝置放射源137Cs (強(qiáng)度2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； Al與Pb吸收片若干實(shí)驗(yàn)步驟：測(cè)量137Cs的射線(xiàn)在Al吸收片和Pb吸收片中的吸收曲線(xiàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得線(xiàn)性吸收系數(shù)。1.調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置，使放射源、準(zhǔn)直孔、閃爍探測(cè)器的中心位于一條直線(xiàn)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，進(jìn)行定時(shí)測(cè)量（t=300秒）；3.分別記錄片數(shù)n=0,1,2,3,4時(shí)的R0、R1、R2、R3、R4所對(duì)應(yīng)的光電峰計(jì)數(shù)N0、N1、N2、N3、N4。4.根據(jù)公式得錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。計(jì)算吸收片材料的質(zhì)量吸收系數(shù)01、02、03、04、12、13、14、23、24、34。并求平均值。5.依照上述步驟測(cè)量Al和Pb對(duì)137Cs的射線(xiàn)的質(zhì)量吸收系數(shù)Al、Pb。 6.整理儀器，經(jīng)教師檢查簽字離開(kāi)。數(shù)據(jù)處理計(jì)算吸收系數(shù)所用的放射性元素：137Cs，電壓U=684，Al=2.7g/cm3, Pb=11.34g/cm3Al的吸收系數(shù)組別12345質(zhì)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(guò)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10.13140.15330.16270.15482/0.17630.17890.16293/0.18150.15634/0.1324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234510.93861.14871.17311.08612/1.35871.28981.13503/1.22151.02424/0.8269平均值=1.1203 cm-1實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)通過(guò)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(xiàn)與物質(zhì)相互作用的特性以及窄束射線(xiàn)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(guò)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(xiàn)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(guò)差資料可能原因有：i)、閃爍體由于長(zhǎng)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(guò)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片的放置位置不是很規(guī)則，它們之間存在一定間隙，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響；iii)、試驗(yàn)次數(shù)太少，導(dǎo)致偶然誤差較大；iv）、NaI(TI)閃爍晶體的發(fā)光效率受溫度的影響，在不同的溫度下，同樣能量的射線(xiàn)打出的光子數(shù)會(huì)發(fā)生變化，其結(jié)果必然會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。在試驗(yàn)的過(guò)程中要特別注意人身安全。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一定要小心拿取放置放射源，并時(shí)刻注意時(shí)刻注意射線(xiàn)的位置及其朝向。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后必須注意把電壓與放大系數(shù)調(diào)零，以避免下次開(kāi)機(jī)電壓過(guò)高造成損壞。實(shí)驗(yàn)問(wèn)題分析1、 測(cè)定吸收系數(shù)時(shí)減少AL或Pb的塊數(shù)時(shí)是否應(yīng)將探頭往里移動(dòng)緊貼？答：保持單一變量原則，在Al與Pb對(duì)比實(shí)驗(yàn)中不能改變探頭與材料間距