β射線的吸收(338)

1、中國石油大學(xué)近代物理實驗實驗報告成績：班級：應(yīng)用物理學(xué) 09-2班 姓名：王國強(qiáng)同組者：莊顯麗 教師：3射線的吸收【實驗?zāi)康摹?、了解3射線與物質(zhì)相互作用的機(jī)理。2、學(xué)習(xí)測量3射線最大能量的方法。3、測量吸收物質(zhì)對 3射線的阻止本領(lǐng)。【實驗原理】一、3衰變與3能譜的連續(xù)性放射性核素的原子核放射出 3粒子而變?yōu)樵有驍?shù)差 1、質(zhì)量數(shù)A相同的核素稱為3衰變。3 衰變時，在釋放出高速運動電子的同時，還釋放出中微子，兩者分配能量的結(jié)果，使3射線具有連續(xù)的能量分布，如圖9-4-1所示。以本實驗所用的3°Sr-3y 3源為例，其衰變圖如圖9-4-2所示。3；Sr的半衰期為28.6年，它發(fā)射的3粒

2、子最大能量為0.546MeV, 30Sr衰變后成為 舄丫，99丫的半衰期為64.1小時，它發(fā)射的3粒子最大能量為 2.27MeV,衰變后成為4!0Zr，因而383源在0至2.27MeV的范圍內(nèi)形成連續(xù)的能譜。2. 2 7 MeV2S* 5年0, 546Jle764. 1小用圖9-4-13射線能譜圖9-4-23：Sr-篇丫源衰變圖二、3射線與物質(zhì)的相互作用3射線與物質(zhì)相互作用時主要通過電離效應(yīng)、輻射效應(yīng)和多次散射等方式損失能量。3射線與物質(zhì)原子核外電子發(fā)生非彈性碰撞，使原子激發(fā)或電離，因而損失其能量，此即電離能量損失。電 離損失是3射線在物質(zhì)中損失能量的主要方式。當(dāng)3射線與物質(zhì)原子核的庫侖場相互

3、作用時，其運動速度會發(fā)生很大變化。根據(jù)電磁理論，當(dāng)帶電粒子有加速度時，會輻射電磁波即軔致輻射，這就 是輻射能量損失。此外，3射線也可以與物質(zhì)原子核發(fā)生彈性散射，不損失能量，只改變運動方向。因為3粒子的質(zhì)量很小，所以散射的角度可以很大，而且會發(fā)生多次散射，最后偏離原來的方向， 使入射方向上3射線強(qiáng)度減弱。當(dāng)3射線穿過物質(zhì)時，由于 3射線與物質(zhì)發(fā)生相互作用，使 3射線 強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象稱為 3射線的吸收。三、3射線最大能量的測量B射線的能量是連續(xù)分布的，對于確定的放射源，有確定的最大能量曰，因此，如果能夠測量出3射線的最大能量E。，則可以判別放射性核素的種類，其為放射性測量的一項重要內(nèi)容。常用的 測

4、量方法有吸收法和最大射程法兩類。實驗表明，對于一束單能電子（如內(nèi)轉(zhuǎn)換電子）穿過吸收物質(zhì)層時，其強(qiáng)度隨吸收物質(zhì)層厚度的增加而減弱，并符合指數(shù)衰減規(guī)律。但由于3射線的能量不是單一的，而是連續(xù)分布的，所以3射線的吸收只是近似符合指數(shù)衰減規(guī)律，如圖9-4-3所示。圖中橫軸Xm為吸收物質(zhì)的質(zhì)量厚度，等 于吸收物質(zhì)層厚度X與物質(zhì)密度p的乘積，單位采用g/cm2。R）為有效射程，代表使3射線強(qiáng)度降為10-的吸收物質(zhì)層厚度，也采用g/cm作為單位。由于3射線與物質(zhì)相互作用時會放生軔致輻射，并且放射性核素3衰變時還伴隨有丫射線，所以在測量3射線的吸收曲線時，即使吸收物質(zhì)層厚度 已經(jīng)超過3射線的最大射程（用 R表

5、示，代表3射線全部被吸收時的吸收物質(zhì)層厚度），仍會測量到高于本底的計數(shù)，如圖 9-4-3中各曲線的尾部，從而導(dǎo)致測量最大射程的困難，為此，在實際工 作中通常是測量有效射程，來代替最大射程。有效射程不僅與吸收物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，而且也與3射線的最大能量Eo有關(guān)，對于鋁吸收體，存在下述經(jīng)驗公式：當(dāng) 0.8MeV . Eo . 0.15MeV 時，Ro = 0.407 E（1'38（ 9-4-1 ）R° =0.542E° -0.133當(dāng) E0 0.8MeV 時,假設(shè)3衰變過程中只放出一種3射線，如圖9-4-3中（a）所示，吸收曲線可近似用下式表示m xmI I 0e（9-4-

6、3）對兩邊取對數(shù)，得In 1=1 n 1 0 -、mXm( 9-4-4)(9-4-2 )其中I。和I分別是穿過吸收物質(zhì)前、后的B射線強(qiáng)度，xm是吸收物質(zhì)的質(zhì)量厚度，m是吸收物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)。由于在相同實驗條件下，某一時刻的計數(shù)率n總是與該時刻的B射線強(qiáng)度I成正比，所以（9-4-3）式和（9-4-4）式也可以表示為m xmn = noe（ 9-4-5）(9-4-6)ln n =ln n。- ''mxm顯然，Inn與xm具有線性關(guān)系。在用 Nal （Tl）閃爍能譜儀測量B射線能譜時，考慮到 B射線的能 量分布的連續(xù)性，其全譜計數(shù)率即為（9-4-5 ）式和（9-4-6 ）式中的n。

7、3射線的最大能量有關(guān)。對于鋁吸收體，存在經(jīng)同有效射程一樣，也與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及驗公式(9-4-7)17E0這樣，只要在實驗過程中，通過測量B射線在一定吸收物質(zhì)中的吸收曲線，在曲線上求取R）和Jm，就可用（9-4-1）式、（9-4-2）式和（9-4-7 ）式估算出B射線的最大能量。四、吸收物質(zhì)對3射線的阻止本領(lǐng)3射線在吸收物質(zhì)中單位路徑長度上損失的平均能量定義為吸收物質(zhì)對3射線的阻止本領(lǐng)（簡稱阻止本領(lǐng)），記作dE，實際使用中，為了消除密度的影響，常用的是質(zhì)量阻止本領(lǐng)，即丄坐,dxP dx其中p為吸收物質(zhì)的密度。根據(jù)3射線與物質(zhì)的相互作用，我們知道，在一般能量范圍內(nèi)（如Eo vlOMeV ）, 3

8、射線在吸收物質(zhì)中的能量損失主要來自于電離損失和輻射損失，因此總的阻止本領(lǐng)應(yīng)為這兩種能量損失所 對應(yīng)的碰撞阻止本領(lǐng)及輻射阻止本領(lǐng)之和?？偟淖柚贡绢I(lǐng)的計算比較復(fù)雜，但可以通過實驗，測量 不同能量的單能電子在吸收物質(zhì)中的能量損失，來求得這一物質(zhì)在不同能量時的總的阻止本領(lǐng)。單能電子的獲得可以通過橫向半圓磁聚焦3譜儀分離3射線得到，實驗中，只要改變 Nal （Tl）閃爍探測器相對于橫向半圓磁聚焦3譜儀的位置，就可以探測不同能量的單能電子。顯然，當(dāng)Nal（Tl）閃爍探測器位于某個位置時，只要我們能夠測量出 3射線經(jīng)過吸收物質(zhì)前后對應(yīng)的單能電子能量E0和E1，就可以計算出該吸收物質(zhì)對能量為E =：E0 -

9、E1 2的單能電子的質(zhì)量阻止本領(lǐng)，即(9-4-8 )1 dE _ E° - E1 'dx dm其中dm為吸收物質(zhì)層的質(zhì)量厚度?！緦嶒炑b置】實驗所需儀器主要包括橫向半圓磁聚焦B譜儀(真空型)、Nal (TI)閃爍探測器、多道脈沖幅度分析器、計算機(jī)等，另外還用到丫放射源60Co和137Cs，B放射源90Sr 90Y。實驗裝置如圖9-4-4所示。圖9-4-43射線吸收實驗裝置【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(jī)并調(diào)整好工作電壓(700750V )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、用丫放射

10、源60Co和137Cs標(biāo)定閃爍譜儀，繪制能量刻度曲線，用最小二乘法確定相應(yīng)的表達(dá) 式。5、抽真空，真空度由真空表監(jiān)測。6、 測量鋁在不同能量下對3射線總的質(zhì)量阻止本領(lǐng)。左右移動閃爍能譜儀的探頭，在加吸收片和不加吸收片兩種情況下，分別測量3射線(用3放射源90Sr 90Y)能譜中單能電子峰位對應(yīng)的多道脈沖幅度分析器的道數(shù)。根據(jù)道數(shù)由能量刻度曲線 計算單能電子的能量，進(jìn)一步得到鋁在不同能量下對3射線總的質(zhì)量阻止本領(lǐng)，并繪制質(zhì)量阻止本領(lǐng)與探頭位置之間的關(guān)系曲線。需要注意的是，由于閃爍體前有一厚度約200卩m的鋁質(zhì)密封窗，周圍包有約20卩m的鋁質(zhì)反射層，所以單能電子穿過鋁質(zhì)密封窗、鋁質(zhì)反射層后，其損失

11、的部分能量必須進(jìn)行修正。當(dāng)材料 的性質(zhì)及其厚度固定后，這種能量損失的大小僅與入射粒子的能量有關(guān)，因此應(yīng)根據(jù)實驗室提供的 儀器具體參數(shù)進(jìn)行校正，而由測量到的粒子的能量，給出入射粒子進(jìn)入窗口前的能量大小。表9-4-1列出了單能電子經(jīng)過 220卩m鋁質(zhì)薄膜前后的能量對應(yīng)關(guān)系，其中Ei為入射前的能量，E2為出射后的能量。根據(jù)測得的能量，在表格中利用插值法可計算出入射前的能量。表9-4-1單能電子經(jīng)過220卩m鋁質(zhì)薄膜前后的能量對應(yīng)關(guān)系Ei/MeVE2/MeVEi/MeVE2/MeVE1/MeVE2/MeV0.3170.2000.8870.8001.4891.4000.3600.2500.9370.85

12、01.5361.4500.4040.3000.9880.9001.5831.5000.4510.3501.0390.9501.6381.5500.4970.4001.0901.0001.6851.6000.5450.4501.1371.0501.7401.6500.5950.5001.1841.1001.7871.7000.6400.5501.2391.1501.8341.7500.6900.6001.2861.2001.8891.8000.7400.6501.3331.2501.9361.8500.7900.7001.3881.3001.9911.9000.8400.7501.4351.35

13、02.0381.9507、用一組鋁吸收片測量對90Sr90Y放射源的B射線的吸收曲線（lnnxm曲線），用最小二乘法求出質(zhì)量吸收系數(shù)，進(jìn)而求取3射線的最大能量，并與 2.27MeV比較，求相對不確定度。【注意事項】1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?！緮?shù)據(jù)記錄及處理】【實驗數(shù)據(jù)的處理與分析】1.能量定標(biāo)曲線表9-4-2能量定標(biāo)數(shù)據(jù)記錄表（724v, 8倍放大倍數(shù)）能量/Mev0.6621.171.33道數(shù)92161183根據(jù)能量定標(biāo)的數(shù)據(jù)繪制能量定標(biāo)曲線圖9-4-5能量定標(biāo)曲線對其進(jìn)行線性擬合得到：Y = A + B * XA=1.85181B=136.1304

14、72.對于3射線在物質(zhì)中吸收的測定圖9-4-3能量修正曲線對其進(jìn)行線性擬合，得:Y = A + B * XA=-0.10133B=1.00929根據(jù)此式對表中的能量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并將修正后的結(jié)果填入表中。表9-4-2阻止本領(lǐng)測定表（p=-0.097MPa）2R/cm9.9115.0024.7道數(shù)58121240能量/Mev0.4124590.875251.749411修正后能量/Mev0.5090590.9675911.833706阻止本領(lǐng)（220um）0.1626260.1554560.141911加50um鋁片后道數(shù)55118238能量/Mev0.3904210.8532121.73472

15、修正后能量/Mev0.4872250.9457561.81915阻止本領(lǐng)（270um）0.132790.1269470.115816圖9-4-4 (220um )阻止本領(lǐng)與能量之間的關(guān)系圖圖9-4-5 (270um)阻止本領(lǐng)與能量關(guān)系從圖中可以看出，隨著能量的增強(qiáng)，阻止本領(lǐng)不斷地減弱。因而可以得到結(jié)論，物質(zhì)的吸收本領(lǐng)隨 能量的增強(qiáng)而減弱。3.吸收曲線的測定表9-4-3不同厚度下的數(shù)據(jù)測定及數(shù)據(jù)處理表(d=24.7cm)厚度/um300350400450500質(zhì)量厚度Xm0.810.9451.081.2151.35n10527498635959199259182986Lnn11.5643211.

16、4991811.4712611.4359511.32643n cm圖9-4-6Ln n與Xm關(guān)系曲線對其進(jìn)行線性擬合，得到：Y = A + B * XA=11.89064B=-0.39927其質(zhì)量吸收系數(shù)為um = 0.39927cm2 / g根據(jù)公式9-4-7得到最大能量為E0=2.687Mev227100% =18.3%因為B射線與物質(zhì)的相互作用比較復(fù)雜，因而實驗存在一定的誤差。在誤差允許的范圍內(nèi)，實驗結(jié) 果成立?！舅伎碱}】1、 簡要說明B射線吸收與丫射線吸收的異同點。相同點：兩種射線均會與原子的核外電子、原子核發(fā)生相互作用。發(fā)生作用后都會釋放其他的 粒子。不同點：3射線是一種粒子流，而伽馬射線是一種電磁波。丫射線與物質(zhì)的相互作用主要是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、和電子對效應(yīng)。與之相比，3射線與物質(zhì)的相互作用要復(fù)雜的多，而且3衰變與3能譜具有連續(xù)性。3射線在吸收物質(zhì)中的強(qiáng)度衰減也更符合指數(shù)規(guī)律。其與物質(zhì)的相互作用 主要通過電離效應(yīng)、輻射效應(yīng)和多次散射等方式損失能量。2、如何用本實驗的方法測量一定材料的厚度？可利用其線性吸收系數(shù)來計算，用一組已知厚度的該材料，通過實驗確定其線性吸收系數(shù)及吸 收曲線公式，再將未知厚度材料的計數(shù)取對數(shù)并代入所求曲線便可求出材料厚度。3、 在測量吸收曲線時，閃爍體前的200卩m鋁質(zhì)密封窗對測量結(jié)果有何影響？鋁質(zhì)封窗會使到達(dá)光電