伽馬射線吸收系數(shù)的測量

1、射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測定初陽學(xué)院綜合理科081班 馬甲帥 08800140指導(dǎo)老師 林根金摘要：本實(shí)驗(yàn)研究的主要是窄束射線在金屬物質(zhì)中的吸收規(guī)律。測量射線在不同厚度的鉛、鋁中的吸收系數(shù)。通過對射線的吸收特性，分析與物質(zhì)的吸收系數(shù)與物質(zhì)的面密度，厚度等因素有關(guān)。根據(jù)已知一定放射源對一定材料的吸收系數(shù)來測量該材料的厚度。關(guān)鍵詞：射線 吸收系數(shù) 60Co、137Cs放射源引言：射線首先由法國科學(xué)家P.V.維拉德發(fā)現(xiàn)，是繼、射線后發(fā)現(xiàn)的第三種原子核射線。原子核衰變和核反應(yīng)均可產(chǎn)生射線 。射線具有比X射線還要強(qiáng)的穿透能力。射線是處于激發(fā)態(tài)原子核損失能量的最顯著方式，躍遷可定義為一個核由激發(fā)態(tài)到較低

2、的激發(fā)態(tài)、而原子序數(shù)Z和質(zhì)數(shù)A均保持不變的退激發(fā)過程。射線是光子，光子會與被束縛在原子中的電子、自由電子、庫倫場、核子等帶電體發(fā)生相互作用。不同能量的射線與物質(zhì)的相互作用效果不同，為了有效地屏蔽輻射，需要根據(jù)物質(zhì)對射線的吸收規(guī)律來選擇合適的材料及厚度，反之，利用物質(zhì)對射線的吸收規(guī)律可以進(jìn)行探傷及測厚等。因此研究不同物質(zhì)對射線的吸收規(guī)律的現(xiàn)實(shí)意義非常巨大，如在核技術(shù)的應(yīng)用與輻射防護(hù)設(shè)計(jì)和材料科學(xué)等許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。正文1實(shí)驗(yàn)原理1.1 射線與帶電體的作用原理射線與帶電體的相互作用會導(dǎo)致三種效應(yīng)中的一種。理論上講，射線可能的吸收核散射有12種過程。這些效應(yīng)所釋放的能量在10KeV到10MeV之間的

3、只有三種，也就是基本上每種相互作用都產(chǎn)生一種主要的和吸收散射過程。這三種主要過程是：1.1.1光電效應(yīng)：低能光子所有的能量被一個束縛電子吸收，核電子將其能量的一部分用來克服原子對它的束縛，成為光電子；其余的能量則作為動能，發(fā)生光電效應(yīng)。1.1.2 康普頓效應(yīng)：光子還可以被原子或單個電子散射，當(dāng)光子的能量（約在1MeV）大大超過電子的結(jié)合能時，光子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子 ，使它反沖出來，而散射光子的能量和運(yùn)動方向都發(fā)生了變化，發(fā)生康普頓效應(yīng)。1.1.3 電子對效應(yīng)：若入射光子的能量超過1.02MeV，光子在帶電粒子的庫侖場作用下則可能產(chǎn)生正、負(fù)電子對，產(chǎn)生的電子對總

4、動能等于光子能量減去這兩個電子的靜止質(zhì)量能(2mc2=1.022MeV) 1.2 三種射線與帶電體發(fā)生相互作用的基礎(chǔ)上，物質(zhì)對射線的吸收規(guī)律如下：1.2.1作用特點(diǎn)：射線與物質(zhì)原子間的相互作用只要發(fā)生一次碰撞就是一次大的能量轉(zhuǎn)移；它不同于帶電粒子穿過物質(zhì)時，經(jīng)過許多次小能量轉(zhuǎn)移的碰撞來損失它的能量。帶電粒子在物質(zhì)中是逐漸損失能量，最后停止下來，有射程概念；射線穿過物質(zhì)時，強(qiáng)度逐漸減弱，按指數(shù)規(guī)律衰減，不與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子穿過吸收層，其能量保持不變，因而沒有射程概念可言，但可用“半吸收厚度”來表示射線對物質(zhì)的穿透情況。1.2.2吸收規(guī)律：本實(shí)驗(yàn)研究的主要是窄束射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律。所謂窄

5、束射線是指不包括散射成份的射線束，通過吸收片后的光子，僅由未經(jīng)相互作用或稱為未經(jīng)碰撞的光子所組成。“窄束”一詞是實(shí)驗(yàn)上通過準(zhǔn)直器得到細(xì)小的束而取名。這里所說的“窄束”并不是指幾何學(xué)上的細(xì)小，而是指物理意義上的“窄束”，即使射線束有一定寬度，只要其中沒有散射光子，就可稱之為“窄束”。窄束射線在穿過物質(zhì)時，由于上述三種效應(yīng)，其強(qiáng)度就會減弱，這種現(xiàn)象稱為射線的吸收。射線強(qiáng)度隨物質(zhì)厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即 （21）其中，I0、I分別是穿過物質(zhì)前、后的射線強(qiáng)度，x是射線穿過的物質(zhì)的厚度（單位cm），r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)單位體積中的原子數(shù)，是物質(zhì)的線性吸收系數(shù)（=rN，

6、單位為cm）。顯然的大小反映了物質(zhì)吸收射線能力的大小。需要說明的是，吸收系數(shù)是物質(zhì)的原子序數(shù)Z和射線能量的函數(shù)，且：式中、分別為光電、康普頓、電子對效應(yīng)的線性吸收系數(shù)；其中：、（Z為物質(zhì)的原子序數(shù)）。射線與物質(zhì)相互作用的三種效應(yīng)的截面都是隨入射射線的能量Eg和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z而改變。射線的線性吸收系數(shù)是三種效應(yīng)的線性吸收系數(shù)之和。右圖給出了鉛對射線的線性吸收系數(shù)與射線能量的線性關(guān)系。實(shí)際工作中常用質(zhì)量厚度Rm（g/cm2）來表示吸收體厚度，以消除密度的影響。因此（31）式可表達(dá)為 （22）由于在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，某一時刻的計(jì)數(shù)率N總與該時刻的射線強(qiáng)度I成正比，又對（32）式取對數(shù)得： （2

7、3）由此可見，如果將吸收曲線在半對數(shù)坐標(biāo)紙上作圖，將得出一條直線，如右圖所示?？梢詮倪@條直線的斜率求出，即 （24）除吸收系數(shù)外，物質(zhì)對g射線的吸收能力也經(jīng)常用“半吸收厚度”表示。所謂“半吸收厚度”就是使入射的g射線強(qiáng)度減弱到一半時的吸收物質(zhì)的厚度，記作： （25）2實(shí)驗(yàn)裝置2.1實(shí)驗(yàn)器材放射源137Cs和60Co(強(qiáng)度1.5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；Pb、Cu、Al吸收片若干；微機(jī)。2.2實(shí)驗(yàn)裝置連接方式做射線吸收實(shí)驗(yàn)的一般做法可按如上圖（a）所示，在源和探測器之間用中間有小圓孔的鉛磚作準(zhǔn)直器。吸收片放在準(zhǔn)直器中間,前部分鉛磚對源

8、進(jìn)行準(zhǔn)直；后部分鉛磚則濾去射線穿過吸收片時因發(fā)生康普頓散射而偏轉(zhuǎn)一定角度的那一部分射線，從而確保射線為窄束射線。這樣的裝置體積比較大，且由于吸收片前后兩個長準(zhǔn)直器使放射源與探測器的距離較遠(yuǎn)，因此放射源的源強(qiáng)需在毫居里量級。但它的窄束性、單能性較好，因此只需閃爍計(jì)數(shù)器記錄。本實(shí)驗(yàn)中，在源的源強(qiáng)約2微居里的情況下，由于專門設(shè)計(jì)了源準(zhǔn)直孔（3´12mm），基本達(dá)到使射線垂直出射；而由于探測器前有留有一狹縫的擋板，更主要由于用多道脈沖分析器測能譜，就可起到去除射線與吸收片產(chǎn)生康普頓散射影響的作用。因此，實(shí)驗(yàn)裝置就可如上圖（b）所示，這樣的實(shí)驗(yàn)裝置在輕巧性、直觀性及放射防護(hù)方面有前者無法比擬的

9、優(yōu)點(diǎn)，但它需要用多道分析器，在一般的情況下，顯得有點(diǎn)大材小用，但在本實(shí)驗(yàn)中這樣安排，可以說是充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件。3實(shí)驗(yàn)步驟1) 調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置，使放射源、準(zhǔn)直孔、閃爍探測器的中心位于一條直線上。2) 在閃爍探測器和放射源之間加上0、1、2 片已知質(zhì)量厚度的吸收片（所加吸收片最后的總厚度要能吸收射線70%以上），進(jìn)行定時測量（建議t=1200秒），并存下實(shí)驗(yàn)譜圖。3) 計(jì)算所要研究的光電峰凈面積Ai=Ag-Ab，這樣求出的Ai就對應(yīng)公式中的Ii、Ni。4) 分別用作圖法和最小二乘法計(jì)算吸收片材料的質(zhì)量吸收系數(shù)。5) 依照上述步驟測量Pb、Al對137Cs的射線（取0.661MeV光電峰）的質(zhì)量

10、吸收系數(shù)。6) 測量Pb、Al對60Co的射線（取1.17、1.33MeV光電峰或1.25MeV綜合峰）的質(zhì)量吸收系數(shù)（選做）。7) 利用Al對137Cs的射線（取0.661MeV光電峰）的質(zhì)量吸收系數(shù)測Al片厚度。4 數(shù)據(jù)記錄4.1 137Cs與60Co為伽馬放射源的全能譜見附件。4.2 以下是在以金屬Al測試以137Cs為放射源的Al吸收系數(shù)的測定。圖.1上下兩邊參數(shù)設(shè)置相同圖.2圖.3圖.45 數(shù)據(jù)分析運(yùn)用公式2-4可以計(jì)算出Al對射線的吸收系數(shù)為:Al=0.10512cm-1，相對誤差=45.8%.Pb對射線的吸收系數(shù)為:Pb=1.34579cm-1，相對誤差=10.9%.6 誤差分析

11、從5中的誤差結(jié)果不難看出，本實(shí)驗(yàn)中的誤差較大，特別是Al對射線的吸收系數(shù)相對誤差達(dá)到了45.8%在實(shí)驗(yàn)中是絕對不允許的，下面我將對可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差的原因進(jìn)行分析。1 由于每次試驗(yàn)中探測器與放射源的距離都相等，這樣導(dǎo)致每次試驗(yàn)過程中探測器與放射源之間的空氣厚度不一樣，由于空氣對涉嫌也具有吸收能力，這樣增加了實(shí)驗(yàn)的誤差。2 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，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。3 試驗(yàn)次數(shù)太少，導(dǎo)致偶然誤差較大。4 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，同樣能量的射線打出的光子數(shù)會發(fā)生變化，其結(jié)果必然會影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會受到NaI(TI)閃爍晶體制造工藝的影響，晶體的透明度不好，使晶體發(fā)射的部分熒光光子被其本體吸收，或者閃爍體與光陰極的光學(xué)接觸不好，致使熒光光子的收集不完全，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的偏差。7結(jié)束語本實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)者的要求較高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)軟件處理能力，認(rèn)真完成對學(xué)生的動手能力以及理論知識都會有一定提高。我們也可以在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究X射線吸收系數(shù)的測量以及射線吸收系數(shù)的測量。參考文獻(xiàn)1林根金等.近代物理實(shí)驗(yàn)講義M.浙江師范大學(xué)數(shù)理信息學(xué)院近代物理實(shí)驗(yàn) 室.2009:54