實驗報告γ射線能譜測定及γ射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)μ的測定

1、射線能譜測定以及射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測定 實驗報告 摘要原子核的能級躍遷可以產(chǎn)生伽馬射線，通過測量射線的能量分布，可確定原子核激發(fā)態(tài)的能級，這對于放射性分析，同位素應(yīng)用及鑒定核素等都有重要意義。同時通過學(xué)習(xí)了解伽馬射線與物質(zhì)相互作用的特性,測定窄束射線在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)。本實驗通過使用伽馬閃爍譜儀測定不同的放射源的射線能譜；根據(jù)當(dāng)光子穿過吸收物質(zhì)時，通過與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)損失能量。閃爍體分子電離和激發(fā)，退激時發(fā)出大量光子，閃爍光子入射到光陰極上，光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子，電子會在陽極負(fù)載上建立起電信號等原理，對射線進(jìn)行研究。 射線，又稱粒子流，是原子核能級躍遷蛻

2、變時釋放出的射線，波長短于0.2埃的電磁波，具有很強的穿透性。本實驗將射線的次級電子按不同能量分別進(jìn)行強度測量，通過電子學(xué)儀器得到它的能譜圖。實驗中使用NaI單晶閃爍譜儀對的能譜進(jìn)行測定。最后得到 射線在160道數(shù)及320道數(shù)位置的一些相關(guān)數(shù)據(jù)。在這些位置它的數(shù)量和能量的值都比較合適，有一定數(shù)量，又有一定的穿透能力。實驗中將了解NaI(Tl)單晶閃爍譜儀是如何測量射線的能譜，NaI(Tl)單晶閃爍譜儀的結(jié)構(gòu)、原理與特性；掌握NaI(Tl)單晶閃爍譜儀整套裝置的操作、調(diào)整和使用方法。并通過對137Cs和60Co 放射源能譜的測量，加深對射線與物質(zhì)相互作用的理解以及通過該實驗了解多道脈沖幅度分析器

3、在NaI(Tl)單晶譜測量中的數(shù)據(jù)采集及其基本功能。在第一個實驗的基礎(chǔ)上， 采用NaI閃爍譜儀測全能峰的方法測量137Cs的射線在鉛、鋁材料中的吸收系數(shù)。并且通過實驗對核試驗安全防護(hù)的重要性有初步的認(rèn)識。關(guān)鍵詞射線 吸收系數(shù) 60Co、137Cs放射源能譜 NaI單晶閃爍譜儀 多道分析器引言射線首先由法國科學(xué)家P.V.維拉德發(fā)現(xiàn)，射線是光子，是由原子核的衰變產(chǎn)生的，當(dāng)原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)或基態(tài)時，就有可能輻射出射線。射線強度按能量分布即為射線能譜。測量能譜最常用的儀器是閃爍能譜儀。某些物質(zhì)的原子核能發(fā)生衰變，會放出射線，核輻射主要有、三種射線。我們可以通過不同的實驗儀器能夠探測到這些肉

4、眼無法看見的射線。同時由于射線與物質(zhì)相互作用，導(dǎo)致射線通過一定厚度物質(zhì)后，能量或強度有一定的減弱，稱為物質(zhì)對射線的吸收。躍遷可定義為一個核由激發(fā)態(tài)到較低的激發(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。本實驗中，我們通過儀器測量不同物質(zhì)對射線的吸收規(guī)律來探測伽馬射線。正文實驗方法 射線能譜測定 Na(Tl)閃爍探測器 1. 閃爍體:把射線的能量轉(zhuǎn)變成光能的，入射線的能量越大，在閃爍體內(nèi)損失能量越多，閃爍體的發(fā)光強度也越大。 2. 光電倍增管:光子打到光陰極上時，發(fā)生光電效應(yīng)，打出的光電子被反復(fù)加速、增值在陽極上就收集到大量的電子，在負(fù)載上形成一個電壓脈沖。 3. 射極跟隨器：安置在探頭內(nèi)部

5、,減少外界干擾的影響，同時使之與線性放大器輸入端實現(xiàn)阻抗匹配。 4. 線性放大器：放大倍數(shù)能在101000倍范圍內(nèi)變化,可使入射粒子的能量變化范圍很大。從原子核中發(fā)射出來的射線有不同的能量，在與物質(zhì)相互作用的時候可能產(chǎn)生三種效應(yīng)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)，均會產(chǎn)生次級電子，NaI（T1）單晶閃爍譜儀利用這些次級電子激發(fā)電離閃爍體分子，當(dāng)閃爍分子退激發(fā)時會放出大量的光子照射在光陰極上產(chǎn)生光電子，這些光電子經(jīng)過倍增管放大而產(chǎn)生可探測的電信號并通過電子儀器的記錄得到射線能譜。經(jīng)過閃爍探測器后得到的電信號為電壓脈沖信號，其幅值與入射的射線的能量成正比，信號脈沖的個數(shù)正比于射線的強度。能譜圖中，

6、橫坐標(biāo)CH表示道數(shù)，與能量成正比，縱坐標(biāo)表示強度（射線的密集程度），與計數(shù)成正比。射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測定窄束射線在穿過物質(zhì)時被吸收，強度隨物質(zhì)厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即 I0、I分別是穿過物質(zhì)前、后的射線強度，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)。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

7、吸收系數(shù)之和。實際工作中常用質(zhì)量厚度Rm（g/cm2）來表示吸收體厚度，以消除密度的影響。由于在相同的實驗條件下，某一時刻的計數(shù)率N總與該時刻的g射線強度I成正比， 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。可以從這條直線的斜率求出，即 實驗步驟 射線能譜測定 1. 連接儀器，使各部分中心位于一條直線上，調(diào)整工作電壓在700V左右，放大倍數(shù)為0.3，預(yù)熱至少30分鐘。 2. 把放射源或放在探測器前，調(diào)節(jié)高壓使或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。 3. 打開軟件，設(shè)置137Cs的掃描時間為300s（60Co為500s）,“縱軸刻度”為“自動線性顯示”，“全譜道

8、數(shù)”為512，“擴展譜道數(shù)”為128。點擊運行，得到能譜圖。尋峰，若全能峰在探測道數(shù)左邊，則適當(dāng)調(diào)大電壓，反之則調(diào)小電壓（應(yīng)使60Co的全能峰在320道處，137Cs的全能峰在160道處）。 4. 將閃爍探測器分別左移和右移微小距離，重復(fù)測量。將總計數(shù)率最大的一組能譜圖數(shù)據(jù)記錄如下：放射源位置總計數(shù)率峰位chn凈面積分辨率半高寬chn電壓（V）60Co41.0cm667316.6135675.47%17.31763137Cs40.2cm1263158.385197810.30%16.31762圖中： 137Cs的全能峰位置差不多是60Co的一半，可知137Cs的全能峰的能量約是60Co的一半，

9、所以137Cs發(fā)出的射線強度要大于60Co。射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測定1. 在上一個實驗的基礎(chǔ)上（只用137Cs一種放射源），在探測器和放射原間依次放上不同的鋁板（探測道設(shè)為160道），分別測能譜圖，記錄各圖的計數(shù)率及所加鋁板密度（g/cm2）。2. 將鋁板換成不同的鉛板（探測道設(shè)為320道），重復(fù)以上步驟。計數(shù)率如下：金屬片數(shù)01234Al(300s)352318291268224Pb(500s)411337293223206放置吸收板順序1234Al密度（g/cm2）2.442.452.482.57Pb密度（g/cm2）1.872.062.082.12金屬等效的R（g/cm2）R1 R

10、2 R3 R4 Al2.442.45/2.4452.48/2.4572.57 Pb1.872.06/1.9652.08/2.002.12由知：將四組有吸收片的數(shù)據(jù)兩兩代入，得：金屬吸收系數(shù)12345678910 Al0.1120.1050.10.1230.10.0940.1260.090.140.188 Pb1.2040.9771.1540.9630.771.1310.8921.490.9510.424求平均：得鋁的=0.1178cm-1 鉛的=0.9954cm-1誤差分析1. 當(dāng)發(fā)射源放射的射線進(jìn)入NaI單晶探測器的閃爍體時，由于單能帶帶電粒子在閃爍體損失能量引起的閃爍發(fā)光所放出的熒光光子數(shù)

11、有統(tǒng)計漲落，而一定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)目也有統(tǒng)計漲落。因此在相同的探測時間內(nèi)，同一探測源放射的射線所得到的探測數(shù)據(jù)將有所差異。實驗中用譜儀的分辨率來表示這一差異。顯然譜儀能量分辨率的數(shù)值越小，一起分辨不同能量的本領(lǐng)就越高。在實驗時，重復(fù)實驗時，不同的能量分辨率將導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)的微小差異。2. 譜儀預(yù)熱不充分，電子儀器將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其工作狀態(tài)如高壓電源，放大器的放大倍數(shù)等將隨溫度的變化而產(chǎn)生變化，從而影響實驗的精確性。3. 放射源、準(zhǔn)直孔、閃爍探測器中心未被放置在一條直線上。4. 當(dāng)放置吸收物質(zhì)時沒有預(yù)留位置或減少鋁塊后沒有將位置保留。5. 吸收物質(zhì)未與探測器垂直，

12、導(dǎo)致吸收厚度增加。實驗問題分析1.是否可以將137Cs和60Co的探測時間160s和320s互換進(jìn)行實驗？答：不可以，因為137Cs的放射性要強于60Co，互換后60Co實驗時300秒并沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不能完整反映出其能譜特性。而137Cs在300秒時就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，沒有必要用500秒的測量時間。2.為什么要將放大器的電壓調(diào)零后再繼續(xù)進(jìn)行實驗，如不調(diào)零會有什么問題？答：如不調(diào)零，相當(dāng)于探測時間減少。將使實驗物質(zhì)在規(guī)定的探測時間內(nèi)達(dá)不到穩(wěn)定狀態(tài)。從而影響實驗的精確性。3. 實驗中每一塊吸收物質(zhì)的厚度是10毫米，若將兩塊10毫米的吸收物質(zhì)用手壓縮至10毫米，并進(jìn)行實驗，是否有影響？答：沒有影

13、響，雖然在兩塊吸收物質(zhì)之間還將存有部分空氣，但在放射源與探測器之間，窄束射線所經(jīng)過的吸收物和空氣的距離是一樣的，所以和一塊20毫米的吸收物質(zhì)具有相同的實驗效果。4. 實驗中所紀(jì)錄的數(shù)據(jù)哪一個用來計算吸收系數(shù)最具有代表性？答：凈面積。凈面積即為實驗中探測到的全能峰減去其下面的本底面積。這一面積其橫左邊體現(xiàn)了射線的道數(shù)（能量），縱坐標(biāo)體現(xiàn)了它的計數(shù)（數(shù)量），因此最具有代表性。體會首先該讀懂實驗材料，明白試驗中各個測量值的具體含義，以及如何轉(zhuǎn)化成自己所需的數(shù)據(jù)。力求嚴(yán)謹(jǐn)，不能忽略每一個對實驗結(jié)果有影響的因素，多分析探討。還要有耐心做好多次的重復(fù)實驗。愛護(hù)器材設(shè)備，小心操作，精密儀器尤甚，不能粗手粗腳。注意事項1. 使用放射源時避免受到輻