實驗2γ射線的吸收與物質吸收系數(shù)μ的測定實驗報告.doc

近代物理實驗報告 射線的吸收與物質吸收系數(shù)測定學 院 數(shù)理與信息工程學院 班 級 光信081班 姓 名 陳亮 學 號 08620114 時 間 2011年04月27日 射線的吸收與物質吸收系數(shù)的測定 班級：光信081 姓名：陳亮 學號：08620114摘要：學會NaI(Tl)單晶閃爍體整套裝置的操作、調整和使用；在此基礎上測量137Cs和60Co的能譜，求出能量變化率、峰康比、線性等各項指標，并分析譜形；了解多道脈沖幅度分析器在NaI(Tl)單晶譜測量中的數(shù)據(jù)采集及其基本功能，在數(shù)據(jù)處理中包括對譜形進行光滑、尋峰，曲線擬合等。通過測量137Cs和60Co的射線的吸收曲線，研究射線與物質（被束縛在原子中的電子、自有電子、庫侖場、核子）相互作用的特性，了解窄束射線在物質中的吸收規(guī)律及測量其在不同物質中的吸收系數(shù)。關鍵字：射線 能譜 物質吸收系數(shù) 光電效應 康普頓效應 電子對效應 引言：原子核由高能級向低能級躍遷時會輻射 射線，它是一種波長極短的電磁波，其能量由原子核躍遷前后的能級差來表示即：射線與物質發(fā)生相互作用則產(chǎn)生次級電子或能量較低的 射線，將 射線的次級電子按不同能量分別進行強度測量，從而得到 輻射強度按能量的分布，即為“能譜”。測量能譜的裝置稱為“能譜儀”。閃爍探測器是利用帶電粒子或非帶電粒子與某些物質的相互作用下轉化成為帶電粒子對物質原子的激發(fā)，從而會產(chǎn)生發(fā)光效應的特性來測量射線的儀器。它的主要優(yōu)點是即能測量各種類型的帶電粒子，又能探測中性粒子；即能測量粒子強度，又能測量粒子能量；并且探測效率高。射線，又稱粒子流，是原子核能級躍遷蛻變時釋放出的射線，是波長短于0.2埃的電磁波。首先由法國科學家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均可產(chǎn)生射線 。射線的波長比X射線要短，所以射線具有比X射線還要強的穿透能力。當射線通過物質并與原子相互作用時會產(chǎn)生光電效應、康普頓效應和正負電子對三種效應。原子核釋放出的光子與核外電子相碰時，會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。由于核外電子殼層出現(xiàn)空位，將產(chǎn)生內層電子的躍遷并發(fā)射X射線標識譜。高能光子（2兆電子伏特）的光電效應較弱。光子的能量較高時，除上述光電效應外，還可能與核外電子發(fā)生彈性碰撞，光子的能量和運動方向均有改變，從而產(chǎn)生康普頓效應。當光子的能量大于電子靜質量的兩倍時，由于受原子核的作用而轉變成正負電子對，此效應隨光子能量的增高而增強。光子不帶電，故不能用磁偏轉法測出其能量，通常利用光子造成的上述次級效應間接求出，例如通過測量光電子或正負電子對的能量推算出來。此外還可用譜儀（利用晶體對射線的衍射）直接測量光子的能量。由熒光晶體、光電倍增管和電子儀器組成的閃爍計數(shù)器是探測射線強度的常用儀器。 通過對射線譜的研究可了解核的能級結構。射線有很強的穿透力，工業(yè)中可用來探傷或流水線的自動控制。射線對細胞有殺傷力，醫(yī)療上用來治療腫瘤。射線是原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)或基態(tài)時所發(fā)出的一種輻射，其輻射的能量由原子核躍遷前后兩能級的能量之差決定。由于射線的能量與原子核激發(fā)態(tài)的能級密切相關， 因此，射線能量的測量對于了解原子核的結構、獲得原子核內部的信息是一個十分重要的途徑。正文實驗目的1了解射線與物質相互作用的特性；2了解窄束射線在物質中的吸收規(guī)律；3測量其在不同物質中的吸收系數(shù)。實驗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；基態(tài)激發(fā)。射線會與被束縛在原子中的電子、自由電子、庫侖場、核子等帶電體發(fā)生相互作用，大部分作用是光電效應、康普頓效應、電子對效應中的一種。低能時以光電效應為主；當光子能量大大超過電子的結合能時，以康普頓效應為主；只有當入射光子能量超過1.02MeV，電子對的生成才成為可能。本實驗研究的主要是窄束射線在物質中的吸收規(guī)律。所謂窄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。 窄束射線在穿過物質時，由于上述三種效應，其強度就會減弱，這種現(xiàn)象稱為射線的吸收。射線強度隨物質厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即 （1）其中，I0、I分別是穿過物質前、后的射線強度，x是射線穿過的物質的厚度（單位cm），r是光電、康普頓、電子對三種效應截面之和，N是吸收物質單位體積中的原子數(shù)，是物質的線性吸收系數(shù)（=rN，單位為cm）。顯然的大小反映了物質吸收射線能力的大小。實際工作中常用質量厚度Rm（g/cm2）來表示吸收體厚度，以消除密度的影響。因此（1）式可表達為 （2）由于在相同的實驗條件下，某一時刻的計數(shù)率N總與該時刻的射線強度I成正比，又對（2）式取對數(shù)得： （3）若將吸收曲線在半對數(shù)坐標紙上作圖，將得出一條直線，如圖所示。m/可以從這條直線的斜率求出，即 （4）物質對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射線強度減弱到一半時的吸收物質的厚度，記作： （5）實驗裝置放射源137Cs (強度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吸收片若干實驗步驟：測量137Cs的射線在Al吸收片和Pb吸收片中的吸收曲線，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)求得線性吸收系數(shù)。1.調整實驗裝置，使放射源、準直孔、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片已知質量厚度的吸收片，進行定時測量（t=300秒）；3.分別記錄片數(shù)n=0,1,2,3,4時的R0、R1、R2、R3、R4所對應的光電峰計數(shù)N0、N1、N2、N3、N4。4.根據(jù)公式得錯誤！未定義書簽。計算吸收片材料的質量吸收系數(shù)01、02、03、04、12、13、14、23、24、34。并求平均值。5.依照上述步驟測量Al和Pb對137Cs的射線的質量吸收系數(shù)Al、Pb。 6.整理儀器，經(jīng)教師檢查簽字離開。數(shù)據(jù)處理計算吸收系數(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質量厚度（g/cm2）02.484.937.379.94計數(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%計數(shù)18371634139311821042對上述數(shù)據(jù)進行兩兩分組，這樣可以得到10組數(shù)據(jù)，通過計算可得到10個的值。計算吸收系數(shù)公式為：各組兩兩對應后代入公式的值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質量厚度（g/cm2）02.084.166.268.36計數(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%計數(shù)183715511209965828各組兩兩對應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實驗分析與總結通過本次實驗了解閃爍探測器的結構與原理，了解射線與物質相互作用的特性以及窄束射線在物質中的吸收規(guī)律及測量其在不同物質中的吸收系數(shù)。另外通過這次實驗對核技術有個初步的了解。本次實驗實驗實現(xiàn)了對137Cs和60Co的射線能譜的測量，但所得的實驗結果存在一定的誤差，通過差資料可能原因有：i)、閃爍體由于長期使用性能下降，使有效的閃爍次數(shù)減少；ii)、計數(shù)不夠多，能譜峰值處的橫向座標還不夠穩(wěn)定就讀了數(shù)iii)、調節(jié)放大倍數(shù)的器件本身有儀器誤差。在吸收系數(shù)的測定的實驗中所得的結果與理論值也存在這偏差，可能的原因有：i)、由于每次試驗中探測器與放射源的距離都相等，這樣導致每次試驗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，這樣增加了實驗的誤差；ii)、在試驗中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，對實驗結果產(chǎn)生影響；iii)、試驗次數(shù)太少，導致偶然誤差較大；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，同樣能量的射線打出的光子數(shù)會發(fā)生變化，其結果必然會影響實驗的準確性。在試驗的過程中要特別注意人身安全。在實驗過程中一定要小心拿取放置放射源，并時刻注意時刻注意射線的位置及其朝向。實驗結束后必須注意把電壓與放大系數(shù)調零，以避免下次開機電壓過高造成損壞。實驗問題分析1、 測定吸收系數(shù)時減少AL或Pb的塊數(shù)時是否應將探頭往里移動緊貼？答：保持單一變量原則，在Al與Pb對比實驗中不能改變探頭與材料間距