γ射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測定

1、指導(dǎo)老師：XXX實驗日期：2010年04月11號實驗9-3丫射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測定測量物質(zhì)對丫射線的吸收規(guī)律，不僅有助于了解丫射線與物質(zhì)的相互作用機(jī)理，而且，作為一種重要的實驗方法，在許多科學(xué)領(lǐng)域都發(fā)揮著巨大的作用。例如，為了有效地屏蔽丫輻射，需要根據(jù)物質(zhì)對丫射線的吸收規(guī)律來選擇合適的材料及厚度，反之，利用物質(zhì)對丫射線的吸收規(guī)律可以進(jìn)行探傷及測厚等?！緦嶒?zāi)康摹?、進(jìn)一步認(rèn)識丫射線與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。2、測量不同能量的窄束丫射線在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)?！緦嶒炘怼垦旧渚€與物質(zhì)發(fā)生作用時，主要有三種效應(yīng)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)。對于低能丫射線，與物質(zhì)的作用以光電效應(yīng)為主，如果

2、丫射線能量接近 1MeV,康普頓效應(yīng)將占主導(dǎo)地位，而當(dāng)丫射線能量超過 1.02MeV 時，就有可能產(chǎn)生電子對效應(yīng)。準(zhǔn)直成平行束的丫射線，通常稱為窄束丫射線。單能的窄束丫射線在穿過物質(zhì)時，由于上述三種效應(yīng)，其強(qiáng)度會減弱，這種現(xiàn)象稱為丫射線的吸收。丫射線強(qiáng)度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即rNx._xI=I0e=I0e（9-3-1）其中 I0 和 I 分別是穿過吸收物質(zhì)前、后的丫射線強(qiáng)度，x 是丫射線穿過吸收物質(zhì)的厚度（單位為 cm）,哈是光電、康普頓、電子對三種效應(yīng)截面之和，N 是吸收物質(zhì)單位體積中原子數(shù)，科是吸收物質(zhì)的線性吸收系數(shù)（N=crrN,單位為 cm-1）。顯然科的大小反映了吸收物質(zhì)吸收丫射線能

3、力的大小。需要注意的是，由于丫射線與吸收物質(zhì)相互作用的三種效應(yīng)的截面都是隨入射丫射線的能量 Ey 和吸收物質(zhì)的原子序數(shù) Z 而變化，所以線性吸收系數(shù)科是吸收物質(zhì)的原子序數(shù) Z 和丫射線能量 E 了的函數(shù)?？紤]到八是光電、康普頓、電子對三種效應(yīng)截面之和，那么線性吸收系數(shù)科就可以表示為N%h+匕+匕（9-3-2）式中Nph、c、Np分別為光電、康普頓、電了對效應(yīng)的線性吸收系數(shù)，且(9-3-3)材料物理08-1XX同組者：XXX“Z2從中可以看出線性吸收系數(shù)W與吸收物質(zhì)的原子序數(shù) Z 之間的復(fù)雜關(guān)系。對于線性吸收系數(shù)科與丫射線能量Ey之間的關(guān)系也比較復(fù)雜， 并且隨吸收物質(zhì)的不同而存在顯著差別。圖 9

4、-3-1 給出了鉛、錫、銅、鋁對丫射線的線性吸收系數(shù)科與丫射線能量Ey之間的關(guān)系曲線。圖 9-3-1 鉛、錫、銅、鋁對丫射線的吸收系數(shù)和能量的關(guān)系實際工作中常用質(zhì)量吸收系數(shù) Nm 表示物質(zhì)對丫射線的線性吸收系數(shù)科，m 與科的關(guān)系為m=p（9-3-4）其中P是吸收物質(zhì)的密度（單位為g/cm3）。用Rm表示的丫射線強(qiáng)度的指數(shù)衰減規(guī)律為mxm，一一、l0e（9-3-5）式中的Xm=xP為吸收物質(zhì)的質(zhì)量厚度，單位為g/cm2。因為,口rNNANm=0=7A日前c+0rp）（9-3-6）其中NA是阿佛加德羅常數(shù)，A 是原子量數(shù)。所以質(zhì)量吸收系數(shù)與吸收物質(zhì)的密度及物理狀態(tài)無關(guān)，在實際應(yīng)用上也就更為方便。在

5、相同實驗條件下，由于某一時刻的計數(shù)率 n 總是與該時刻的丫射線強(qiáng)度 I 成正比，所以(9-3-5)式也可以表示為n=n0e.對兩邊同時取對數(shù)，得lnn=lnn0-Nmxm(9-3-8)顯然，Inn與xm具有線性關(guān)系，如圖 9-3-2 所示。圖 9-3-2lnn-xm曲線有時，物質(zhì)對丫射線的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的丫射線強(qiáng)度減弱到一半時的吸收物質(zhì)厚度，記作d1/2,在量值上為略估計丫射線的能量?！緦嶒炑b置與器材】實驗裝置如圖 9-3-3 所示，包括137cs 和60Co 丫放射源、NaI(Tl)閃爍探測器、多道脈沖幅度分析器(含多道分析軟件，其操作方法請閱讀儀器使用說明書)

6、、計算機(jī)，以及多個鉛吸收片和鋁吸收片等。(9-3-7)顯然，di/2也是吸收物質(zhì)的原子序數(shù)d1/2ln2(9-3-9)Z 和丫射線能量 Ey 的函數(shù)。利用半吸收厚度，可以粗圖 9-3-3 丫射線的吸收測量裝置由于實驗中采用 NaI（Tl）閃爍探測器，配合多道脈沖幅度分析器進(jìn)行測量，在計算機(jī)上顯示的是丫射線的全能譜，考慮到本底、計數(shù)統(tǒng)計漲落及光標(biāo)定位不準(zhǔn)的影響，所以無法直接準(zhǔn)確得到某一能量丫射線在某一時刻的計數(shù)率，比較好的解決辦法是，在相同實驗條件下（放射源與探測器的位置不變，探測器工作電壓和放大倍數(shù)不變，并保證相同的測量時間），首先獲得不同吸收厚度下的丫射線全能譜，然后計算所選光電峰的凈面積

7、A（多道分析軟件中包含此功能），以此替代前述公式中的 n 或 I。凈面積的計算方法有三種，分別是 TPA 算法、Covell算法和 Wasson 算法，如圖 9-3-4 所示。這些算法中，TPA 算法比較簡單，準(zhǔn)確度也較高，因此在手工計算時，建議采用這種算法，具體做法請閱讀相關(guān)資料。圖 9-3-4 凈面積算法示意圖【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、用一組鋁吸收片測量對137cs 的丫射線（取 0.662MeV 光電峰）的吸收曲線，

8、并用最小二法原理擬合求質(zhì)量吸收系數(shù)。根據(jù)鋁的密度（P=2.7g/cm3）求線性吸收系數(shù)，與理論值（0.194cm-1）比較，求相對不確定度。計算半吸收厚度。5、用一組鉛吸收片測量對137cs 的丫射線（取 0.662MeV 光電峰）的吸收曲線，并用最小二法原理擬合求質(zhì)量吸收系數(shù)。根據(jù)鉛的密度（P=11.34g/cm3）求線性吸收系數(shù)，與理論值（1.213cm-1）比較，求相對不確定度。計算半吸收厚度。6、用一組鋁吸收片測量對60Co 的丫射線（取 1.17MeV 或 1.33MeV 光電峰）吸收曲線,并用最小二法原理擬合求線性吸收系數(shù)、質(zhì)量吸收系數(shù)和半吸收厚度。數(shù)據(jù)處理1 用一組鋁片測量對 C

9、S 的丫吸收其中選取的感興趣范圍是:用 0 片鋁片測量截圖90ch-115chROJiE*R用 2 片鋁片測量截圖用 4 片鋁片測量截圖用 6 片鋁片測量截圖表 1 用一組鋁片測量對 Cs 的丫吸收數(shù)據(jù)表格0 片鋁片ROI=19244LnROI=9.86c,2xm=0g/cm2 片鋁片ROI=13220LnROI=9.49crc，2xm=3.72g/cm4 片鋁片ROI=9870LnROI=9.19r-，2xm=7.44g/cm6 片鋁片ROI=6921LnROI=8.84/，2xm=11.16g/cm由圖不難得出，Nm=0.0903cm2/g,已知鋁的密度 p=2.7g/cm3,由m=:可得

10、以=0.244由d1/2=n2可求得半吸收厚度di/2=2.841cm.2 用一組鉛片測量對 Cs 的 Y 吸收其中選取的感興趣范圍是:用 0 片鉛片測量截圖90ch-115ch由表 1,運用最小二乘法可得 lnROI 和 xm的關(guān)系曲線用 2 片鉛片測量截圖27154bll用 4 片鉛片測量截圖153用 6 片鉛片測量截圖表 2 用一組鉛片測量對 Cs 的丫吸收數(shù)據(jù)表格0 片鋁片ROI=19244LnROI=9.86c,2xm=0g/cm2 片鋁片ROI=6612LnROI=8.80，八 c，2xm=4.92g/cm4 片鋁片ROI=4517LnROI=8.422xm=9.84g/cm6 片

11、鋁片ROI=3241LnROI=8.08rc，2xm=14.76g/cmdGIri1L*1HUI IL*IHII IaII由表 2,運用最小二乘法可得 lnROI 和 xm的關(guān)系曲線lnROT 與 Xm 勺關(guān)系曲線Xm由上圖不難得出，Nm=0.1163cm2/g,已知鉛的密度 p=11.34g/cm3,由Nm=可得以=1.319由d1/2=器可求得半吸收厚度d1/2=0.53cm.3、用一組鋁片測量對 Co 的丫吸收其中選取的感興趣范圍是：195ch215ch用 0 片鋁片測量截圖用 2 片鋁片測量截圖用 6 片鋁片測量截圖129酒 00511表 3 用一組鋁片測量對 Co 的丫吸收數(shù)據(jù)表格0

12、 片鋁片ROI=309LnROI=5.73c,2xm=0g/cm2 片鋁片ROI=114LnROI=4.74crc，2xm=3.72g/cm6 片鋁片ROI=84LnROI=4.43，2xm=11.16g/cm2S51?R由表 3,運用最小二乘法可得 lnROI 和 xm的關(guān)系曲線由上圖可得出，Nm=0.1058cm2/g,已知鋁的密度 p=2.7g/cm3,由 Nm=可得艮=0.286由d1/2=臂可求得半吸收厚度d1/2=2.42cm.思考題1、如何用本實驗的方法測量一定材料的厚度？答：可用待測材料代替試驗中的鋁片和鉛片，測量丫射線穿過材料后的強(qiáng)度，根據(jù)公式度XO2、閃爍體前有一厚度約 200pm 的鋁質(zhì)密封窗，試分析其對測量結(jié)果有何影響？-x答：沒有影響，根據(jù)n=/emm,試驗中 n 與 n0都會有一定程度的衰減，因此對dm的計算沒有影響3、實驗中，是否可以用全譜總計數(shù)率代替光電峰的凈面積？為什么？答：不可以，因為要考慮到本地、計數(shù)統(tǒng)計漲落及光標(biāo)定位不準(zhǔn)等因素的影響。4、根據(jù)實驗結(jié)果，談?wù)勗谳椛涞钠帘畏雷o(hù)方面應(yīng)如何選擇材料。答：選材前要測一下材料對射線的半吸收厚度，盡量將輻射的影響降到最低。5、根據(jù)實驗結(jié)果分析物質(zhì)對丫射線的吸收系數(shù)與哪些因素有關(guān)？答：由實驗結(jié)果看，鉛對一定射線的吸收系數(shù)要比