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材料物理08-1 XX同组者：XXX指导老师：XXX 实验日期：2010年04月11号实验9-3 射线的吸收与物质吸收系数的测定 测量物质对射线的吸收规律，不仅有助于了解射线与物质的相互作用机理，而且，作为一种重要的实验方法，在许多科学领域都发挥着巨大的作用。例如，为了有效地屏蔽辐射，需要根据物质对射线的吸收规律来选择合适的材料及厚度，反之，利用物质对射线的吸收规律可以进行探伤及测厚等。【实验目的】1、进一步认识射线与物质相互作用的规律。2、测量不同能量的窄束射线在不同物质中的吸收系数。【实验原理】射线与物质发生作用时，主要有三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应。对于低能射线，与物质的作用以光电效应为主，如果射线能量接近1MeV，康普顿效应将占主导地位，而当射线能量超过1.02MeV时，就有可能产生电子对效应。准直成平行束的射线，通常称为窄束射线。单能的窄束射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度会减弱，这种现象称为射线的吸收。射线强度的衰减服从指数规律，即 （9-3-1）其中I0和I分别是穿过吸收物质前、后的射线强度，x是射线穿过吸收物质的厚度（单位为），r是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，N是吸收物质单位体积中原子数，是吸收物质的线性吸收系数（，单位为-1）。显然的大小反映了吸收物质吸收射线能力的大小。需要注意的是，由于射线与吸收物质相互作用的三种效应的截面都是随入射射线的能量和吸收物质的原子序数Z而变化，所以线性吸收系数是吸收物质的原子序数Z和射线能量的函数。考虑到r是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，那么线性吸收系数就可以表示为 （9-3-2）式中、分别为光电、康普顿、电了对效应的线性吸收系数，且 （9-3-3）从中可以看出线性吸收系数与吸收物质的原子序数Z之间的复杂关系。对于线性吸收系数与射线能量之间的关系也比较复杂，并且随吸收物质的不同而存在显著差别。图9-3-1给出了铅、锡、铜、铝对射线的线性吸收系数与射线能量之间的关系曲线。图9-3-1 铅、锡、铜、铝对射线的吸收系数和能量的关系实际工作中常用质量吸收系数表示物质对射线的线性吸收系数，与的关系为 （9-3-4）其中是吸收物质的密度（单位为）。用表示的射线强度的指数衰减规律为 （9-3-5）式中的为吸收物质的质量厚度，单位为。因为 （9-3-6）其中NA是阿佛加德罗常数，A是原子量数。所以质量吸收系数与吸收物质的密度及物理状态无关，在实际应用上也就更为方便。在相同实验条件下，由于某一时刻的计数率n总是与该时刻的射线强度I成正比，所以（9-3-5）式也可以表示为 （9-3-7）对两边同时取对数，得 （9-3-8）显然，与具有线性关系，如图9-3-2所示。图9-3-2 曲线有时，物质对射线的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的射线强度减弱到一半时的吸收物质厚度，记作，在量值上为 （9-3-9）显然，也是吸收物质的原子序数Z和射线能量的函数。利用半吸收厚度，可以粗略估计射线的能量。【实验装置与器材】实验装置如图9-3-3所示，包括137Cs和60Co放射源、NaI（Tl）闪烁探测器、多道脉冲幅度分析器（含多道分析软件，其操作方法请阅读仪器使用说明书）、计算机，以及多个铅吸收片和铝吸收片等。图9-3-3 射线的吸收测量装置由于实验中采用NaI（Tl）闪烁探测器，配合多道脉冲幅度分析器进行测量，在计算机上显示的是射线的全能谱，考虑到本底、计数统计涨落及光标定位不准的影响，所以无法直接准确得到某一能量射线在某一时刻的计数率，比较好的解决办法是，在相同实验条件下（放射源与探测器的位置不变，探测器工作电压和放大倍数不变，并保证相同的测量时间），首先获得不同吸收厚度下的射线全能谱，然后计算所选光电峰的净面积A（多道分析软件中包含此功能），以此替代前述公式中的n或I。净面积的计算方法有三种，分别是TPA算法、Covell算法和Wasson算法，如图9-3-4所示。这些算法中，TPA算法比较简单，准确度也较高，因此在手工计算时，建议采用这种算法，具体做法请阅读相关资料。图9-3-4 净面积算法示意图【实验内容】1、阅读仪器使用说明，掌握仪器及多道分析软件的使用方法。2、仪器开机并调整好工作电压（700750V）和放大倍数后，预热30分钟左右。3、在多道分析软件中调整预置时间为600s。4、用一组铝吸收片测量对137Cs的射线（取0.662MeV光电峰）的吸收曲线，并用最小二法原理拟合求质量吸收系数。根据铝的密度（）求线性吸收系数，与理论值（0.194-1）比较，求相对不确定度。计算半吸收厚度。5、用一组铅吸收片测量对137Cs的射线（取0.662MeV光电峰）的吸收曲线，并用最小二法原理拟合求质量吸收系数。根据铅的密度（）求线性吸收系数，与理论值（1.213-1）比较，求相对不确定度。计算半吸收厚度。6、用一组铝吸收片测量对60Co的射线（取1.17MeV或1.33MeV光电峰）吸收曲线，并用最小二法原理拟合求线性吸收系数、质量吸收系数和半吸收厚度。 数据处理 1用一组铝片测量对Cs的吸收 其中选取的感兴趣范围是：90ch115ch用0片铝片测量截图用2片铝片测量截图用4片铝片测量截图用6片铝片测量截图表1用一组铝片测量对Cs的吸收数据表格0片铝片ROI=19244Ln ROI=9.86xm=0g/cm22片铝片ROI=13220Ln ROI=9.49xm= 3.72g/cm24片铝片ROI=9870Ln ROI=9.19xm= 7.44g/cm26片铝片ROI=6921Ln ROI=8.84xm=11.16g/cm2由表1，运用最小二乘法可得ln ROI和 xm的关系曲线由图不难得出，=0.0903cm2/g,已知铝的密度=2.7g/cm3,由可得=0.244 由 可求得半吸收厚度d1/2=2.841cm.2用一组铅片测量对Cs的吸收 其中选取的感兴趣范围是：90ch115ch 用0片铅片测量截图 用2片铅片测量截图 用4片铅片测量截图用6片铅片测量截图 表2用一组铅片测量对Cs的吸收数据表格0片铝片ROI=19244Ln ROI=9.86xm=0g/cm22片铝片ROI=6612Ln ROI=8.80xm= 4.92g/cm24片铝片ROI=4517Ln ROI=8.42xm= 9.84g/cm26片铝片ROI=3241Ln ROI=8.08xm=14.76g/cm2由表2，运用最小二乘法可得ln ROI和 xm的关系曲线由上图不难得出，=0.1163cm2/g,已知铅的密度=11.34g/cm3,由可得=1.319由 可求得半吸收厚度d1/2=0.53cm.3、用一组铝片测量对Co的吸收其中选取的感兴趣范围是：195ch215ch用0片铝片测量截图用2片铝片测量截图用6片铝片测量截图表3用一组铝片测量对Co的吸收数据表格0片铝片ROI=309Ln ROI=5.73xm=0g/cm22片铝片ROI=114Ln ROI=4.74xm= 3.72g/cm26片铝片ROI=84Ln ROI=4.43xm=11.16g/cm2由表3，运用最小二乘法可得ln ROI和 xm的关系曲线由上图可得出，=0.1058cm2/g,已知铝的密度=2.7g/cm3,由可得=0.286由 可求得半吸收厚度d1/2=2.42cm.思考题 1、如何用本实验的方法测量一定材料的厚度？答：可用待测材料代替试验中的铝片和铅片，测量射线穿过材料后的强度，根据公式，已知射线的初始强度I0和材料的线性吸收系数可求得材料的厚度x。2、闪烁体前有一厚度约200 m的铝质密封窗，试分析其对测量结果有何影响？答：没有影响，根据，试验中n与n0都会有一定程度的衰减，因此对m的计算没有影响3、实验中，是否可以用全谱总计数率代替光电峰的净面积？为什么？答：不可以，因为要考虑到本地、计数统计涨落及光标定位不准等因素的影响。 4、根据实验结果，谈谈在辐射的屏蔽防护方面应如何选择材料。答：选材前要测一下材料对射线的半吸收厚度，尽量将辐射的影响降到最低。5、根据实验结果分析物质对射线的