射线的吸收与物质吸收系数.doc

射线能谱的测量以及物质吸收系数的测定摘要 本实验通过使用相对论效应实验谱仪来测量能谱，并求出各项指标，分析谱形。介绍了NaI(Tl)单晶闪烁体整套装置的操作、调整和使用，通过窄束射线在物质中的的能谱分析，得出吸收规律及测量其在不同物质中的吸收系数。关键字 能谱 吸收系数 吸收规律引言射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。射线是原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时所发出的一种辐射，其辐射的能量由原子核跃迁前后两能级的能量之差决定。由于射线的能量与原子核激发态的能级密切相关， 因此，射线能量的测量对于了解原子核的结构、获得原子核内部的信息是一个十分重要的途径。研究射线对不同物质的吸收规律和吸收系数对与射线在不同的领域中的运用有着不可或缺的作用。我们作为物理系的学生对于这些测量方法和作用要有一定的认识。正文一 实验原理1.1 射线能谱的原理从原子核中发射出来的射线有不同的能量，在与物质相互作用的时候可能产生三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应，均会产生次级电子，NaI（T1）单晶闪烁谱仪利用这些次级电子激发电离闪烁体分子，当闪烁分子退激发时会放出大量的光子照射在光阴极上产生光电子，这些光电子经过倍增管放大而产生可探测的电信号并通过电子仪器的记录得到射线能谱。经过闪烁探测器后得到的电信号为电压脉冲信号，其幅值与入射的射线的能量成正比，信号脉冲的个数正比于射线的强度。能谱图中，横坐标CH表示道数，与能量成正比，纵坐标表示强度（射线的密集程度），与计数成正比。1.2物质吸收系数的测定窄束射线在穿过物质时被吸收，强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即 I0、I分别是穿过物质前、后的射线强度，x是射线穿过的物质的厚度（单位cm），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的原子数，是物质的线性吸收系数。是物质的原子序数Z和射线能量的函数，且： 式中、分别为光电、康普顿、电子对效应的线性吸收系数；其中： 、（Z为物质的原子序数）。射线与物质相互作用的三种效应的截面都是随入射射线的能量Eg和吸收物质的原子序数Z而改变。射线的线性吸收系数是三种效应的线性吸收系数之和。实际工作中常用质量厚度Rm（g/cm2）来表示吸收体厚度，以消除密度的影响。由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率N总与该时刻的g射线强度I成正比， 如果将吸收曲线在半对数坐标纸上作图，将得出一条直线。可以从这条直线的斜率求出，即 二 实验步骤和实验数据1.1射线能谱测定 1.打开电源， 连接仪器，预热至少30分钟，使探测器和放射源中心位于一条直线上，调整工作电压在700V左右，放大倍数为0.3。 2. 把放射源或放在探测器前，调节高压使或能谱的最大脉冲幅度尽量大而又不超过多道脉冲分析器的分析范围。 3. 打开软件，设置137Cs的扫描时间为300s（60Co为500s）,“纵轴刻度”为“自动线性显示”，“全谱道数”为512，“扩展谱道数”为128。点击运行，得到能谱图。寻峰，若全能峰在探测道数左边，则适当调大电压，反之则调小电压（应使60Co的全能峰在320道处，137Cs的全能峰在160道处）。 4. 将闪烁探测器分别左移和右移微小距离，重复测量。将三组能谱图数据记录如下：cs-能谱 667v 300s 0.3倍512160道co-能谱 670v 500s 0.3倍512320道位置（cm）40.440.540.641.641.741.8道数159159160320321321计数663068277289265283282峰位（chn）6th=159.556th=159.366th=159.794th=320.134th=320.964th=320.81半高宽（chn）14.8115.1915.0719.5818.9217.08净面积101230103415109014392437703749分辨率(%)9.319.469.436.125.95.32总计数率277828602978503505510 图表（1）cs-能谱和co-能谱数据实验图： 图一 co-能谱(41.7cm)图二 cs-能谱(40.6cm)分析：图中：(1). 137Cs的全能峰位置差不多是60Co的一半，可知137Cs的全能峰的能量约是60Co的一半，所以137Cs发出的射线强度要大于60Co。 (2). 137Cs发出的射线穿透力大于60Co,我们就可以运用这个特性，将其运用到适合的方面。1.2物质吸收系数的测定1. 在上一个实验的基础上，只用137Cs一种放射源，在探测器和放射原间先放放上4块不同的铝板（探测道设为160道），再依次拿下，分别测能谱图，记录各图的计数率及所加铝板密度（g/cm2）。2. 将铝板换成不同的铅板（探测道设为160道），重复以上步骤。实验数据如下：cs-吸收铝668v 500s 0.3倍512160道 40.5cm组别12345道数160159160159159计数18052057243428273539峰位（chn）5th=159.725th=159.545th=159.645th=159.595th=159.47半高宽（chn）14.0614.8614.614.9814.84净面积2308129189344684240153613分辨率(%)8.819.319.149.399.3总计数率645681735803952R(g/cm2)9.867.424.932.470峰位道数159.72159.54159.64159.59159.47总面积3094436708424705048861991全谱计数322857340719367132401003476076图表（2）测量铝吸收系数数据cs-吸收铅668v 500s 0.3倍512160道 40.5cm组别12345道数160160160160160计数36034451546266788518峰位（chn）4th=160.314th=160.384th=160.314th=160.364th=160.27半高宽（chn）14.5614.8514.9914.9214.6净面积50285636398127497000121073分辨率(%)9.089.269.359.319.11总计数率9351120134116012127R(g/cm2)8.296.184.132.120峰位道数160.31160.38160.34160.36160.27总面积630257790697319114673141118全谱计数4674985596546696907997751061850图表（2）测量铅吸收系数数据由知： 得得：铝的=0.2331cm-1 铅的=1.1964cm-1三 实验分析通过本次实验了解闪烁探测器的结构与原理，了解射线与物质相互作用的特性以及窄束射线在物质中的吸收规律及测量其在不同物质中的吸收系数。另外通过这次实验对核技术有个初步的了解。对于核技术在生活和发展方面的运用也有一定的了解，也明白做实验不仅要明白实验中的原理，也要知道它们对于的运用方面。本次实验实验实现了对137Cs和60Co的射线能谱的测量，但所得的实验结果存在一定的误差，通过查找相关资料资料可能原因有：1)、闪烁体由于长期使用性能下降，使有效的闪烁次数减少；2)、计数不够多，能谱峰值处的横向座标还不够稳定就读了数3)、调节放大倍数的器件本身有仪器误差。在吸收系数的测定的实验中所得的结果与理论值也存在这偏差，可能的原因有：1)、由于每次试验中探测器与放射源的距离都相等，这样导致每次试验过程中探测器与放射源之间的空气厚度不一样，由于空气对涉嫌也具有吸收能力，这样增加了实验的误差；2)、在试验中Al片与Pb片的放置位置不是很规则，它们之间存在一定间隙，对实验结果产生影响；3)、试验次数太少，导致偶然误差较大；4）、NaI(TI)闪烁晶体的发光效率受温度的影响，在不同的温度下，同样能量的射线打出的光子数会发生变化，其结果必然会影响实验的准确性。在试验的过程中要特别注意人身安全。在实验过程中一定要小心拿取放置放射源，并时刻注意时刻注意射线的位置及其朝向。实验结束后必须注意把电压与放大系数调零，以避免下次开机电压过高造成的损坏。在实验中也要读懂实验材料，明白试验中各个测量值的具体含义，以及如何转化成自己所需的数据。力求严谨，不能忽略每一个对实验结果有影响的因素，多分析探讨。还要有耐心做好多次的重复实验。四 问题分析1.名词解释半高宽：又称为半峰宽，是指吸收谱带高度最大处高度为一半时谱带的全宽。 净面积：光电峰的毛面积与本地面积之差。2.是否可以将137Cs和60Co的探测时间160s和320s互换进行实验？不可以，因为137Cs的放射性要强于60Co，互换后60Co实验时300秒并没有达到稳定状态，不能完整反映出其能谱特性。而137Cs在300秒时就可以达到稳定状态，没有必要用500秒的测量时间。3.为什么要将放大器的电压调零后再继续进行实验，如不调零会有什么问题？如不调零，将使实验物质在规定的探测时间内达不到稳定状态。从而影响实验的精确性，而且前面测量的结果会对后来的实验造成影响。4. 实验中每一块吸收物质的厚度是10毫米，若将两块5毫米的吸收物质用手压缩至10毫米，并进行实验，是否有影响？有影响，在两块吸收物质之间还将存有部分空气，可以吸收，所以