伽马射线吸收系数的测量.doc

近代物理实验报告2-1 2-2射线的吸收与物质吸收系数的测定初阳学院综合理科081班 马甲帅 08800140指导老师 林根金摘要：本实验研究的主要是窄束射线在金属物质中的吸收规律。测量射线在不同厚度的铅、铝中的吸收系数。通过对射线的吸收特性，分析与物质的吸收系数与物质的面密度，厚度等因素有关。根据已知一定放射源对一定材料的吸收系数来测量该材料的厚度。关键词：射线 吸收系数 60Co、137Cs放射源引言：射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继、射线后发现的第三种原子核射线。原子核衰变和核反应均可产生射线 。射线具有比X射线还要强的穿透能力。射线是处于激发态原子核损失能量的最显著方式，跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激发态、而原子序数Z和质数A均保持不变的退激发过程。射线是光子，光子会与被束缚在原子中的电子、自由电子、库伦场、核子等带电体发生相互作用。不同能量的射线与物质的相互作用效果不同，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。因此研究不同物质对射线的吸收规律的现实意义非常巨大，如在核技术的应用与辐射防护设计和材料科学等许多领域都有应用。正文1实验原理1.1 射线与带电体的作用原理射线与带电体的相互作用会导致三种效应中的一种。理论上讲，射线可能的吸收核散射有12种过程。这些效应所释放的能量在10KeV到10MeV之间的只有三种，也就是基本上每种相互作用都产生一种主要的和吸收散射过程。这三种主要过程是：1.1.1光电效应：低能光子所有的能量被一个束缚电子吸收，核电子将其能量的一部分用来克服原子对它的束缚，成为光电子；其余的能量则作为动能，发生光电效应。1.1.2 康普顿效应：光子还可以被原子或单个电子散射，当光子的能量（约在1MeV）大大超过电子的结合能时，光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子 ，使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向都发生了变化，发生康普顿效应。1.1.3 电子对效应：若入射光子的能量超过1.02MeV，光子在带电粒子的库仑场作用下则可能产生正、负电子对，产生的电子对总动能等于光子能量减去这两个电子的静止质量能(2mc2=1.022MeV) 1.2 三种射线与带电体发生相互作用的基础上，物质对射线的吸收规律如下：1.2.1作用特点：射线与物质原子间的相互作用只要发生一次碰撞就是一次大的能量转移；它不同于带电粒子穿过物质时，经过许多次小能量转移的碰撞来损失它的能量。带电粒子在物质中是逐渐损失能量，最后停止下来，有射程概念；射线穿过物质时，强度逐渐减弱，按指数规律衰减，不与物质发生相互作用的光子穿过吸收层，其能量保持不变，因而没有射程概念可言，但可用“半吸收厚度”来表示射线对物质的穿透情况。1.2.2吸收规律：本实验研究的主要是窄束射线在物质中的吸收规律。所谓窄束射线是指不包括散射成份的射线束，通过吸收片后的光子，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。“窄束”一词是实验上通过准直器得到细小的束而取名。这里所说的“窄束”并不是指几何学上的细小，而是指物理意义上的“窄束”，即使射线束有一定宽度，只要其中没有散射光子，就可称之为“窄束”。窄束射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度就会减弱，这种现象称为射线的吸收。射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即 （21）其中，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（=rN，单位为cm）。显然的大小反映了物质吸收射线能力的大小。需要说明的是，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。右图给出了铅对射线的线性吸收系数与射线能量的线性关系。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。因此（31）式可表达为 （22）由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率N总与该时刻的射线强度I成正比，又对（32）式取对数得： （23）由此可见，如果将吸收曲线在半对数坐标纸上作图，将得出一条直线，如右图所示。可以从这条直线的斜率求出，即 （24）除吸收系数外，物质对g射线的吸收能力也经常用“半吸收厚度”表示。所谓“半吸收厚度”就是使入射的g射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作： （25）2实验装置2.1实验器材放射源137Cs和60Co(强度1.5微居里)；200mmAl窗NaI(Tl)闪烁探头；高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器；Pb、Cu、Al吸收片若干；微机。2.2实验装置连接方式做射线吸收实验的一般做法可按如上图（a）所示，在源和探测器之间用中间有小圆孔的铅砖作准直器。吸收片放在准直器中间,前部分铅砖对源进行准直；后部分铅砖则滤去射线穿过吸收片时因发生康普顿散射而偏转一定角度的那一部分射线，从而确保射线为窄束射线。这样的装置体积比较大，且由于吸收片前后两个长准直器使放射源与探测器的距离较远，因此放射源的源强需在毫居里量级。但它的窄束性、单能性较好，因此只需闪烁计数器记录。本实验中，在源的源强约2微居里的情况下，由于专门设计了源准直孔（312mm），基本达到使射线垂直出射；而由于探测器前有留有一狭缝的挡板，更主要由于用多道脉冲分析器测能谱，就可起到去除射线与吸收片产生康普顿散射影响的作用。因此，实验装置就可如上图（b）所示，这样的实验装置在轻巧性、直观性及放射防护方面有前者无法比拟的优点，但它需要用多道分析器，在一般的情况下，显得有点大材小用，但在本实验中这样安排，可以说是充分利用现有的实验条件。3实验步骤1) 调整实验装置，使放射源、准直孔、闪烁探测器的中心位于一条直线上。2) 在闪烁探测器和放射源之间加上0、1、2 片已知质量厚度的吸收片（所加吸收片最后的总厚度要能吸收射线70%以上），进行定时测量（建议t=1200秒），并存下实验谱图。3) 计算所要研究的光电峰净面积Ai=Ag-Ab，这样求出的Ai就对应公式中的Ii、Ni。4) 分别用作图法和最小二乘法计算吸收片材料的质量吸收系数。5) 依照上述步骤测量Pb、Al对137Cs的射线（取0.661MeV光电峰）的质量吸收系数。6) 测量Pb、Al对60Co的射线（取1.17、1.33MeV光电峰或1.25MeV综合峰）的质量吸收系数（选做）。7) 利用Al对137Cs的射线（取0.661MeV光电峰）的质量吸收系数测Al片厚度。4 数据记录4.1 137Cs与60Co为伽马放射源的全能谱见附件。4.2 以下是在以金属Al测试以137Cs为放射源的Al吸收系数的测定。图.1上下两边参数设置相同图.2图.3图.45 数据分析运用公式2-4可以计算出Al对射线的吸收系数为:Al=0.10512cm-1，相对误差=45.8%.Pb对射线的吸收系数为:Pb=1.34579cm-1，相对误差=10.9%.6 误差分析从5中的误差结果不难看出，本实验中的误差较大，特别是Al对射线的吸收系数相对误差达到了45.8%在实验中是绝对不允许的，下面我将对可能导致实验误差的原因进行分析。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。5 实验结果也会受到NaI(TI)闪烁晶体制造工艺的影响，晶体的透明度不好，使晶体发射的部分荧光光子被其本体吸收，或者闪烁体与光阴极的光学接触不好，致使荧光光子的收集不完全，从而导致数据的偏差。7结束语本实验对实验者的要求较高，实验数据需要较强的数学软件处理能力，认真完成对学生的动手能力以及理论知识都会有一定提高。我们也可以在此实验的基础上研究X射线吸收系数的测量以及射线吸收系数的测量。参考文献1林根金等.近代物理实验讲义M.浙江师范大学数理信息学院近代物理实验 室.2009:54