γ射线的吸收与物质吸收系数的测定

1、指导老师：XXX实验日期：2010年04月11号实验9-3丫射线的吸收与物质吸收系数的测定测量物质对丫射线的吸收规律，不仅有助于了解丫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，为了有效地屏蔽丫辐射，需要根据物质对丫射线的吸收规律来选择合适的材料及厚度，反之，利用物质对丫射线的吸收规律可以进行探伤及测厚等。【实验目的】1、进一步认识丫射线与物质相互作用的规律。2、测量不同能量的窄束丫射线在不同物质中的吸收系数。【实验原理】丫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。对于低能丫射线，与物质的作用以光电效应为主，如果

2、丫射线能量接近 1MeV,康普顿效应将占主导地位，而当丫射线能量超过 1.02MeV 时，就有可能产生电子对效应。准直成平行束的丫射线，通常称为窄束丫射线。单能的窄束丫射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度会减弱，这种现象称为丫射线的吸收。丫射线强度的衰减服从指数规律，即rNx._xI=I0e=I0e（9-3-1）其中 I0 和 I 分别是穿过吸收物质前、后的丫射线强度，x 是丫射线穿过吸收物质的厚度（单位为 cm）,哈是光电、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，科是吸收物质的线性吸收系数（N=crrN,单位为 cm-1）。显然科的大小反映了吸收物质吸收丫射线能

3、力的大小。需要注意的是，由于丫射线与吸收物质相互作用的三种效应的截面都是随入射丫射线的能量 Ey 和吸收物质的原子序数 Z 而变化，所以线性吸收系数科是吸收物质的原子序数 Z 和丫射线能量 E 了的函数。考虑到八是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，那么线性吸收系数科就可以表示为N%h+匕+匕（9-3-2）式中Nph、c、Np分别为光电、康普顿、电了对效应的线性吸收系数，且(9-3-3)材料物理08-1XX同组者：XXX“Z2从中可以看出线性吸收系数W与吸收物质的原子序数 Z 之间的复杂关系。对于线性吸收系数科与丫射线能量Ey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

4、-3-1 给出了铅、锡、铜、铝对丫射线的线性吸收系数科与丫射线能量Ey之间的关系曲线。图 9-3-1 铅、锡、铜、铝对丫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 Nm 表示物质对丫射线的线性吸收系数科，m 与科的关系为m=p（9-3-4）其中P是吸收物质的密度（单位为g/cm3）。用Rm表示的丫射线强度的指数衰减规律为mxm，一一、l0e（9-3-5）式中的Xm=xP为吸收物质的质量厚度，单位为g/cm2。因为,口rNNANm=0=7A日前c+0rp）（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

5、相同实验条件下，由于某一时刻的计数率 n 总是与该时刻的丫射线强度 I 成正比，所以(9-3-5)式也可以表示为n=n0e.对两边同时取对数，得lnn=lnn0-Nmxm(9-3-8)显然，Inn与xm具有线性关系，如图 9-3-2 所示。图 9-3-2lnn-xm曲线有时，物质对丫射线的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的丫射线强度减弱到一半时的吸收物质厚度，记作d1/2,在量值上为略估计丫射线的能量。【实验装置与器材】实验装置如图 9-3-3 所示，包括137cs 和60Co 丫放射源、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)

6、、计算机，以及多个铅吸收片和铝吸收片等。(9-3-7)显然，di/2也是吸收物质的原子序数d1/2ln2(9-3-9)Z 和丫射线能量 Ey 的函数。利用半吸收厚度，可以粗图 9-3-3 丫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丫射线的全能谱，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丫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丫射线全能谱，然后计算所选光电峰的净面积

7、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 的丫射线（取 0.662MeV 光电峰）的吸收曲线，

8、并用最小二法原理拟合求质量吸收系数。根据铝的密度（P=2.7g/cm3）求线性吸收系数，与理论值（0.194cm-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 的丫射线（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（P=11.34g/cm3）求线性吸收系数，与理论值（1.213cm-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 的丫射线（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 C

9、S 的丫吸收其中选取的感兴趣范围是:用 0 片铝片测量截图90ch-115chROJiE*R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 的丫吸收数据表格0 片铝片ROI=19244LnROI=9.86c,2xm=0g/cm2 片铝片ROI=13220LnROI=9.49crc，2xm=3.72g/cm4 片铝片ROI=9870LnROI=9.19r-，2xm=7.44g/cm6 片铝片ROI=6921LnROI=8.84/，2xm=11.16g/cm由图不难得出，Nm=0.0903cm2/g,已知铝的密度 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 用一组铅片测量对 Cs 的 Y 吸收其中选取的感兴趣范围是:用 0 片铅片测量截图90ch-115ch由表 1,运用最小二乘法可得 lnROI 和 xm的关系曲线用 2 片铅片测量截图27154bll用 4 片铅片测量截图153用 6 片铅片测量截图表 2 用一组铅片测量对 Cs 的丫吸收数据表格0 片铝片ROI=19244LnROI=9.86c,2xm=0g/cm2 片铝片ROI=6612LnROI=8.80，八 c，2xm=4.92g/cm4 片铝片ROI=4517LnROI=8.422xm=9.84g/cm6 片

11、铝片ROI=3241LnROI=8.08rc，2xm=14.76g/cmdGIri1L*1HUI IL*IHII IaII由表 2,运用最小二乘法可得 lnROI 和 xm的关系曲线lnROT 与 Xm 勺关系曲线Xm由上图不难得出，Nm=0.1163cm2/g,已知铅的密度 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、用一组铝片测量对 Co 的丫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129酒 00511表 3 用一组铝片测量对 Co 的丫吸收数据表格0

12、 片铝片ROI=309LnROI=5.73c,2xm=0g/cm2 片铝片ROI=114LnROI=4.74crc，2xm=3.72g/cm6 片铝片ROI=84LnROI=4.43，2xm=11.16g/cm2S51?R由表 3,运用最小二乘法可得 lnROI 和 xm的关系曲线由上图可得出，Nm=0.1058cm2/g,已知铝的密度 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，测量丫射线穿过材料后的强度，根据公式度XO2、闪烁体前有一厚度约 200pm 的铝质密封窗，试分析其对测量结果有何影响？-x答：没有影响，根据n=/emm,试验中 n 与 n0都会有一定程度的衰减，因此对dm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丫射线的吸收系数与哪些因素有关？答：由实验结果看，铅对一定射线的吸收系数要比