γ射线的吸收与物质吸收系数的测定.doc

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 γ 射线的吸收与物质吸收系数的测定测量物质对 γ 射线的吸收规律，不仅有助于了解 γ 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 γ 辐射，需要根据物质对 γ 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 γ 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 γ 射线与物质相互作用的规律2、测量不同能量的窄束 γ 射线在不同物质中的吸收系数实验原理】γ 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 γ 射线，与物质的作用以光电效应为主，如果 γ 射线能量接近 1MeV，康普顿效应将占主导地位，而当 γ 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 γ 射线，通常称为窄束 γ 射线单能的窄束 γ 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 γ 射线的吸收γ 射线强度的衰减服从指数规律，即（9-3-1 ）xxNeIIr00其中 I0和 I 分别是穿过吸收物质前、后的 γ 射线强度， x 是 γ 射线穿过吸收物质的厚度（单位为㎝） ，σ 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，μ 是吸收物质的线性吸收系数（ ，单位为㎝ -1） 。

显然 μ 的大小反映了r吸收物质吸收 γ 射线能力的大小需要注意的是，由于 γ 射线与吸收物质相互作用的三种效应的截面都是随入射 γ 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 μ 是吸收物质的原子序E数 Z 和 γ 射线能量 的函数考虑到 σ 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 μ 就可以表示为（9-3-2 ）pcph式中 、 、 分别为光电、康普顿、电了对效应的线性吸收系数，且phcp （9-3-3 ）25Zpcph从中可以看出线性吸收系数 μ 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 μ 与 γ 射线能量 之间的关系也比较复杂，并且随吸收物质的不E同而存在显著差别图 9-3-1 给出了铅、锡、铜、铝对 γ 射线的线性吸收系数 μ 与 γ 射线能量 之间的关系曲线E图 9-3-1 铅、锡、铜、铝对 γ 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 γ 射线的线性吸收系数 μ， 与 μ 的mm关系为（9-3-4）m其中 ρ 是吸收物质的密度（单位为 ） 。

用 表示的 γ 射线强度的指数衰减规律3cg为（9-3-5 ）mxeI0式中的 为吸收物质的质量厚度，单位为 因为xm2/cg（9-3-6）pcphArmN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 γ 射线强度 I 成正比，所以（9-3-5）式也可以表示为（9-3-7 ）mxe0对两边同时取对数，得（9-3-8 ）n0l显然， 与 具有线性关系，如图 9-3-2 所示nlmx图 9-3-2 — 曲线nlmx有时，物质对 γ 射线的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的 γ 射线强度减弱到一半时的吸收物质厚度，记作 ，在量值上为2/1d（9-3-9 ）ln2/1显然， 也是吸收物质的原子序数 Z 和 γ 射线能量 的函数利用半吸收厚度，可以2/1d E粗略估计 γ 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 60Coγ 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 γ 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 γ 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 γ 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 γ 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（700~750V）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 600s4、用一组铝吸收片测量对 137Cs 的 γ 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，3/7.2cmg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 γ 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，3/4.1c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 γ 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 γ 吸收其中选取的感兴趣范围是：90ch~~115ch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 γ 吸收数据表格0 片铝片 ROI=19244 Ln ROI=9.86 xm=0g/cm22 片铝片 ROI=13220 Ln ROI=9.49 xm= 3.72g/cm24 片铝片 ROI=9870 Ln ROI=9.19 xm= 7.44g/cm26 片铝片 ROI=6921 Ln ROI=8.84 xm=11.16g/cm2由表 1，运用最小二乘法可得 ln ROI 和 xm 的关系曲线ln ROT与 Xm的 关 系 曲 线y = -0.0903x + 9.8498.68.899.29.49.69.8100 2 4 6 8 10 12Xmln ROT由图不难得出， =0.0903cm2/g,已知铝的密度 ρ=2.7g/cm 3,由m m可得 μ=0.244由 可求得半吸收厚度 d1/2=2.841cm.ln2/1d2 用一组铅片测量对 Cs 的 γ 吸收其中选取的感兴趣范围是：90ch~~115ch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 γ 吸收数据表格0 片铝片 ROI=19244 Ln ROI=9.86 xm=0g/cm22 片铝片 ROI=6612 Ln ROI=8.80 xm= 4.92g/cm24 片铝片 ROI=4517 Ln ROI=8.42 xm= 9.84g/cm26 片铝片 ROI=3241 Ln ROI=8.08 xm=14.76g/cm2由表 2，运用最小二乘法可得 ln ROI 和 xm 的关系曲线ln ROT与 Xm的 关 系 曲 线y = -0.1163x + 9.6480246810120 2 4 6 8 10 12 14 16Xmln ROT由上图不难得出， =0.1163cm2/g,已知铅的密度 ρ=11.34g/cm 3,由m m可得 μ=1.319由 可求得半吸收厚度 d1/2=0.53cm.2ln/1d3、用一组铝片测量对 Co 的 γ 吸收其中选取的感兴趣范围是：195ch~~215ch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 γ 吸收数据表格0 片铝片 ROI=309 Ln ROI=5.73 xm=0g/cm22 片铝片 ROI=114 Ln ROI=4.74 xm= 3.72g/cm26 片铝片 ROI=84 Ln ROI=4.43 xm=11.16g/cm2由表 3，运用最小二乘法可得 ln ROI 和 xm 的关系曲线ln ROT与 Xm的 关 系 曲 线y = -0.1058x + 5.4914012345670 2 4 6 8 10 12Xmln ROT由上图可得出， =0.1058cm2/g,已知铝的密度 ρ=2.7g/cm 3,由m m可得 μ=0.286由 可求得半吸收厚度 d1/2=2.42cm.2ln/1d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 γ 射线穿过材料后的强度，根据公式 ，已知 γ 射线的初始强度 I0 和材料的线性吸收系数 μ 可求得材料xxNeIIr00的厚度 x。

2、闪烁体前有一厚度约 200 μm 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xen0μ 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 γ 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铝的吸收系数大，实验表明，密度大的材料对射线的吸收系数大参考资料1、褚圣鳞，原子物理学， 高等教育出版社，19792、复旦大学等，原子核物理实验方法（下册） ，原子能出版社，19823、吴泳华等，近代物理实验，安徽教育出版社，19874、北京大学等，核物理实验，原子能出版社，1984。