γ射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測(cè)定

1、材料物理 08-1XX 同組者： XXX指導(dǎo)老師： XXX 實(shí)驗(yàn)日期： 2010 年 04 月 11 號(hào)實(shí)驗(yàn)9-3 丫射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測(cè)定測(cè)量物質(zhì)對(duì)丫射線的吸收規(guī)律，不僅有助于了解丫射線與物質(zhì)的相互作用機(jī)理，而且， 作為一種重要的實(shí)驗(yàn)方法，在許多科學(xué)領(lǐng)域都發(fā)揮著巨大的作用。例如，為了有效地屏蔽丫輻射，需要根據(jù)物質(zhì)對(duì)丫射線的吸收規(guī)律來選擇合適的材料及厚度，反之，利用物質(zhì)對(duì)丫射線的吸收規(guī)律可以進(jìn)行探傷及測(cè)厚等。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、進(jìn)一步認(rèn)識(shí)丫射線與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。2、測(cè)量不同能量的窄束丫射線在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)。【實(shí)驗(yàn)原理】丫射線與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，主要有三種效應(yīng)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和

2、電子對(duì)效應(yīng)。對(duì)于低能丫射線，與物質(zhì)的作用以光電效應(yīng)為主，如果丫射線能量接近1MeV，康普頓效應(yīng)將占主導(dǎo)地位，而當(dāng)丫射線能量超過1.02MeV時(shí)，就有可能產(chǎn)生電子對(duì)效應(yīng)。準(zhǔn)直成平行束的丫射線， 通常稱為窄束丫射線。 單能的窄束丫射線在穿過物質(zhì)時(shí)，由于上述三種效應(yīng)，其強(qiáng)度會(huì)減弱，這種現(xiàn)象稱為丫射線的吸收。丫射線強(qiáng)度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即I0erNxI 0e9-3-1 )其中I。和I分別是穿過吸收物質(zhì)前、后的丫射線強(qiáng)度， x是丫射線穿過吸收物質(zhì)的厚度（單 位為cm）, “是光電、康普頓、電子對(duì)三種效應(yīng)截面之和， N是吸收物質(zhì)單位體積中原子數(shù),是吸收物質(zhì)的線性吸收系數(shù)（r N，單位為cm -1 ）。顯

3、然卩的大小反映了吸收物質(zhì)吸收丫射線能力的大小。需要注意的是，由于丫射線與吸收物質(zhì)相互作用的三種效應(yīng)的截面都是隨入射丫射線的能量E和吸收物質(zhì)的原子序數(shù) Z而變化，所以線性吸收系數(shù)是吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z和丫射線能量E的函數(shù)?？紤]到b r是光電、康普頓、電子對(duì)三種效應(yīng)截面之和，那么線性吸收系數(shù)就可以表 示為ph c p9-3-2 )式中 ph、c、 p 分別為光電、康普頓、電了對(duì)效應(yīng)的線性吸收系數(shù)，且phZ5ZZ29-3-3 )從中可以看出線性吸收系數(shù)與吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z 之間的復(fù)雜關(guān)系。對(duì)于線性吸收系數(shù)卩與丫射線能量E之間的關(guān)系也比較復(fù)雜，并且隨吸收物質(zhì)的不同而存在顯著差別。圖9-3-1給出了鉛

4、、錫、銅、鋁對(duì)丫射線的線性吸收系數(shù)卩與丫射線能量E之間的關(guān)系曲線。圖9-3-1鉛、錫、銅、鋁對(duì)丫射線的吸收系數(shù)和能量的關(guān)系m與卩的關(guān)實(shí)際工作中常用質(zhì)量吸收系數(shù)系為m表示物質(zhì)對(duì)丫射線的線性吸收系數(shù)卩，m(9-3-4 )其中P是吸收物質(zhì)的密度（單位為g/cm3 ）。用 m表示的丫射線強(qiáng)度的指數(shù)衰減規(guī)律為m Xm(9-3-5)式中的xm x為吸收物質(zhì)的質(zhì)量厚度，單位為 g / cm2。因?yàn)閞N NaT ph(9-3-6 )其中Na是阿佛加德羅常數(shù)，A是原子量數(shù)。所以質(zhì)量吸收系數(shù)與吸收物質(zhì)的密度及物理狀 態(tài)無關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用上也就更為方便。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，由于某一時(shí)刻的計(jì)數(shù)率 n總是與該時(shí)刻的丫射線強(qiáng)

5、度I成正比，所以（9-3-5 ）式也可以表示為n°e(9-3-7)對(duì)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得ln n ln n°mXm(9-3-8)顯然，In n與Xm具有線性關(guān)系，如圖9-3-2所示。圖 9-3-2 Inn xm曲線有時(shí)，物質(zhì)對(duì)丫射線的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的丫射線強(qiáng)度減弱到一半時(shí)的吸收物質(zhì)厚度，記作d1/2，在量值上為d In2d1/2(9-3-9)顯然，d1/2也是吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z和丫射線能量 E的函數(shù)。利用半吸收厚度，可以粗略估計(jì)丫射線的能量?！緦?shí)驗(yàn)裝置與器材】實(shí)驗(yàn)裝置如圖9-3-3所示，包括137Cs和60Co 丫放射源、Nal （Tl）閃爍探

6、測(cè)器、多道脈 沖幅度分析器（含多道分析軟件，其操作方法請(qǐng)閱讀儀器使用說明書）、計(jì)算機(jī)，以及多個(gè) 鉛吸收片和鋁吸收片等。圖9-3-3 丫射線的吸收測(cè)量裝置由于實(shí)驗(yàn)中采用Nal（ TI）閃爍探測(cè)器，配合多道脈沖幅度分析器進(jìn)行測(cè)量，在計(jì)算機(jī) 上顯示的是丫射線的全能譜，考慮到本底、計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)漲落及光標(biāo)定位不準(zhǔn)的影響，所以無法直接準(zhǔn)確得到某一能量丫射線在某一時(shí)刻的計(jì)數(shù)率，比較好的解決辦法是，在相同實(shí)驗(yàn)條件下（放射源與探測(cè)器的位置不變，探測(cè)器工作電壓和放大倍數(shù)不變，并保證相同的測(cè)量時(shí)間），首先獲得不同吸收厚度下的丫射線全能譜，然后計(jì)算所選光電峰的凈面積A （多道分析軟件中包含此功能），以此替代前述公式中的n

7、或I。凈面積的計(jì)算方法有三種，分別是 TPA算法、Covell算法和 Wasson算法，如圖9-3-4所示。這些算法中，TPA算法比較簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確 度也較高，因此在手工計(jì)算時(shí)，建議采用這種算法，具體做法請(qǐng)閱讀相關(guān)資料。圖9-3-4凈面積算法示意圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、閱讀儀器使用說明，掌握儀器及多道分析軟件的使用方法。2、儀器開機(jī)并調(diào)整好工作電壓（700750V ）和放大倍數(shù)后，預(yù)熱 30分鐘左右。3、 在多道分析軟件中調(diào)整預(yù)置時(shí)間為600s。4、 用一組鋁吸收片測(cè)量對(duì)137Cs的丫射線（取0.662MeV光電峰）的吸收曲線，并用最3小二法原理擬合求質(zhì)量吸收系數(shù)。根據(jù)鋁的密度（2.7g/cm ）求線性

8、吸收系數(shù)，與理論值（0.194 cm-1）比較，求相對(duì)不確定度。計(jì)算半吸收厚度。5、 用一組鉛吸收片測(cè)量對(duì) 137Cs的丫射線（取0.662MeV光電峰）的吸收曲線，并用最 小二法原理擬合求質(zhì)量吸收系數(shù)。根據(jù)鉛的密度（11.34 g/cm3 ）求線性吸收系數(shù)，與 理論值（1.213 cm-1）比較，求相對(duì)不確定度。計(jì)算半吸收厚度。6、用一組鋁吸收片測(cè)量對(duì) 60Co的丫射線（取1.17MeV或1.33MeV光電峰）吸收曲線， 并用最小二法原理擬合求線性吸收系數(shù)、質(zhì)量吸收系數(shù)和半吸收厚度。數(shù)據(jù)處理1用一組鋁片測(cè)量對(duì)Cs的丫吸收其中選取的感興趣范圍是：90ch115ch用0片鋁片測(cè)量截圖用2片鋁片測(cè)

9、量截圖用4片鋁片測(cè)量截圖用6片鋁片測(cè)量截圖表1用一組鋁片測(cè)量對(duì) Cs的丫吸收數(shù)據(jù)表格0片鋁片ROI=19244Ln ROI=9.86xm=0g/cm 22片鋁片ROI=13220Ln ROI=9.49xm= 3.72g/cm24片鋁片ROI=9870Ln ROI=9.192xm= 7.44g/cm6片鋁片ROI=6921Ln ROI=8.842xm=11.16g/cm由表1,運(yùn)用最小二乘法可得ln ROI和xm的關(guān)系曲線由圖不難得出,m=0.0903cm2/g,已知鋁的密度 p =2.7g/cm；由可得卩=0.244由 d1/2 昨 可求得半吸收厚度di/2=2.841cm.2用一組鉛片測(cè)量對(duì)

10、Cs的Y吸收其中選取的感興趣范圍是：90ch115ch用0片鉛片測(cè)量截圖用2片鉛片測(cè)量截圖用4片鉛片測(cè)量截圖用6片鉛片測(cè)量截圖表2用一組鉛片測(cè)量對(duì) Cs的丫吸收數(shù)據(jù)表格0片鋁片ROI=19244Ln ROI=9.862xm=0g/cm2片鋁片ROI=6612Ln ROI=8.802xm= 4.92g/cm4片鋁片ROI=4517Ln ROI=8.42xm= 9.84g/cm26片鋁片ROI=3241Ln ROI=8.082xm=14.76g/cm由表2，運(yùn)用最小二乘法可得ln R0I和xm的關(guān)系曲線由上圖不難得出，m=0.1163cm2/g,已知鉛的密度p =11.34g/cm：由 m可得卩=

11、1.319由 d1/2 可求得半吸收厚度d1/2=0.53cm.3、用一組鋁片測(cè)量對(duì) Co的Y吸收其中選取的感興趣范圍是：195ch215ch用0片鋁片測(cè)量截圖用2片鋁片測(cè)量截圖用6片鋁片測(cè)量截圖表3用一組鋁片測(cè)量對(duì) Co的丫吸收數(shù)據(jù)表格0片鋁片ROI=309Ln ROI=5.732xm=0g/cm2片鋁片ROI=114Ln ROI=4.74xm= 3.72g/cm26片鋁片ROI=84Ln ROI=4.432xm=11.16g/cm由表3，運(yùn)用最小二乘法可得ln ROI和xm的關(guān)系曲線由上圖可得出,m=0.1058cm2/g,已知鋁的密度 p =2.7g/cm：由可得卩=0.286由 di/

12、2 可求得半吸收厚度di/2=2.42cm.思考題1、如何用本實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量一定材料的厚度？答：可用待測(cè)材料代替試驗(yàn)中的鋁片和鉛片，測(cè)量丫射線穿過材料后的強(qiáng)度，根據(jù)公式rN XI l°eIxI0e，已知丫射線的初始強(qiáng)度I0和材料的線性吸收系數(shù)卩可求得材料的厚度X。2、閃爍體前有一厚度約 200卩m的鋁質(zhì)密封窗，試分析其對(duì)測(cè)量結(jié)果有何影響？答：沒有影響，根據(jù) n nge mXm，試驗(yàn)中n與n。都會(huì)有一定程度的衰減，因此對(duì)卩m的計(jì)算沒有影響3、實(shí)驗(yàn)中，是否可以用全譜總計(jì)數(shù)率代替光電峰的凈面積？為什么？答：不可以，因?yàn)橐紤]到本地、計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)漲落及光標(biāo)定位不準(zhǔn)等因素的影響。4、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，談?wù)勗谳椛涞钠帘畏雷o(hù)方面應(yīng)如何選擇材料。答：選材前要測(cè)一下材料對(duì)射線的半吸收厚度，盡量將輻射的影響降到最低。5、