γ射线的吸收 2.doc

1、深 圳 大 学 实 验 报 告课程名称： 近代物理实验 实验名称： 射线的吸收 与物质吸收系数 的测定 学院： 物理科学与技术学院 专业： 组号： 指导教师： 报告人： 学号： 实验地点 实验时间： 实验报告提交时间： 得分 教师签名 批改日期一、实验目的：1了解 射线与物质相互作用的特性2了解窄束 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二实验内容1测量 137Cs 的 射线（0.661MeV 光电峰）在一组吸收片（铅、铝）中的吸收曲线，并用最小二乘原理拟合求线性吸收系数。2根据测到的的吸收系数计算材料的厚度。三、实验原理： 辐射是处于激发态原子核损失能量的最显著方式， 跃迁可定

2、义为一个核由激发态到较低的激发态、而原子序数 Z 和质量数 A 均保持不变的退激发过程。带电粒子( 或粒子等) 在一连串的多次电离和激发事件中不断地损失其能量，而 射线与物质的相互作用却在单次事件中便能导致完全的吸收或散射。简单地说，光子( 射线) 会与下列带电体发生相互作用：1）被束缚在原子中的电子；2）自由电子(单个电子) ；3）库仑场(核或电子的)；4）核子( 单个核子或整个核)。这些类型的相互作用可以导致下列三种效应中的一种：1）光子的完全吸收；2）弹性散射；3）非弹性散射。因此从理论上讲， 射线可能的吸收和散射有 12 种过程，但在从约 10KeV 到约 10MeV 范围内，大部分相

3、互作用产生下列过程中的一种： 低能时以光电效应为主。一个光子把它所有的能量给予一个束缚电子；核电子用其能量的一部分来克服原子对它的束缚，其余的能量则作为动能； 光子可以被原子或单个电子散射到另一方向，其能量可损失也可不损失。当光子的能量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，即所谓的康普顿效应，光子能量在 1MeV 左右时，这是主要的相互作用方式； 若入射光子的能量超过 1.02MeV，则电子对的生成成为可能。在带电粒子的库仑场中，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(2mc 2

4、=1.022MeV)。从上面的讨论可以清楚地看到，当 光子穿过吸收物质时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量； 射线一旦与吸收物质原子发生这三种相互作用，原来能量为 h的光子就消失，或散射后能量改变、并偏离原来的入射方向；总之，一旦发生相互作用，就从原来的入射 束中移去。 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

5、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。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）xNxeIIr00其中，I 0、I 分别是穿过物质前、后

6、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：pcph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5Zc2效应的截面都是随入射 射线的能量 E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。下图给出了铅对 射线的线性吸收

7、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/cm 2）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）/0)(eI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）0lnlnN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，如图所示。可以从这条直线的斜率求出，即/m（24）12llR物质对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 射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作：（25）693.02ln1d四实验仪器装置实验器材： 放射源 137Cs

8、(强度1.5 微居里)；200mAl 窗 NaI(Tl)闪烁探头；高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器；Pb、Al 吸收片若干。做 射线吸收实验的一般做法是如上图（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。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

9、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。五实验步骤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 137Cs 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=900

10、秒） ，并存下实验谱图。3 将 137Cs 放射源的鉛罐盖子盖上，测量鉛罐盖子对射线的吸收情况。4 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、N i。5 分别用作图法和最小二乘法计算 Pb、Al 吸收片材料对 137Cs 的 射线（取 0.661MeV 光电峰）的质量吸收系数。6 利用 Pb 对 137Cs 的 射线（取 0.661MeV 光电峰）的质量吸收系数估测放射源保护铅罐的盖子厚度。6、数据处理1、无遮挡时，测量空气中的 射线的强度：图 1、无遮挡的能谱图 图 2、无遮挡时能谱峰位信息通过测量并分析数据可得净面积为 125308，则此时测得的

11、射线强度 I0 为 125308。2、加入 1 块面密度为 2.58 g/cm2 Al 块 ( 即 Rm=2.58 g/cm2 )，测得 射线的强度：图 3、加 Al 块的能谱图 图 4、加 Al 块能谱峰位信息通过测量并分析数据可得净面积为 106763，则此时测得的 射线强度 I1 为 106763。根据 ，可得到RmeI0)( mRI/)ln(0m将数据 =125308， =106763，Rm=2.58 g/cm 2 ，代入上式可得： 0.0621cm2/g1 1m则线性吸收系数为： =0.0621cm2/g2.7g/cm3 0.168cm-1AlmAl 的理论线性吸收系数： -1lc9

12、4.0相对误差： 13.4%/1AllN3、加入 1 块面密度为 2.22 g/cm2Pb 块 ( 即 Rm=2.22 g/cm2 )，测得 射线的强度：图 5、加 Pb 块的能谱图 图 6、加 Pb 块能谱峰位信息通过测量并分析数据可得净面积为 96025，则此时测得的 射线强度 I2 为 96025。根据 ，可得到RmeI0)( mRI/)ln(0m将数据 =125308， =96025，Rm=2.22g/cm 2 ，代入上式可得： 0.120cm2/g2 2m则线性吸收系数为： =0.120cm2/g11.34g/cm3 =1.3608cm-1PbmPb 的理论线性吸收系数： -1c3.

13、相对误差： 12.18%0/2PbN4、加入 1 个铅盖子，测量其厚度图 7、加铅盖的能谱图 图 8、加铅盖能谱峰位信息通过测量并分析数据可得净面积为 20865，则此时测得的 射线强度 I3 为 20865。根据 ，可得xeI0 /)ln(0I将数据 =125308， =20865， =1.213，代入上式可得：3I cmx478.17、实验总结通过本次实验，了解 射线与物质相互作用的特性，并测量了 射线在不同物质中的吸收系数。从数据处理中计算得铝的吸收系数为 0.168cm-1，铅的吸收系数为 1.3608cm-1，并与铝和铅的理论吸收系数对，得到的相对误差分别是 13.4%和 12.18

14、%，两个实验数据的误差较大，可能是由放射性物质保存以及仪器使用不当导致测量数据的不准确。8、思考题1 什么叫 吸收？为什么说 射线通过物质时无射程概念？谈谈对 射线与物质相互作用机制的认识。答：1） 、 射线与物质的相互作用在电离和激发事件中便能导致被完全的吸收，叫做 吸收；2） 、 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；3） 、 射线与物质相遇时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应而损失能量，其结果是产生次级带电粒子如光电子、反冲电子或正负电子

15、对。次级带电粒子的能量与入射 光子的能量直接相关。因此可通过测量次级带电粒子的能量来求得 光子的能量。2 物质对 射线的吸收系数与哪些因素有关？答：物质对 射线的吸收系数与材料的原子序数 Z 和 射线能量有关。3.线性吸收系数和质量吸收系数有何关系？答： 是物质的线性吸收系数（= rN，单位为 cm） ， 的大小反映了物质吸收 射线能力的大小。 为质量吸收系数，线性吸收系数和质量吸收系数的关系: 。m m4. 为什么防护 射线要用重的物质，而防护中子要用轻的物质？答： 射线的穿透能力比中子强得多，所以防护 射线要用重的物质，而防护中子要用轻的物质。5.在计算峰面积时，三种方法各有什么优缺点？答

16、：1） 、全峰面积法（TPA 法）： 这种方法的误差受本底扣除的方式及面积的影响较大；但该方法利用了峰内全部的脉冲数，受峰的漂移和分辨率变化的影响最小，同时也比较简单。2） 、Covell 法：此方法提高了峰面积与本底面积的比值，结果受本底不确定的影响较小。但 n 的选择对结果的精度有较大的影响，n 选太大，失去采用道数较少的优点；若 n选得太小每则有容易受峰漂和分辨率变化的影响，同时 n 太小则基线较高，从而降低了峰面积与本底面积的相对比值。3） 、Wasson 法：这一方法进一步提高了峰面积与本底面积的比值，本底基线的不准和计数统计误差对峰面积准确计算的影响较小；而受分辨率变化的影响与 C

17、ovell 法相同，没有 TPA 法好。6.如何理解公式（3-1）表示的吸收？答：其中，I 0、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。7. 射线的主要特点是什么？答：Y 射线 由放射性同位素 如 60Co 或 137Cs 产生。是一种高能电磁波，波长很短，穿透力强，射程远，一次可照射很多材料，而且剂量比较均匀，危险性大，必须屏蔽。 8. 描述 射线与物质的三种主要作用方式？答：1） 、光电效应：介质原子作为一个整体与 光子发生电磁相互作用，结果吸收了一个 光子，并将 光子的全部能量传递给一个束缚垫子，电子摆脱原子束缚后发射出去。2） 、康普顿效应：当光子与物质原子中的一个电子发生弹性碰撞时，将部分能量传给电子，电子获得能量后脱离原子而运动，使物质电离。光子本身能量减少又改变了运动方向。3） 、电子对效应：一个光子的能量大于电子静止能量的两倍时，会在介质原子核库仑场中转换成一对正负电子。