伽马射线吸收系数的测量

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近代物理实验报告2-1 2-2

γ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γ射线在不同厚度的铅、铝中的吸收系数。通过对γ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：γ射线吸收系数? 60Co、137Cs放射源

引言：γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继α、β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γ射线。γ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，γ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。γ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γ射线与物质的相互作用效果不同，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。因此研究不同物质对γ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 γ射线与带电体的作用原理

γ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γ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：

γ光子还可以被原子或单个电子散射，当γ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，γ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γ光子能量减去这两个电子的静止质量能(2mc2=1.022MeV)

1.2 三种γ射线与带电体发生相互作用的基础上，物质对γ射线的吸收规律如下：

1.2.1作用特点：γ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

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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；γ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γ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γ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γ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γ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γ射线的吸收。γ射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即

I?I0e??rNx?I0e??x （2—1）

其中，I0、I分别是穿过物质前、后的γ射线强度，x是γ射线穿过的物质的厚度（单位cm），σr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，μ是物质的线性吸收系数（μ=σrN，单位为cm）。显然μ的大小反映了物质吸收γ射线能力的大小。

需要说明的是，吸收系数μ是物质的原子序数Z和γ射线能量的函数，且：

???ph??c??p

式中?ph、?c、?p分别为光电、康普顿、电子对效应的线性吸收系数；其中：

?ph?Z5、?c?Z、?p?Z2（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γ射线的能量E?和吸收物质的原子序数Z而改变。γ射线的线性吸收系数μ是三种效应的线性吸收系数之和。右图给出了铅对γ射线的线性吸收系数与γ射线能量的线性关系。

实际工作中常用质量厚度Rm（g/cm）来表示吸收体厚度，以消除密度的影响。因此（3—1）式可表达为

I(R)?I0e又对（3—2）式取对数得：

??mR/?2

（2—2）

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γ射线强度I成正比，

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? （2—3） lnN??mR?lnN

?0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。

?m/?可以从这条直线的斜率求出，即

21?m?

??lnN?lnNR2?R1（2—4）

除吸收系数?外，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：

d1/2?2实验装置 2.1实验器材

ln2??0.693? （2—5）

①γ放射源137Cs和60Co(强度≈1.5微居里)；②200?mAl窗NaI(Tl)闪烁探头； ③高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器；④Pb、Cu、Al吸收片若干；微机。

2.2实验装置连接方式

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做γ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γ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γ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γ源的源强约2微居里的情况下，由于专门设计了源准直孔（φ3?12mm），基本达到使γ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γ能谱，就可起到去除γ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γ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γ射线（取0.661MeV光电峰）的质量吸收系数。 6) 测量Pb、Al对60Co的γ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γ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γ放射源的Al吸收系数μ的测定。

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图.1

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上下两边参数设置相同

图.2