實驗2γ射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)μ的測定實驗報告

近代物理實驗報告Y射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)測定學(xué) 院數(shù)理與信息工程學(xué)院班 級光信081班姓 名陳亮學(xué) 號 08620114時 間2011年04月27日Y射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)卩的測定班級：光信081姓名：陳亮學(xué)號：08620114摘要：學(xué)會NaI(Tl)單晶Y閃爍體整套裝置的操作、調(diào)整和使用;在此基礎(chǔ)上測量137Cs和60Co的Y能譜，求出能量變化率、峰康比、線性等各項指標(biāo)，并分析譜形；了解多道脈沖幅度分析器在NaI(Tl)單晶Y譜測量中的數(shù)據(jù)采集及其基本功能，在數(shù)據(jù)處理中包括對譜形進行光滑、尋峰，曲線擬合等。通過測量137Cs和60Co的Y射線的吸收曲線，研究Y射線與物質(zhì)(被束縛在原子中的電子、自有電子、庫侖場、核子)相互作用的特性，了解窄束Y射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律及測量其在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)。關(guān)鍵字：Y射線能譜物質(zhì)吸收系數(shù)卩光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對效應(yīng)引言：原子核由高能級向低能級躍遷時會輻射射線，它是一種波長極短的電磁波，其能量由原子核躍遷前后的能級差來表示即：射線與物質(zhì)發(fā)生相互作用則產(chǎn)生次級電子或能量較低的射線，將射線的次級電子按不同能量分別進行強度測量，從而得到輻射強度按能量的分布即為“能譜”。測量能譜的裝置稱為“能譜儀”。閃爍探測器是利用帶電粒子或非帶電粒子與某些物質(zhì)的相互作用下轉(zhuǎn)化成為帶電粒子對物質(zhì)原子的激發(fā)，從而會產(chǎn)生發(fā)光效應(yīng)的特性來測量射線的儀器。它的主要優(yōu)點是即能測量各種類型的帶電粒子，又能探測中性粒子；即能測量粒子強度，又能測量粒子能量；并且探測效率高。Y射線，又稱Y粒子流，是原子核能級躍遷蛻變時釋放出的射線，是波長短于0.2埃的電磁波。首先由法國科學(xué)家P.V.維拉德發(fā)現(xiàn)，是繼a、B射線后發(fā)現(xiàn)的第三種原子核射線。原子核衰變和核反應(yīng)均可產(chǎn)生Y射線。Y射線的波長比X射線要短，所以Y射線具有比X射線還要強的穿透能力。當(dāng)Y射線通過物質(zhì)并與原子相互作用時會產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和正負電子對三種效應(yīng)。原子核釋放出的Y光子與核外電子相碰時，會把全部能量交給電子，使電子電離成為光電子，此即光電效應(yīng)。由于核外電子殼層出現(xiàn)空位，將產(chǎn)生內(nèi)層電子的躍遷并發(fā)射X射線標(biāo)識譜。高能Y光子（＞2兆電子伏特）的光電效應(yīng)較弱。Y光子的能量較高時，除上述光電效應(yīng)外，還可能與核外電子發(fā)生彈性碰撞，Y光子的能量和運動方向均有改變，從而產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。當(dāng)Y光子的能量大于電子靜質(zhì)量的兩倍時，由于受原子核的作用而轉(zhuǎn)變成正負電子對，此效應(yīng)隨Y光子能量的增高而增強。Y光子不帶電，故不能用磁偏轉(zhuǎn)法測出其能量，通常利用Y光子造成的上述次級效應(yīng)間接求出，例如通過測量光電子或正負電子對的能量推算出來。此外還可用Y譜儀（利用晶體對Y射線的衍射）直接測量Y光子的能量。由熒光晶體、光電倍增管和電子儀器組成的閃爍計數(shù)器是探測Y射線強度的常用儀器。通過對Y射線譜的研究可了解核的能級結(jié)構(gòu)。Y射線有很強的穿透力，工業(yè)中可用來探傷或流水線的自動控制。Y射線對細胞有殺傷力，醫(yī)療上用來治療腫瘤。Y射線是原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)或基態(tài)時所發(fā)出的一種輻射，其輻射的能量由原子核躍遷前后兩能級的能量之差決定。由于Y射線的能量與原子核激發(fā)態(tài)的能級密切相關(guān)，因此，Y射線能量的測量對于了解原子核的結(jié)構(gòu)、獲得原子核內(nèi)部的信息是一個十分重要的途徑。正文實驗?zāi)康牧私釿射線與物質(zhì)相互作用的特性；了解窄束Y射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律；測量其在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)。實驗原理Y輻射是處于激發(fā)態(tài)原子核損失能量的最顯著方式，其產(chǎn)生的原因主要有：①€、卩衰變引起的副產(chǎn)品；②核反應(yīng)；③基態(tài)激發(fā)。Y射線會與被束縛在原子中的電子、自由電子、庫侖場、核子等帶電體發(fā)生相互作用，大部分作用是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)中的一種。低能時以光電效應(yīng)為主；當(dāng)光子能量大大超過電子的結(jié)合能時，以康普頓效應(yīng)為主；只有當(dāng)入射光子能量超過1.02MeV,電子對的生成才成為可能。本實驗研究的主要是窄束Y射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律。所謂窄束Y射線是指不包括散射成份的射線束，通過吸收片后的Y光子，僅由未經(jīng)相互作用或稱為未經(jīng)碰撞的光子所組成。

窄束Y射線在穿過物質(zhì)時，由于上述三種效應(yīng)，其強度就會減弱，這種現(xiàn)象稱為Y射線的吸收。Y射線強度隨物質(zhì)厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即I=Ie-oNx=Ie，€x

00 （1）其中，10、I分別是穿過物質(zhì)前、后的Y射線強度，x是Y射線穿過的物質(zhì)的厚度（單位cm）,or是光電、康普頓、電子對三種效應(yīng)截面之和，N是吸收物質(zhì)單位體積中的原子數(shù),卩是物質(zhì)的線性吸收系數(shù)（卩=orN，單位為cm）。顯然u的大小反映了物質(zhì)吸收Y射線能力的大小。實際工作中常用質(zhì)量厚度Rm（g/cm2）來表示吸收體厚度，以消除密度的影響。因此（1）式可表達為(2)由于在相同的實驗條件下,對（2）式取對數(shù)得：InN=-€mR由于在相同的實驗條件下,對（2）式取對數(shù)得：InN=-€mR+InN?0(3)若將吸收曲線在半對數(shù)坐標(biāo)紙上作圖，將得出一條直線，如圖所示。um/P可以從這條直線的斜率求出，即€InN一InN————m= 2 1(4)PR(4)2_ln2_0.693一"一~(5_ln2_0.693一"一~(5)d12放射源i37Cs（強度~2微居里）；200mmAl窗Nal（Tl）閃爍探頭；高壓電源、放大器、多道脈沖幅度分析器；Al與Pb吸收片若干實驗步驟：測量137CS的Y射線在Al吸收片和Pb吸收片中的吸收曲線，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)求得線性吸收系數(shù)u。1?調(diào)整實驗裝置，使放射源、準(zhǔn)直孔、閃爍探測器的中心位于一條直線上；在閃爍探測器和放射源之間加上0、1、2…片已知質(zhì)量厚度的吸收片，進行定時測量（t=300秒）；3?分別記錄片數(shù)n=0,l,2,3,4時的R。、R2、R3、R4所對應(yīng)的光電峰計數(shù)N0、N1、N2、N3、N。4ulnN—lnN lnN—lnN02、嘰4?根據(jù)公式-P=R2R1得u=-p r2r1計算吸收片材料的質(zhì)量吸收系數(shù)u、02、嘰p R—R R—R 012121u、u、u、u、u、u、u。并求平均值u。04 12 13 14 23 24 345?依照上述步驟測量Al和Pb對i37Cs的Y射線的質(zhì)量吸收系數(shù)u、u。AlPb6.整理儀器，經(jīng)教師檢查簽字離開。

數(shù)據(jù)處理計算吸收系數(shù)卩所用的放射性元素：i37Cs，電壓U=684,P=2.7g/cm3,p=11.34g/cm3AlPbAl的吸收系數(shù)組別12345質(zhì)量厚度（g/cm2）02.484.937.379.94計數(shù)率869765709666630峰位（chn）160.71160.51160.55160.46160.47半咼寬（chn）15.2614.6714.5914.5814.38凈面積2785323741195931635913379分辨率9.49%9.14%9.09%9.08%&96%計數(shù)18371634139311821042對上述數(shù)據(jù)進行兩兩分組，這樣可以得到10組數(shù)據(jù)，通過計算可得到10個卩的值。計算吸收系數(shù)公式為：各組兩兩對應(yīng)后代入公式卩的值卩l(xiāng)nN一lnN—m二 2 1pR一R2110.13140.15330.16270.15482/0.17630.17890.16293//0.18150.15634///0.1324平均值A(chǔ)=0.1591cm-1Pb的吸收系數(shù)組別12345質(zhì)量厚度（g/cm2）02.084.166.268.36計數(shù)率869638527434363峰位（chn）160.71160.45161.02160.65160.9半咼寬（chn）15.2615.4114.8414.8414.78凈面積2785323150184101455911578分辨率9.49%9.59%9.22%9.24%9.19%計數(shù)183715511209965828各組兩兩對應(yīng)后代入公式A的值組別234510.93861.14871.17311.08612/1.35871.28981.13503//1.22151.02424///0.8269平均值A(chǔ)=1.1203cm-1實驗分析與總結(jié)通過本次實驗了解閃爍探測器的結(jié)構(gòu)與原理，了解射線與物質(zhì)相互作用的特性以及窄束射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律及測量其在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)。另外通過這次實驗對核技術(shù)有個初步的了解。本次實驗實驗實現(xiàn)了對137CS和60Co的Y射線能譜的測量，但所得的實驗結(jié)果存在一定的誤差，通過差資料可能原因有：i）、閃爍體由于長期使用性能下降，使有效的閃爍次數(shù)減少；ii）、計數(shù)不夠多，能譜峰值處的橫向座標(biāo)還不夠穩(wěn)定就讀了數(shù)iii）、調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的器件本身有儀器誤差。在吸收系數(shù)卩的測定的實驗中所得的結(jié)果與理論值也存在這偏差，可能的原因有：i）、由于每次試驗中探測器與放射源的距離都相等，這樣導(dǎo)致每次試驗過程中探測器與放射源之間的空氣厚度不一樣，由于空氣對Y涉嫌也具有吸收能力，這樣增加了實驗的誤差；ii）、在試驗中Al片與Pb片的放置位置不是很規(guī)則，它們之間存在一定間隙，對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響；iii）、試驗次數(shù)太少，導(dǎo)致偶然誤差較大；iv）、NaI（TI）閃爍晶體的發(fā)光效率受溫度的影響，在不同的溫度下，同樣能量的Y射線打出的光子數(shù)會發(fā)生變化，其結(jié)果必然會影響實驗的準(zhǔn)確性。在試驗的過程中要特別注意人身安全。在實驗過程中一定要小心拿取放置放射源，并時刻注意時刻注意射線的位置及其朝向。實驗結(jié)束后必須注意把電壓與放大系數(shù)調(diào)零，以避免下次開機電壓過高造成損壞。實驗問題分析1、 測定吸收系數(shù)時減少AL或Pb的塊數(shù)時是否應(yīng)將探頭往里移動緊貼？答：保持單一變量原則，在Al與Pb對比實驗中不能改變探頭與材料間距離