γ射线的吸收与物质吸收系数的测定.docVIP

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） 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㎝），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数Z和γ射线能量的函数。 考虑到σr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） 式中、、分别为光电、康普顿、电了对效应的线性吸收系数，且 （9-3-3） 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。 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的关系为 （9-3-4） 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为 （9-3-5） 式中的为吸收物质的质量厚度，单位为。因为 （9-3-6） 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） 对两边同时取对数，得 （9-3-8） 显然，与具有线性关系，如图9-3-2所示。 图9-3-2 —曲线 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 （9-3-9） 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