镍铬合金材料对γ射线屏蔽性能的研究.doc

橡胶材料对γ射线屏蔽性能的研究 材物08-1班 郭亮亮 同组者：苏志华 引言：随着γ射线在现代生活中的运用越来越广泛，因此测量物质对γ射线的吸收规律显得尤为重要。例如，可以根据物质对γ射线的吸收规律来选择合适的材料及厚度，进而有效地屏蔽γ辐射，反之，也可以利用物质对γ射线的吸收规律可以进行探伤及测厚等。我们已经通过实验9-3对“物质对γ射线的吸收规律”有了一定的了解，实验9-3是测定Al和Sb对γ射线的吸收系数。通过镍铬合金与铅这二种材料的比较可得出镍铬合金对γ射线的吸收远高于传统的屏蔽材料铅。因此，镍铬合金可以有效地利用在辐射防护射线屏蔽方面，从而对辐射防护的材料选择上提出新的见解。本实验是要测定镍铬合金对γ射线的吸收系数，并利用实验结果测量一块未知镍铬合金的厚度。本实验与实验9-3的实验原理与实验方法相同，具体的见下文： 一．实验目的 1．了解γ射线与物质相互作用的特性 2．了解窄束γ射线在物质中的吸收规律及测量其在镍铬合金中的吸收系数 二．实验原理 γ辐射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γ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(γ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。分别对应产生：1）光电效应；2）康普顿效应；3）电子对效应。 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γ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 （1-1） 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： 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）。γ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/cm2）来表示吸收体厚度，以消除密度的影响。因此（1—1）式可表达为 （1—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?射线强度I成正比，又对（1—2）式取对数得： （1—3） 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。可以从这条直线的斜率求出，即 （1—4） 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： （1—5） 三．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1 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