射线的吸收

实验1.3 射线的吸收

实验时间：2010年10月21日

【摘要】

实验中我们分别探究了γ射线在铜，铝，铅中的吸收规律。通过这次实验我们希望了解γ射线在物质中的吸收规律，同时掌握测量γ吸收系数的基本方法。

【引言】

γ射线在穿透物质时，会被物质吸收，吸收作用的大小用吸收系数来表示。物质的吸收系数的值与γ射线的能量有关，也与物质本身的性质有关。正确测定物质的吸收系数，在核技术的应用与辐射防护设计中具有十分重要的意义。例如工业上广泛应用的料位计、密度计、厚度计，医学上的γ照相技术等都是根据这一原理研究设计的。

【关键词】

铜 铝 铅γ射线 吸收

【正文】

一、 实验原理

1.窄束 射线在物质中的吸收规律。

γ射线在穿过物质时，会与物质发生多种作用，主要有光电效应，康普顿效应和电子对效应，作用的结果使γ射线的强度减弱。准直成平行束的γ射线称为窄束γ射线，单能窄束γ射线在穿过物质时，其强度的减弱服从指数衰减规律，即：

其中I 0为入射γ射线强度，I x 为透射γ射线强度，x 为γ射线穿透的样品厚度，μ为线性吸收系数。用实验的方法测得透射率T=I x /I 0与厚度x 的关系曲线，便可根据（1）式求得线性吸收系数μ值。

为了减小测量误差，提高测量结果精度。实验上常先测得多组 I x 与x 的值，再用曲线拟合来求解。则：

ln I x =ln I 0−μx （2）

由于γ射线与物质主要发生三种相互作用，三种相互作用对线性吸收系数μ都有贡献，可得：

μ=μph +μc +μp （3）

式中μph 为光电效应的贡献， μc 为康普顿效应的贡献，μp 为电子对效应的贡献。它们的值不但与γ光子的能量E r 有关，而且还与材料的原子序数、原子密度或分子密度有关。对于能量相同的γ射线不同的材料、μ也有不同的值。医疗上正是根据这一原理，来实现对人体内部组织病变的诊断和治疗，如x 光透视，x 光CT 技术，对肿瘤的放射性治疗等。图1表示铅、锡、铜、铝材料对γ射线的线性吸收系数μ随能量E

变化关系。

图中横座标以γ光子的能量h ν与电子静止能量mc 2的比值为单位，由图可见，对于铅低能γ射线只有光电效应和康普顿效应，对γ射线，以电子对效应为主。

为了使用上的方便，定义μm =μ/ρ为质量吸收系数，ρ为材料的质量密度。则（1）式可改写成如下的形式：

I x =I 0e −μm x m （4）

式中x m =x·ρ，称为质量厚度，单位是g/cm 2。

半吸收厚度x 1/2：

物质对γ射线的吸收能力也常用半吸收厚度来表示，其定义为使入射γ射线强度减弱到一半所需要吸收物质的厚度。由（1）式可得：

x 12

=

ln 2μ

（5）

显然也与材料的性质和

射线的能量有关。图2表示铝、铅的半吸收厚度与E 的关

系。若用实验方法测得半吸收厚度，则可根据（4）求得材料的线性吸收系数μ值。

二、实验仪器

微机多道γ能谱仪，BH1224，1台

60Co

放射源，毫居里级，1个

吸收片，铅、铜、铝各若干片

γ

γγγ

三、实验数据处理

实验依次测量铅、铜、铝样品的γ负责线性吸收系数μ值。 所用放射源编号为No ：432 强度S ：75.3e3Bq 能量Er ：0.66MeV

本底计数（100s ）I b1=4863 I b2=4926 所以 I b =4895 1.Pb 样品

对于样品Pb 由测量数据所作的图如上，其中点为实际测得数据，图中直线为用最小二乘法拟合出来的直线，右上角插图为未取对数的数据点，可以看出未取对数时横纵坐标之间不是线性关系，去了对数纵坐标取了对数之后呈现线性关系。 拟合出来的μ=1.0645 lnI 0=4.7414 故Pb 的半吸收厚度 d 1/2=ln2/μ=0.6511cm

2.Cu 样品

上图说明仿Pb ，用最小二乘法拟合出来的 铜的吸收系数 μ=0.4305 lnI 0=4.6829 故Cu 的半吸收厚度 d 1/2=ln2/μ= 1.6101cm 3.Al 样品

用最小二乘法拟合出来的

铝的吸收系数μ=0.1451 lnI

=4.7432

=ln2/μ=4.7770cm

故Cu的半吸收厚度 d

1/2

四、实验讨论与实验思考题

1、讨论

①由上述3种样品的测量可以得到不放样品时接收到的辐射强度为

lnI

=（4.7414+4.6829+4.7432）/3=4.7225

I

=exp(4.7225)=112.45Bq

我们使用的源强为75300Bq，所以接收器对样品张开的立体角为

Ω=4π*112.45/75300=0.0188

②实验误差：这次实验中误差一方面来自于辐射统计的涨落比较大，另一方面

来自接收器对样品张开的立体角。

2、实验思考题

（1）设铅的μ=1.0/cm，铝的μ=0.2/cm，为了使γ辐射强度降为原来的1/10，所需防护层厚度各为多少厘米？

答：因为 exp(-μx)=1/10

故，对于铅需厚度为2.3026cm。对于铝需厚度为11.5130cm。

（2）待测的透射后γ光子的能量与入射光子的能量是否相同？为什么？

答：大部分的透射后γ光子的能量都没有变化，但因为我们试验中用到的γ射线能量为0.662MeV，小于正负电子对产生的阀值1.02MeV，故γ射线会与晶体发生光电效应和康普顿散射，这样作用过后的光子有可能再被探测器探测到，器能量就发生了变化。

（3）实验布置中，为什么要把放射源、准直孔、探测器中心保持在同一条直线上？

答：因为得到射线吸收公式（1）的前提条件是，射线朝着同一个方向传播，而实验中用到的放射源发出的γ射线的方向不定，所以要用准直孔来筛选出一个方向的射线，当然为了能探测出射线，探测器要在准直孔与放射源组成的那条直线上。

（4）何为半吸收厚度？其值与哪些因素有关？

答：半吸收厚度的定义为使入射γ射线强度减弱为原来的一半所需要吸收物质的