γ射线的吸收与物质吸收系数的测定

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

x x N e I e I I r μσ--==00 （9-3-1）

其中I 0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（N r σμ=，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γE 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γE 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

p c ph μμμμ++= （9-3-2）

式中ph μ、c μ、p μ分别为光电、康普顿、电了对效应的线性吸收系数，且

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

∝

∝

∝

2

5

Z

Z

Z

p

c

ph

μ

μ

μ

（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

γ

E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γ

E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

m

μ表示物质对γ射线的线性吸收系数μ，

m

μ与μ的关系为

ρ

μ

μ=

m

（9-3-4）其中ρ是吸收物质的密度（单位为3

cm

g）。用

m

μ表示的γ射线强度的指数衰减规律为

m

m

x

e I

Iμ-

=

0（9-3-5）式中的ρx

x

m

=为吸收物质的质量厚度，单位为2

/cm

g。因为

()

p

c

ph

A

r

m A

N

N

σ

σ

σ

ρ

σ

ρ

μ

μ+

+

=

=

=（9-3-6）

其中N A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

m m x e n n μ-=0 （9-3-7）

对两边同时取对数，得

m m x n n μ-=0ln ln （9-3-8）

显然，n ln 与m x 具有线性关系，如图9-3-2所示。

图9-3-2 n ln —m x 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2/1d ，在量值上为

μ

2

ln 2/1=

d （9-3-9）

显然，2/1d 也是吸收物质的原子序数Z 和γ射线能量γE 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60Co γ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资料。

图9-3-4 净面积算法示意图

【实验内容】

1、阅读仪器使用说明，掌握仪器及多道分析软件的使用方法。

2、仪器开机并调整好工作电压（700~750V ）和放大倍数后，预热30分钟左右。

3、在多道分析软件中调整预置时间为600s 。

4、用一组铝吸收片测量对137Cs 的γ射线（取0.662MeV 光电峰）的吸收曲线，并用最小二法原理拟合求质量吸收系数。根据铝的密度（3

/7.2cm g =ρ）求线性吸收系数，与理论值（0.194㎝-1）比较，求相对不确定度。计算半吸收厚度。

5、用一组铅吸收片测量对137Cs 的γ射线（取0.662MeV 光电峰）的吸收曲线，并用最小二法原理拟合求质量吸收系数。根据铅的密度（3/34.11cm g =ρ）求线性吸收系数，与理论值（1.213㎝-1）比较，求相对不确定度。计算半吸收厚度。

6、用一组铝吸收片测量对60Co 的γ射线（取1.17MeV 或1.33MeV 光电峰）吸收曲线，并用最小二法原理拟合求线性吸收系数、质量吸收系数和半吸收厚度。

数据处理

1用一组铝片测量对Cs 的γ吸收

其中选取的感兴趣范围是：90ch~~115ch

用0片铝片测量截图