南京大学近代物理实验-γ射线的吸收

γ射线的吸收

摘要：闪烁探测器是利用某些物质在射线作用下受激发光的特性来探测射线的仪器。本实验

利用NaI （Tl ）闪烁谱仪测量γ射线的吸收系数。

关键词：NaI （Tl ）闪烁谱仪，吸收系数

一、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，也于物质本身的性质有关。正确测定物质的吸收系数，在核技术的应用于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。

二、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： x

x e I I μ-=0

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=Ix/I0与厚度x 的关系曲线，便可根据上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Ix 与x 的值，再用曲线拟合来求解。则：

x I I x μ-=0ln ln

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：

p

c ph μμμμ++= 式中ph μ为光电效应的贡献，c μ为康普顿效应的贡献，p μ为电子对效应的贡献。它们的值不但与γ光子的能量Er 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。

图中横坐标以γ光子的能量νh 与电子静止能量2c m e 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，对高能γ射线，以电子对效应为主。

为了使用上的方便，定义

ρμμ/=m 为质量吸收系数，ρ为材料的质量密度。则可改写成如下的

形式： m

m x x e I I μ-=0

式中ρ⋅=x x m ，称为质量厚度，单位是2/cm g 。

2．半吸收厚度1/2x ：

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。

μ2ln 2/1=

x 显然也与材料的性质和γ射线的能量有关。

三、实验步骤

1.检查测量装置，了解各部件的名称、功能及其基本性能。

2.开电源，选择合适的工作条件，予置计数时间60秒并保持不变。

3.依次改变样品的厚度，记下相应的透射计数x I 1。

4.样品测量完毕，取出放射源，测得本底值b I ，则有b x x I I I -=1

5.用最小二乘法求得样品的线性吸收系数μ及半吸收厚度2/1d 。

6.测量结束，归还放射源，关机。

四、 数据处理及误差分析

1.放射源及标准值

本实验所用放射源（137Cs ）编号：432，放射源强度为375.310Bq ⨯，射线能量是0.66MeV 。

铅、铜、铝的γ射线吸收系数分别为

111

1.13,0.582,0.184Pb Cu Al cm cm cm μμμ---===

2.本底计数（60s ）：

不加吸收片和放射源，两次记录60s 的本底计数并求平均：

123684,3581,3633b b b I I I ===

3. Pb 样品

以扣除本底计数的自然对数为纵坐标，吸收片厚度为横坐标可得下图

用0ln ln x I x I μ=-+拟合可得

()1

1.1020.014ln 8.7040.009cm I μ-⎧=±⎪⎨=±⎪⎩

μ的相对误差为

2.48%μδ=

那么半吸收厚度为

12ln 2

0.629cm x μ

==

4.Cu 样品

仿铅的处理方法可得下图

并且直线的拟合方程为

ln 0.45548.647x I x =-+

也就是

1

0.455421.75%cm

μμδ-⎧=⎪⎨=⎪⎩

并且

12ln 2

1.522x cm μ=

=

5.Al 样品

仿铅的处理方法可得下图

并且直线的拟合方程为

ln 0.12878.660x I x =-+

也就是

1

0.128730.05%cm

μμδ-⎧=⎪⎨=⎪⎩

并且

12ln 2

5.386x cm μ=

=

五、思考题

1. 设铅的1

1.0cm μ-=，铝的10.2cm μ-=，为了使γ辐射强度将为原来的1/10，所需防护层厚度各为多少厘米？

答：

由

0x x I I e μ-=

可得

ln10x μ=

对于铅： 2.302x cm =

对于铝：11.513x cm =

2. 待测的γ光子的能量与入射光子的能量是否相同？为什么？

答：不相同。对γ光子的吸收主要来自于三种作用：光电效应、康普顿效应、电子对效应。其中康普顿效应由于光子将一部分能量传递给电子，所以放出的光子能量小于入射光子的能量，光电效应不会再放出光子。

3.

实验布置中，为什么要把放射源、准直孔、探测器的中心保持在同一直线上？

答：当三者处于同一直线上时探测器收到的射线都近似是垂直穿过吸收片，在吸收片内部穿过的距离与吸收片厚度近似相同。如果三者不再同一直线上那么探测器接收到的信号所对应的吸收片厚度也就不是游标卡尺的测量值了。

4.

何为半吸收厚度？其值与哪些因素有关？

答：物质对γ射线的吸收能力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。

μ2

ln 2/1=x

主要与材料的吸收系数有关，而材料的吸收系数主要与材料本身的原子序数（如果是纯物质），分子密度、原子密度有关，此外，还与γ光子的能量r E 有关。

5. 为何铜、铝的吸收系数测量结果误差较大？