实验报告γ射线能谱测定及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定 本文关键词：射线，测定，吸收，系数，物质
实验报告γ射线能谱测定及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定 本文简介：γ射线能谱测定以及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定实验报告摘要原子核的能级跃迁可以产生伽马射线，通过测量γ射线的能量分布，可确定原子核激发态的能级，这对于放射性分析，同位素应用及鉴定核素等都有重要意义。同时通过学习了解伽马射线与物质相互作用的特性,测定窄束γ射线在不同物质中的吸收系数。本实验通过使
实验报告γ射线能谱测定及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定 本文内容：
γ射线能谱测定以及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定
实验报告
摘要
原子核的能级跃迁可以产生伽马射线，通过测量γ射线的能量分布，可确定原子核激发态的能级，这对于放射性分析，同位素应用及鉴定核素等都有重要意义。同时通过学习了解伽马射线与物质相互作用的特性,测定窄束γ射线在不同物质中的吸收系数。本实验通过使用伽马闪烁谱仪测定不同的放射源的γ射线能谱；根据当γ光子穿过吸收物质时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量。闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子，闪烁光子入射到光阴极上，光电效应产生光电子，电子会在阳极负载上建立起电信号等原理，对γ射线进行研究。
γ射线，又称γ粒子流，是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，波长短于0.2埃的电磁波，具有很强的穿透性。本实验将γ射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，通过电子学仪器得到它的能谱图。实验中使用NaI单晶γ闪烁谱仪对γ的能谱进行测定。最后得到
γ射线在160道数及320道数位置的一些相关数据。在这些位置它的数量和能量的值都比较合适，有一定数量，又有一定的穿透能力。
实验中将了解NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪是如何测量γ射线的能谱，NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的结构、原理与特性；掌握NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用方法。并通过对137Cs和60Co
放射源γ能谱的测量，加深对γ射线与物质相互作用的理解以及通过该实验了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶γ谱测量中的数据采集及其基本功能。在第一个实验的基础上，
采用NaI闪烁谱仪测全能峰的方法测量137Cs的γ射线在铅、铝材料中的吸收系数。并且通过实验对核试验安全防护的重要性有初步的认识。
关键词
γ射线
吸收系数
60Co、137Cs放射源能谱
NaI单晶γ闪烁谱仪
多道分析器
引言
γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，γ射线是光子，是由原子核的衰变产生的，当原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时，就有可能辐射出γ射线。γ射线强度按能量分布即为γ射线能谱。测量γ能谱最常用的仪器是闪烁γ能谱仪。某些物质的原子核能发生衰变，会放出射线，核辐射主要有α、β、γ三种射线。我们可以通过不同的实验仪器能够探测到这些肉眼无法看见的射线。同时由于射线与物质相互作用，导致射线通过一定厚度物质后，能量或强度有一定的减弱，称为物质对射线的吸收。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和质数A均保持不变的退激发过程。本实验中，我们通过仪器测量不同物质对射线的吸收规律来探测伽马射线。
正文
实验方法
γ射线能谱测定
Na(Tl)闪烁探测器
1.
闪烁体:把射线的能量转变成光能的，入射线的能量越大，在闪烁体内损失能量越多，闪烁体的发光强度也越大。
2.
光电倍增管:
光子打到光阴极上时，发生光电效应，打出的光电子被反复加速、增值在阳极上就收集到大量的电子，在负载上形成一个电压脉冲。
3.
射极跟随器：安置在探头内部,减少外界干扰的影响，同时使之与线性放大器输入端实现阻抗匹配。
4.
线性放大器：放大倍数能在10～1000倍范围内变化,可使入射粒子的能量变化范围很大。
从原子核中发射出来的γ射线有不同的能量，在与物质相互作用的时候可能产生三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应，均会产生次级电子，NaI（T1）单晶γ闪烁谱仪利用这些次级电子激发电离闪烁体分子，当闪烁分子退激发时会放出大量的光子照射在光阴极上产生光电子，这些光电子经过倍增管放大而产生可探测的电信号并通过电子仪器的记录得到γ射线能谱。经过闪烁探测器后得到的电信号为电压脉冲信号，其幅值与入射的γ射线的能量成正比，信号脉冲的个数正比于γ射线的强度。能谱图中，横坐标CH表示道数，与能量成正比，纵坐标表示强度（射线的密集程度），与计数成正比。
γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定
窄束γ射线在穿过物质时被吸收，强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即
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Eg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。
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。
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g射线强度I成正比，
如果将吸收曲线在半对数坐标纸上作图，将得出一条直线。可以从这条直线的斜率求出，即
实验步骤
γ射线能谱测定
1.
连接仪器，使各部分中心位于一条直线上，调整工作电压在700V左右，放大倍数为0.3，预热至少30分钟。
2.
把放射源或放在探测器前，调节高压使或能谱的最大脉冲幅度尽量大而又不超过多道脉冲分析器的分析范围。
3.
打开软件，设置137Cs的扫描时间为300s（60Co为500s）,“纵轴刻度”为“自动线性显示”，“全谱道数”为512，“扩展谱道数”为128。点击运行，得到能谱图。寻峰，若全能峰在探测道数左边，则适当调大电压，反之则调小电压（应使60Co的全能峰在320道处，137Cs的全能峰在160道处）。
4.
将闪烁探测器分别左移和右移微小距离，重复测量。将总计数率最大的一组能谱图数据记录如下：
放射源
位置
总计数率
峰位chn
净面积
分辨率
半高宽chn
电压（V）
60Co
41.0cm
667
316.61
3567
5.47%
17.31
763
137Cs
40.2cm
1263
158.38
51978
10.30%
16.31
762
图中：
137Cs的全能峰位置差不多是60Co的一半，可知137Cs的全能峰的能量约是60Co的一半，所以137Cs发出的γ射线强度要大于60Co。
γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定
1.
在上一个实验的基础上（只用137Cs一种放射源），在探测器和放射原间依次放上不同的铝板（探测道设为160道），分别测能谱图，记录各图的计数率及所加铝板密度（g/cm2）。
2.
将铝板换成不同的铅板（探测道设为320道），重复以上步骤。
计数率如下：
金属/片数
0
1
2
3
4
Al(300s)
352
318
291
268
224
Pb(500s)
411
337
293
223
206
放置吸收板顺序
1
2
3
4
Al密度（g/cm2）
2.44
2.45
2.48
2.57
Pb密度（g/cm2）
1.87
2.06
2.08
2.12
金属/等效的R（g/cm2）
R1
R2
R3
R4
Al
2.44
2.45/2.445
2.48/2.457
2.57
Pb
1.87
2.06/1.965
2.08/2.00
2.12
由知：将四组有吸收片的数据两两代入，得：
金属/吸收系数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Al
0.112
0.105
0.1
0.123
0.1
0.094
0.126
0.09
0.14
0.188
Pb
1.204
0.977
1.154
0.963
0.77
1.131
0.892
1.49
0.951
0.424
求平均：得铝的μ=0.1178cm-1
铅的μ=0.9954cm-1
误差分析
1.
当发射源放射的γ射线进入NaI单晶γ探测器的闪烁体时，由于单能带带电粒子在闪烁体损失能量引起的闪烁发光所放出的荧光光子数有统计涨落，而一定量的荧光光子打在光电倍增管光阴极上产生的光电子数目也有统计涨落。因此在相同的探测时间内，同一探测源放射的γ射线所得到的探测数据将有所差异。实验中用谱仪的分辨率来表示这一差异。显然谱仪能量分辨率的数值越小，一起分辨不同能量的本领就越高。在实验时，重复实验时，不同的能量分辨率将导致实验数据的微小差异。
2.
谱仪预热不充分，电子仪器将处于不稳定状态，其工作状态如高压电源，放大器的放大倍数等将随温度的变化而产生变化，从而影响实验的精确性。
3.
放射源、准直孔、闪烁探测器中心未被放置在一条直线上。
4.
当放置吸收物质时没有预留位置或减少铝块后没有将位置保留。
5.
吸收物质未与探测器垂直，导致吸收厚度增加。
实验问题分析
1.是否可以将137Cs和60Co的探测时间160s和320s互换进行实验？
答：不可以，因为137Cs的放射性要强于60Co，互换后60Co实验时300秒并没有达到稳定状态，不能完整反映出其能谱特性。而137Cs在300秒时就可以达到稳定状态，没有必要用500秒的测量时间。
2.为什么要将放大器的电压调零后再继续进行实验，如不调零会有什么问题？
答：如不调零，相当于探测时间减少。将使实验物质在规定的探测时间内达不到稳定状态。从而影响实验的精确性。
3.
实验中每一块吸收物质的厚度是10毫米，若将两块10毫米的吸收物质用手压缩至10毫米，并进行实验，是否有影响？
答：没有影响，虽然在两块吸收物质之间还将存有部分空气，但在放射源与探测器之间，窄束γ射线所经过的吸收物和空气的距离是一样的，所以和一块20毫米的吸收物质具有相同的实验效果。
4.
实验中所纪录的数据哪一个用来计算吸收系数μ最具有代表性？
答：净面积。净面积即为实验中探测到的全能峰减去其下面的本底面积。这一面积其横左边体现了γ射线的道数（能量），纵坐标体现了它的计数（数量），因此最具有代表性。
首先该读懂实验材料，明白试验中各个测量值的具体含义，以及如何转化成自己所需的数据。力求严谨，不能忽略每一个对实验结果有影响的因素，多分析探讨。还要有耐心做好多次的重复实验。爱护器材设备，小心操作，精密仪器尤甚，不能粗手粗脚。
注意事项
1.
使用放射源时避免受到辐射，应小心旋开盖子，不朝向人体，轻拿轻放。
2.
固定、移动探测器时应小心，以免造成破坏。
3.
关闭光电倍增放大仪器前应调零。
参考文献
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室.2009:54-68
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姜东光.近代物理实验[M].北京：科学出版社.2007