1、實驗 9-4 射線的吸收和射線相比， 射線與物質的相互作用要復雜得多。 射線在吸收物質中的強度衰減 也只近似符合指數規律。通過研究 射線的吸收規律，測量吸收物質對 射線的阻止本領， 可以指導 輻射防護的選材及確定厚度。 另外，通過測量物質對 射線的吸收系數， 或 射 線在吸收物質中的射程，可以估算 射線的最大能量，這是鑒別放射性核素的有效辦法。【實驗目的】1、了解 射線與物質相互作用的機理。2、學習測量 射線最大能量的方法。3、測量吸收物質對 射線的阻止本領。【實驗原理】一、衰變與 能譜的連續性 放射性核素的原子核放射出 粒子而變為原子序數差 1、質量數 A 相同的核素稱為 衰 變。 衰變時，

2、在釋放出高速運動電子的同時，還釋放出中微子，兩者分配能量的結果，使 射線具有連續的能量分布，如圖 9-4-1 所示。圖 9-4-1 射線能譜圖 9-4-2 3980Sr 3990Y 源衰變圖二、射線與物質的相互作用 射線與物質相互作用時主要通過電離效應、 輻射效應和多次散射等方式損失能量。 射線與物質原子核外電子發生非彈性碰撞， 使原子激發或電離， 因而損失其能量， 此即電離 能量損失。 電離損失是 射線在物質中損失能量的主要方式。 當 射線與物質原子核的庫侖 場相互作用時， 其運動速度會發生很大變化。 根據電磁理論， 當帶電粒子有加速度時， 會輻 射電磁波即軔致輻射， 這就是輻射能量損失。

3、此外， 射線也可以與物質原子核發生彈性散 射，不損失能量，只改變運動方向。因為 粒子的質量很小，所以散射的角度可以很大，而 且會發生多次散射， 最后偏離原來的方向， 使入射方向上 射線強度減弱。 當射線穿過物 質時，由于 射線與物質發生相互作用，使 射線強度減弱的現象稱為 射線的吸收。三、射線最大能量的測量 常用的測量方法有吸收法和最大射程法兩類。圖 9-4-3 吸收曲線實驗表明， 對于一束單能電子（如內轉換電子）穿過吸收物質層時，其強度隨吸收物質 層厚度的增加而減弱， 并符合指數衰減規律。 但由于 射線的能量不是單一的， 而是連續分 布的，所以射線的吸收只是近似符合指數衰減規律， 如圖 9-

4、4-3 所示。如圖 9-4-3 中各曲 線的尾部， 從而導致測量最大射程的困難，為此， 在實際工作中通常是測量有效射程， 來代 替最大射程。有效射程不僅與吸收物質的性質有關，而且也與 射線的最大能量 E0 有關， 對于鋁吸收體，存在下述經驗公式：當 0.8MeV E0 0.15MeV 時，R0 0.407E01.38（ 9-4-1 ）當 E0 0.8MeV 時，R0 0.542E0 0.133 （ 9-4-2 ）假設 衰變過程中只放出一種 射線，如圖 9-4-3 中（ a）所示，吸收曲線可近似用下 式表示Im xmI0e m m（ 9-4-3 ）對兩邊取對數，得ln I lnI 0mxm（9-

5、4-4）由于在相同實驗條件下，某一時刻的計數率 n 總是與該時刻的 射線強度 I 成正比，所以 （9-4-3 ）式和（ 9-4-4）式也可以表示為m xmn n0e m m（ 9-4-5 ）lnn lnn0mxm（9-4-6）顯然， lnn與 xm具有線性關系。在用 NaI （Tl ）閃爍能譜儀測量 射線能譜時，考慮到 射線的能量分布的連續性，其全譜計數率即為（ 9-4-5 ）式和（ 9-4-6 ）式中的 n。同有效射程一樣，m 也與吸收物質的性質及 射線的最大能量有關。對于鋁吸收體，存在經驗公式17m 1.14（ 9-4-7 ）E0這樣， 只要在實驗過程中， 通過測量 射線在一定吸收物質中的

6、吸收曲線， 在曲線上求 取 R0和 m ，就可用（ 9-4-1）式、（9-4-2）式和（ 9-4-7）式估算出 射線的最大能量。四、吸收物質對 射線的阻止本領 射線在吸收物質中單位路徑長度上損失的平均能量定義為吸收物質對 射線的阻止 本領（簡稱阻止本領） ，記作 dE ，實際使用中，為了消除密度的影響，常用的是質量阻止dx1 dE本領，即 1 dE ，其中 為吸收物質的密度。dx只要我們能夠測量出 射線經過吸收物質前后對應的單能電子能量E0和 E1，就可以計算出該吸收物質對能量為 E E0 E1 2 的單能電子的質量阻止本領，即9-4-8 )1 dE E0 E1dxdm其中 dm 為吸收物質層

7、的質量厚度。譜儀（真空型） 、NaI（ Tl ）閃爍探測器、多道放射源 60Co 和 137Cs， 放射源 90Sr90Y。實驗【實驗裝置及器材】 實驗所需儀器主要包括橫向半圓磁聚焦 脈沖幅度分析器、計算機等，另外還用到 裝置如圖 9-4-4 所示。實驗內容】1、閱讀儀器使用說明，掌握儀器及多道分析軟件的使用方法。2、儀器開機并調整好工作電壓（ 700750V ）和放大倍數后，預熱 30 分鐘左右。3、在多道分析軟件中調整預置時間為600s。4、用 放射源 60Co 和 137Cs 標定閃爍譜儀，繪制能量刻度曲線，用最小二乘法確定相 應的表達式。5、抽真空，真空度由真空表監測。6、測量鋁在不同

8、能量下對 射線總的質量阻止本領。左右移動閃爍能譜儀的探頭， 在加吸收片和不加吸收片兩種情況下， 分別測量 射線（用 放射源 90Sr 90Y）能譜中單能電子峰位對應的多道脈沖幅度分析器的道數。根據道數由能量刻度曲線計算單能電子的能量，進一步得到鋁在不同能量下對 射線總的質量阻止本領， 并繪制質量阻止本領與探頭位置之間的關系曲線。需要注意的是，由于閃爍體前有一厚度約200 m 的鋁質密封窗，周圍包有約 20 m的鋁質反射層， 所以單能電子穿過鋁質密封窗、 鋁質反射層后， 其損失的部分能量必須進行修正。7、用一組鋁吸收片測量對 90Sr 90Y放射源的 射線的吸收曲線 （lnn xm曲線），用最

9、小二乘法求出質量吸收系數，進而求取 射線的最大能量，并與 2.27MeV 比較，求相對不 確定度。【注意事項】1、當工作指示燈亮時，切勿關閉儀器。2、領用和歸還放射源必須作好登記。 【數據處理】整個實驗采用的工作電壓為 800v 放大倍數 6.50 1. 能量定標表 9-4-1 能量與光電峰道數對應數據能量 Mev0.1840.6621.171.33光電峰道數50.90167.58293.69332.24圖 9-4-4 能量刻度曲線斜率： 0.004截距： -0.022能量與道數對應的關系曲線方程為：E=0.004Channel-0.022知道道數就可以得到相應的光電峰的能量2. 測量鋁在不同

10、能量下對 射線總的質量阻止本領不加鋁片前的處理：表 9-4-2 位置與單能電子峰數據記錄位置 d/cm10.4012.9015.6017.9620.6523.0025.20單能電子峰道數109.72167.23226.31281.04341.14391.98435.79根據能量刻度曲線方程得到位置與能量的對應數據如下：表 9-4-3 位置與能量對應數據根據單能電子的質量阻止本領公式：1 dE E0 E1dxdm位置 d/cm10.4012.9015.6017.9620.6523.0025.20對應的能量 /Mev0.4170.6470.8831.1021.3431.5461.721用插值法查表

11、得到經過鋁制薄膜前單能電子的能量：表 9-4-4 消除鋁制薄膜影響后位置與能量對應數據位置 d/cm10.4012.9015.6017.9620.6523.0025.20EO /Mev0.5130.73709711.1861.4281.6341.807加入 50 m 鋁片后與之前處理相似得到匯總的數據表：表 9-4-5 加 50 m 鋁片后相應數據位置 d/cm10.4012.9015.6017.9620.6523.0025.20單能電子峰道數104.75160.80220.53271.44332.06383.48427.93對應的能量 /Mev0.3970.6270.8601.0641.30

12、61.5121.690E1 /Mev0.4940.71109471.1501.3941.5961.779班級：材料物理 09-3學號： 09132304姓名：武甜甜同組者：張靜11算出每個位置的質量阻止本領，從而繪出關系曲線表 9-4-6 位置與質量阻止本領的關系數據整理位置 d/cm10.4012.9015.6017.9620.6523.0025.20質量阻止本領2Mev cm / g1.411.931.782.672.522.812.07圖 9-4-4 質量阻止本領與探頭位置之間的關系曲線位置 d/cm由圖可以看出， 阻止本領隨位置的增大而增強， 但是不是標準的線性關系。 可能是實驗過程

13、中存在較大誤差導致， 如下圖所示在實驗中總是會出現兩個峰， 與理論單能電子峰相悖。 說 明實驗中還有其他能量的粒子干擾，影響了實驗結果。若對結果進行線性擬合得阻止本領 y 與位置 x 之間的關系：y=0.0653x+0.99713. 求質量吸收系數與射線最小能量表 9-4-7 鋁片對 射線的吸收數據記錄鋁片厚度 / m0501502504506509501250質量厚度2Xm / g /cm200.01350.04050.06750.12150.17550.25650.3375總計數361604335855310611286715245729207538189011156783計數率 n602

14、.69559.76517.69477.86409.55345.90315.02261.31Ln n6.4016.3286.2496.1696.0155.8465.7535.566圖 9-4-5 吸收曲線用最小二乘法擬合直線方程： y=-5.4204x+6.3472吸收系數為： m =5.4204 cm2 / g根據公式：171.14E0求得最大能量相對誤差：|E E | 100% 20.1% E【思考題】1、簡要說明 射線吸收與 射線吸收的異同點。答： 射線與物質相互作用時有可能一次性完全的吸收或散射，如光電效應。 而射線與物質相互作用時， 能量和強度都逐漸減弱， 直至 射線完全吸收。 物質不

15、可能一次性把射 線的能量全吸收。2、如何用本實驗的方法測量一定材料的厚度？n ne m xm由于 n n0e取對數得：lnn lnn0mxm顯然，利用 lnn與 xm具有線性關系。在用 NaI （ Tl ）閃爍能譜儀測量 射線能譜測量 出待測材料所對應的線性關系，然后待測的未知厚度（設為d）的材料作為吸收物質，測出計數率則可通過公式 xm d算出質量厚度，進而帶入公式（ 1），即可求出 d。3、在測量吸收曲線時，閃爍體前的 200 m 鋁質密封窗對測量結果有何影響？答：雖然 200 m 鋁質密封窗看似對實驗無影響，但是實際上是會對實驗結果產生一 定影響的， 鋁片不同與有機薄膜等物質， 它對 射

16、線有相對較強的阻礙作用。 當物質能量較 高時， 穿過鋁片時能量損失較小， 可能對要求不是太嚴格的實驗是可以接受的。 但是對于能 量較小的射線， 可能因為鋁片的阻礙作用而損失能量過多致使射線粒子無法通過薄鋁片， 可 能就無法測到很小能量的粒子。 這也可能會直接導致該實驗可能出現較大的實驗誤差，或者對于較小能量的粒子測不出來。 所以在經行該實驗數據的處理時， 一定要進行能量損失的修 正，有關的修正數據在該實驗中已經給出， 處理時只需引用、 插值計算便可知所需要的正真 的入射粒子的能量。4、在測量阻止本領的實驗中，為什么不對真空室外的有機塑料薄膜進行能量修正？ 答：這主要是由于有機塑料薄膜對 射線的

17、阻礙作用相當的小， 換句話說就是當射線穿 過物質時能量損失很小， 基本上可以忽略損失的那部分能量。 所以對于有機薄膜上損失的能 量在實驗要求達到的誤差范圍內是可以不需要經行能量的修正的。然后再在處理實5、本底計數率對測量有無影響？如果有，應該如何處理？答：有影響，但是可以忽略，可以先測出本底計數率再進行實驗測量。驗數據過程中相應的減去本底計數率。【實驗討論與總結】1、對“單一 粒子譜”的解釋：射線的能量不固定， 能確定的僅僅是它的最大值， 這是 衰變中一部分能 量被電子中微子帶走造成的。原子核的能量是量子化的， 如果沒有電子中微子， 放射出的電子能量也應只 取一些分立的值， 但是由于電子中微子存在， 且初始運動方向不定， 因此 譜應 是從最低能量到最高能量的一個連續譜。所以“單一 粒子譜”可以理解為最大能量固定的 粒子譜。2、所取材料放射的 射線分為低能和高能兩種射線，因此得出的圖象不是 指數曲線，而是兩條指數曲線的疊加，如圖