1、Y射線的吸收與物質吸收系數u的測定實驗目的了解Y射線與物質相互作用的特性了解窄束Y射線在物質中的吸收規律及測量其在不同物質中的吸收系數實驗內容測量137CS的Y射線（取0.661MeV光電峰）在一組吸收片（鉛、銅或鋁）中的吸收曲線,并用最小二乘原理擬合求線性吸收系數。測量60Co的Y射線（取1.17、1.33MeV光電峰或1.25MeV綜合峰）在一組吸收片（鉛或銅）中的吸收曲線，并用最小二乘原理擬合求線性吸收系數。根據已知一定放射源對一定材料的吸收系數來測量該材料的厚度。原理Y輻射是激發核損失能量的最顯著方式，Y躍遷可定義為一個核由激發態到較低的激發態、而原子序數Z和質量數A均保持不變的退激發

2、過程。帶電粒子或卩粒子等）在一連串的多次電離和激發事件中不斷地損失其能量，而Y射線與物質的相互作用卻在單次事件中便能導致完全的吸收或散射。簡單地說，光子（Y射線）會與下列帶電體發生相互作用：1）被束縛在原子中的電子；2）自由電子（單個電子）；3）庫侖場（核或電子的）；4）核子（單個核子或整個核）。這些類型的相互作用可以導致下列三種效應中的一種：1）光子的完全吸收；2）彈性散射；3）非彈性散射。因此從理論上講，Y射線可能的吸收和散射有12種過程，但在從約10KeV到約10MeV范圍內，大部分相互作用產生下列過程中的一種：低能時以光電效應為主。一個光子把它所有的能量給予一個束縛電子；核電子用其能量

3、的一部分來克服原子對它的束縛，其余的能量則作為動能；光子可以被原子或單個電子散射到另一方向，其能量可損失也可不損失。當光子的能量大大超過電子的結合能時，光子與核外電子發生非彈性碰撞，光子的一部分能量轉移給電子，使它反沖出來，而散射光子的能量和運動方向都發生了變化，即所謂的康普頓效應，光子能量在1MeV左右時，這是主要的相互作用方式；若入射光子的能量超過1.02MeV,則電子對的生成成為可能。在帶電粒子的庫侖場中,產生的電子對總動能等于光子能量減去這兩個電子的靜止質量能（2mc2=1.022MeV）。光電效應人射邇尹光電子電子對效應康普頓效應從上面的討論可以清楚地看到，當Y光子穿過吸收物質時，通

4、過與物質原子發生光電效應、康普頓效應和電子對效應損失能量；Y射線一旦與吸收物質原子發生這三種相互作用，原來能量為hu的光子就消失，或散射后能量改變、并偏離原來的入射方向；總之，一旦發生相互作用，就從原來的入射Y束中移去。Y射線與物質原子間的相互作用只要發生一次碰撞就是一次大的能量轉移；它不同于帶電粒子穿過物質時，經過許多次小能量轉移的碰撞來損失它的能量。帶電粒子在物質中是逐漸損失能量，最后停止下來，有射程概念；Y射線穿過物質時，強度逐漸減弱，按指數規律衰減，不與物質發生相互作用的光子穿過吸收層，其能量保持不變，因而沒有射程概念可言，但可用“半吸收厚度”來表示Y射線對物質的穿透情況。本實驗研究的

5、主要是窄束Y射線在物質中的吸收規律。所謂窄束Y射線是指不包括散射成份的射線束，通過吸收片后的Y光子，僅由未經相互作用或稱為未經碰撞的光子所組成。“窄束”一詞是實驗上通過準直器得到細小的束而取名。這里所說的“窄束”并不是指幾何學上的細小，而是指物理意義上的“窄束”。即使射線束有一定寬度，只要其中沒有散射光子，就可稱之為“窄束”。窄束Y射線在穿過物質時，由于上述三種效應，其強度就會減弱，這種現象稱為Y射線的吸收。Y射線強度隨物質厚度的衰減服從指數規律，即I=Ie-orNx=Ie-rx（31）00其中，I。、I分別是穿過物質前、后的Y射線強度，x是Y射線穿過的物質的厚度（單位cm），J是光電、康普頓

6、、電子對三種效應截面之和，N是吸收物質單位體積中的原子數，卩是物質的線性吸收系數（U=orN，單位為cm）。顯然卩的大小反映了物質吸收Y射線能力的大小。需要說明的是，吸收系數卩是物質的原子序數Z和Y射線能量的函數，且:和心/曲哎口址、圭芯丸竈負匸壬挙吒哎卩=卩，+卩+卩phcp式中卩ph、卩p分別為光電、康普頓、電子對效應的線性吸收系數；其中：PphXZ5、gZ、RpXZ2（Z為物質的原子序數）。Y射線與物質相互作用的三種效應的截面都是隨入射Y射線的能量氣和吸收物質的原子序數Z而改變。Y射線的線性吸收系數卩是三種效應的線性吸收系數之和。右圖給出了鉛對Y射線的線性吸收系數與Y射線能量的線性關系。

7、實際工作中常用質量厚度Rm（g/cm2）來表示吸收體厚度，以消除密度的影響。因此（31）式可表達為I（R）二Ie-管/p（32）0由于在相同的實驗條件下，某一時刻的計數率N總與該時刻的丫射線強度I成正比，又對（32）式取對數得：InN=-mR+InNP0由此可見，如果將吸收曲線在半對數坐標紙上作圖，將得出一條直線，如右圖所示。卩/P可以從這條直線的m斜率求出，即pInN-InN-m=21（34）pR-R21物質對丫射線的吸收能力也經常用“半吸收厚度”表示。所謂“半吸收厚度”就是使入射的丫射線強度減弱到一半時的吸收物質的厚度，記作：,ln20.693d=12卩卩實驗儀器裝置(33)(35)鉛室淮

8、直屏蔽的技W2鉛磚7/7/z-吸收片探測黑定儲按測器實驗器材：Y放射源137CS和60Co（強度1.5微居里）；200pmAl窗NaI（Tl）閃爍探頭；高壓電源、放大器、多道脈沖幅度分析器；Pb、Cu、Al吸收片若干。Y吸收的裝萱示意圖做Y射線吸收實驗的一般做法是如上圖（a）所示，在源和探測器之間用中間有小圓孔的鉛磚作準直器。吸收片放在準直器中間,前部分鉛磚對源進行準直；后部分鉛磚則濾去Y射線穿過吸收片時因發生康普頓散射而偏轉一定角度的那一部分射線。這樣的裝置體積比較大，且由于吸收片前后兩個長準直器使放射源與探測器的距離較遠，因此放射源的源強需在毫居里量級。但它的窄束性、單能性較好，因此只需閃

9、爍計數器記錄。本實驗中，在Y源的源強約2微居里的情況下，由于專門設計了源準直孔（3x12mm）,基本達到使Y射線垂直出射；而由于探測器前有留有一狹縫的擋板，更主要由于用多道脈沖分析器測Y能譜，就可起到去除Y射線與吸收片產生康普頓散射影響的作用。因此，實驗裝置就可如上圖（b）所示，這樣的實驗裝置在輕巧性、直觀性及放射防護方面有前者無法比擬的優點，但它需要用多道分析器，在一般的情況下，顯得有點大材小用，但在本實驗中這樣安排，可以說是充分利用現有的實驗條件。實驗步驟調整實驗裝置，使放射源、準直孔、閃爍探測器的中心位于一條直線上。在閃爍探測器和放射源之間加上0、1、2片已知質量厚度的吸收片（所加吸收片

10、最后的總厚度要能吸收Y射線70%以上），進行定時測量（建議t=500600秒），并存下實驗譜圖。計算所要研究的光電峰凈面積Ai=Ag-Ab，這樣求出的Ai就對應公式中的卜叫。分別用作圖法和最小二乘法計算吸收片材料的質量吸收系數。依照上述步驟測量Pb、Cu、Al對137Cs的Y射線（取0.661MeV光電峰）的質量吸收系數。測量Pb、Cu對6oCo的Y射線（取1.17、1.33MeV光電峰或1.25MeV綜合峰）的質量吸收系數。利用Al對137Cs的Y射線（取0.661MeV光電峰）的質量吸收系數測Al片厚度。六實驗結果分析與數據處理前面已經提到，要求出材料對Y射線的質量吸收系數，必須先計算計酋

11、光電峰凈面積Ai=AgAb。這里Ag為光電峰的毛面積，是峰谷之間（含峰谷）每道計數之和；Ab為本底面積，是全能峰兩邊峰谷連線組成的直角梯形面積。如右圖所示。下面簡單介紹介紹計算光電峰凈面積的方法。確定峰面積有很多方法，原則上可分兩類，第一類叫計數相加法，即把峰內測到的各道計數按一定公式相加，方法簡單，但只適于確定單峰面積；第二類叫函數擬合法，即將所測到的數據擬合與一個函數，然后積分這個函數得到峰面積，此方法比較準確，也適于重迭峰，但計算工作量較大。因為我們用以測吸收系數和測厚的是137CS、60CO源的全能峰，峰形比較簡單，為了計算方便，可采用計數相加法。按照本底扣除和邊界道選取方法的不同，計

12、數相加法主要可分為以下幾種方法，如下圖所示。1.全峰面積法（TPA法）取兩邊峰谷1、r,把l道至r道的所以脈沖計數相加,本底以直線扣除。這種方法的誤差受本底扣除的方式及面積的影響較大；但該方法利用了峰內全部的脈沖數，受峰的漂移和分辨率變化的影響最小，同時也比較簡單。2.Covell法該方法是在峰的前后沿上對稱地選取邊界道，并以直a：門:aTPA法Covell法一nnMBasson線連接峰曲線上相應于邊界的兩點，把此直線以下的面積作為本底扣除。此方法提高了峰面積與本底面積的比值，結果受本底不確定的影響較小。但n的選擇對結果的精度有較大的影響，n選太大，失去采用道數較少的優點；若n選得太小每則有容

13、易受峰漂和分辨率變化的影響，同時n太小則基線較高，從而降低了峰面積與本底面積的相對比值。3.Wasson法該法邊界道的取法與Covell法一樣，但本底基線選擇較低，與TPA法一樣。這一方法進一步提高了峰面積與本底面積的比值，本底基線的不準和計數統計誤差對峰面積準確計算的影響較小；而受分辨率變化的影響與Covell法相同，沒有TPA法好。此外，6oCo有1.17Mev、1.33Mev的雙峰，本實驗中可以分別進行實驗，也可取它們的平均值1.25Mev，并在本底的扣除中采用下圖方式。6oCo1.17Mev、1.33Mev兩個光電峰相交處是兩個峰的疊加，而每個峰都有其自己的康普坪，致使本底情況比較復雜。實際運算中分別確定兩個峰的峰谷，連線成兩個梯形作為本底比較近似。七.思考題什么叫Y吸收？為什么說Y射線通過物質時無射程概念？談談對Y射線與物質相互作用機制的認識。通過對幾種不同物質的吸收系數的計算，談談在輻射的評比防護方面材料的選擇問題。物質對Y射線的吸收系數與哪些因素有關？分析三種不同的本底扣除方法對實驗結果誤差的影響及原因。參考1.幾種材料對137CS、60Co兩種Y射線的線性吸收系數:E=0.662MeV材料P（g/c