吸收系数

光信息科学与技术081班 08620124 吴勇军

摘要：本实验用Nal(Tl) 闪烁谱仪来分别测量60Co和137Cs 在一组吸收片（铅、铜或铝）

中的吸收曲线，并用最小二乘原理拟合求线性吸收系数。再根据已知一定放射源对一定材料的吸收系数来测量该材料的厚度。

关键词：γ

射线 吸收系数μ

引言：原子核由激发态向较低激发态跃迁时会辐射γ

射线，γ射线在约10KeV到约10MeV

范围内与物质相互作用会产生三种效应的一种：光电效应、康普顿效应、电子对效应。窄束γ射线穿过物质时其强度随物质的厚度的衰减服从指数规律。吸收系数μ是物质原子序数z和γ射线能量的函数，γ射线的线吸收系数μ是三种效应的线吸收系数之和。而物质对γ射线 的吸收能力也经常用“半吸收厚度”表示。

正文

一、实验目的

1、了解γ射线与物质相互作用的特性；

2、了解窄束γ射线在物质中的吸收规律及测量其在不同物质中的吸收系数。 二、实验原理

物质吸收系数μ的测定

γ辐射是处于激发态原子核损失能量的最显著方式。光子(γ射线)会与下列带电体发生相互作用：1）被束缚在原子中的电子；2）自由电子(单个电子)；3）库仑场(核或电子的)；4）核子(单个核子或整个核)。

这些类型的相互作用可以导致下列三种效应中的一种：1）光子的完全吸收；2）弹性散射；3）非弹性散射。因此从理论上讲，γ射线可能的吸收和散射有12种过程，但在从约10KeV到约10MeV范围内，大部分相互作用产生下列过程中的一种：

 低能时以光电效应为主。一个光子把它所有的能量给予一个束缚电子；核电子用其能量

的一部分来克服原子对它的束缚，其余的能量则作为动能；

 光子可以被原子或单个电子散射到另一方向，其能量可损失也可不损失。当光子的能量

大大超过电子的结合能时，光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向都发生了变化，即所谓的康普顿效应，光子能量在1MeV左右时，这是主要的相互作用方式；

 若入射光子的能量超过1.02MeV，则电子对的生成成为可能。在带电粒子的库仑场中，

产生的电子对总动能等于光子能量减去这两个电子的静止质量能(2mc=1.022MeV)。

2

光电效应 康普顿效应 电子对效应

本实验研究的主要是窄束γ射线在物质中的吸收规律。所谓窄束γ射线是指不包括散射成份的射线束，通过吸收片后的γ光子，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。 窄束γ射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度就会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。γ射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即

rNxxII0eI0e （1）

其中，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=σrN，单位为cm）。显然μ的大小反映了物质吸收γ射线能力的大小。

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。因此（1）式可表达为

（2）

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γ射线强度I成正比，又对（2）式取对数得：

mlnNI(R)I0emR/ （3）

由此可见，如果将吸收曲线在半对数坐标纸上作图，将得出一条直线，如右图所示。m/可以从这条直线的斜率求出，即

mlnN2lnN1RlnN0R2R1 （4）

除吸收系数外，物质对射线的吸收能力也经常用“半吸收厚度”表示。所谓“半吸

收厚度”就是使入射的

γ射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作：

d12ln20.693 （5）

三．实验仪器装

置

实验器材：①γ放射源137Cs和60Co(强度≈1.5微居里)；②200mAl窗NaI(Tl)闪烁探头；③高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器；④Pb、Cu、Al吸收片若干。

做γ射线吸收实验的一般做法是如上图（a）所示，在源和探测器之间用中间有小圆孔的铅砖作准直器。吸收片放在准直器中间,前部分铅砖对源进行准直；后部分铅砖则滤去γ射线穿过吸收片时因发生康普顿散射而偏转一定角度的那一部分射线。这样的装置体积比较大，且由于吸收片前后两个长准直器使放射源与探测器的距离较远，因此放射源的源强需在毫居里量级。但它的窄束性、单能性较好，因此只需闪烁计数器记录。

本实验中，在γ源的源强约2微居里的情况下，由于专门设计了源准直孔（φ312mm），基本达到使γ射线垂直出射；而由于探测器前有留有一狭缝的挡板，更主要由于用多道脉冲分析器测γ能谱，就可起到去除γ射线与吸收片产生康普顿散射影响的作用。因此，实验装置就可如上图（b）所示，这样的实验装置在轻巧性、直观性及放射防护方面有前者无法比拟的优点，但它需要用多道分析器，在一般的情况下，显得有点大材小用，但在本实验中这样安排，可以说是充分利用现有的实验条件。

四、实验步骤： 物质吸收系数μ的测定

1. 调整实验装置，使放射源、准直孔、闪烁探测器的中心位于一条直线上。

2. 在闪烁探测器和放射源之间加上0、1、2 片已知质量厚度的吸收片（所加吸收片最

后的总厚度要能吸收γ射线70%以上），进行定时测量（建议t=1200秒），并存下实验谱图。

3. 计算所要研究的光电峰净面积Ai=Ag-Ab，这样求出的Ai就对应公式中的Ii、Ni。 4. 分别用作图法和最小二乘法计算吸收片材料的质量吸收系数。

（1）依照上述步骤测量Pb、Al对137Cs的γ射线（取0.661MeV光电峰）的质量吸收系数。 （2）测量Pb、Al对60Co的γ射线（取1.17、1.33MeV光电峰或1.25MeV综合峰）的质量吸收系数（选做）。

（3）利用Al对137Cs的γ射线（取0.661MeV光电峰）的质量吸收系数测Al片厚度。（选做）

五．实验结果分析与数据处理

前面已经提到，要求出材料对γ射线的质量吸收系数，必须

先计算光电峰净面积Ai=Ag—Ab。这里Ag为光电峰的毛面积，是峰谷之间（含峰谷）每道计数之和；Ab为本底面积，是全能峰两边峰谷连线组成的直角梯形面积。如右图所示。

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我们用以测吸收系数和测厚的是137Cs、Co源的全能峰，峰形比较简单，为了计算方便，

可采用计数相加法确定峰面积。

在具体的实验数据处理中，推荐用TPA方法处理。 全峰面积法（TPA法）

取两边峰谷l、r，把l道至r道的所以脉冲计数相加，本底以直线扣除。

这种方法的误差受本底扣除的方式及面积的影响较大；但该方法利用了峰内全部的脉冲数，受峰的漂移和分辨率变化的影响最小，同时也比较简单。

参 考

1．几种材料对137Cs、60Co两种γ射线的线性吸收系数： ①E=0.661MeV

材 料 Pb Cu ②E=1.25MeV

材 料 Pb Cu

ρ（g/cm2） 11.34 8.9 μ（cm-1） 0.674 0.474 材 料 Al Fe ρ（g/cm2） 2.7 7.89 μ（cm-1） 0.150 0.424 ρ（g/cm2） 11.34 8.9 μ（cm-1） 1.213 0.642 材 料 Al Fe ρ（g/cm2） 2.7 7.89 μ（cm-1） 0.194 0.573 2．用本实验装置进行γ射线在物质中的吸收规律实验所得谱形

1、