近代物理实验中国石油大学实验94射线的吸收

实验9-4 射线的吸收和射线相比，射线与物质的相互作用要复杂得多。射线在吸收物质中的强度衰减也只近似符合指数规律。通过研究射线的吸收规律，测量吸收物质对射线的阻止本领，可以指导辐射防护的选材及确定厚度。另外，通过测量物质对射线的吸收系数，或射线在吸收物质中的射程，可以估算射线的最大能量，这是鉴别放射性核素的有效办法。【实验目的】1、了解射线与物质相互作用的机理。2、学习测量射线最大能量的方法。3、测量吸收物质对射线的阻止本领。【实验原理】一、衰变与能谱的连续性放射性核素的原子核放射出粒子而变为原子序数差1、质量数A相同的核素称为衰变。衰变时，在释放出高速运动电子的同时，还释放出中微子，两者分配能量的结果，使射线具有连续的能量分布，如图9-4-1所示。 图9-4-1 射线能谱 图9-4-2 源衰变图二、射线与物质的相互作用射线与物质相互作用时主要通过电离效应、辐射效应和多次散射等方式损失能量。射线与物质原子核外电子发生非弹性碰撞，使原子激发或电离，因而损失其能量，此即电离能量损失。电离损失是射线在物质中损失能量的主要方式。当射线与物质原子核的库仑场相互作用时，其运动速度会发生很大变化。根据电磁理论，当带电粒子有加速度时，会辐射电磁波即轫致辐射，这就是辐射能量损失。此外，射线也可以与物质原子核发生弹性散射，不损失能量，只改变运动方向。因为粒子的质量很小，所以散射的角度可以很大，而且会发生多次散射，最后偏离原来的方向，使入射方向上射线强度减弱。当射线穿过物质时，由于射线与物质发生相互作用，使射线强度减弱的现象称为射线的吸收。三、射线最大能量的测量常用的测量方法有吸收法和最大射程法两类。图9-4-3 吸收曲线实验表明，对于一束单能电子（如内转换电子）穿过吸收物质层时，其强度随吸收物质层厚度的增加而减弱，并符合指数衰减规律。但由于射线的能量不是单一的，而是连续分布的，所以射线的吸收只是近似符合指数衰减规律，如图9-4-3所示。如图9-4-3中各曲线的尾部，从而导致测量最大射程的困难，为此，在实际工作中通常是测量有效射程，来代替最大射程。有效射程不仅与吸收物质的性质有关，而且也与射线的最大能量E0有关，对于铝吸收体，存在下述经验公式：当时， （9-4-1）当时， （9-4-2）假设衰变过程中只放出一种射线，如图9-4-3中（a）所示，吸收曲线可近似用下式表示 （9-4-3）对两边取对数，得 （9-4-4）由于在相同实验条件下，某一时刻的计数率n总是与该时刻的射线强度I成正比，所以（9-4-3）式和（9-4-4）式也可以表示为 （9-4-5） （9-4-6）显然，与具有线性关系。在用NaI（Tl）闪烁能谱仪测量射线能谱时，考虑到射线的能量分布的连续性，其全谱计数率即为（9-4-5）式和（9-4-6）式中的n。同有效射程一样，也与吸收物质的性质及射线的最大能量有关。对于铝吸收体，存在经验公式 （9-4-7）这样，只要在实验过程中，通过测量射线在一定吸收物质中的吸收曲线，在曲线上求取R0和，就可用（9-4-1）式、（9-4-2）式和（9-4-7）式估算出射线的最大能量。四、吸收物质对射线的阻止本领射线在吸收物质中单位路径长度上损失的平均能量定义为吸收物质对射线的阻止本领（简称阻止本领），记作，实际使用中，为了消除密度的影响，常用的是质量阻止本领，即，其中为吸收物质的密度。只要我们能够测量出射线经过吸收物质前后对应的单能电子能量E0和E1，就可以计算出该吸收物质对能量为的单能电子的质量阻止本领，即 （9-4-8）其中为吸收物质层的质量厚度。【实验装置及器材】实验所需仪器主要包括横向半圆磁聚焦谱仪（真空型）、NaI（Tl）闪烁探测器、多道脉冲幅度分析器、计算机等，另外还用到放射源60Co和137Cs，放射源90Sr90Y。实验装置如图9-4-4所示。【实验内容】1、阅读仪器使用说明，掌握仪器及多道分析软件的使用方法。2、仪器开机并调整好工作电压（700750V）和放大倍数后，预热30分钟左右。3、在多道分析软件中调整预置时间为600s。4、用放射源60Co和137Cs标定闪烁谱仪，绘制能量刻度曲线，用最小二乘法确定相应的表达式。5、抽真空，真空度由真空表监测。6、测量铝在不同能量下对射线总的质量阻止本领。左右移动闪烁能谱仪的探头，在加吸收片和不加吸收片两种情况下，分别测量射线（用放射源90Sr90Y）能谱中单能电子峰位对应的多道脉冲幅度分析器的道数。根据道数由能量刻度曲线计算单能电子的能量，进一步得到铝在不同能量下对射线总的质量阻止本领，并绘制质量阻止本领与探头位置之间的关系曲线。需要注意的是，由于闪烁体前有一厚度约200 m的铝质密封窗，周围包有约20m的铝质反射层，所以单能电子穿过铝质密封窗、铝质反射层后，其损失的部分能量必须进行修正。7、用一组铝吸收片测量对90Sr90Y放射源的射线的吸收曲线（曲线），用最小二乘法求出质量吸收系数，进而求取射线的最大能量，并与2.27MeV比较，求相对不确定度。【注意事项】1、当工作指示灯亮时，切勿关闭仪器。2、领用和归还放射源必须作好登记。【数据处理】整个实验采用的工作电压为800v 放大倍数6.501. 能量定标表9-4-1能量与光电峰道数对应数据能量Mev0.1840.6621.171.33光电峰道数50.90167.58293.69332.24图9-4-4能量刻度曲线斜率：0.004截距：-0.022能量与道数对应的关系曲线方程为：E=0.004Channel-0.022知道道数就可以得到相应的光电峰的能量2. 测量铝在不同能量下对射线总的质量阻止本领不加铝片前的处理：表9-4-2位置与单能电子峰数据记录位置d/cm10.4012.9015.6017.9620.6523.0025.20单能电子峰道数109.72167.23226.31281.04341.14391.98435.79根据能量刻度曲线方程得到位置与能量的对应数据如下：表9-4-3位置与能量对应数据位置d/cm10.4012.9015.6017.9620.6523.0025.20对应的能量/Mev0.4170.6470.8831.1021.3431.5461.721用插值法查表得到经过铝制薄膜前单能电子的能量： 表9-4-4消除铝制薄膜影响后位置与能量对应数据位置d/cm10.4012.9015.6017.9620.6523.0025.20/Mev0.5130.73709711.1861.4281.6341.807加入50m铝片后与之前处理相似得到汇总的数据表：表9-4-5加50m铝片后相应数据位置d/cm10.4012.9015.6017.9620.6523.0025.20单能电子峰道数104.75160.80220.53271.44332.06383.48427.93对应的能量/Mev0.3970.6270.8601.0641.3061.5121.690/Mev0.4940.71109471.1501.3941.5961.779根据单能电子的质量阻止本领公式：算出每个位置的质量阻止本领，从而绘出关系曲线表9-4-6位置与质量阻止本领的关系数据整理位置d/cm10.4012.9015.6017.9620.6523.0025.20质量阻止本领1.411.931.782.672.522.812.07图9-4-4质量阻止本领与探头位置之间的关系曲线位置d/cm阻止本领由图可以看出，阻止本领随位置的增大而增强，但是不是标准的线性关系。可能是实验过程中存在较大误差导致，如下图所示在实验中总是会出现两个峰，与理论单能电子峰相悖。说明实验中还有其他能量的粒子干扰，影响了实验结果。若对结果进行线性拟合得阻止本领y与位置x之间的关系：y=0.0653x+0.99713.求质量吸收系数与射线最小能量表9-4-7铝片对射线的吸收数据记录铝片厚度0501502504506509501250质量厚度00.01350.04050.06750.12150.17550.25650.3375总计数361604335855310611286715245729207538189011156783计数率n602.69559.76517.69477.86409.55345.90315.02261.31n6.4016.3286.2496.1696.0155.8465.7535.566图9-4-5 吸收曲线Ln n 用最小二乘法拟合直线方程：y=-5.4204x+6.3472吸收系数为：=5.4204根据公式： 求得最大能量 =2.73Mev相对误差：20.1%【思考题】1、简要说明射线吸收与射线吸收的异同点。答：射线与物质相互作用时有可能一次性完全的吸收或散射，如光电效应。而射线与物质相互作用时，能量和强度都逐渐减弱，直至射线完全吸收。物质不可能一次性把射线的能量全吸收。2、如何用本实验的方法测量一定材料的厚度？答：由于取对数得：显然，利用与具有线性关系。在用NaI（Tl）闪烁能谱仪测量射线能谱测量出待测材料所对应的线性关系，然后待测的未知厚度（设为d）的材料作为吸收物质，测出计数率则可通过公式算出质量厚度，进而带入公式（1），即可求出d。3、在测量吸收曲线时，闪烁体前的200 m铝质密封窗对测量结果有何影响？答：虽然200 m铝质密封窗看似对实验无影响，但是实际上是会对实验结果产生一定影响的，铝片不同与有机薄膜等物质，它对射线有相对较强的阻碍作用。当物质能量较高时，穿过铝片时能量损失较小，可能对要求不是太严格的实验是可以接受的。但是对于能量较小的射线，可能因为铝片的阻碍作用而损失能量过多致使射线粒子无法通过薄铝片，可能就无法测到很小能量的粒子。这也可能会直接导致该实验可能出现较大的实验误差，或者对于较小能量的粒子测不出来。所以在经行该实验数据的处理时，一定要进行能量损失的修正，有关的修正数据在该实验中已经给出，处理时只需引用、插值计算便可知所需要的正真的入射粒子的能量。4、在测量阻止本领的实验中，为什么不对真空室外的有机塑料薄膜进行能量修正？答：这主要是由于有机塑料薄膜对射线的阻碍作用相当的小，换句话说就是当射线穿过物质时能量损失很小，基本上可以忽略损失的那部分能量。所以对于有机薄膜上损失的能量在实验要求达到的误差范围内是可以不需要经行能量的修正的。5、本底计数率对测量有无影响？如果有，应该如何处理？答：有影响，但是可以忽略，可以先测出本底计数率再进行实验测量。然后再在处理实验数据过程中相应的减去本底计数率。【实验讨论与总结】1、对“单一粒子谱”的解释：射线的能量不固定，能确定的仅仅是它的最大值，这是衰变中一部分能量被电子中微子带走造成的。原子核的能量是量子化的，如果没有电子中微子，放射出的电子能量也应只取一些分立的值，但是由于电子中微子存在，且初始运动方向不定，因此谱应是从最低能量到最高能量的一个连续谱。所以“单一粒子谱”可以理解为最大能量固定的粒子谱。2、所取材料放射的射线分为低能和高能两种射线，因此得出的图象不是指数曲线，而是两条指数曲线的叠加，如图9-4-6所示所以数据应分开处理。处理方法：将所得曲线在半对数坐标纸上拟合得出，所得图线大致是一条折线。以拐点将图线分成两部分，将拐点以下的曲线近似看成高能部分的曲线（依据是低能部分衰减明显）。得出方程后将拐点以上的曲线方程与其相减即得低能部分。（我们实际采用此方法）。图9-4-6 单能能谱图 1【参考资料】1、褚圣鳞，原子物理学， 高等教育出版社，19792、复旦大学等，原子核物理实验方法（下册），原子能出版社，19823、吴泳华等，近代物理实验，安徽教育出版社，19874、北京大学等，核物理实验，原子能出版社，19849班级：材料物理09-3 学号：09132304 姓名：武甜甜 同组者：张静