伽马射线吸收系数测量方法的研究

伽马射线吸收系数测量方法的研究 第23卷第4期 2010年8月 大学物理实验 PHYSICALEXPERlM|ENTOFC0LLDGE V0I.23No.4 Aug.2010 文章编号:1007—2934(2010)04—0020—04 伽马射线吸收系数测量方法的研究 裴朝,张高龙,孟显奎 (die京航空航天大学,北京100191) 摘要:利用y射线穿过物质时强度遵从指数衰减规律,选取不同的吸收材料进行y射线吸收系数 的测量,结果准确可靠,从而验证了实验室开设y射线吸收系数测量实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的可行性. 关键词:7射线;线性吸收系数;吸收物质;闪烁探测器 中图分类号:O432文献标识码:A y射线是波长短于0.2A的电磁波,它由原子 核能级间的跃迁而产生,是继a,射线后发现的 第三种原子核射线.y射线具有比X射线还要强 的穿透能力,目前广泛的应用于工业探伤,测厚, 冶金,自动化,医疗等方面.研究不同物质对),射 线的线性吸收系数的测量方法,这对于在工业应 用中对y射线进行防护,以及用y射线准确检测 各种容器内所储存的液体,浆体或固体物料的位 置,都具有重要的意义. 1实验原理 y射线在物质中具有较强的穿透本领.当能 量小于10MeV的y光子穿过物质时,与吸收物质 的原子主要发生光电效应,康普顿效应和电子对 效应.与物质发生相互作用的y光子就会消失,或 者散射后能量发生变化,并偏离原来的入射方向. 没有与物质发生作用的光子穿过吸收层,其能量 保持不变.y射线穿过物质时,强度逐渐减弱,可 用半吸收厚度来表示y射线对物质的穿透情况. y射线与物质发生三种主要相互作用都具有 一 定的概率,用截面这个物理量来表示作用概 率的大小.因此有各种作用截面——光电效应截 面,康普顿散射截面和电子对效应截面,), 射线与物质相互作用的总截面是这些部分截面之 和,即 一 +o’c+0”p(1) 下面讨论),射线通过物质时的吸收.设有一 束准直的单能y射线,沿水平方向垂直通过吸收 收稿日期:2010—04—15 物质,如图1所示.吸收物质单位体积中的原子数 为N,密度为|D,在t==:0处,y射线强度为o.射 线通过吸收片时,要发生上述三种效应,因而y射 线强度将减弱.在物质中t处的y射线强度为J,通 过薄层后,其强度变化为d.按照截面定义, 一 /IN~t,应有下列关系: hv 图1y射线通过物质时豹吸收示薏圈 一 dI===JNd,(2) 式中负号表示y强度是沿t方向减少的,,dJ 就是受到原子的作用而离开原来入射y束的光子 数,是上述三种效应的截面之和.由式(2)可以 得到: 一 ,N出T,… 解这个方程,并利用初始条件(,一0时,— I.),便得: ::= J0e一(3) 由此可见,准直y射线束通过吸收物质时,其 强度的衰减遵循指数规律. 伽马射线吸收系数测量方法的研究 令一arN,则上式可改写为: J:==Ioe-g(4) 称为线性吸收系数,它表示在单位路程上y 射线与物质发生三种相互作用的总概率,单位为 cm, .若分别考虑每一种效应,则有相应的吸收系 数:光电吸收系数,康普顿吸收系数和电子 对吸收系数.总吸收系数/1为: 一 +/1+p(5) 因为N=(p/A)NA,A为原子质量数,N为 阿佛加德罗常数,所以:==oy(p/A)NA,可见与 吸收物质的密度 2实验装置及方法 实验装置包括”Cs放射源,NaI(T1)闪烁探 测器,高压电源,线性放大器,多道脉冲幅度分析 器,计算机,以及多个铅,铁,铜,铝吸收片等.实验 装置示意图见图2. 准直屏蔽的 图2y射线吸收装置 本实验采用的闪烁体为NaI(T1)晶体. NaI(T1)晶体密度较大(p一3.67/cm3),而且高 原子序数的碘(z一53)占重量的85,所以对y 射线探测效率特别高,同时相对发光效率大,约为 蒽晶体的两倍多.它的发射光谱最强波长为415 nm左右,能与光电倍增管的光谱响应较好匹配, 其晶体透明性和能量分辨率也是测量y射线时较 好的一种闪烁体.NaI(T1)晶体的缺点是容易潮 解,吸收空气中水分而变质失效,所以应当保存在 密封的金属盒中. 多道脉冲幅度分析器是一种通用的核谱数据 获取和处理仪器,它用于数据采集,存贮,能谱显 示,输出经数据处理后的最终结果.多道分析器一 次测量便可得到一条完整的能谱曲线,既方便可 靠又节省时间.道宽的选择必须适当,过大会使谱 畸变,分辨率变差,能谱曲线上实验点过少;道宽 过小则使每道的计数减少,统计涨落增大,或使测 量时间相应增加. 由于实验中采用NaI(T1)闪烁探测器,配合 多道脉冲幅度分析器进行测量,在计算机上显示 的是y射线的全能谱,考虑到本底,计数统计涨落 及光标定位不准的影响,所以无法直接准确得到 某一能量y射线在某一时刻的计数率.比较好的 解决办法是:在相同实验条件下(放射源与探测器 的位置不变,探测器工作电压和放大倍数不变,并 保证相同的测量时间),首先获得不同吸收厚度下 的y射线全能谱,然后计算所选光电峰的净面积 A,以此替代前述公式中的,z或j.净面积的计算 方法有三种,分别是TPA算法,Covell算法和 Wasson算法,如图3所示.实验中,采用TPA方 法处理实验数据. TPACovel1Wasson道数 图3净面积算法示意图 3实验数据 3.1实验条件 从实际的实验条件来看,探测器记录下来的 脉冲数有五个来源: (a)透过吸收物质的7射线; (b)由周围物质散射而进入的7射线; (c)与吸收物质发生小角散射而进入的次级 7射线; (d)在探测器对源所张立体角以外的7射线 被吸收物质散射而进入; (e)本底. 3.2实验数据 (1)吸收片选用铅片,实验数据见表1,其中 伽马射线吸收系数测量方法的研究 为铅片厚度.数据的处理如图4所示.实验测 得一0.11875ram-’,的理论值为0.1213 mm-,误差为2.O92/6. (2)吸收片选用铜片,实验数据见表2,其中 为铜片厚度.数据的处理如图5所示.实验测 得一0.06346mm-,的理论值为0.0642mm-, 误差为1.159/6. (3)吸收片选用铁片,实验数据见表3,其中 为铁片厚度.数据的处理如图6所示.实验测 得一0.05826mm-,理论值为0.0573rnn’l-, 误差为1.75. 表1铅的实验数据 图4铅的吸收曲线 1O.8 1O.6 1O.4 {10.2 1O.0 9.8 图5铜的吸收曲线? 3436384O42444648505254 z(厚度)/mm 图6铁的吸收曲线 3.3实验结果分析 通过实验测出铅,铁,铜的线性吸收系数,可 以看到,当吸收片厚度达到一定程度以后,测量数 据的规律性很好,其半对数坐标中的点保持非常 好的线性,与理论值进行对比,发现误差基本在 2以内,实验结果可信. 通过对实验数据的分析和误差来源的评估, 在实验过程中需要注意: (a)吸收片的放置应尽量靠近探测器,以减 小由于周围物质散射而进入的射线. (b)光电倍增管的偏置电压要加到使能谱图 中全能峰全部显示在屏幕中,以便计数. (c)计数时应选取全能峰的净面积作为计 数,这样可减少本底引起的误差. (d)吸收片的起始总厚度铅,铁和铜要大于 核物理中 数据分析方法.此外,让学生自主设计吸收片的 形状,大小和厚度,分析不同厚度吸收片对实验结 果的影响,从而培养了学生的综合实验能力. 参考文献: Eli李星洪.辐射防护基础[M].北京:原子能出版社, 1982:117—118. [2]吴泳华.原子核物理实验方法[M].北京:原子能出 版社,1997:55—56,99—103,110—1l2. E33北京大学,清华大学和复旦大学.核物理实验[M]. 北京:原子能出版社,1989:36—37. [4]周志成.核电子学基础[M].北京:原子能出版社. 1986:120. [5]王芝英.核电子技术原理[M].j匕京:原子能出版社, l989:273. StudyofMeasuringMethodofAbsorption CoefficientforGammaRays PEIZhao,ZHANGGao—long,MENGXian-kui (BeihangUniversity,Beijing100191) Abstract:Accordingtotherulethatwhengammarayspassthroughthematter,i tsstrengthdecays complyingwiththeexponentialdecaylaw,wechoosethedifferentmaterialstomeasuregammarays absorptioncoefficient.Theresultsareexactandreliable.Itisshownthattheexperimentisfeasiblefor measuringtheabsorptioncoefficientofgammaraysthroughthedifferentmaterialsinlaboratory. Keywords:gammarays;linearabsorptioncoefficient;absorptionmatter;scintillationdetector