伽马射线的吸收实验报告

实验3:伽马射线的吸收

实验目的

1 • 了解射线在物质中的吸收规律。

2. 测量射线在不同物质中的吸收系数。

3. 学习正确安排实验条件的方法。

内容

1. 选择良好的实验条件，测量60Co （或137Cs）的射线在一组吸收片（铅、铜、或铝）中的吸收曲线，并由半吸收厚度定出线性吸收系数。

2. 用最小二乘直线拟合的方法求线性吸收系数。

原理

1.窄束射线在物质中的衰减规律

射线与物质发生相互作用时，主要有三种效应：光电效应、康普顿效应

和电子对效应（当射线能量大于1.02MeV时，才有可能产生电子对效应）。

准直成平行束的射线，通常称为窄束射线。单能的窄束射线在穿过物质时, 其强度就会减弱，这种现象称为射线的吸收。射线强度的衰减服从指数规律，即

l°e rNx l°e

其中i0,i分别是穿过物质前、后的射线强度，x是射线穿过的物质的厚度（单位

为cm）, r是三种效应截面之和，N是吸收物质单位体积中的原子数，是物质的线

1

性吸收系数（r N ,单位为cm ）。显然的大小反映了物质吸收射线能力的大小。

由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率n总是与该时刻的射线强度I成正比，因此I与x的关系也可以用n与x的关系来代替。由式我们可以得到

x

n n°e （2 ）

In n= In n0- x（3 ）可见，如果在半对数坐标纸上绘制吸收曲线，那末这条吸收曲线就是一条直线，该直

线的斜率的绝对值就是线性吸收系数。

圏1 y 射絲的吸收

物质对 射线的吸收系数也可以用质量吸收系数 m 来表示。

L06

L05

计 率

t 10

3

3

10? L01

由于射线与物质相互作用的三种效应的截面都是随入射

射线的能量E 和吸收 物质的原子序数 Z 而变化，因此单能 射线的线性吸收系数

是物质的原子序数 Z 和

能量E 的函数。

ph c p

式中ph 、 c 、 p 分别为光电、康普顿、电子对效应的线性吸收系数。其中

Ph

Z 2

图2给出了铅、锡、铜、铝对

射线的线性吸收系数与 射线能量的关系曲线。

SJ 01 0.5 f ? 5 10 ^0 !CO?DO /M

3 2 铅* 编* SR. 韜越丁射議的瞅牧系敌卒鵰詈去茶

此时指数衰减规律可表示为

l°e m x m

其中m表示物质的质量吸收系数（m—单位是cnf/g，p是物质的密度，它的单

位是g/cm?）。x m表示物质的质量厚度（X m x.,单位是g /cm2）。因为

r N

式中N A是阿佛加德罗常数，A是原子核质量数。所以质量吸收系数与物质和物理状态无关，因此使用质量吸收系数比线性吸收系数要更方便些。

物质对射线的吸收系数也常用“半吸收厚度”表示。所谓“半吸收厚度”就是

使入射的射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作dl。从（1）式可以得出d 1

2 2 和的关系为

d i 应0693

2

由此可见，d j 也是物质的原子序数 Z 和 射线能量E r 的函数。通常利用半吸收厚

2 度可以粗略定出

射线的能量。

由上可知，要求线性吸收系数时，可以由吸收计算斜率的方法得到，也可以由吸 收曲线图解求出半吸收厚度从而推算得到。以上两种方法都是用作图方法求得线性吸 收系数的，其特点是直观、简单，但误差比较大。比较好的方法是用最小二乘方法直 线拟合来求得线性吸收系数。

G.§ " " ?左 刼 2.5

图 3 半吸枚厚度征了射线能畐的关乘

对于一系列的吸收片厚度 x 1、x 2…x k （假定x i 没有误差），经计算得到一系列的

计数率i

山，这里t i 是相应于N i 的测量时间，利用（2）式

t i

x

n n °e

则 In n= In n ° x

令 y=l n n

则 y ax b

其中斜率 （即为

）与截距b 的计算中心公式为

-I-

吸収尽庶岛>

巳

[W][Wxln n] [Wx][Wlnn]

2 2

[W][Wx2] [wx]2

[Wlnn][Wx2] [Wxlnn][Wx]

[W][Wx2] [Wx]2

k

式中[Wx] W j X j （W i表示y ln m的权重），其它类似。

i 1

W i的计算如下（假定本底不大和本底误差可以忽略）

2

[Wx ]

2 2

[W][Wx ] [Wx]

2

[WV i ]

，V.

k 2

2 .关于吸收实验条件的安排

上面的讨论都是指的窄束射线的吸收过程。从实际的实验条件来看，探测器记录下来的脉冲数可能有五个来源（见图4）,图中

y i ln n

11

22

y i ln n i

1 [W]

.[W][Wx2] [Wx]2

式中y i ?，其中

n i

W.

a和b的标准误差为

a y

（1）透过吸收物质的射线；

（2）由周围物质散射而进入的射线；

（3）与吸收物质发生小角散射而进入的次级射线；

（4）在探测器对源所张立体角以外的射线被吸收物质散射而进入；

（5）本底。

其中只有第一类射线是我们要的透射强度，因此选择良好的实验条件以减少后四类射线的影响，就成为获得准确结果的主要因素。实验时要合理的选择吸收片与放射源，吸收片与探测器之间的相对位置以获得良好的实验结果。

装置

实验装置的示意图见图5

卩吸收实验裝豈

探测器，（计数管探头，FJ-365, —台及计数管，FJ-104，—支或Nal（TI）闪烁计数器，FJ-367，一个）；

自动定标器，FH-408，—台；

放射源，60Co （或137Cs）毫居级，1个；

吸收片，铅、铜、铝，若干片。

步骤

1 •调整装置，使放射源、准直孔、探测器的中心处在一条直线上。

2. 选择吸收片的合适位置，使小角冃攵射的次级射线影响

较小(称为良好的几何