伽馬射線穿過物質(zhì)時能譜的變化

摘 要：γ射線穿過物質(zhì)時，會通過光電、康普頓、電子對效應與物質(zhì)相互作用。本實驗通過測量γ射線穿過不同厚度、不同材料時能譜的變化，加深理解γ射線束穿過物質(zhì)時強度的變化，通過分析γ光子與物質(zhì)相互作用方式，解釋γ射線通過不同厚度、不同材料時能譜的變化。同時也驗證了鉛磚作為γ射線的屏蔽材料，是安全可行的。

關(guān)鍵詞：137Cs；γ射線；不同物質(zhì)；能譜變化

1 概述

原子核能級間的躍遷產(chǎn)生γ射線，γ射線按強度的分布即γ射線能譜，簡稱γ能譜。測量γ能譜一般使用閃爍γ能譜儀，其利用閃爍體在帶電粒子作用下被激發(fā)或電離后，能發(fā)射熒光（成為閃爍）的現(xiàn)象測量能譜。γ射線通過光電效應，康普頓散射，（電子對效應）三種方式與物質(zhì)進行相互作用。探測γ射線通過物質(zhì)時能量譜的變化，可以深入了解γ射線與物質(zhì)相互作用。

2 實驗

2.1 實驗原理

光電效應：

光電效應是物質(zhì)在高于某一特定頻率的電磁照射下放出光電子的現(xiàn)象，當能量為hv的入射γ光子與物質(zhì)的原子中束縛電子相互作用時，光子可以把全部能量轉(zhuǎn)移給某個束縛電子，使電子脫離原子束縛而發(fā)射出去，光子本身消失，發(fā)射光電子的動能為：

E=hv-Ei≈hv

這是閃爍體探測器探測到的全能峰（光電峰）的來源。

2.2 實驗儀器

濱松閃爍體探測器；四川大學一體化能譜儀，137Cs放射源；若干鋁片，銅片，鉛片。

3 實驗步驟

3.1 儀器組裝

檢查實驗儀器的線路連接。

3.2 準直與調(diào)節(jié)

將各個部分中心置于一條直線上，打開放射源屏蔽體開關(guān)，微調(diào)光電探測器的角度，直至計數(shù)率最高，即已準直。固定設備開始測量。

3.3 測試與記錄

3.3.1 相同材料，不同厚度

取同種材料薄片，多片疊加為不同厚度的等效屏蔽物質(zhì)并進行測試。

3.3.2 相同厚度，不同材料

考慮到實驗室材料的實際情況，難以保證嚴格相同的厚度，因此使用上述測試結(jié)果中9mm左右和18mm左右兩組數(shù)據(jù)直接進行對照。

3.3.3 無屏蔽測試

取下所有屏蔽材料，令放射源直射探頭，進行60s測試后記錄數(shù)據(jù)。該記錄位于后文air線。

4 結(jié)果及分析

4.1 相同厚度，不同材料

由常規(guī)刻度圖像可以看出，材料的加厚顯著減弱了整個能譜中每一道的計數(shù)率，全能峰與康普頓坪均明顯下降，可認為材料與γ射線的相互作用降低了能夠通過材料抵達探測器的γ光子數(shù)，與理論預期相合。

由對數(shù)刻度圖像可以看出，隨材料加厚，整條能譜曲線基本不變形地向低計數(shù)方向平移。由于縱軸為對數(shù)刻度，較高的全能峰與較低的康普頓坪呈現(xiàn)同樣幅度的下降，意味著厚材料的全能峰相對于薄材料下降的比例應當高于康普頓坪下降的比例。

由鉛磚可以看出，在全能峰之后的更高能量范圍依然存在均勻計數(shù)，且圖像呈現(xiàn)白噪樣。由于該系統(tǒng)中不存在高于全能峰的有效信號，因此這些計數(shù)應為噪聲，可用于估計系統(tǒng)噪聲的大小。對全能峰后的所有道進行統(tǒng)計，得每道平均計數(shù)率為每秒0.024個信號。

可以看出，隨著材料的原子序數(shù)增大，整個能譜計數(shù)明顯降低。

4.2 數(shù)值分析

對相同材料、不同厚度的數(shù)據(jù)，考慮到計數(shù)時間較短，為確保變化可觀察，對鋁和銅取最薄和最厚一組，對鉛取全部數(shù)據(jù)進行處理。對每組數(shù)據(jù)的康普頓坪與全能峰部分計數(shù)進行積分，并以全能峰總計數(shù)除以康普頓坪總計數(shù)，得到峰-康比如表1所示：

對于相同材料不同厚度的材料，得出的結(jié)論是譜型沒有明顯變化，但是對整個譜進行積分，探測到的粒子數(shù)變少。再對得出譜進行更細致的分析，對每個譜分別積分其康普頓連續(xù)譜和全能峰譜的計數(shù)，得到同種物質(zhì)不同厚度的峰康比。發(fā)現(xiàn)隨著物質(zhì)厚度的增加，峰康比變小。這是由于窄束γ射線在穿過物質(zhì)時被吸收，強度隨物質(zhì)厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即：

I=I0e-？滓？篆x=I0E-？滋x

其中I與I0分別是穿過物質(zhì)之后，穿過物質(zhì)之前γ射線的強度。N為吸收物質(zhì)單位體積的原子數(shù)。σ是光電效應，康普頓，電子對三種效應截面之和，μ為物質(zhì)的線性吸收系數(shù)，它是原子序數(shù)Z和γ射線能量的函數(shù)，且μ=μph+μc+μp，式中μph、μc、μp分別為光電、康普頓、電子對效應的線性吸收系數(shù)，其中 、 、 （Z為物質(zhì)原子序數(shù)）。同種物質(zhì)，穿過距離x越長，則γ射線強度越低，總計數(shù)越少。γ射線在與銅鋁等物質(zhì)相互作用時，雖然發(fā)生光電效應和康普頓效應的光子數(shù)都會增加，但是發(fā)生康普頓散射的一部分粒子仍能被探測到，所以峰康比會減少。

特別說明，對于鉛而言，能譜的低能段（康普頓坪）會被薄鉛強烈吸收，而高能段（全能峰）被吸收的比例相對不那么高，因而導致在薄鉛測試時峰康比異常高。在鉛磚測試時，其厚度已經(jīng)將全能峰和康普頓坪抑制到接近噪聲的程度，難以再降低計數(shù)，因此峰康比明顯下降。

對于相同厚度不同材料來說原子序數(shù)越高，射線經(jīng)過物質(zhì)后強度越小，總計數(shù)也就越小。此外，對于鉛磚來說，幾乎探測不到計數(shù)，可見鉛磚對于實驗室放射源的屏蔽十分有效，鉛塊足以起到防護作用。

參考文獻

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[2]盧希庭.原子核物理[M].北京：原子能出版社，2000，10：165-184.

[3]楊福家.原子物理學[M].北京：高等教育出版社，2007，5：29-42.

作者簡介：肖宇白（1994-），男，山西省大同市人，工作單位：四川大學，職務：學生，研究方向：核工程與核技術(shù)。