1、收稿日期 :2003206204; 修回日期 :2003207208作者簡介 :陳英琦 (1977 , 女 (漢族 , 黑龍江人 , 碩士研究生 (導師 :陳玲燕 , 凝聚態物理專業第 17卷 第 1期2004年 2月同位素Jou rnal of Iso topesV o l . 17 N o . 1Feb . 2004用 陳英琦 1, 陳玲燕 , 張哲 , , (, 摘要 :采用 N a I (T l s 和 60Co 的 射線在鉛 、 銅 、 鋁材料中的吸收系數 。 對 137C s (01661 1. 0. 、 c m -1, 與公認值相差均約 1%; 對 60Co 分別為 0. 674

2、、0. 481、 0. 1以內 。 利用鐵的吸收系數對其未知厚度進行測量 , 測量結果的誤差均約 2%。關鍵詞 :; 吸收系數 ; 測厚中圖分類號 :TL 816 文獻標識碼 :A 文章編號 :100027512(2004 0120021206隨著核工業的發展 , 放射性同位素應用范圍的不斷擴大 , 輻射防護和對射線劑量的測量問題 日益突出 , 各種檢測方法也相應得到發展 。 改進 型驗證相對論效應實驗裝置是一個綜合型 、 研究 型實驗裝置 , 利用它不但可以進行驗證相對論效 應的實驗 , 還能進行 射線在物質中吸收系數的 測量 、 磁譜儀原理和定位方式的研究 、 單能 粒子與物質相互作用等系

3、列實驗 。 其中對 射線 與物質的相互作用研究及其在測厚中的應用就 是一個很重要的方面 。 本工作擬利用改進型驗證 相對論效應實驗裝置測量 射線在不同材料中 的吸收系數 , 并利用已有的吸收系數進行測厚 。 目前國際上用 射線測量材料的吸收系數和厚 度時 , 在源和探測器之間用鉛作準直器 , 采用計 數裝置作 射線的強度測量 。 在源和探測器之間 用鉛作準直器 , 這樣的裝置體積較大 , 且放射源 與探測器的距離較遠 , 因此放射源的活度需要在 107B q 數量級 。 利用 N a I (T l 閃爍探測器和多道 脈沖分析器測全能峰的方法進行測量 , 其優越性 在于用能譜的方法代替了幾何準直

4、的方法 , 通過 在 能譜中選取一定能量的射線 , 減少了射線與 吸收片產生康普頓散射影響 1, 從而提高實驗結 果的精度 ; 其對放射源活度的要求也有大幅度降低 (約 7. 4×10 4B q 。1 原理躍遷可定義為一個核由激發態到較低的 激發態 , 而原子序數 Z 和質量數 A 均保持不變 的退激發過程 , 是激發核損失能量的最顯著方 式 。 在能量約為 10keV 10M eV 時 , 射線與 物質相互作用的主要方式為光電效應 、 康普頓效 應和電子對效應 。 以鉛為例 , 射線的吸收系數 和能量之間的關系曲線示于圖 1。 由圖 1可見 , 三種相互作用方式發生在不同的能量區間

5、 , 其在 物質中的吸收程度也不相同 。圖 1鉛對 射線的吸收系數和能量的關系曲線本實驗研究的主要是窄束 射線在物質中 的吸收規律 。 所謂窄束 射線是指不包括散射成 份的射線束 , 即通過吸收片后的 光子僅由未經 相互作用或稱為未經碰撞的光子所組成 , 它不包 括散射成分的射線束 2。窄束 射線在穿過物質時 , 由于上述三種效 應 , 其強度就會減弱 , 這種現象稱為 射線的吸 收 。 射線強度隨物質厚度的衰減服從指數規 律 , 即 :I =I 0e -r N x =I 0e -x其中 I 0、 I 分別是穿過物質前 、 強度 , x 是 (c m , (c m -1 , 它 。 顯然 的大

6、 小反映了物質吸收 射線能力的大小 3。 實際工作中也常用質量厚度 R m (g c m 2 表 示吸收體厚度 , 以消除體積質量 ( 的影響 , 即 : I (R =I 0e -m R (2 對 (2 式取對數得 :ln I =-R +ln I 0(3 即-=R2-R 1(4 射到探測器上的透射射線強度 I (相當于一 定時間內的計數 n 和吸收體厚度 d 的關系為 :I =I 0e -d , 其中 是物質的線性吸收系數 。 此公式 可改寫為 :d =ln (I 0 I (5 由此可知對于一定的放射源和一定的材料 , 即對于一定的 , 測量出被測材料時的射線強 度 , 就可以通過計算確定該材

7、料的厚度 d 。2實驗裝置及方法實驗裝置示于圖 2。其中閃爍探測器部分的 裝置示于圖 3。211 射線吸收實驗把圖 2中的閃爍探測器移到 定標源 137C s 和 60Co 所在位置 , 并空出一定距離放吸收片 。 隨 著吸收片厚度的增加 , 探測器記錄 射線透過吸 收片以后的強度 。 根據 (4 式計算材料的吸收系 數 。圖 2 改進型驗證相對論效應實驗裝置圖 3 吸收部分的裝置示意圖212對物質的測厚圖 3中放射源和核輻射探測器置于被測材 料兩側 , 射線垂直穿過被測材料后射入探測器 。 記錄被測材料插入前后 射線的強度 。 根據 (5 式計算材料的實際厚度 。3實驗結果311材料對 13

8、7Cs (0. 661M eV 射線的吸收 3. 1. 1 鉛對 137C s (0. 661M eV 的吸收系數 137C s 全能峰隨 Pb 厚度變化的能譜圖示于圖 4。 由圖 4可知 , 137C s 全能峰隨 Pb 厚度的增加而逐 漸減弱 。 在 137C s 源與探測器之間分別放置一定 數量鉛吸收片 , 計算一定時間內全能峰凈面積 A i (峰的凈面積 A i 為全能峰總面積 A g 與本底面 積 A b 之差 , 結果列于表 1。 利用表 1數據 , 分別 用作圖法和最小二乘法計算吸收片材料的質量 吸收系數 。 根據 (4 式用最小二乘法擬合得 Pb = 1. 202c m -1,

9、 與公認值 1. 213c m -14比較相差 0. 9%。3. 1. 2銅對 137C s (0. 661M eV 的吸收系數 在 137C s 源與探測器之間分別放置一定數量銅吸 收片 , 計算一定時間內全能峰凈面積 A i , 結果列22同位素第 17 卷于表 2。利用表 2數據 , 根據 (4 式用最小二乘法 擬 合 得 Cu =0. 650c m -1, 與 公 認 值 0. 642 c m -14比較相差 1. 2%。3. 1. 3鋁對 137C s (0. 661M eV 的吸收系數 在 137C s 源與探測器之間分別放置一定數量鋁吸 收片 , 計算一定時間內全能峰凈面積 A

10、i , 結果列 于表 3。利用表 3數據 , 根據 (4 式用最小二乘法 擬 合 得 A l =0. 192c m -1, 與 公 認 值 0. 194 c m -14比較相差 1. 0%。312材料對 60Co (1. 17M eV 、 1. 33M eV 的吸收3. 2. 1 鉛對 60Co (1.對 60Co 致 , 但 60Co 有 1. 17M eV 、 1. 33M eV 的雙峰 , 本 實驗中取它們的平均值 1. 25M eV 。 60Co 的全能 峰隨 Pb 吸收片厚度變化的能譜圖示于圖 5。 由 圖 5可知 , 60Co 的全能峰隨吸收片厚度的增加而 減弱 。鉛對 60Co

11、1. 25M eV 射線的吸收結果列 于表 4。 利用 (4 式對表 4. 643c m -1, 與公 0. 674m -143. 2. 60Co (. eV 的吸收系數銅 射線的吸收結果列于表 5。 4 式對表 5數據進行處理并采用最小二乘 法進行擬合得 Cu =0. 481c m -1, 與公認值 0. 474 c m -14比較相差 1 . 5%。圖 4 Pb 吸收 137Cs 全能峰的能譜 圖 5 Pb 吸收 60Co 全能峰的能譜表 1鉛對 137Cs 0. 661M eV 射線的吸收結果質量厚度 R g c m -2起始道址計數 n i 終止道址計數 n r 全能峰總面積 A g

12、本底面積 A b 全能峰凈面積 A i 02233439054436934685 2. 402023431437401227425 4. 801984325291409721194 7. 201874720241397816263 9. 601712416598331513283 12. 00150351261231459467 14. 4013332104422805 7637 32第 1期陳英琦等 :用 射線能譜法測量材料的吸收系數和厚度表 2銅對 137Cs 0. 661M eV 射線的吸收結果質量厚度 R g c m -2起始道址計數 n i 終止道址計數 n r 全能峰總面積 A g

13、 本底面積 A b 全能峰凈面積 A i 0754217950361628678750 1. 647991748557316269693043. 258201497763415956616784. 90837145701031689653207 6. 508121366386215478738. 147271448559768799. 7872415338258137Cs 射線的吸收結果質量厚度 R g c m -2N r 全能峰總面積 A g 本底面積 A b 全能峰凈面積 A i 35757021325438 2. 5028684120284813 4. 92542158611950391

14、1 7. 374522499717423255 9. 825018437717682609 12. 263814369313522341 14. 743811325512741981表 4鉛對 60Co 1. 25M eV 射線的吸收結果質量厚度 R g c m -2起始道址計數 n i 終止道址計數 n r 全能峰總面積 A g 本底面積 A b 全能峰凈面積 A i 0301812818447066015118455 2. 4027959816172660062101664 4. 802530871440635522988834 7. 202258891282434907379170 9.

15、 602034821131934595467239 12. 001795641002154013560080 14. 40164654885343655851976表 5銅對 60Co 1. 25M eV 射線的吸收結果質量厚度 R g c m -2起始道址計數 n i 終止道址計數 n r 全能峰總面積 A g 本底面積 A b 全能峰凈面積 A i560560124450012184423157533533119423362074621590517517115390361959819438464464111360311774718284442442943353117212163194474

16、471003111716353147643973979328608148961371242同位素第 17卷3. 2. 3鋁對 60Co (1. 25M eV 的吸收系數鋁 對 60Co 1. 25M eV 射線的吸收結果列于表 6。 利用 (4 式對表 6數據進行處理并采用最小二乘 法進行擬合得 A l =0. 145c m -1, 與公認值 0. 150c m-14比較相差 3. 3%。313測厚已 知 鐵 的 線 性 吸 收 系 數 Fe =0. 573c m-14, 用 射線測一塊鐵板的厚度 。固定 放射源與探測器的位置 , 在一定時間內分別測得在 它們之間有無鐵板時的全能峰的凈面積 A

17、 i , 代 入 (5 式可以計算鐵板厚度 , 7。表 6鋁對 60Co 1. 25M eV 質量厚度 R g c m -2起始道址計數 n i終止道址計數 n rAgAb全能峰凈面積 Ai018625759376232. 4613611641871934. 9222120385930610873010833550753269. 821321998545334452012. 261131785564476408014. 7410018774641463600表 7用 137Cs 0. 661M eV 射線測鐵板厚度的結果實驗次數 i起始道址計數 n i 終止道址計數 n r全能峰總面積Ag本底

18、面積Ab全能峰凈 面積 Ai厚度 mm相對偏差 %1941573820439932193846206195393731574316. 01. 321201463724442922203854955950387971608815. 4-2. 531201463832438372197755306230383071574715. 5-1. 9表 8三種材料對于不同能量 射線的吸收系數材料密度 g c m-3線性吸收系數 c m -10. 661M eV 1 . 25M eV質量吸收系數 g c m -20. 661M eV 1. 25M eV Pb 11. 341. 2130. 6740. 107

19、0. 059Cu 8. 900. 6420. 4810. 0720. 053A l2. 700. 1940. 1450. 0710. 056注 :質量吸收系數為線性吸收系數與相應物質體積質量的乘積314結果分析 做 射線吸收實驗的一般裝置只配有閃爍 計數器 , 無法從能譜上區分 1. 17M eV 和 1. 33M eV 兩個能峰 。本實驗裝置中用了多道分析器 , 且 200m A l 窗 N a I (T l 閃爍探測器能量分辨率較好 , 能夠清晰地分辨 60Co 源的雙峰 , 因此也 可以只用 1. 33M eV 能量的全能峰做類似于137C s 源的吸收實驗 。多道能譜儀的最大優點就是可

20、根據需要自 由選擇能量范圍 。 射線在與物質相互作用時會52第 1期陳英琦等 :用 射線能譜法測量材料的吸收系數和厚度26 同位素第 17 卷 產生康普頓散射, 用多道能譜儀測全能峰的方法 計算 射線在不同材料中的吸收系數, 通過在 能譜中選取一定的能量范圍, 減少了因射線與吸 收片產生康普頓散射造成的影響, 即它用能譜的 方法代替了幾何準直的方法, 降低了對源活度的 要求, 從而提高了實驗結果的精度。 5小結 用多道譜儀測全能峰的方法比用計數裝置 測量強度的方法優越。 它用能譜的方法代替了幾 散射的影響, 降低了對源活度的要求。 137 何準直的方法, 減少了射線與吸收片產生康普頓 采用此實

21、驗裝置測量鉛、 銅與鋁的吸收系 - 1 2 Abstract: ray ab so rp t ion coefficien t in d ifferen t m a teria ls, such a s Pb, Cu and A l, a re m ea su red ergy sp ect rum. T he resu lt s a re 0. 674, 0. 481 and 0. 149 cm 60 ence is less than 5% fo r Co energy sp ect rum. T he ta sk of th ickness m ea su rem en t of Fe

22、a re p er2 fo rm ed by know n ab so rp t ion coefficien t. T he rela t ive d ifference is w ith in 2. 5% fo r gy sp ect rum. 137 - 1 2 by ray energy sp ect rum ana ly sis. T he resu lt s a re 1. 213, 0. 642 and 0. 194 cm , resp ect ively, and 2 Key words: ray energy sp ect rum ana ly sis; ab so rp t ion coefficien t; th ickness m ea su rem en t 數, 對 C s 0. 661 M eV 的 射線分別為 1. 213、 0. 642 和 0. 194 cm , 與 公 認 值 接 近, 相 差 約 The Absorption Coeff ic ien t of M a ter ia l