γ射线能谱的测量与物质吸收系数μ的测定
【摘要】本次实验运用闪烁能谱仪来测量Co和Cs的能谱图以及铅和铝对同一放射源Cs的吸收系数，得出结论为Co的能量大强度小，Cs的能量小强度大；能量分辨率越低，能谱图越清；铅和铝在相同厚度的情况下，铅的吸收系数大于铝；同一种元素的情况下，厚度越大，则吸收系数越大。
【关键词】γ射线 能谱 Nal(Tl)闪烁谱仪 Co Cs 吸收系数μ
【引言】γ射线在穿透物质时，会被物质吸收，吸收作用的大小用吸收系数来表示。物质的吸收系数μ的值与γ射线的能量有关，也与物质本身的性质有关。正确测定物质的吸收系数，在核技术的应用与辐射防护设计中具有十分重要的意义。例如工业上广泛应用的料位计、密度计、厚度计，医学上的γ照相技术等都是根据这一原理研究设计的。
【正文】
一、闪烁能谱仪测量γ能谱的原理
1、γ射线与物质的相互作用如图1所示：
图1 γ射线光子与物质原子相互作用
γ光子与物质相遇时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应或电子对效应而损失能量，其结果是产生次级带电粒子，如光电子、反冲电子或正负电子对。次级带电粒子的能量与入射γ光子的能量直接相关，因此，可通过测量次级带电粒子的能量求得γ光子的能量。闪烁γ能谱仪正是利用γ光子与闪烁体相互作用时产生次级带电粒子，进而由次级带电粒子引起闪烁体发射荧光光子，通过这些荧光光子的数目来推出次级带电粒子的能量，再推出γ光子的能量，以达到测量γ射线能谱的目的。 2、NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪的结构与性能
图2 NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪结构示意图
(1)NaI（Tl）闪烁探测器
闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。探测器最前端是NaI（Tl）闪烁体，当射线（如γ和β）进入闪烁体时，在某一地点产生次级电子，它使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子。在闪烁体周围包以反射物质，使光子集中向光电倍增管方向射出去。经过光电倍增管产生输出信号，通常为电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆将信号传输到电子检测仪器中去。 (2)单道与多道脉冲幅度分析器
单道脉冲幅度分析器里有两个甄别电压V1（此电压可以连续调节）和V2，如图3所示。V1 和V2也称下、上甄别域，差值⊿V称为窗宽。为保证足够的分辨率，以及减小统计涨落的影响，窗宽的选择不能过大，也不能太小。这样，V1 和V2就像一扇窗子，低于V1或高于V2的电压信号都被挡住，只有在V1 和V2之间的信号才能通过，形成输出脉冲。进行测量时，按⊿V连续改变V1值，就可获得全部能谱。
图3 单道脉冲幅度分析原理
显然，使用单道脉冲幅度分析器进行测量，既不方便也费时，因此，现在多使用多道脉冲幅度分析器。多道脉冲幅度分析器的作用相当于几百个单道脉冲幅度分析器，一次测量可获得整个能谱，非常方便，在本实验中就采用这种方式。
(3)I(Tl)单晶γ闪烁谱仪的主要指标： ①能量分辨率：
由于单能带电粒子在闪烁体内损失能量引起的闪烁发光所放出的荧光光子数有统计涨落；一定数量的荧光光子打在光电倍增管光阴极上产生的光电子数目有统计涨落。这就使同一能量的粒子产生的脉冲幅度不是同一大小而近似为高斯分布。能量分辨率的定义是：
?????100%? （1）
由于脉冲幅度与能量有线性关系,并且脉冲幅度与多道道数成正比，故可以写为
???CH?100%CH （2）
ΔCH为记数率极大值一半处的宽度（或称半宽度），记作FWHM（Full Width at half maximum）。CH为记数率极大处的脉冲幅度。
显然谱仪能量分辨率的数值越小，仪器分辨不同的能量的本领就越高。而且可以证明能量分辨率和入射粒子能量有关。
??1??100% （3）
通常NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的能量分辨率以137CS的0.661MeV单能Υ射线为标准，它的值一般是10%左右，最好可达6~7%。
②线性
能量的线性就是指输出的脉冲幅度与带电粒子的能量是否有线性关系，以及线性范围的大小。
NaI(Tl)单晶的荧光输出在150KeV 谱仪的能量分辨率，线性的正常与否与谱仪的稳定性有关。因此在测量过程中，要求谱仪始终能正常的工作，如高压电源，放大器的放大倍数，和单道脉冲分析器的甑别阈和道宽。如果谱仪不稳定则会使光电峰的位置变化或峰形畸变。在测量过程中经常要对137Cs的峰位，以验证测量数据的可靠性。为避免电子仪器随温度变化的影响，在测量前仪器必须预热半小时。 二、吸收系数的测定的原理 γ射线与物质发生作用时，主要有三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应。对于低能γ射线，与物质的作用以光电效应为主，如果γ射线能量接近 1MeV，康普顿效应将占主导地位，而当γ射线能量超过 1.02MeV 时，就有可能产生电子对效应。 光电效应 康普顿效应 电子对效应 准直成平行束的γ射线，通常称为窄束γ射线。单能的窄束γ射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。γ射线强度的衰减服从指数规律，即 (1) 其中 I0 和I 分别是穿过吸收物质前、后的γ射线强度，x 是γ射线穿过吸收物质的厚度（单位为㎝）,σr 是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，N 是吸收物质单位体积中原子数，μ是吸收物质的线性吸收系数（μ=σrN，单位为㎝-1）。显然μ的大小反映了吸收物质吸收γ射线能力的大小。 由于γ射线与吸收物质相互作用的三种效应的截面都是随入射γ射线的能量 Eg 和吸收物质的原子序数 Z 而变化，所以线性吸收系数 μ 是吸收物质的原子序数 Z 和γ射线能量 Eg 的函数。考虑到σr是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，那么线性吸收系数μ就可以表示为 (2) 式中 分别为光电、康普顿、电了对效应的线性吸收系数，且 (3) 从中可以看出线性吸收系数μ与吸收物质的原子序数Z 之间的复杂关系。 对于线性吸收系数μ与γ射线能量 Eg 之间的关系也比较复杂，并且随吸收物质的不同而存在显著差别。图1给出了铅、锡、铜、铝对γ射线的线性吸收系数μ与γ射线能量Eg之间的关系曲线。 图1 铅、锡、铜、铝 图2 ln n —x m 曲线 对γ射线的吸收系数和能量的关系 实际工作中常用质量吸收系数μm 表示物质对γ射线的线性吸收系数 μ，μm与μ的关系为 （4） 其中ρ是吸收物质的密度（单位为 g/cm-3）。用μm表示的γ射线强度的指数衰减规律为 (5) 式中的xm=xp为吸收物质的质量厚度，单位为 g/cm 2 。因为 (6) 其中 NA 是阿佛加德罗常数，A 是原子量数。所以质量吸收系数与吸收物质的密度及物理状态无关，在实际应用上也就更为方便。 在相同实验条件下，由于某一时刻的计数率 n 总是与该时刻的γ射线强度I 成正比，所以(5)式也可以表示为： (7) 对两边同时取对数，得 (8) 显然ln n 与x m具有线性关系，如图2所示。 有时，物质对γ射线的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的γ射线强度减弱到一半时的吸收物质厚度，记作d1/2，在量值上为 (9) 显然,d1/2 也是吸收物质的原子序数 Z 和γ射线能量Eg的函数.利用半吸收厚度，可以粗略估计γ射线的能量。
能谱吸收系数概要
