摘 要：γ射線穿過物質(zhì)時，會通過光電、康普頓、電子對效應(yīng)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(yīng)，康普頓散射，（電子對效應(yīng)）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(yīng)：

光電效應(yīng)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(xué)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(shè)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(yù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)，康普頓，電子對三種效應(yīng)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(yīng)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(yīng)和康普頓效應(yīng)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(dǎo)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(xué)[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(xué)，職務(wù)：學(xué)生，研究方向：核工程與核技術(shù)。