伽马射线穿过物质时能谱的变化

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摘 要：γ射线穿过物质时，会通过光电、康普顿、电子对效应与物质相互作用。本实验通过测量γ射线穿过不同厚度、不同材料时能谱的变化，加深理解γ射线束穿过物质时强度的变化，通过分析γ光子与物质相互作用方式，解释γ射线通过不同厚度、不同材料时能谱的变化。同时也验证了铅砖作为γ射线的屏蔽材料，是安全可行的。

关键词：137Cs；γ射线；不同物质；能谱变化

1 概述

原子核能级间的跃迁产生γ射线，γ射线按强度的分布即γ射线能谱，简称γ能谱。测量γ能谱一般使用闪烁γ能谱仪，其利用闪烁体在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射荧光（成为闪烁）的现象测量能谱。γ射线通过光电效应，康普顿散射，（电子对效应）三种方式与物质进行相互作用。探测γ射线通过物质时能量谱的变化，可以深入了解γ射线与物质相互作用。

2 实验

2.1 实验原理

光电效应：

光电效应是物质在高于某一特定频率的电磁照射下放出光电子的现象，当能量为hv的入射γ光子与物质的原子中束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失，发射光电子的动能为：

E=hv-Ei≈hv

这是闪烁体探测器探测到的全能峰（光电峰）的来源。

2.2 实验仪器

滨松闪烁体探测器；四川大学一体化能谱仪，137Cs放射源；若干铝片，铜片，铅片。

3 实验步骤

3.1 仪器组装

检查实验仪器的线路连接。

3.2 准直与调节

将各个部分中心置于一条直线上，打开放射源屏蔽体开关，微调光电探测器的角度，直至计数率最高，即已准直。固定设备开始测量。

3.3 测试与记录

3.3.1 相同材料，不同厚度

取同种材料薄片，多片叠加为不同厚度的等效屏蔽物质并进行测试。

3.3.2 相同厚度，不同材料

考虑到实验室材料的实际情况，难以保证严格相同的厚度，因此使用上述测试结果中9mm左右和18mm左右两组数据直接进行对照。

3.3.3 无屏蔽测试

取下所有屏蔽材料，令放射源直射探头，进行60s测试后记录数据。该记录位于后文air线。

4 结果及分析

4.1 相同厚度，不同材料

由常规刻度图像可以看出，材料的加厚显著减弱了整个能谱中每一道的计数率，全能峰与康普顿坪均明显下降，可认为材料与γ射线的相互作用降低了能够通过材料抵达探测器的γ光子数，与理论预期相合。

由对数刻度图像可以看出，随材料加厚，整条能谱曲线基本不变形地向低计数方向平移。由于纵轴为对数刻度，较高的全能峰与较低的康普顿坪呈现同样幅度的下降，意味着厚材料的全能峰相对于薄材料下降的比例应当高于康普顿坪下降的比例。

由铅砖可以看出，在全能峰之后的更高能量范围依然存在均匀计数，且图像呈现白噪样。由于该系统中不存在高于全能峰的有效信号，因此这些计数应为噪声，可用于估计系统噪声的大小。对全能峰后的所有道进行统计，得每道平均计数率为每秒0.024个信号。

可以看出，随着材料的原子序数增大，整个能谱计数明显降低。

4.2 数值分析

对相同材料、不同厚度的数据，考虑到计数时间较短，为确保变化可观察，对铝和铜取最薄和最厚一组，对铅取全部数据进行处理。对每组数据的康普顿坪与全能峰部分计数进行积分，并以全能峰总计数除以康普顿坪总计数，得到峰-康比如表1所示：

对于相同材料不同厚度的材料，得出的结论是谱型没有明显变化，但是对整个谱进行积分，探测到的粒子数变少。再对得出谱进行更细致的分析，对每个谱分别积分其康普顿连续谱和全能峰谱的计数，得到同种物质不同厚度的峰康比。发现随着物质厚度的增加，峰康比变小。这是由于窄束γ射线在穿过物质时被吸收，强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即：

I=I0e-？滓？篆x=I0E-？滋x

其中I与I0分别是穿过物质之后，穿过物质之前γ射线的强度。N为吸收物质单位体积的原子数。σ是光电效应，康普顿，电子对三种效应截面之和，μ为物质的线性吸收系数，它是原子序数Z和γ射线能量的函数，且μ=μph+μc+μp，式中μph、μc、μp分别为光电、康普顿、电子对效应的线性吸收系数，其中 、 、 （Z为物质原子序数）。同种物质，穿过距离x越长，则γ射线强度越低，总计数越少。γ射线在与铜铝等物质相互作用时，虽然发生光电效应和康普顿效应的光子数都会增加，但是发生康普顿散射的一部分粒子仍能被探测到，所以峰康比会减少。

特别说明，对于铅而言，能谱的低能段（康普顿坪）会被薄铅强烈吸收，而高能段（全能峰）被吸收的比例相对不那么高，因而导致在薄铅测试时峰康比异常高。在铅砖测试时，其厚度已经将全能峰和康普顿坪抑制到接近噪声的程度，难以再降低计数，因此峰康比明显下降。

对于相同厚度不同材料来说原子序数越高，射线经过物质后强度越小，总计数也就越小。此外，对于铅砖来说，几乎探测不到计数，可见铅砖对于实验室放射源的屏蔽十分有效，铅块足以起到防护作用。

参考文献

[1]格伦F.诺尔.辐射探测与测量[M].陈进贵，译.北京：原子能出版社，1988，5：167-168，180.

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

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

作者简介：肖宇白（1994-），男，山西省大同市人，工作单位：四川大学，职务：学生，研究方向：核工程与核技术。