γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定毕业设计(论文)(编辑修改稿)

γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

结果 ...................................................... 30 使用实验平台的处理结果 .................................................................. 33 误差分析 ........................................................................................................ 36 6 结论与展望 ........................................................................................................................................ 38 结论 ................................................................................................................ 38 展望 ................................................................................................................ 38 参考文献 .................................................................................................................................................. 40 致 谢 .................................................................................................................................................. 41 附录 A 使用康普顿散射谱仪的实验原始数据 ..................................................................... 42 附录 B 使用康普顿散射谱仪的到得能谱截图 ..................................................................... 43 附录 C 使用实验平台的实验原始数据 ..................................................................................... 46 英文原文 .................................................................................................................................................. 49 翻译 ............................................................................................................................................................ 60 南华大学 核科学技术 学院 2020 届本科毕业论文 第 1 页，共 66 页 1 概 述 γ射线的产生 γ射线是一种强电磁波，它的波长比 X射线还要短，一般波长小于 纳米。 在原子核反应中，当原子核发生α、β衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激发态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态，而这些能量的释放是通过 辐射 射线来实现的，这种射线就是γ射线 [1]。 γ射线的能量为 跃迁前后 始末激发态的能量差 (即 Eγ =E 初态 E 末态 )。 原子核的不同 激发态所携带的 能量 是 固定的，而且由 于 原子核 进行γ跃迁服从 选择定律 [2]，所以当原子核进行γ跃迁时只能从较 高的激发态跃迁到特定的激发态 或基态 ，其所释放的γ 射线 的能量是固定值， 比如 137Cs 释放的γ 射线 能量只有 660KeV 一种 ， 60Co只有 1173KeV 和 1332KeV 两种。 γ射线的屏蔽 [3,4] 屏蔽 γ 射线的材料很多，如水、土壤、铁矿石、混凝土、铁、铅、铅玻璃、以及铅硼聚乙烯等。 这些材料对 γ 射线的屏蔽效果各不相同，其中重金属最有效，体积小、总重量轻。 目前人们通常采用铅做屏蔽材料，因为铅具有高的耐腐蚀性能抵抗空气的氧化和酸的腐蚀，熔点 较 低 ( 0c )，在高温 (260 0c 以上 )下 就 会发生变化，熔化浇注容易。 目前我国大部分厂家采用两块外围用钢包的铅块拼成狭缝作为准直板，用铅屏蔽 x射线，已远远落后于 国外相同行业。 自然界中，铅的三 个同位素 206Pb 、 208Pb 、 207Pb 分别是三 个天然放射性系列铀系、 钍 系、 錒 系的最终衰变产物，因 此 大家认为铅是有毒的。 近年来国际上为了防止公 害、保护环境，提出了开发代替铅的辐射屏蔽材料的要求。 天津纺织工学院发明了涉及一种中子和 x 射线屏蔽材料。 其特征是该材料包括下述物质 :耐高温聚合物占混合物重量 (下同 )的 16%～ 60%。 屏蔽物质占 30%～ 80%，平南华大学 核科学技术 学院 2020 届本科毕业论文 第 2 页，共 66 页 均粒径为 1μ m～ 40μ m。 硅烷类偶联剂占 %～ %。 抗氧剂占 %～ %。 交联剂占 %～ 1%。 增强纤维占 2%～ 15%，该发明材料的成型体可在 2 50c ～ 190 0c 温度内不变形 ， 且 耐冲击和振动，对热中 子 屏蔽率达 80～ 98% ,且无二次辐射，特别适于作测井仪上使用的屏蔽体。 另外日 本曾用甲基丙烯酸铅与乙烯基 酯 共聚的方法制取了防 γ 射线透明材料，防护效果较好，并 申 请了专利。 国内蒋平平等通过溶剂法、重结晶法合成了纯度较高，适合本体聚合的有机铅化合物，制备了透光率大 于 80%，有一定力学性能的防辐射有机材料。 高比重合金 (钨合金 )材料是一类以钨为基体 (W 含量 70%～ 99%)，并添加有 Ni, Cu, Co, Mo, Cr 等兀素组成的合金。 按合金组成特性及用途分为 WNi , WNiCu, WCo, WCu, WAg 等主要系列，其密度高达 g/ 3cm ～ ,而 被人们称为高比重合金，它还具有一系列优异的特性，比重大，强度高，吸收射线能力强，导热系数大，有良好的可导电性能。 具有良好的可焊性和加工性。 鉴于 高比重合 金有上述优异的功能，它被广泛地运用在航天、航空、军事、石油钻井、 电器仪表、医学等领域。 钨镍合金薄片，主要医疗器械上比如 CE 机器 X光机，以及安全检测设备上，比如 奥运会安全检测上以及航天航空上，比如导航系统，凡是接触到有信号，有辐射的地方都可以使用。 研究的目的和意义 γ 射线虽然有广泛的用途，但人体受到放射线的照射，随着射线作用剂量的增大，有可能随机地出现某些有害效应。 例如它可能诱发白血病、甲状腺癌、骨肿瘤等恶性肿瘤。 也可能引起人体遗传物质发生基因突变和染色体畸变，造成先天性畸形、流产、死胎、不育等病症。 不过，这种情况发生的几率很低，其危险度一般没有超过目前人们可以接受的范围 [5]。 γ 射线的威力主要表现在以下两个方面 :一是 γ 射 线的能量大。 由于 γ 射线 的波长非常短，频率高，因此具有非常大的能量。 高能量的 γ 射线对人体的破坏作用相当大，当人体受到 γ 射线的辐射剂量达到 200 雷姆 600 雷姆时，人体造血器官如骨南华大学 核科学技术 学院 2020 届本科毕业论文 第 3 页，共 66 页 髓将遭到损坏，白血球严重地减少，内出血、头发脱落，在两个月内死亡的概率为080%。 当辐射剂量为 6001000 雷姆时，在两个月内死亡的概率为 80100%。 当辐射剂量为 10001500 雷姆时，人体肠胃系统将遭破坏，发生腹泻、发烧、内分泌失调，在两周内死亡概率几乎为 100%。 当辐射剂量为 5000 雷姆以上时，可导致中枢神经系统受到破坏，发生痉挛、震颤、失调 、嗜眠，在两天内死亡的概率为 100 %。 二是γ 射线的穿透本领极强。 人体受到 γ 射线照射时， γ 射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生电离作用，电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子，如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主要成份，一旦它们遭到破坏，就会导致人体内的正常化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡。 所以寻找一种安全可靠的防护材料对十从事放射性工作人员的安全至关重要防护， γ 射线的屏蔽材料的研究便成为一项十分重要 的课题 [3]。 随着社会的进步，能源问题日益突出，核能被 越来越多的国家列为第一发展能源。 由 于核工业的快速发展，辐射防护 愈来愈显的重要。 核辐射主要包括以 下几种粒子：中子、质子、α粒子、中微子、γ射线、 X 射线和重离子。 其中γ射线是这几种粒子中最重要的危害粒子之一。 为了 减少 工作人员 承受的辐射 剂 量，除了减少与辐射源的接触时间和扩大与辐射源的距离外，还要对辐射源进行屏蔽。 进行屏蔽就需要对屏蔽材料进行选择。 传统的辐射防护材料是铅，然而随着核技术的广泛应用，在实践中人们发现：铅作为辐射防护材料有 很多弊端，比如铅在屏蔽γ射线时，同时会产生二次轫致辐射，硬度也 比较差的，同时铅本身是重金属污染源，很可能在使用过程中 造成重金属中毒。 因此，寻找安全可靠的屏蔽材料是至关重要的，做为评价防护材料好坏的重要标准 —— 吸收系数，自然具有非常重要的研究价值。 研究的内容 本 课题主要进行 以 下几个内容： 1） 137Csγ射线穿过不同物质的吸收情况 ； 2）不同方法测定γ射线在不同物质中的吸收系数 ； 3）γ射线穿过不同物质厚度的能谱变化关系。 南华大学 核科学技术 学院 2020 届本科毕业论文 第 4 页，共 66 页 2 伽马 射线与物质 作用机制及吸收规律 [1] γ射线与物质作用机制  射线是由于原子核由激发态退激到较低的激发态或基态（而原子序数 Z 和质量数 A均保持不变）的过程中产生的，是处于激发态原子核损失能量的最显著方式。 由于  射线 不带电、静止质量为 0等特点决定了它同物质的作用方式与带电粒子不同，带电粒子 (或 粒子等 )在一连串的多次电离和激发事件中不断地损失其能量，γ 光子与物质原子相互作用时，发生一次相互作用就导致损失其大部或全部能量(大量能转移 )，光子不是完全消失就是大角度散射。  光子 ( 射线 )通过物体时会与其中的 下述带电体发生相互作用： 1） 被束缚在原子中的电子； 2） 自由电子 (单个电子 )； 3） 库仑场 (核或电子的 )； 4） 核子 (单个核子或整个核 )。 这些类型的相互作用可以导致：光子的完全吸收、弹性散射、非弹性散射三种效应中的一种（在从约 10KeV 到约 10MeV 范围内，大部分相互作用产生下列过程中的一种） 主作用过程 有三种：光电效应、康普顿效应、电子对效应。 光电效应： γ光子与靶物质原子的束缚电子 相互 作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失掉，这种过程称光电效 应 （见图 ）。 光电效应发射出来的电子叫做光电子。 光电子可以从原子的 K、 L、 M 等各个壳层中发射出来。 但是由于要 满足能量守恒的同时还要满足动量守恒定律，这就必须要有第三者即原子核的参加。 因此，自由电子不可能产生光电效应。 原子中外层电子的结合能很小，原子核反冲图 光电效应 南华大学 核科学技术 学院 2020 届本科毕业论文 第 5 页，共 66 页 动量也很小，动量守恒条件不容易得到满足；但随着电子束缚程度的增加，原子核得到的反冲动量很快增加，较易满足动量守恒，因此光电效应概率随着电子束缚程度 的自己 而很快增加。 当入射光子能量大于 K 层电子的结合能时，从 K壳层发射光电子的概率最大。 1） 光电子的能量 入 射光子的能量（ 0E =h ）一部分用来克服电子在原子中的结合能，另一部分转化为光电子的动能，所以光电子的能量可有动量守恒定律得到 Ee= h iB （ i=K， L， M，178。 178。 178。 178。 ，） 式中 iB 为第 i壳层的结合能。 2） 光电截面 γ射线与物质相互 作用发生光电效应的概率就是光电吸收截面，或简称光电截面。 当 2eh mc 而 h kB 时，对于 K 层电子，每个原子的光电截面为 [6] 25 / 2 4 7 / 2 52 ( )eK PH thmc Zh   当 2eh mc 时 eK PH thmc Zh   式中：α = 2/e hc =1/137 是精细结构常。