—— 探究 γ 射线与物质相互作用中三种过程发生的几率与能量的关系

NaI(Tl) 单晶 γ 能谱仪实验

郭思川10300200007

Advanced Nuclear Engineering

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• 实验原理

• 实验过程

• 实验数据及结果

• 误差分析

• 实验结论

实验原理：

γ 光子是不带电的中性粒子，与带电粒子有显著不同；Γ 光子与物质作用主要有三种方式：

光电效应：

康普顿散射：

电子对效应：

光电效应：实验原理

物质在电磁辐射照射下释放出电子的现象称为光电效应，释放出的电子称为光电子。所以，当入社 γ 光子与物质原子中的束缚电子作用时，光子有可能把全部能量转移给电子，而把束缚电子从原子中释放出来，光子本身则消失掉，由于 γ 光子的能量远大于电子的束缚能，因而可以近似的认为光电子的动能等于入射γ 光子的能量。

光电效应在能谱测量中产生的是光电峰，而由于以上原因可以近似将全能峰认为是入射 γ 光子能量，全能峰的面积占总体的比重即可认为是光电效应发生的几率

康普顿效应：实验原理

在康普顿散射中， γ 光子与原子的自由与静止的电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而 γ 光子则被散射，散射光子的能量和运动方向都发生变化。

反冲电子射入探测器形成反散射峰，而 γ 光子散射则形成康普顿坪，故可近似将反散射峰和康普顿坪总和占整体的比重视为康普顿效应的发生几率

电子对效应：实验原理

当 γ 光子的能量大于 2m0c2 （即 1.022Mev ）时，γ 光子在原子核或电子的库仑场作用下，可能转化为正负电子对，这一过程称为电子对效应。在物质中，正电子的寿命是很短的，当动能耗尽时便与物质原子的轨道电子发生淹没，与此同时产生两个运动方向相反、能量均为0.511Mev 的 γ 光子。

正负电子淹没产生了湮灭峰，如果淹没产生的 γ光子进入探测器，则会产生一个能量为0.511Mev 的逃逸峰，若两个都进入探测器，则产生双逃逸峰，能量为 1.102Mev 。

实验原理

实验过程：

1

仪器：

NaI(Tl) 闪烁探头 NIM （ Nuclear Instrument Module) 机箱高压电源低压电源线性放大器脉冲多道幅度分析器示波器电脑及放射源

实验过程：

2

实验设计：实验室提供了 3 种不同能量的 γ 源： 60Co 、 22Na 和 137Cs实验要求是测定三种效应在不同能量 γ 射线中发生的几率由以上原理可知：全能峰可看做近似由光电效应产生，其发生几率可由峰面积占总面积的比率计算康普顿效应产生反散射峰和康普顿坪，其发生几率可由峰面积占总面积的比率计算电子对效应产生湮灭峰和逃逸峰，其发生几率可由峰面积占总面积的比率计算Γ 射线能量可用全能峰峰值道址表示

试验方法：测量三种源的脉冲幅度谱，测定不同峰面积和总面积，计算比例来确定各种效应发生几率

实验过程：

3

实验改进：

由于实验仪器限制， 60Co 和137Cs 均测不到湮灭峰与逃逸峰，而仅 22Na 能测到湮灭峰

用湮灭峰面积来计算 22Na 的电子对效应比率，而另两个源用总面积减去光电效应和康普顿效应面积来估算电子对效应比率

实验过程

60Co 全面积积分 能量： 631.8

S=5.022*10^4

实验数据及结果：全面积积分：

137Cs 全面积积分 能量： 340

S=4.072*10^4

22Na 全面积积分 能量： 641

S=4.303*10^5

注：1 、 60Co 有级联 γ 衰变现象，有两个不同能量的 γ 射线，有两个全能峰，在计算全能峰时将两个分开算，在计算其余的时，取两个能量的伽马射线取加权平均值计算。2 、这里能量用道址替代。3 、数据图已扣除本底及轫致辐射

光电效应实验数据及结果：

康普顿效应 电子对效应

60Co第一个全能峰面积计算

S=7094

光电效应：实验数据及结果

60Co第二个全能峰面积计算

S=4685

137Cs 全能峰面积计算

S=10586*10^4

22Na 全能峰面积计算

S=2.675*10^4

60Co 反散射峰面积计算

S=8939

康普顿效应：实验数据及结果

反散射峰：

137Cs 反散射峰面积计算

S=1.336*10^4 S=9.622*10^4

22Na 反散射峰面积计算

60Co 康普顿坪面积计算

S=1.108*10^4

康普顿效应：实验数据及结果

康普顿坪：

137Cs 康普顿坪面积计算

S=8799 S=3.429*10^4

22Na 康普顿坪面积计算

电子对效应：实验数据及结果

22Na 湮灭峰面积计算

S=1.723*10^5

60Co 的电子对效应对应比率：36.68%

137Cs 的电子对效应对应比率：6.63%

结果比较：实验数据及结果

数据有限，只能姑且按直线拟合，可以看出整体趋势是对的，光电效应对应的斜率比康普顿效应要大，也是正确的

误差分析：1 、源的数量太少，以至于图像中央部分数据缺失，严重影响拟合结果，对实验误差较大。

2 、确定峰的边缘比较困难，无法明确分辨峰的两边值，积分上下限不确定，积分下来误差更大。

3 、三种效应对峰的影响其实分辨不是很清楚，就比如三种效应对全能峰都有贡献，而这里仅仅将全能峰算做光电效应影响。比较不严谨，造成了误差。

4 、由于仪器所限，对电子对效应的测量很失败，逃逸峰测不到，仅仅是用总体减去其他两项的影响来估算，十分不严谨，造成较大误差。

误差分析

实验结论：从实验图像中可以看出，光电效应和康普顿效应随着 γ 光子能量的增加而减小，而且光电效应减小的速率要大于康普顿效应；而电子对效应的影响随着能量的增加而增加。

这个实验存在很多缺陷，误差较大。

THE ENDTHANK

YOU