伽马射线在铅和钨镍合金材料中吸收规律的研究.docx
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伽马射线在铅和钨镍合金材料中吸收规律的研究
伽马射线在铅与钨-镍合金材料中吸收规律的研究
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摘要
本文介绍了利用NaI（TI）闪烁谱仪研究137Cs和60Co等放射源辐射的伽马射线在钨镍合金与铅材料中吸收规律的变化情况。
通过对这二种材料测量结果的比对，得出钨镍合金对伽马射线的吸收远高于传统的屏蔽材料——铅，从而对辐射防护的材料选择上提出了新的见解。
关键词：
钨镍合金铅吸收系数半吸收厚度
Thestudyonabsorptionlawofγ-raytotungsten-nickelandleadalloymaterials
Abstract：
ThispaperdescribestheuseofNaI（Tl）scintillationspectrometeron137Csand60Co,andothersourcesofγ-rayradiationonabsorptionlawchangeincircumstancestothetungsten-nickelalloymaterialsandleadmaterial.Throughthistwokindsmaterialofcomparison,tungsten-nickelalloythattheγ-rayabsorptionfarhigherthantraditionalshieldingmaterials---lead,SohasputforwardnewideasonmterialselectiontoRadiationProtection
Keywords：
tungsten-nickelalloy;Leadmaterial;absorptioncoefficient；half-absorptionthickness
目录
摘要1
Thestudyonabsorptionlawofγ-raytotungsten-nickelandleadalloymaterials1
目录2
第1章前言3
1.1此文选题依据和研究意义3
1.2全球研究发展现状4
1.3研究任务和内容6
第2章伽马射线测量的理论知识6
2.1伽马射线的基础知识与认识6
2.1.1伽马射线的概念和性质6
2.1.2伽马射线与物质的相互作用7
2.2伽马射线的来源10
2.2.1天然放射性10
2.2.2人工放射性10
2.3伽马射线的危害11
2.4伽马射线的利用12
第3章仪器选择及测量原理13
3.1常用探测器介绍13
3.2阈压道宽的确定15
第4章实验设备19
4.1实验装置原理图19
4.2仪器原理介绍19
4.2.1HW-3204自动定标器19
4.2.2NaI闪烁探测器探测原理20
4.3实验材料介绍21
第5章实验及数据处理25
5.1实验相关内容25
5.2实验步骤25
5.3实验数据处理26
结论31
致谢32
参考文献33
附录34
第1章前言
1.1此文选题依据和研究意义
核技术应用已成为现代生活整体的一部分。
从肢体骨折的X线拍片到癌症的治疗，辐射在医学上的应用现在已非常平常。
随着原子能工业的发展,核电站的建立,产生放射性的物质和设备已遍及生产、科研、教育、卫生、生活各个领域，为人类带来了福音，正如水能载舟又能覆舟，放射性核素等也会对人类产生危害。
实践已证明,由于电离辐射对人体有损伤作用,所以过量的辐射照射会引起对人体的危害.因此在发展和利用核能和核技术的过程中便对辐射的安全与防护问题给予特别的重视.
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，比如会产生二次韧致辐射，硬度比较差，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。
随着科学技术水平的发展和人民生活水平的提高，传统的辐射屏蔽材料铅已经不能满足人们的需要，寻找一种安全可靠的防护材料对于从事放射性工作人员的安全至关重要。
钨镍合金作为新型辐射材料具有很多的优势，不产生二次韧致辐射，而且同样的屏蔽效果厚度仅为铅的2/3。
1.2全球研究发展现状
随着核工业的发展，放射性同位素应用范围的不断扩大，辐射防护和对射线剂量的测量问题日益突出，各种检测方法也相应得到发展。
能进行射线在物质中吸收系数的测量。
其中对伽马射线与物质的相互作用研究就是一个很重要的方面。
本工作拟利用改进型验证相对论效应实验装置测量射线在不同材料中的吸收系数。
目前国际上用射线测量材料的吸收系数时，在源和探测器之间用铅作准直器，采用计数装置作射线的强度测量。
在源和探测器之间用铅作准直器，这样的装置体积较大，且放射源与探测器的距离较远，因此放射源的活度需要在107Bq数量级。
利用NaI（T1）闪烁探测器和自动定标器微分测量的方法进行测量，其优越性在于用能谱的方法代替了几何准直的方法，通过在能谱中选取一定能量的射线，减少了射线与吸收片产生康普顿散射影响，从而提高实验结果的精度；其对放射源活度的要求也有大幅度降低（约7.4×104Bq）[6]。
高比重合金（钨合金）材料是一类以钨为基体（W含量85-99%），并添加有Ni、Cu、Co、Mo、Cr等元素组成的合金。
按合金组成特性及用途分为W-Ni-Fe、W-Ni-Cu、W-Co、W-WC-Cu、W-Ag等主要系列，其密度高达16.5-19.0g/cm3，而被世人称为高比重合金，它还具有一系列优异的特性，比重大：
一般比重为16.5-18.75g/cm3,，强度高：
抗拉强度为700-1000Mpa，吸收射线能力强：
其能力比铅高30-40%，导热系数大：
为模具钢的5倍；热膨胀系数小：
只有铁或钢的1/2-1/3，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、医学等工业。
医用钨合金射线屏蔽材料系列：
钨合金（高比重合金）多叶光栅叶片MLC，厚度2.0-3.8mm，板的平整度0.05mm；钨合金准直器；钨合金（高比重合金）防护罐——用于医疗上的放射性屏蔽壁；钨合金屏蔽针管——用于医疗放射性药液屏蔽；钨合金存储器——用于储存放射性物质的罐、箱等容器；准直器--用于医疗直线加速器和回旋加速器；钨合金容器—用于60Co治疗机射线屏蔽；伽马相机钨合金准直器。
核技术应用中钨合金（高比重合金）系列：
检测集装箱系统的钨合金准直器；60Co及其他辐射的屏蔽钨合金容器；地质勘测屏蔽伽马射线钨合金准直器；管道检测射线屏蔽钨合金准直器；工业探伤伽马射线屏蔽钨合金准直器
高密度钨基合金（高比重合金）配重系列：
机械用的平衡锤；飞锤；石油钻井加重杆；飞镖杆；高尔夫球配重块；赛车配重块；手机、游戏机振子；航空航天的陀螺仪；钟表摆锤；平衡配重球；防震刀杆。
钨合金（高比重合金）渔坠系列：
子弹型、水滴型、圆管型、半水滴型、圆柱有孔型、钨珠
钨（高比重合金）球系列：
φ1.5mm-φ10mm精度±0.01mm，用于鱼坠配重、子母弹、医疗仪器配重、猎枪弹丸；φ0.1mm-φ10mm精度±0.1mm，用于石油钻井平衡、猎枪弹丸；
电器材料系列：
电火花加工的电极和电阻焊的电极；高比重（高比重合金）电触点、空气断路器中的触点。
军用系列：
穿甲弹；子母弹、球、棒、方粒、圆柱
其他
钨合金（高比重合金）电镦块
硬质合金：
可转位刀片、棒材、长条薄片、板材、锯齿片、冲击钻片、球、木工刀头、拉拔冲压模体及非标准耐腐耐磨结构件
1.3研究任务和内容
本次毕业设计研究内容主要包括以下几项：
1.计算出伽马射线经过W-Ni合金的吸收系数；
2.计算出使伽马射线强度减少一半时W-Ni合金的厚度，即半吸收厚度；
3.计算伽马射线经过Pb的吸收系数和半吸收厚度；
4.对比Pb测量吸收系数和公认的吸收系数，验证实验的准确性；
5.比较W-Ni合金和Pb对伽马射线射线的吸收系数和半吸收厚度，为评价W-Ni合金和Pb的屏蔽性能提供依据。
第2章伽马射线测量的理论知识
2.1伽马射线的基础知识与认识
2.1.1伽马射线的概念和性质
放射性原子核通过α衰或β衰变等过程转变成另外一种原子核，衰变是可以跃迁到子核的基态，也可以跃迁到不同的激发态。
处于激发态的子核通过发射射线或通过内转换过程从激发态到基态或从高激发态到低激发态，称为跃迁或衰变。
这些能量的释放是通过射线辐射来实现的，这种射线就是伽马射线，伽马射线具有以下特征：
1.伽马射线是一种电磁波，它的波长比X射线还要短，一般波长小于0.001nm。
2.在所有射线中，伽马射线具有极强的穿透本领。
三种射线的贯穿本领如图2-1所示。
图2-1α、β、伽马射线贯穿本领示意图
3.伽马射线能量大。
由于伽马射线的波长非常短，频率非常高，因此具有非常大的能量。
此外，内转换过程也是产生伽马射线的一个重要途径。
内转换是与辐射相互竞争的一个过程，是原子核将其激发能量传递给原子内层轨道电子，使其脱离原子，放出电子称为内转化电子，接着外层电子填补内层轨道的空穴，放出特征X射线。
从激发态到基态有时是一个级联的过程，放出2个以上一连串的伽马射线，叫做级联伽马射线。
由于激发态能量的寿命很短的，通常比探测器的电荷收集时间短的多，级联伽马射线（或其他级联辐射）由可能被探测而记录成一个事件，成为符合相加效应。
2.1.2伽马射线与物质的相互作用
放射性同位素发射的伽马射线的能量从几十keV到几MeV。
伽马射线实质上是电磁波，伽马粒子是光子。
伽马射线穿过物质时，它的强度按指数规律衰减。
伽马射线与物质相互作用的过程可以看作伽马光子与物质中的原子或分子碰撞而损失能量的过程。
主要的相互作用方式有三种光电效应，康普顿效应和电子对效应。
1.光电效应：
图2-2光电效应
当入射伽马光子与物质原子中的束缚电子作用时，伽马光子把能量全部转移给某个电子，使它脱离原子的束缚变成自由电子，而伽马光子本身消失掉。
这种过程称为光电效应。
光电效应中发射出来的电子称为光电子。
由于伽马射线的能量Er远大于电子的束缚能Wi，所以光电子的能量
（2-1）
即光电子的动能近似地等于伽马射线的能量．
2.康普顿效应：
图2-3康普顿效应
γ光子与原子的外层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，另一部分能量成为散射光
，这种过程称为康普顿效应,根据能量守恒和动量守恒不难证明，康普顿反冲电子的动能
其中Eγ＝hν为入射光子能量，Eγ'＝hν'为散射光子能量，并且散射光子的能量与散射角的关系为
（2-2）
式中
。
m0c2为电子的静止能量，m0c2=0.511兆电子伏特（MeV）,即为入射伽马光子能量与电子的静止能量之比。
由式（2-2）可知，当θ=0时，Eγ'=Eγ，这时Ee=0,表明无散射发生。
当θ=180时，Eγ'=Eγ/（1+2α）,这是散射后光子能量的极小值，同时，反冲电子能量最大，其值为
（2-3）
由以上可见康普顿反冲电子的能量变化范围是0→
康普顿效应与光电效应不同。
光电效应中光子本身消失，能量完全转移给电子；康普顿效应中光子只是损失掉一部分能量。
光电效应发生在束缚得较紧的内层电子上；康普顿效应总是发生在束缚得松的外层电子上。
3.电子对效应：
图2-4电子对效应
伽马光子能量大于
即大于1.022MeV时，光子在原子核的库仑场作用下可能转化为一个正电子和一个负电子，这个过程称为电子对效应。
反过来，当正电子在物质中耗尽动能时，便与物质原子中的轨道电子发生正负电子的湮没，同时产生两个能量各为0.511MeV的伽马光子。
伽马射线与物质相互作用时所发生的以上三种效应和光子的能量有关系，当能量较低时，光电效应占主导地位；当能量增加到200keV以上时，康普顿-吴有训效应就变得重要起来；当光子的能量进一步增加到大于1.022MeV时，电子对效应才开始变得显著起来。
而且这三种效应还与物质的原子序数Z有关，Z低时效应小，Z高时效应强。
三种效应与原子序数和光子能量的关系如图2-5所示：
图2-5三种效应与原子序数及光子能量的关系图
2.2伽马射线的来源
放射性辐射是自然界中是普遍存在的现象，人类生活在地球上，周围物质几乎无不含有放射素。
环境中的天然放射性，主要来源于天然放射源,包括地球外空间的宇宙射线和地球自身存在的，也就是存在于地壳和大气圈中的放射性核素。
受放射性核素半衰期长短的控制，在地球45亿年左右的历史发展进程中，半衰期短的放射性核素早已不复存在。
2.2.1天然放射性
人类主要接收来自于自然界的天然辐射。
它来源于太阳，宇宙射线和在地壳中存在的发射性核素。
从地下溢出的氡是自然界辐射的另一种重要来源。
从太空来的宇宙射线包括能量化的光量子，电子，伽马射线和X射线。
在地壳中发现的主要发射性核素有铀，钍和钋，及其他发射性物质。
它们释放出α，β或伽马射线。
2.2.2人工放射性
辐射广泛用于医学，工业等领域。
人造辐射主要用于：
医用设备（例如医学及影像设备），现今已经出现成型的核医学；研究及教学机构；核反应堆及其辅助设施，如铀矿以及核燃料厂。
诸如上述设施必将产生放射性废物，其中一些向环境中泄漏出一定剂量的辐射。
放射性材料也广泛用于人们日常的消费，如夜光手表，釉料陶瓷，人造假牙，烟雾探测器等。
2.3伽马射线的危害
伽马射线在自然界中主要来自三个放射性系列，在长达几十亿年的地球历史中即使是半衰期长达数千万年的核素已衰变损失得很少了，只有半衰期长达上亿至上十亿年的钾-40（40K）和铀-238（238U）、钍-232（232Th）这三个具有放射性的放射系,它们从地球的诞生之日起就一直存在于地壳中。
若考虑到它们在自然界中衰变后的留存量、辐射类型和射线粒子能量等因素,人们重点关注的只有铀（238U、235U、234U）、钍（232Th）、镭（226Ra）、氡（222Rn）和钾（40K）这5种放射性元素,它们对人体的辐射伤害特征见表2-1所示。
表2-1天然放射性核素的主要辐射特征
放射性核素
对人体伤害类型
伽马射线能量（KeV）
238U
外照射伤害
186
232Th
外照射伤害
238
226Ra
内照射伤害
352.8
40K
外照射伤害
1460
天然放射性物质主要以电离辐射的形式，通过其放射的射线，以内照射、外照射的方式对生物体细胞的基本分子结构产生电离作用，破坏了生物体的细胞分子结构，抑制了细胞的生物活性，从而造成对生物体的伤害。
正常的背景剂量的辐射照射不会影响人的健康，但如果遇到很高剂量的照射或长期生活在放射性水平较高的环境中就会影响人的健康甚至生命。
辐射对人体的危害最初主要是使机体分子产生电离、激发，破坏生物机体的正常机能。
这种作用可以是直接的，即射线直接作用于组成机体的蛋白质、碳水化合物、酶、酵素等而引起的电离、激发，并使这些物质的原子结构发生变化，引起人体生命过程的改变。
射线对人体的作用也可以是间接的，即射线与机体内的水分子起作用，产生强氧化剂（OH，HO2等）和强还原剂，破坏物质的正常代谢，引起机体一系列反应，造成生物效应。
效应的性质和程度主要决定于人体组织吸收的辐射能量。
由于水占人体重量的70﹪左右，所以射线的间接作用对人体健康的影响较直接作用更大。
辐射对人体的伤害主要有：
疲劳、头昏、失眠、皮肤发红、溃疡、出血、脱发、白血病、呕吐、腹泻等。
有时还会增加癌症、畸变、遗传性病变发生率，影响几代人的健康。
一般讲，身体接受的辐射能量越多，其放射病症状越严重，致癌、致畸风险越大。
随着人们生活质量的提高，越来越多的人认识到放射性对人体的危害，而与人们生活密切相关的当属建筑材料的放射性对人体的危害，建筑材料中的放射性有α射线、β射线和伽马射线三种。
前两种的波长很短，穿透力较小，一般情况下不易对人体造成伤害。
而伽马射线具有极强的穿透力，当辐射剂量超过20微伦时，会对人体产生危害。
人长期生活在放射性水平较高的环境中，会出现头晕、眼肿、脱发、四肢乏力、胸闷等症状，引起白血病、肺癌、畸形、白内障、细胞异常、免疫力下降、中枢神经系统变化、寿命缩短、生育能力损伤（不育症）、基因变异、染色体畸变等。
由此可见放射性尤其是伽马射线的危害与我们的正常生活息息相关，其危害也必须引起我们的高度重视。
2.4伽马射线的利用
由于伽马射线具有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。
伽马射线容易造成生物体细胞内的DNA断裂进而引起细胞突变、造血功能缺失、癌症等疾病，因此对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。
探测伽玛射线有助天文学的研究。
当人类观察太空时，看到的为“可见光”，然而电磁波谱的大部份是由不同辐射组成，当中的辐射的波长有较可见光长，亦有较短，大部份单靠肉眼并不能看到。
通过探测伽玛射线能提供肉眼所看不到的太空影像。
在太空中产生的伽玛射线是由恒星核心的核聚变产生的，因为无法穿透地球大气层，因此无法到达地球的低层大气层，只能在太空中被探测到。
太空中的伽玛射线是在1967年由一颗名为“维拉斯”的人造卫星首次观测到。
从20世纪70年代初由不同人造卫星所探测到的伽玛射线图片，提供了关于几百颗此前并未发现到的恒星及可能的黑洞。
于90年代发射的人造卫星（包括康普顿伽玛射线观测台），提供了关于超新星、年轻星团、类星体等不同的天文信息。
1900年由法国科学家P.V.维拉德（PaulUlrichVillard）发现，将含镭的氯化钡通过阴极射线，从照片记录上看到辐射穿过0.2毫米的铅箔，拉塞福称这一贯穿力非常强的辐射为伽马射线，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。
1913年，伽马射线被证实为是电磁波，由原子核内部自受激态至基态时所放出来的，范围波长为0.1埃，和X射线极为相似，具有比X射线还要强的穿透能力。
伽马射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对效应。
第3章仪器选择及测量原理
3.1常用探测器介绍
气体探测器：
通过收集射线在气体中产生的电离电荷来测量核辐射。
主要类型有电离室、正比计数器和盖革计数器。
它们的结构相似，一般都是具有两个电极的圆筒状容器，充有某种气体，电极间加电压，差别是工作电压范围不同。
电离室工作电压较低，直接收集射线在气体中原始产生的离子对。
其输出脉冲幅度较小，上升时间较快，可用于辐射剂量测量和能谱测量。
正比计数器的工作电压较高，能使在电场中高速运动的原始离子产生更多的离子对，在电极上收集到比原始离子对要多得多的离子对（即气体放大作用），从而得到较高的输出脉冲。
脉冲幅度正比于入射粒子损失的能量，适于作能谱测量。
盖革计数器又称盖革-弥勒计数器或G-M计数器，它的工作电压更高，出现多次电离过程，因此输出脉冲的幅度很高，已不再正比于原始电离的离子对数，可以不经放大直接被记录。
它只能测量粒子数目而不能测量能量，完成一次脉冲计数的时间较长。
半导体探测器：
辐射在半导体中产生的载流子（电子和空穴），在反向偏压电场下被收集，由产生的电脉冲信号来测量核辐射。
常用硅、锗做半导体材料，主要有三种类型：
①在n型单晶上喷涂一层金膜的面垒型;②在电阻率较高的p型硅片上扩散进一层能提供电子的杂质的扩散结型;③在p型锗（或硅）的表面喷涂一薄层金属锂后并进行漂移的锂漂移型。
高纯锗探测器有较高的能量分辨率，对伽马辐射探测效率高,可在室温下保存,应用广泛。
砷化镓、碲化镉、碘化汞等材料也有应用。
闪烁计数器：
通过带电粒子打在闪烁体上，使原子（分子）电离、激发，在退激过程中发光，经过光电器件（如光电倍增管）将光信号变成可测的电信号来测量核辐射。
闪烁计数器分辨时间短、效率高，还可根据电信号的大小测定粒子的能量。
闪烁体可分三大类：
①无机闪烁体,常见的有用铊（Tl）激活的碘化钠NaI（Tl）和碘化铯CsI（Tl）晶体，它们对电子、伽马辐射灵敏,发光效率高，有较好的能量分辨率，但光衰减时间较长；锗酸铋晶体密度大，发光效率高，因而对高能电子、伽马辐射探测十分有效。
其他如用银（Ag）激活的硫化锌ZnS（Ag）主要用来探测α粒子;玻璃闪烁体可以测量α粒子、低能X辐射,加入载体后可测量中子；氟化钡（BaF2）密度大，有荧光成分，既适合于能量测量，又适合于时间测量。
②有机闪烁体,包括塑料、液体和晶体（如蒽、茋等）,前两种使用普遍。
由于它们的光衰减时间短（2～3纳秒,快塑料闪烁体可小于1纳秒），常用在时间测量中。
它们对带电粒子的探测效率将近百分之百。
③气体闪烁体，包括氙、氦等惰性气体，发光效率不高，但光衰减时间较短（＜10纳秒）。
由于取材方便，闪烁探测器易于对伽马射线强度的测量，所以本次试验采用闪烁探测器。
3.2阈压道宽的确定
为减少本底和康普顿散射的影响，实验采用NaI（Tl）闪烁探测器、HW3204自动定标器微分测量，利用自动定标器调整阈压，只计数特征峰峰位的计数。
下面以137Cs的661KeV峰位寻找简要说明阈压，道宽的确定。
首先利用微分测量测得源的仪器谱线，然后找准峰位的下阈压和上阈压，从而确定道宽。
对137Cs源测得的谱线如图3-1所示，要测量的峰位如图3-2所示。
图3-1137Cs的伽马射线仪器谱
图3-2测量峰位示意图
同理60Co阈压，道宽的确定也是先利用微分测量测得源的仪器谱线，然后找准峰位的下阈压和上阈压，从而确定道宽。
3.3实验原理
伽马跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激发态，而原子序数Z和质量数A均保持不变的退激发过程，是激发核损失能量的最显著方式。
在能量约为10keV～10MeV时，伽马射线与物质相互作用的主要方式为光电效应、康普顿效应和电子对效应。
以铅为例，伽马射线的吸收系数和能量之间的关系曲线示于图3-3。
由图3-3可见，三种相互作用方式发生在不同的能量区间，其在物质中的吸收程度也不相同。
图3-3伽马射线的吸收系数和能量之间的关系曲线
伽马射线穿过物质与组成物质原子的电子和原子核发生相互作用，这种作用形式可以有多种，当伽马射线能量在30MeV以下时主要为光电效应、康普顿效应、瑞利散射和电子对效应4种，其中瑞利散射主要发生在伽马射线能量小于30keV能区.用截面表示各种作用的几率，对以上4种作用分别用σph、σc、σr、σp表示，总截面σt为σt=σph+σc+σr+σp（3-1）
理论上可以导出上述4种作用的截面与原子序数Z有如下关系：
σph∝Z5,σc∝Z，σr∝Z3，σp∝Z2
伽马射线穿过物质时与物质中的任何一个或几个原子或原子核发生任何一种形式的作用都使入射束受到衰减，衰减几率是原子序数和伽马射线能量E伽马的函数.当伽马射线穿过密度为ρ，厚度为t，单位体积的原子数为N的物质时，强度为I0的单能伽马射线束其强度将减弱为I，可以证明：
I=I0exp（-σtNt）（3-2）
定义：
μ=σtN=σtNaρ/A（3-3）
为伽马射线线性衰减系数，μρ=μ/ρ=σtN/ρ=σtNa/A（3-4）
为伽马射线质量衰减系数，则有：
I=I0exp（-μt）=I0exp（-μρtρ）（3-
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