实验报告
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实验题目： γ能谱及γ射线的吸收
实验目的： 学习闪烁γ谱仪的工作原理和实验方法，研究吸收片对γ射线的吸收规律
实验原理：
1.γ能谱的形状
闪烁 γ能谱仪可测得 γ能谱的形状，下图所示是典型 137Cs 的 γ射线能谱图。图的纵轴代表单位时间的脉冲
数目即射线强度，横轴代表脉冲幅度即反映粒子的能量值。
从能谱图上看，有几个较为明显的峰，光电峰
Ee ，又称全能峰，其能量就对应 γ射线的能量 E 。这是由于
γ射线进入闪烁体后，由于光电效应产生光电子，
能量关系见式 （ 1），如果闪烁体大小合适，光电子停留在其中，
可使光电子的全部能量被闪烁体吸收。光电子逸出原子会留下空位，必然有外壳层上的电子跃入填充，同时放出
能量 Ez Bi 的 X 射线，一般来说， 闪烁体对低能Ｘ射线有很强的吸收作用， 这样闪烁体就吸收了 Ee E z 的全
部能量，所以光电峰的能量就代表 γ射线的能量，对 137Cs ，此能量为 0.661 Ｍ e Ｖ。
EC 即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。
背散射峰 Eb 是由射线与闪烁体屏蔽层等物质发生反向散射后进入闪烁体，形成的光电峰，一般峰很小。
2．谱仪的能量刻度和分辨率
（1 ）谱仪的能量刻度
闪烁谱仪测得的 γ射线能谱的形状及其各峰对应的能量值由核素的蜕变纲图所决定，是各核素的特征反映。
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但测得的光电峰所对应的脉冲幅度（即峰值在横轴上所处的位置）是与工作条件有关系的。如光电倍增管高压改
变、线性放大器放大倍数不同等，都会改变各峰位在横轴上的位置，也即改变了能量轴的刻度。因此，应用 γ谱
仪测定未知射线能谱时， 必须先用已知能量的核素能谱来标定谱仪的能量刻度， 即给出每道所对应的能量增值Ｅ。
例如选择 137Cs 的光电峰 E ＝ 0.661 Ｍe Ｖ和 60Co 的光电峰 E 1 1.17MeV 、 E 2 1.33MeV 等能量值，先
分别测量两核素的 γ能谱，得到光电峰所对应的多道分析器上的道址（若不用多道分析器，可给出各峰位所为应
的单道分析器上的阈值） 。可以认为能量与峰值脉冲的幅度是线性的，因此根据已知能量值，就可以计算出多道
分析器的能量刻度值Ｅ。如果对应E1
0.661MeV 的光电峰位于Ａ道，对应
E2 1.17MeV 的光电峰位于Ｂ
道，则有能量刻度
e
1.17
0.661MeV
（ 1 ）
B
A
测得未知光电峰对应的道址再乘以
e 值即为其能量值。
2 ）谱仪分辨率γ能谱仪的一个重要指标是能量分辨率。由于闪烁谱仪测量粒子能量过程中，伴随着一系列统计涨落因素，
如 γ光子进入闪烁体损失能量、产生荧光光子、荧光光子进入光电倍增管后，在阴极上打出光电子、光电子在倍
增极上逐级打出光电子而使数目倍增，最后在阳极上形成电流脉冲等， 脉冲的高度是服从统计规律而有一定分布
的。光电峰的宽窄反映着谱仪对能量分辨的能力。 如图 2.2.1-7 中所示的光电峰的描绘， 定义谱仪能量分辨率 为
半高度 V
100% （ 2）
光电峰脉冲幅度 V
表示闪烁谱仪在测量能量时能够分辨两条靠近的谱线的本领。 目前一般的闪烁谱仪分辨率在 10% 左右。
对
的影响因素很多，如闪烁体、光电倍增管等等。
物质对 γ射线的吸收
当 γ射线穿过物质时，一旦与物质中的原子发生三种相互作用，原来的光子就消失或通过散射改变入射方
向。通常把通过物质且未经相互作用的光子所组成的射线称为窄束 γ射线（或良好几何条件下的射线束） 。实验
表明，单能窄束 γ射线的衰减遵循指数规律：
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（ 8 ）
其中 、 分别是通过物质前、后的 γ射线强度，在本实验中可用全能峰的峰面积表示， 是 γ射线通过物质的厚
度， 是三种作用截面之和， N 是吸收物质单位体积的原子数， 是物质的线性吸收系数，表示单位路程上 γ射
线与物质发生三种相互作用的总几率，其大小反映了物质吸收 γ射线能力的大小。
可见，如果在半对数坐标图上绘制吸收曲线，那么这条曲线就是一条直线，直线的斜率的绝对值就是线性
吸收系数 。
γ射线强度减弱一半所需的吸收层厚度称为半吸收厚度
d 1
，从（ 8）式可知：
2
d1
ln 2
0.693
2
（ 9 ）
实验容：
１．
熟悉仪器，开启高压电源，预热
20 分钟；
２．
用多道分析器测量并观察
137 Cs 和 60Co 的 γ能谱的形状，截取能谱图，在图上指出光电峰、康普
顿边界、电子对峰、背散射峰等峰位；
３．
137 Cs 的光电峰对应能量为
0.661MeV ， 60 Co 的左侧光电峰能量为 1.17MeV
，请对谱仪进行能量
刻度、作图，并测量
60 Co 的右侧光电峰能量
４．
确定 137 Cs 光电峰的能量分辨率
（不扣本底）
５．
选择良好的实验条件，测量
137 Cs 的 γ射线在紫铜吸收片中的吸收曲线（要求至少
10 个点，各点
统计误差小于 2% ），求出相应的线性吸收系数和半吸收厚度。
实验数据：
1. 137 Cs 和 60Co 的 γ能谱图
Cs 的能谱图
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60Co 的能谱图：
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2.能谱仪的能量刻度并测量 60Co 右侧光电峰的值
实验测得：
Cs ：峰值道址： 454
60Co ：右光电峰道址： 938 ，左光电峰道址： 817
已知
137 Cs 的光电峰 E1
0.661Mev ，
60 Co 左光电峰道址
E2
1.17Mev
有能量刻度 e
E2
E1
1.17 0.661 1.4 10 3 Mev / 道
B
A
817
454
根据测得的 60 Co 右光电峰的道址，有
60 Co 右光电峰能量
E3
e C 1.4 10 3
938 1.32Mev
已知 60 Co 右光电峰能量为 E 2 1.33Mev
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1.33 1.32
相对误差 0.75% ，与理论值吻合得较好
1.33
通过作图也可以发现， 60 Co 的右光电峰确实落在 137 Cs 光电峰和 60 Co 左光电峰形成的直线上
3.能谱仪的能量分辨率
测得的 137 Cs 光电峰半高宽
39.1 道， E 39.1 e 39.1 1.4 10 3
0.0548Mev
E
0.0548
能量分辨率
8.3%
E1
0.661
由于未扣本底，与计算机得出的结果 8.6% 有一定误差
4. 137 Cs 的 γ射线的线性吸收系数和半吸收厚度
穿透的铜片厚度
铜片编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
厚度 (cm)
0.294
0.284
0.290
0.300
0.288
0.296
0.286
0.286
0.288
0.290
按顺序每次叠加一个铜片，那么穿透厚度 x 为
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穿透厚度
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
厚度 (cm)
0.294
0.578
0.868
1.168
1.456
1.752
2.038
2.324
2.612
2.902
每次穿透过后的光强，即光电峰的面积为
放铜片编号
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
光强
27954
23538
20098
17181
14444
12156
10381
8918
7501
6407
5665
在半对数坐标纸上作图，得到
线性拟合得到直线斜率 k=-0.5567 ，又吸收系数 =-k
故吸收系数 =0.5567
ln 2
0.6931
半吸收厚度 d 1
1.245cm
2
0.5567
思考题：
1、 用闪烁谱仪测量 γ射线能谱时， 要求在多道分析器的道址围能同时测量出 137Cs 和 60Co 的光电峰， 应如何选
择合适的工作条件？在测量过程中该工作条件可否改变？
答：合适的工作条件，要求能够充分利用多道分析器的道址围，具体来说，就是要求 60 Co 的右光电峰恰好
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60
能够完全显示，因为 Co 的右光电峰能量最大，为 E 2 1.33Mev
试验中的工作条件即为 500V 左右
在测量过程中，此条件不可改变。若改变，将道址能谱图整体平移。如果在测量能量刻度是发生平移，将造成实验结果的错误
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