【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 v英文原文 ...............................................................................................................................................49翻譯 .........................................................................................................................................................60南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文第 1 頁(yè)，共 66 頁(yè)1 概述 γ 射線的產(chǎn)生γ 射線是一種強(qiáng)電磁波，它的波長(zhǎng)比 X 射線還要短，一般波長(zhǎng)小于 納米。在原子核反應(yīng)中，當(dāng)原子核發(fā)生 α、β 衰變后，往往衰變到某個(gè)激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子核仍是不穩(wěn)定的，并且會(huì)通過(guò)釋放一系列能量使其躍遷到穩(wěn)定的狀態(tài)，而這些能量的釋放是通過(guò)輻射射線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種射線就是 γ 射線 [1]。γ 射線的能量為躍遷前后始末激發(fā)態(tài)的能量差(即 Eγ =E 初態(tài) E 末態(tài) )。原子核的不同激發(fā)態(tài)所攜帶的能量是固定的，而且由于原子核進(jìn)行 γ 躍遷服從選擇定律 [2]，所以當(dāng)原子核進(jìn)行 γ 躍遷時(shí)只能從較高的激發(fā)態(tài)躍遷到特定的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，其所釋放的 γ 射線的能量是固定值，比如 137Cs 釋放的 γ 射線能量只有 660KeV 一種，60Co 只有 1173KeV 和 1332KeV 兩種。 γ 射線的屏蔽 [3,4] 屏蔽 γ 射線的材料很多，如水、土壤、鐵礦石、混凝土、鐵、鉛、鉛玻璃、以及鉛硼聚乙烯等。這些材料對(duì) γ 射線的屏蔽效果各不相同，其中重金屬最有效，體積小、總重量輕。目前人們通常采用鉛做屏蔽材料，因?yàn)殂U具有高的耐腐蝕性能抵抗空氣的氧化和酸的腐蝕，熔點(diǎn)較低( )，在高溫(260 以上)下就會(huì)0c0c發(fā)生變化，熔化澆注容易。目前我國(guó)大部分廠家采用兩塊外圍用鋼包的鉛塊拼成狹縫作為準(zhǔn)直板，用鉛屏蔽 x 射線，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外相同行業(yè)。自然界中，鉛的三個(gè)同位素 、 、 分別是三個(gè)天然放射性系列鈾系、釷系、錒系的最206Pb208207Pb終衰變產(chǎn)物，因此大家認(rèn)為鉛是有毒的。近年來(lái)國(guó)際上為了防止公害、保護(hù)環(huán)境，提出了開發(fā)代替鉛的輻射屏蔽材料的要求。天津紡織工學(xué)院發(fā)明了涉及一種中子和 x 射線屏蔽材料。其特征是該材料包括下述物質(zhì):耐高溫聚合物占混合物重量(下同)的 16%～60%。屏蔽物質(zhì)占 30%～80%，南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文第 2 頁(yè)，共 66 頁(yè)平均粒徑為 1μm～40μm。硅烷類偶聯(lián)劑占 %～%?？寡鮿┱?%～%。交聯(lián)劑占 %～1% 。增強(qiáng)纖維占 2%～15%，該發(fā)明材料的成型體可在2 5 ～190 0c溫度內(nèi)不變形，且耐沖擊和振動(dòng)，對(duì)熱中子屏蔽率達(dá) 80～98% ,且無(wú)二次輻射，0c特別適于作測(cè)井儀上使用的屏蔽體。另外日本曾用甲基丙烯酸鉛與乙烯基酯共聚的方法制取了防 γ 射線透明材料，防護(hù)效果較好，并申請(qǐng)了專利。國(guó)內(nèi)蔣平平等通過(guò)溶劑法、重結(jié)晶法合成了純度較高，適合本體聚合的有機(jī)鉛化合物，制備了透光率大于 80%，有一定力學(xué)性能的防輻射有機(jī)材料。 高比重合金(鎢合金)材料是一類以鎢為基體(W 含量 70%～99%)，并添加有 Ni, Cu, Co, Mo, Cr 等兀素組成的合金。按合金組成特性及用途分為 WNi , WNiCu, WCo, WCu, WAg 等主要系列，其密度高達(dá) g/ ～,而被人們3cm3c稱為高比重合金，它還具有一系列優(yōu)異的特性，比重大，強(qiáng)度高，吸收射線能力強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)大，有良好的可導(dǎo)電性能。具有良好的可焊性和加工性。鑒于高比重合金有上述優(yōu)異的功能，它被廣泛地運(yùn)用在航天、航空、軍事、石油鉆井、電器儀表、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。鎢鎳合金薄片，主要醫(yī)療器械上比如 CE 機(jī)器 X 光機(jī)，以及安全檢測(cè)設(shè)備上，比如奧運(yùn)會(huì)安全檢測(cè)上以及航天航空上，比如導(dǎo)航系統(tǒng)，凡是接觸到有信號(hào)，有輻射的地方都可以使用。 研究的目的和意義γ 射線雖然有廣泛的用途，但人體受到放射線的照射，隨著射線作用劑量的增大，有可能隨機(jī)地出現(xiàn)某些有害效應(yīng)。例如它可能誘發(fā)白血病、甲狀腺癌、骨腫瘤等惡性腫瘤。也可能引起人體遺傳物質(zhì)發(fā)生基因突變和染色體畸變，造成先天性畸形、流產(chǎn)、死胎、不育等病癥。不過(guò)，這種情況發(fā)生的幾率很低，其危險(xiǎn)度一般沒有超過(guò)目前人們可以接受的范圍 [5]。 γ 射線的威力主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:一是 γ 射線的能量大。由于 γ 射線的波長(zhǎng)非常短，頻率高，因此具有非常大的能量。高能量的 γ 射線對(duì)人體的破壞作用相當(dāng)大，當(dāng)人體受到 γ 射線的輻射劑量達(dá)到 200 雷姆600 雷姆時(shí)，人體造血南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文第 3 頁(yè)，共 66 頁(yè)器官如骨髓將遭到損壞，白血球嚴(yán)重地減少，內(nèi)出血、頭發(fā)脫落，在兩個(gè)月內(nèi)死亡的概率為 080%。當(dāng)輻射劑量為 6001000 雷姆時(shí)，在兩個(gè)月內(nèi)死亡的概率為 80100%。當(dāng)輻射劑量為 10001500 雷姆時(shí)，人體腸胃系統(tǒng)將遭破壞，發(fā)生腹瀉、發(fā)燒、內(nèi)分泌失調(diào)，在兩周內(nèi)死亡概率幾乎為 100%。當(dāng)輻射劑量為 5000 雷姆以上時(shí)，可導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到破壞，發(fā)生痙攣、震顫、失調(diào)、嗜眠，在兩天內(nèi)死亡的概率為100 %。二是 γ 射線的穿透本領(lǐng)極強(qiáng)。人體受到 γ 射線照射時(shí)，γ 射線可以進(jìn)入到人體的內(nèi)部，并與體內(nèi)細(xì)胞發(fā)生電離作用，電離產(chǎn)生的離子能侵蝕復(fù)雜的有機(jī)分子，如蛋白質(zhì)、核酸和酶，它們都是構(gòu)成活細(xì)胞組織的主要成份，一旦它們?cè)獾狡茐模蜁?huì)導(dǎo)致人體內(nèi)的正?；瘜W(xué)過(guò)程受到干擾，嚴(yán)重的可以使細(xì)胞死亡。所以尋找一種安全可靠的防護(hù)材料對(duì)十從事放射性工作人員的安全至關(guān)重要防護(hù)，γ 射線的屏蔽材料的研究便成為一項(xiàng)十分重要的課題 [3]。隨著社會(huì)的進(jìn)步，能源問(wèn)題日益突出，核能被越來(lái)越多的國(guó)家列為第一發(fā)展能源。由于核工業(yè)的快速發(fā)展，輻射防護(hù)愈來(lái)愈顯的重要。核輻射主要包括以下幾種粒子：中子、質(zhì)子、α 粒子、中微子、γ 射線、X 射線和重離子。其中 γ 射線是這幾種粒子中最重要的危害粒子之一。為了減少工作人員承受的輻射劑量，除了減少與輻射源的接觸時(shí)間和擴(kuò)大與輻射源的距離外，還要對(duì)輻射源進(jìn)行屏蔽。進(jìn)行屏蔽就需要對(duì)屏蔽材料進(jìn)行選擇。傳統(tǒng)的輻射防護(hù)材料是鉛，然而隨著核技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)：鉛作為輻射防護(hù)材料有很多弊端，比如鉛在屏蔽 γ 射線時(shí)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次軔致輻射，硬度也比較差的，同時(shí)鉛本身是重金屬污染源，很可能在使用過(guò)程中造成重金屬中毒。因此，尋找安全可靠的屏蔽材料是至關(guān)重要的，做為評(píng)價(jià)防護(hù)材料好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)——吸收系數(shù)，自然具有非常重要的研究?jī)r(jià)值。 研究的內(nèi)容 本課題主要進(jìn)行以下幾個(gè)內(nèi)容：1） 137Csγ 射線穿過(guò)不同物質(zhì)的吸收情況；2）不同方法測(cè)定 γ 射線在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)；南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文第 4 頁(yè)，共 66 頁(yè)3）γ 射線穿過(guò)不同物質(zhì)厚度的能譜變化關(guān)系。2 伽馬射線與物質(zhì)作用機(jī)制及吸收規(guī)律 [1] γ 射線與物質(zhì)作用機(jī)制射線是由于原子核由激發(fā)態(tài)退激到較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)（而原子序數(shù) Z 和質(zhì)?量數(shù) A 均保持不變）的過(guò)程中產(chǎn)生的，是處于激發(fā)態(tài)原子核損失能量的最顯著方式。由于 射線不帶電、靜止質(zhì)量為 0 等特點(diǎn)決定了它同物質(zhì)的作用方式與帶電粒子不同，帶電粒子(?或 ?粒子等)在一連串的多次電離和激發(fā)事件中不斷地?fù)p失其能量，γ 光子與物質(zhì)原子相互作用時(shí)，發(fā)生一次相互作用就導(dǎo)致?lián)p失其大部或全部能量(大量能轉(zhuǎn)移)，光子不是完全消失就是大角度散射。 光子( 射線)通過(guò)?物體時(shí)會(huì)與其中的下述帶電體發(fā)生相互作用：1） 被束縛在原子中的電子；2） 自由電子(單個(gè)電子)；3） 庫(kù)侖場(chǎng)(核或電子的)；4） 核子(單個(gè)核子或整個(gè)核)。這些類型的相互作用可以導(dǎo)致：光子的完全吸收、彈性散射、非彈性散射三種效應(yīng)中的一種（在從約 10KeV 到約 10MeV 范圍內(nèi)，大部分相互作用產(chǎn)生下列過(guò)程中的一種）主作用過(guò)程有三種：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)。 光電效應(yīng)：γ 光子與靶物質(zhì)原子的束縛電子相互作用時(shí)，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給某個(gè)束縛電子，使之發(fā)射出去，而光子本身消失掉，這種過(guò)程稱光電效應(yīng)（見圖 ） 。光電效應(yīng)發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。光電子可以從原子的 K、L、M 等各個(gè)殼層中發(fā)射出來(lái)。但是由于要滿足能量守恒的同時(shí)還要滿足動(dòng)量守恒定律，這就必須 圖 光電效應(yīng) 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文第 5 頁(yè)，共 66 頁(yè)要有第三者即原子核的參加。因此，自由電子不可能產(chǎn)生光電效應(yīng)。原子中外層電子的結(jié)合能很小，原子核反沖動(dòng)量也很小，動(dòng)量守恒條件不容易得到滿足；但隨著電子束縛程度的增加，原子核得到的反沖動(dòng)量很快增加，較易滿足動(dòng)量守恒，因此光電效應(yīng)概率隨著電子束縛程度的自己而很快增加。當(dāng)入射光子能量大于 K 層電子的結(jié)合能時(shí)，從 K 殼層發(fā)射光電子的概率最大。1）光電子的能量入射光子的能量（ = ）一部分用來(lái)克服電子在原子中的結(jié)合能，另一部0Eh?分轉(zhuǎn)化為光電子的動(dòng)能，所以光電子的能量可有動(dòng)量守恒定律得到 Ee= （ i=K，L，M，， ） 式中 為第 i 殼層的結(jié)合h?BiB能。2）光電截面γ 射線與物質(zhì)相互作用發(fā)生光電效應(yīng)的概率就是光電吸收截面，或簡(jiǎn)稱光電截面。當(dāng) 而 時(shí)，對(duì)于 K 層電子，每個(gè)原子的光電截面為 [6]2ehmc??h?kB 25/247/5()eKPHthmcZ?????當(dāng) 時(shí)2ehc?? 式中：α= =1/137 是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)， 是每個(gè)電子的湯姆遜散射截面，其值2/ect?為 2222588(/)???????由上可見 正比于 Z5，所以重元素的光電效應(yīng)截面比輕元素的截面大得多，t許多 γ 探測(cè)器常用高 Z 材料，以獲得較高的探測(cè)效率。另一方面， 首先隨kth?而減小，而后隨 而減小。顯然，即使是很重的元素，當(dāng) 1MeV 時(shí)，7/2()h?? 1()h?? ?光電效應(yīng)已是次要的了，當(dāng) hν 接近 Bk時(shí) σ kth達(dá)到峰值，因此 = 成 K 吸收限。kB同樣還有 L 吸收限和 M 吸收限等。南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文第 6 頁(yè)，共 66 頁(yè) 康普頓效應(yīng)： γ 光 子 的 能 量 較 高 時(shí) ， 除 上 述 光 電 效 應(yīng) 外 ，還 可 能 與 核 外 電 子 發(fā) 生 彈 性 碰 撞 ， γ 光 子的 能 量 和 運(yùn) 動(dòng) 方 向 均 有 改 變 ， 而 產(chǎn) 生 的 現(xiàn) 象 稱為 康 普 頓 效 應(yīng) （ 見 圖 ） 。 康普頓散射發(fā)生在入射光子與物質(zhì)原子核外的軌道電子之間。入射γ 光子偏離他原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向。散射情況因入射γ 光子能量不同而不同。 1）散射光子和康普頓電子的能量入射光子的能量 接近或超過(guò) 時(shí)的散射成為康普頓散射。散射時(shí)入射光h?2emc子和軌道電子相碰撞，入射光子被電子所散射不僅改變其運(yùn)動(dòng)方向，而且損失能量。電子獲得能量從原子中飛出，這個(gè)反沖電子成為康普頓電子?？灯疹D散射發(fā)生在束縛得最松的外層電子上的概率大，外層的電子的結(jié)合能同入射 γ 光子的能量 hν相比較，可以忽略。同時(shí)外層電子軌道運(yùn)動(dòng)的速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速，康普頓散射就認(rèn)為是 γ 光子和靜止?fàn)顟B(tài)的“自由電子”之間的彈性碰撞。利用相對(duì)論的能量和動(dòng)量公式及康普頓散射中的能量和動(dòng)量守恒，就可以推算出：散射光子能量表達(dá)式為 39。 201(cos)Em?? ????康普頓反沖電子能量表達(dá)式為 20(s)eE?2）作用截面由理論可得到康普頓散射截面 [7]：ce?2 21()1113{[ln(2)ln(2)]}()ceer?????? ?????（式中 ）/ehmc??圖 康普頓散射 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文第 7 頁(yè)，共 66 頁(yè) 當(dāng) α》1 時(shí)，上式近似可以寫成 31(ln2)8ceth????? 當(dāng) α《1 時(shí)，得到 6(125ceth eth?????） =（ ）顯然這就是湯姆遜散射的情況。 電子對(duì)效應(yīng)：當(dāng)光子的能量大于 時(shí)，γ 光子經(jīng)過(guò)與之相互作用物質(zhì)的原子核附近時(shí)，與原子核發(fā)生電磁相互作用，γ 光子消失而產(chǎn)生一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子（簡(jiǎn)稱電子對(duì)） ，這就是電子對(duì)產(chǎn)生效應(yīng)（見圖 ） 。1） 能量電子對(duì)效應(yīng)必須有第三者——原子核參加，才能滿足能量守恒和動(dòng)量守恒定律。但是，因?yàn)樵雍说馁|(zhì)量相對(duì)地說(shuō)很大，反沖能量很小，可以忽略不計(jì)。所以入射光子的能量除一部分轉(zhuǎn)為正負(fù)電子的靜止能量（）外，其余的就作為電子的動(dòng)能，即 2eehEmc????其中 和 分別是正負(fù)電子的動(dòng)能。顯然，對(duì)于一定能量的入射光子，電子eE?對(duì)產(chǎn)生效應(yīng)產(chǎn)生的正電子和負(fù)電子的動(dòng)能之和為常數(shù)。但是電子和正電子之間的能量是隨機(jī)任意分配的，他的動(dòng)能從 0 到（ ）都是有可能的。由于動(dòng)量守2ehc??恒關(guān)系，電子和正電子的發(fā)射幾乎都是沿著光子的入射方向前傾的。入射光子能量越大，正負(fù)電子的發(fā)射方向就越前傾。電子對(duì)效應(yīng)中