近代物理伽马射线能谱的测量.doc

近代物理实验报告
NaI(TI)γ闪烁谱仪及γ射线能谱的测定

学 院 数理与信息工程学院
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时 间 20** 年 ** 月**日

NaI(TI)γ闪烁谱仪及γ射线能谱的测定

【摘要】放射性物质中含有许多不稳定的原子。这些原子在核衰变时辐射出伽马等射线和中子流等，并且具有一定的能量。伽马射线是原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时所产生的一种辐射。实验中将了解NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪是如何测量γ射线的能谱，NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的结构、原理与特性；掌握NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用方法。并通过对137Cs和60Co 放射源γ能谱的测量，加深对γ射线与物质相互作用的理解以及通过该实验了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶γ谱测量中的数据采集及其基本功能。在第一个实验的基础上， 采用NaI闪烁谱仪测全能峰的方法测量137Cs的γ射线在铅、铝材料中的吸收系数。并且通过实验对核试验安全防护的重要性有初步的认识。
【关键词】γ射线 闪烁谱 能谱 统计涨落 分辨率

【引言】 通过这个实验的实验内容，在实验之前，我有几个关于该实验的问题。第一：反闪射峰是怎么形成的？ 第二：一个未知的γ源，要确定其能量，实验应该如何进行？ 第三：NaI(TI)闪烁探测器的工作原理是什么？我希望通过实验后能够把这些问题给弄明白。
【正文】
一．Na I ( Tl) 闪烁谱仪系统
通过查阅相关资料，我了解了伽马闪烁谱仪的基本工作原理以及整个的工作过程。NaI(TI)闪烁探测器的结构如下图所示。整个谱仪由探头（包括闪烁体，光电倍增管，射极跟随器），高压电源，线性放大器，多道脉冲幅度分析器等组成。

探测器结构
闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子放大器件三个主要部分组成。
（1）闪烁体:  闪烁体是用来把射线的能量转变成光能的。本实验中采用含TI（铊）的NaI晶体作射线的探测器。
（2）光电倍增管:  光电倍增管的结构如图2。它由光阴极K、收集电子的阳极 A和在光阴极与阳极之间十个左右能发射二次电子的次阴极D（又称倍增极、打拿极或联极）构成。在每个电极上加上正电压，相邻的两个电极之间的电位差一般在100V左右。当闪烁体放出的光子打到光阴极上时，发生光电效应，打出的光电子被加速聚集到第一倍增极D1上，平均每个光电子在D1上打出3～6个次电子，增值后的电子又为D1和D2之间的电场加速，打到第二倍增极D2上，平均每个电子又打出3～6个次级电子，……这样经过n级倍增以后，在阳极上就收集到大量的电子，在负载上形成一个电压脉冲。
（3）射极跟随器：光电倍增管输出负脉冲的幅度较小，内阻较高。一般在探头内部安置一级射极跟随器以减少外界干扰的影响，同时使之与线性放大器输入端实现阻抗匹配。
（4）线性放大器：由于入射粒子的能量变化范围很大，线性放大器的放大倍数能在10～1000倍范围内变化，对它的要求是稳定性高、线性好和噪声小。
开启实验仪器工作时射线通过闪烁体，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比，即入射线的能量越大，在闪烁体内损失能量越多，闪烁体的发光强度也越大。当射线（如γ、β）进入闪烁体时，在某一地点产生次级电子，它使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子（一般光谱范围从可见光到紫外光，并且光子向四面八方发射出去）。在闪烁体周围包以反射物质，使光子集中向光电倍增管方向射出去，当闪烁光子入射到光阴极上，就会产生光电子，这些光电子受极间电场加速和聚集，在各级打拿极上发生倍增（一个光电子最终可产生104～109个电子），最后被阳级收集。大量电子会在阳极负载上建立起电信号，通常为电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆将信号传输到电子学仪器中去。
由原子物理学中可知射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程，如图所示：

最终实现了能谱图样的输出如下：

图中的横坐标CH表示道数，与能量成正比，纵坐标表示强度，也就是射线的密集程度，与计数成正比。

二. 能谱仪的特性
1. 能量分辨率。
由于闪烁晶体的发光效率、闪烁体与光电倍增管相应匹配，光电本征管的性能指标等因素都具有统计涨落，对应于单一能量的粒子在闪烁探头汇总所形成的脉冲信号仍有一定的分布范围。
通常利用的谱曲线的光电峰来测定能谱仪的分辨率

其中式中是指计数率为峰值计数率一半处的光电峰宽度。如果能谱仪有良好的线性关系，即有，则可写为

分辨率表示能谱仪区分能量很靠近的两个光电峰的本领。显然越小越好。对于单晶NaI（Tl）作为探测器的能谱仪来说能谱仪来说，的一般在8—15%，最好的达到6—7%。
2、 线性
反映输出脉冲信号的幅度与入射粒子之间是否有良好的线性关系，Na（Tl）单晶能谱仪对能量为150KeV到6MeV的次级高能电子都具有良好的线性关系相应。
3）谱仪的稳定性：
谱仪的能量分辨率，线性的正常与否与谱仪的稳定性有关。因此在测量过程中，要求谱仪始终能正常的工作，如高压电源，放大器的放大倍数，和单道脉冲分析器的甑别阈和道宽。如果谱仪不稳定则会使光电峰的位置变化或峰形畸变。在测量过程中经常要对137Cs的峰位，以验证测量数据的可靠性。为避免电子仪器随温度变化的影响，在测量前仪器必须预热半小时。
归结起来，闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程：
1) 射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发；
2) 受激原子、分子退激时发射荧光光子；
3) 利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；
4) 光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104~109个，电子流在阳极负载上产生电信号；
5) 此信号由电子仪器记录和分析。
三．实验内容
1、 用示波器观察探头及线性放大器的工作状态。
2、 测定的能谱
（1）首先选择光电倍增管的工作电压,应选择适当，过低会影响谱仪的能量分辨率，过高会影响谱仪的线性。实验中，取700V左右为宜。此时用示波器观察探头的输出信号，可看到稳定的输出脉冲信号的包络。
（2）调节线性放大器的放大倍数K，使放大后的脉冲幅度小于10V,以便与单道配合。
（3）调节单道分析器。先将开关拨到积分位置，从定标器中读出积分计数率，然后将开关拨到微分位置，调节单道的甄别阈和道宽以及线性放大器的放大倍数K，反复多次进行这个过程，直到找到光电峰。
（4）用已知源（0.662MeV，0.184MeV）和（1.17MeV，1.33MeV）对谱仪进行能量刻度校准，分别测出、的谱。
（5）作图定出相应的光电峰位置和能量分辨率，做出谱仪的能量刻度曲线。
3、从测量到的的能谱图，计算康普顿边和反散射峰的能量值，并与理论值作比较，对所得的结果进行讨论。
4、以的光电峰和的两个光电峰作为已知能量值，测定的射线能量。
四．实验步骤
1、连接好实验仪器线路，经老师检查同意后接通电源。
2、开机预热后，选择合适的工作电压使探头的分辨率和线性都有较好。
3、把放射源或放在探测器前，调节放大倍数为0.3，调节高压使或能谱的最大脉冲幅度尽量大而又不超过多道脉冲分析器的分析范围。
4、分别测和的全能谱并分析谱形，指明光电峰，康普顿平台，反射峰，全能峰。掌握横纵坐标的物理意义。
5、利用多道数据处理软件对所测得的谱形进行数处理，分别进行光滑化、寻峰、半宽度记录，净面积记录，能量刻度，感兴趣区处理等工作并求出各光电峰的能量分辨率等数据。

参考文献
[1]催执凤 近代物理实验[M] 安徽人民出版社
[2]近代物理实验讲义 浙师大数信学院

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