南京大学近代物理实验-γ射线的能量和强度测量.doc

γ射线的能量和强度测量

摘要：闪烁探测器是利用某些物质在射线作用下受激发光的特性来探测射线的仪器。本实验利用NaI（Tl）闪烁谱仪，进行γ射线的能量和强度测量。
关键词：NaI（Tl）闪烁谱仪，能量分辨率，探测效率
一、实验目的
1.了解NaI（Tl）闪烁谱仪的组成，基本特性及使用方法。
2.掌握测量γ射线的能量和强度的基本方法。

二、实验原理
2.1 𝛄射线与物质的相互作用
γ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三种过程。
  (1) 光电效应：入射γ光子把能量全部转移给原子中的束缚电子，将其打出形成光电子。由于电子束缚能一般远小于入射γ光子的能量，所以光电子动能近似等于入射γ光子的能量。
  (2) 康普顿散射：入射γ光子与核外电子发生非弹性散射。设入射γ光子能量为hν，散射光子能为hν′，则反冲康普顿电子的动能Ee为
Ee=hν−hν′
 康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为
hν′=hν/[1+α(1−cosθ)] (1)
其中α=hν/mec2为入射γ射线能量与电子静止质量之比。由(1)式可得，当θ=0时，hν=hν′，这时Ee=0，即不发生散射；当θ=180°时，散射光子能量最小，为hν/(1+2α)，这时康普顿电子的能量最大，为
  Eemax=hν·2α/(1+2α)  (2) 
所以康普顿电子能量在0至Eemax之间变化。
  (3) 正负电子对产生：当γ射线能量超过2 mec2(1.022MeV)时，γ光子受原子核或电子的库仑场的作用可能转化为正负电子对。入射γ射线能量越大，产生正负电子对的几率也越大。在物质中正电子的寿命很短，当它在物质中耗尽自己的动能，便同物质原子中的轨道电子发生湮灭反应而变成一对能量各为0.511MeV的γ光子。

 2.2 闪烁谱仪结构与工作原理
NaI(Tl)闪烁谱仪由探头，高压电源，线性放大器，多道脉冲幅度分析器及部分组成。射线通过闪烁体时，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比。带电粒子通过闪烁体时，将引起大量的分子或原子的激发或电离，这些受激的分子或原子由激发态回到基态时就放出光子；不带电的γ射线先在闪烁体内产生光电子、康普顿电子及正负电子对，然后这些电子使闪烁体内的分子或原子激发和电离而发光。闪烁体发出的光被闪烁体外的光反射层反射，汇聚到光电倍增管的光电阴极上，打出光电子。光阴极上打出的光电子在光电倍增管中倍增出大量电子，最后为阳极吸收形成电压脉冲。每产生一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。由于电压脉冲幅度与粒子在闪烁体内消耗的能量成正比，所以根据脉冲幅度的大小可以确定入射粒子的能量。利用脉冲幅度分析器可以测定入射射线的能谱。

2.3 闪烁谱仪的能量分辨率
 由于形成阳极电流脉冲之前的各种过程的统计性质，对应于某一定能量的粒子，光电倍增管的输出脉冲仍有起伏，通常把脉冲计数率随脉冲幅度分布的半宽度ΔU1/2与计数率最大值对应的脉冲幅度U0之比定义为能量分辨率ε。由于粒子能量与脉冲幅度成正比，故有 
ε=ΔU1/2/U0=ΔE /E (3) 

2.4 闪烁谱仪的能量线性关系
  利用闪烁谱仪做γ射线能量测定时，最基本的要求是在入射γ射线的能量和它产生的脉冲幅度之间有确定的关系；对于理想的闪烁谱仪，脉冲幅度与能量之间应呈线性关系；对于实际NaI(Tl)闪烁谱仪在较宽的能量范围内是近似线性的。这是利用该谱仪进行射线能量分析与判断未知放射性核素的重要依据。通常。在实验上利用系列γ标准源。测量相应全能峰处的脉冲幅度，建立γ射线能量及其对应峰位的关系曲线，这条曲线即能量刻度曲线。典型的能量刻度曲线为不通过原点的一条直线，即
  Exp=Gxp+E0  (4)
式中xp为全能峰峰位(峰道址)，E0为直线截距，G为增益(单位脉冲幅度对应的能量)。能量刻度曲线可以选用标准源137Cs和60Co来标定。

2.5 闪烁谱仪的探测效率
  设γ源的发射强度为S，则γ谱仪的探测效率η为
  η=n/S (5) 
式中n为全能峰的总计数率。用这种方法定义的探测效率称为源峰探测效率。n可用下式求得
n=N/t (6) 
式中N为全能峰的净计数，t为计数时间。

2.6 𝛄辐射强度测量
  在相同条件下，分别测得标准源的全能峰面积为N0和待测样品的全能峰面积Nx，设标准源的强度为S，待测样品的强度为Sx，则有
 Sx=Nx·S0/N0 (7)

三、实验仪器
实验采用NaI(Tl)闪烁谱仪，它由探头(包括闪烁体、光电倍增管、射极跟踪器)，高压电源，线性放大器，多道脉冲幅度分析器及部分组成。 

四、实验步骤：
(1)检查实验装置，打开电源和相应软件，进入多道分析工作状态； 
(2)使用137Cs标准源，测量γ谱仪的能量分辨率ε及探测效率η； 
(3)测量137Cs标准源的γ能谱； 
(4)测量60Co待测源的γ能谱； 
(5)改变源的位置，重复(4)的测量；
(6)测量结束，把高压降至0，关机。

五、数据处理及误差分析
实验原始数据参见附在实验报告末尾处的实验记录。
1.对于432号标准源137Cs，其源强为 ，特征γ辐射能量为 。实验时间为t=100s，测得全能峰道址为x0=387，半高宽左道址为x’=361，右道址为x’’=405，全能峰净计数为N=66495。则由（5）式，（6）式可得探测效率η为
=0.883%
半高宽 ,能量分辨率为 。
2.对于11号标准源60Co，其源强为S0=，特征γ辐射右全能峰能量为。实验时间为t=600s。测得右全能峰道址为x2=712，左全能峰净计数为N0=3112.则由以上数据可以确定闪烁谱仪的能量刻度曲线为

将测得的左全能峰道址x1=630代入上式，求得与x1对应的能量为Ex1=1.16095MeV,与标准值
Eγ1=1.17MeV的误差为0.77%，在测量允许的误差范围内。
3.对于待测的12号标准源60Co，实验测得其左全能峰净计数为Nx=4006，左全能峰道址为x1=644，右全能峰道址为x2=730，左峰左边界道址为xl=576，右峰右边界道址为xr=671。
由（7）式可得该待测源强度Sx为

与标准值的误差为5.4%。
4.降低11号标准源60Co的高度，重新测量一次，测得x1=584，x2=665，Nx’=1846。可以看出，其全能峰道址基本没有发生移动，但全能峰的净计数发生了变化，这说明改变源的位置，样品的特征γ辐射能量不受影响，但仪器的探测效率会发生改变。 

误差分析：
实验中主要的误差来源在于确定道址数时小范围内有多个符合条件的道址取值，这导致道址的读数存在一定的主观随意性。改进的方法是延长测量时间增加取样点数，使测得的图线更加平滑，道址的选取更加准确。

六、思考题
1. γ射线与物质有哪三种主要作用，各有什么特点？
答：γ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三种过程。
 1) 光电效应：入射γ光子把能量全部转移给原子中的束缚电子，将其打出形成光电子，光电子动能近似等于入射γ光子的能量。 
2) 康普顿散射：入射γ光子与核外电子发生非弹性散射，康普顿电子能量在0至Ee max 之间变化，其中Ee max  如(2)式所示。 
3) 正负电子对产生：入射γ射线能量超过2 mec2时，γ光子受原子核或电子的库仑场的作用可激发正负电子对。入射γ射线能量越大，产生正负电子对的几率也越大。在物质中正电子的寿命很短，当它在物质中耗尽自己的动能，便同物质原子中的轨道电子发生湮灭反应而变成一对能量各为mec2的γ光子。

2. 何为全能峰？全能峰的计数主要来自于哪些作用的贡献？
答：γ光谱中由光电效应形成的光电峰能量与入射γ射线能量几乎相等，称为全能峰。其计数主要来源于光电效应，此外，多次康普顿散射的累计效应和两个湮没光子被全吸收时的电子对效应，对全能峰也有贡献。

3. 当改变γ源与探头之间的距离时，探测效率有无变化？为什么？
答：有变化。γ源与探头之间的距离改变时，γ源对探头所张的立体角必然发生变化，γ光子被探头吸收的几率必然发生变化，从而引起探测效率的改变。

4. 在对γ辐射进行能量测量时，样品的位置改变对测量结果有无影响？为什么？
答：没有影响。γ辐射的能量只取决于所用核素的种类，与样品位置的改变没有关系。

参考文献
[1]黄润生，沙振舜，唐涛等，近代物理实验（第二版），南京大学出版社，2008.

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