γ射线能谱的测定.doc

浙 江 师 范 大 学 实 验 报 告
实验名称γ射线能谱的测定 班 级 物理071 姓名 陈群 学号 07180116
同 组 人 刘懿钧 实验日期 09/12/8 室温 气温
γ射线能谱的测定
摘 要： 原子的能级间跃迁产生光谱，原子核的能级跃迁产生γ射线谱。本实验就是利用探测器的输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比的规律来测得能量与其强度的关系曲线。通过对CS、CO能谱的测定，可以加深对γ射线能量与强度的关系， γ射线与物质相互作用的理解；可以进一步了解NaI(T )闪烁谱仪原理，特性与结构，掌握NaI(T )闪烁谱仪的使用方法以及鉴定谱仪的能量分辩率与线性；。
关键词： γ射线、能谱、NaI（Tl）γ闪烁谱仪

引 言： 闪烁探测器是利用某些物质在射线作用下会发光的特性来探5g射线的仪器。它的主要优点是：既能探测各种类型的带电粒子，又能探测中性粒天既能测量粒子强度，又能测量粒子能氨并且探测效率高，分辨时间短。它在核物理研究和放射性同位索的测量中得到广泛的应用。本实验的目的是了解NaI(T1)闪烁谱仪的原理、特性与结构，掌捏NaI(T1)闪烁谱仪的使用方法，鉴定潜仪的能量分辨率和线性，并通过对于y射线能谱的测量，加深对y射线与物质相互作用规律的理解。
实验方案：
实验原理
一、γ射线与物质的相互作用
    放射性核素放射出来的带电粒子（α、β粒子以及内转换电子）与物质相互作用主要为电离、散射和吸收三个方面。γ射线是不带电的电磁辐射，它与物质的相互作用主要有光电效应，康普顿效应和电子对效应三个过程。

图2-2-1 光电效应的示意图
1. 光电效应
　　入射的γ光子把能量全部转移给原子中的束缚电子，使之发射出来，而光子本身消失，这种过程称为光电效应。光电效应中发射出来的电子叫光电子。这过程如图2-2-1所示。
    在光电效应中，若忽略被原子的反冲核所吸收的能量，则由能量守恒定律得到

式中Er为入射γ光子的能量，Ee为光电子获得的动能,Ei为i层电子的结合能，一般远小于。显然，如果入射γ光子是单能的，则产生的光电子也是单能的。
　　光电子可以从原子各个壳层中发射出来，但在K壳层上打出电子的几率最大，L层次之，M、N层更次之。因此，在发射光电子的同时，还伴随着原子发射的特征X射线或俄歇电子。
　　实验和理论都表明，γ射线与物质相互作用时，产生光电效应的几率随着物质原子序数的增大而迅速增大，又随着γ射线的能量增大而减小。
2. 康普顿效应
入射的γ光子与物质原子的核外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，而散射光子的能量和运动方向发生变化，这一过程称为康普顿效应．图2-2-2为康普顿效应的示意图。根据相对论的能量和动量守恒关系，可以求出散射光子的能量Ei和康普顿反冲电子的能量为

闪烁谱仪的结构和工作原理
　　γ能谱是γ射线的计数按能量的分布。测量γ能谱最常用方法是利用γ谱仪进行测量，常用的γ谱仪主要有闪烁γ谱仪和半导体γ谱仪。自六十年代以来，Ge(Li)和Si(Li)等半导体γ谱仪发展迅速，其能量分辨能力比闪烁谱仪要高得多，它的应用愈来愈广。然而闪烁γ谱仪的分辨能力虽不及半导体谱仪，但是它探测效率高、价格较廉、使用方便，仍有相当广泛的应用。

    NaI(Tl)闪烁谱仪由探头（包括闪烁体，光电倍增管、射极跟随器）、高压电源、线性放大器、单道脉冲幅度分析器（或多道分析器）、定标器等组成，其结构如图2-2-4所示。当γ射线入射至闪烁体时，产生的次级电子使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子。闪烁体发出的光子被闪烁体外的光反射层反射，会聚到光电倍增管的光阴极上。由于光电效应，光子在光阴极上打出光电子。为了有高的光收集效率，在闪烁体与光电倍增管的接触面之间涂以硅油，这样就避免了因闪烁体和光电倍增管表面之间存在空气层形成全反射所造成的光损失。光阴极上打出的光电子在光电倍增管中倍增，电子数目增加几个数量级，最后被阳极接收形成电压脉冲。此电压脉冲的幅度与γ射线在闪烁体内消耗的能量及产生的光强成正比，所以根据脉冲幅度大小可以确定入射γ射线的能量。电压脉冲通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆传输到线性脉冲放大器，经过放大和成形后输入单道脉冲幅度分析器，由它选取一定幅度的脉冲供定标器计数。电压脉冲也可输入多道脉冲幅度分析器进行记录。 和康普顿反冲电子的能量为

图2-2-6给出的是用NaI(Tl)闪烁谱仪测得的137Cs能谱，谱中有三个峰和一个平台。137Cs衰变时放出单一能量的γ射线（Eγ=0.662MeV），它与物质相互作用主要有光电效应和康普顿效应。在光电效应中产生的光电子使闪烁体激发，其产生的脉冲在γ谱中形成的峰称光电峰，即图2-2-6中峰A。由于光电效应主要发生在K壳层，则K壳层留下的空位将为外层电子所填补，跃迁时放出X射线，这种X射线在闪烁体内很容易再产生一次新的光电效应，将能量又转给光电子。由于这一过程的时间极短，这样X射线产生的光电子与γ射线产生的光电子几乎同时使闪烁体激发，形成一个光电峰，这样光电峰的幅度就代表了γ射线的能量。
在康普顿效应中，γ光子把部分能量传递给反冲电子，而自身被散射。此后，散射光子的去向有两种可能：一是逸出闪烁晶体；二是继续与晶体作用产生光电效应或康普顿效应。若散射光子逸出晶体，则留下一个能量连续的反冲电子谱，这就形成了能谱中的平台部分B，称为康普顿平台，平台的边缘，其能量相当于(Ee)max。若散射光子仍被晶体吸收，则所有次级效应产生的电子能量加上初始康普顿效应产生的反冲电子的能量恰好等于原始γ射线能量，它们形成的峰也叠加在光电峰上。因此，此时的光电峰还包括一部分康普顿电子所产生的峰，故称它为全能峰更为确切。
　　康普顿平台上的峰C称为反散射峰，这是由穿过晶体的一部分γ射线在晶体的封装玻璃或光电倍增管上发生康普顿效应，其反散射（θ=180o）光子返回晶体时所形成的。此外，放射源的衬底材料和探头周围的屏蔽材料所产生的反散射光子，对反散射峰也会有贡献。由公式2-2-2可知，反散射光子能量总是在200KeV左右，因此在能谱上较易识别。
峰D是X射线峰，它是由137Ba的K层特征X射线(能量约32KeV)贡献的。137Cs的β衰变子体137Ba的0.662MeV激发态退激时，可能不发射γ射线，而是通过内转换过程，在放出内转换电子后，造成K空位，外层电子跃迁后产生此X射线。
　　137Cs的γ能谱的全能峰是比较典型和突出的，因此通常用137Cs作为标准源，一方面用来检验γ谱仪的能量分辨率，另一方面作为射线能量测量的相对标准。
　　在γ能谱中，全能峰的峰位反映了γ射线的能量，因此全能峰是γ射线的特征峰，是γ能谱分析的依据。全能峰的面积是峰内各道计数率之和，它与γ射线强度成正比，是γ能谱定量分析的基础。全能峰的面积与全谱面积之比，称为峰总比
实验方法
γ射线 次极电子
R放射源 与闪烁体作用的三种效应
荧光
使闪烁体激发并退激发 被光电倍增管光阴极吸收 光电子
各种增极逐次放大 电压脉冲
被主放大器放大，多道分析
器幅度分析，定标器甑别记录
输出γ射线能谱图
图4 γ能谱的形成图
1.接通电源，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较好。
2.将137CS 源放在探头下方并保持一定距离，先粗测一下137CS 能谱曲线：选择合适的全谱道数、扩展谱道数和预置时间，调节高压和放大器放大倍数，使60C0 或137CS 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。
3.调整好后，仔细测量137CSγ全能谱，指明光电峰、康普顿平台和反散射峰。
4.将将探头下方的137CS放射源用60C0放射源代替，不改变γ能谱仪的其他工作条件，只改变放大倍数、高压和预置时间，然后仔细测量60C0的γ射线能谱，指明光电峰、康普顿平台和反散射峰。
5.用手柄调节放射源的孔和探测器的孔的相对位置，再重复测量两次，将三次测量结果进行对比，选择峰位最高的一次。