NaI(Tl)閃爍譜儀系列實(shí)驗(yàn)(共14頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上NaI（Tl）閃爍譜儀系列實(shí)驗(yàn) 張瑞 一、實(shí)驗(yàn)原理1. 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用主要是光電效應(yīng)、康普頓散射和正、負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生這三種過(guò)程。（）光電效應(yīng)。入射粒子把能量全部轉(zhuǎn)移給原子中的束縛電子，而把束縛電子打出來(lái)形成光電子。由于束縛電子的電離能1一般遠(yuǎn)小于入射射線能量，所以光電子的動(dòng)能近似等于入射射線的能量  光電1（）康普頓散射。核外電子與入射射線發(fā)生康普頓散射的示意圖見(jiàn)圖1.2-1。設(shè)入射光子能量為，散射光子能量為，則反沖康普頓電子的動(dòng)能ee康普頓散射后散射光子能量與散射角的關(guān)系為    &

2、#160;      （1.2-1）式中，即為入射射線能量與電子靜止質(zhì)量所對(duì)應(yīng)的能量之比。由式（1.2-1），當(dāng)時(shí)，這時(shí)Ee，即不發(fā)生散射；當(dāng)°時(shí)，散射光子能量最小，它等于（），這時(shí)康普頓電子的能量最大，為 （1.2-2）所以康普頓電子能量在至之間變化。（）正、負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生。當(dāng)射線能量超過(guò)02（1.022）時(shí)，光子受原子核或電子的庫(kù)倉(cāng)場(chǎng)的作用可能轉(zhuǎn)化成正、負(fù)電子對(duì)。入射射線的能量越大，產(chǎn)生正、負(fù)電子對(duì)的幾率也越大。在物質(zhì)中正電子的壽命是很短的，當(dāng)它在物質(zhì)中消耗盡自己的動(dòng)能，便同物質(zhì)原子中的軌道電子發(fā)生湮沒(méi)反應(yīng)而變成一對(duì)能量各

3、為0.511的光子。2. 閃爍譜儀結(jié)構(gòu)與工作原理（）閃爍譜儀結(jié)構(gòu)如圖1.2-2。整個(gè)儀器由探頭（包括閃爍體、光電倍增管、射極跟隨器），高壓電源，線性放大器、多道脈沖幅度分析器幾部分組成。射線通過(guò)閃爍體時(shí)，閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度與射線在閃爍體內(nèi)損失的能量成正比。帶電粒子（如、粒子）通過(guò)閃爍體時(shí)，將引起大量的分子或原子的激發(fā)和電離，這些受激的分子或原子由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)就放出光子；不帶電的射線先在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生光電子、康普頓電子及正、負(fù)電子對(duì)（當(dāng)1.02時(shí)），然后這些電子使閃爍體內(nèi)的分子或原子激發(fā)和電離而發(fā)光。閃爍體發(fā)出的光子被閃爍體外的光反射層反射，會(huì)聚到光電倍增管的光電陰極上，打出光電子。光陰極上打出

4、的光電子在光電倍增管中倍增出大量電子，最后為陽(yáng)極吸收形成電壓脈沖。每產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖就表示有一個(gè)粒子進(jìn)入探測(cè)器。由于電壓脈沖幅度與粒子在閃爍體內(nèi)消耗的能量（產(chǎn)生的光強(qiáng)）成正比，所以根據(jù)脈沖幅度的大小可以確定入射粒子的能量。利用脈沖幅度分析器可以測(cè)定入射射線的能譜。3. 譜儀組件性能一般介紹（）閃爍體。閃爍體是用來(lái)把射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿?。閃爍體分無(wú)機(jī)閃爍體和有機(jī)閃爍體兩大類。實(shí)際運(yùn)用中依據(jù)不同的探測(cè)對(duì)象和要求選擇不同的閃爍體。本實(shí)驗(yàn)中采用含鉈（l）的NaI晶體作射線的探測(cè)器。 （）光電倍增管。光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖1.2-3。它由光陰極、收集電子的陽(yáng)極與在陽(yáng)極與光陰極之間十個(gè)左右能發(fā)射二

5、次電子的次陰極（又稱倍增極、打拿極或聯(lián)極）構(gòu)成，相鄰的兩個(gè)電極之間的電位差一般在100左右。當(dāng)閃爍體發(fā)出的光子打到光陰極時(shí)，它打出的光電子被加速聚焦到第一倍增極1上，平均每個(gè)光電子在1上打出個(gè)次級(jí)電子，增殖的電子又為1和2之間的電場(chǎng)加速，打到第二個(gè)倍增極2上，平均每個(gè)電子又打出個(gè)次級(jí)電子，這樣經(jīng)過(guò)級(jí)倍增后，在陽(yáng)極上就收集到大量的電子，在負(fù)載上形成一個(gè)電壓脈沖。（）能量分辨率。由于形成陽(yáng)極電流脈沖之前的各種過(guò)程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，對(duì)應(yīng)于某一定能量的粒子，光電倍增管的輸出脈沖的幅度的大小仍有起伏（圖1.2-4）。通常把脈沖計(jì)數(shù)率隨脈沖幅度分布的半寬度與計(jì)數(shù)率最大值對(duì)應(yīng)的脈沖幅度0之比定義為能量分辨。由于粒

6、子能量與脈沖幅度成正比，所以能量分辨率                                               

7、;              （1.2-3）影響能量分辨率的主要因素有：同一能量的粒子在閃爍體中產(chǎn)生的光子數(shù)目不同。這是由于：a.閃爍體發(fā)光過(guò)程的統(tǒng)計(jì)漲      落；b.閃爍體的非均性使不同點(diǎn)的發(fā)光效率不同；c.入射粒子穿過(guò)晶體的角度、位置不同      所帶來(lái)的在晶體內(nèi)損失能量的不同。粒子的入射位置不同，閃爍體所發(fā)出的光能到達(dá)光陰極的收集效率也不同。光陰極表面的不

8、均勻性，陰極的不同位置發(fā)射光電子的效率不同。光陰極發(fā)射光電子數(shù)和光電倍增管的倍增系數(shù)的統(tǒng)計(jì)漲落。光電倍增管的本底脈沖噪聲將疊加在入射粒子的脈沖信號(hào)上使之發(fā)生漲落。NaI(Tl)晶體對(duì)137的0.662的射線能量分辨率約為。4. 閃爍譜儀對(duì)137單能射線的響應(yīng)由于137只放出單一能量的射線（0.662）。而此射線能量小于正、負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生閾1.02。所以的射線與（）晶體的相互作用只有光電效應(yīng)和康普頓散射兩個(gè)過(guò)程。圖1.2-5給出了用（）晶體譜儀所測(cè)得的137的能譜，其中號(hào)峰相應(yīng)于光電峰，號(hào)峰左面的平臺(tái)相應(yīng)于康普頓電子的貢獻(xiàn)。如果康普頓散射產(chǎn)生的散射光子未逸出晶體，仍然為（）晶體所吸收，也即通過(guò)光

9、電效應(yīng)把散射光子的能量轉(zhuǎn)換成光電子能量，而這個(gè)光電子也將對(duì)輸出脈沖做貢獻(xiàn)。由于上述整個(gè)過(guò)程是在很短時(shí)間內(nèi)完成的，這個(gè)時(shí)間比探測(cè)器形成一個(gè)脈沖所需的時(shí)間短得多，所以先產(chǎn)生的康普頓電子和后產(chǎn)生的光電子，二者對(duì)輸出脈沖的貢獻(xiàn)是疊加在一起形成一個(gè)脈沖。這個(gè)脈沖幅度所對(duì)應(yīng)的能量，是這兩個(gè)電子的能量之和，即e，即等于入射射線的能量。所以這一過(guò)程所形成的脈沖將疊加在光電峰之上使之增高。為了確切起見(jiàn)，號(hào)峰又稱為全能峰。圖1.2-5的康普頓電子平臺(tái)上還出現(xiàn)一個(gè)號(hào)峰，它是由于入射射線穿過(guò)晶體，打到光電倍增管上發(fā)生°的康普頓散射，反散射的光子返回晶體，與晶體發(fā)生光電效應(yīng)所形成的。返回散射光子能量c（max

10、）0.184，所以號(hào)峰稱為反散射峰。當(dāng)然射線在源襯底、源容器材料上的反散射也會(huì)對(duì)反散射峰有貢獻(xiàn)。圖1.2-5中能量最小的那個(gè)峰是因?yàn)?37的衰變子體137在退激時(shí)，可能不發(fā)生射線，而是通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)程，把的電子打出。這一過(guò)程將導(dǎo)致發(fā)生的系射線，所以這個(gè)峰對(duì)應(yīng)于的系射線的能量（左右）。137的譜是比較典型的，常用137作為標(biāo)準(zhǔn)源，一方面用來(lái)檢驗(yàn)譜儀的能量分辨率，另一方面作為射線能量測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。5. 閃爍譜儀的能量線性關(guān)系利用閃爍譜儀作射線能量測(cè)定時(shí)，最基本的要求是在入射射線的能量和它產(chǎn)生的脈沖幅度（指全能峰的位置）之間有確定的關(guān)系；對(duì)于理想的閃爍譜儀，脈沖幅度與能量之間應(yīng)呈線性關(guān)系；對(duì)于實(shí)際（）

11、閃爍譜儀在較寬的能量范圍內(nèi)（00到00）是近似線性的。這是利用該譜儀進(jìn)行射線能量分析與判斷未知放射性核素的重要依據(jù)。通常，在實(shí)驗(yàn)上利用系列標(biāo)準(zhǔn)源，測(cè)量相應(yīng)全能量峰處的脈沖幅度，建立射線能量及其對(duì)應(yīng)峰位的關(guān)系曲線，這條曲線即能量刻度曲線。典型的能量刻度曲線為不通過(guò)原點(diǎn)的一條直線，即                       （1.2-4）式中xp為全能峰峰位；0為直線

12、截距；為增益（即單位脈沖幅度對(duì)應(yīng)的能量）。能量刻度曲線可以選用標(biāo)準(zhǔn)源137（0.662）和60（1.17、1.33）來(lái)作，如圖1.2-6所示。實(shí)驗(yàn)中欲得到較理想的線性，還要注意放大器和單道分析器甄別閾的線性，進(jìn)行必要的檢驗(yàn)與調(diào)整。此外，實(shí)驗(yàn)條件變化時(shí)應(yīng)重新進(jìn)行刻度。（一) 輻射的能量和強(qiáng)度測(cè)量1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解NaI(TI)閃爍譜儀的組成，基本特性及使用方法。2.掌握測(cè)量射線的能量和強(qiáng)度的基本方法。2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.檢查實(shí)驗(yàn)裝置，打開(kāi)電源，進(jìn)入躲到分析工作狀態(tài)。2.選擇合適的高壓和放大倍數(shù)。3.測(cè)量137和60標(biāo)準(zhǔn)源的能譜，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)譜儀進(jìn)行能量刻度。4. 測(cè)量137標(biāo)準(zhǔn)源的能譜，根據(jù)測(cè)

13、得的能譜，計(jì)算譜儀的能量分辨率及探測(cè)效率。5.測(cè)量結(jié)束，先把高壓降至0，再關(guān)機(jī)。3、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理1、放大器電壓 580V時(shí)137Cs 能譜137Cs時(shí)刻/s峰道址峰半高寬能量分辨率峰凈面積310276.3231.6011.44%21607350276.5031.7711.49%25290410272.3132.3611.88%28709源強(qiáng)S=75.3*103/秒 n=Nt=13*(+)=70.66/秒 =nS=70.=0.094%2、閃爍譜儀的能量線性關(guān)系(定標(biāo))放大器電壓/V60Co 峰1道址（Xp1，E=1.17MeV）60Co 峰2道址（Xp2，E=1.33MeV）570424485

14、580486564590558642經(jīng)過(guò)線性擬合可以得到570V時(shí)， G=0.0026，E0=0.058經(jīng)過(guò)線性擬合可以得到580V時(shí)， G=0.0021，E0=0.017經(jīng)過(guò)線性擬合可以得到590V時(shí)， G=0.0019，E0=0.011可以得到G和電壓的變化曲線（三）快速電子的動(dòng)量和動(dòng)能之間的相對(duì)論關(guān)系1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.驗(yàn)證快速電子的動(dòng)量和動(dòng)能之間的相對(duì)論關(guān)系2.掌握用磁譜儀獲得單一動(dòng)量電子的方法和同時(shí)測(cè)量相應(yīng)動(dòng)能的方法。3.學(xué)會(huì)測(cè)量射線能譜2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.標(biāo)定（）閃爍譜儀的能量刻度曲線（參看實(shí)驗(yàn)1.2內(nèi)容）。2.在已抽真空的磁譜儀上測(cè)定電子動(dòng)量為i對(duì)應(yīng)的電子能量ki，獲得一組數(shù)據(jù)（Pi，k

15、i），（1，2，）；探測(cè)器與源的距離應(yīng)取9cm24cm范圍，這樣可以獲得動(dòng)能在0.4-1.8范圍的電子。3.數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，計(jì)算中需考慮對(duì)粒子動(dòng)能的二項(xiàng)修正：(1)在1膜中能量損失修正；(2)在有機(jī)塑料薄膜中能量損失修正。3、實(shí)驗(yàn)原理1.狹義相對(duì)論的動(dòng)量與能量關(guān)系為E2-c2P2=E02 （1.6-1）式中00c2為靜止能量，2為相對(duì)論定義的能量，為相對(duì)論定義的動(dòng)量。 （1.6-2）式中，為光速。而動(dòng)能與動(dòng)量的關(guān)系為：Ek=E-E0=c2P2+m02c4-m0c2 （1.6-3）當(dāng)<<1時(shí)，式（163）可展開(kāi)為 Ek=m0c21+12v2c2+-m0c212m0v2=12P2m0

16、（1.6-4）即是經(jīng)典力學(xué)中的動(dòng)量能量關(guān)系，對(duì)于電子有。本實(shí)驗(yàn)就是驗(yàn)證狹義相對(duì)論的動(dòng)量與動(dòng)能的關(guān)系式（1.6-3）。圖（1.6-1）顯示了經(jīng)典力學(xué)中和狹義相對(duì)論中的k-關(guān)系曲線。 2.為了獲得單一動(dòng)量的電子，可以選用半圓聚焦磁譜儀。放射源出射的粒子經(jīng)準(zhǔn)直后垂直射入一均勻磁場(chǎng)中，粒子將受到洛侖茲力作用而作圓周運(yùn)動(dòng)，該電子具有恒定動(dòng)量值而僅僅是方向不斷變化。電子的圓周運(yùn)動(dòng)方程為 式中為電子電荷，為電子速度，為磁場(chǎng)強(qiáng)度。由式（1.6-2）可知，對(duì)某一確定的動(dòng)量值，其運(yùn)動(dòng)速率為一常數(shù)，所以質(zhì)量是不變的，故有并且有 所以得到 BR （1.6-5）式中為電子的運(yùn)動(dòng)軌道半徑，為源與探測(cè)器間距的一半。從圖（1

17、.6-2）和式（1.6-5）可以看出能量探測(cè)器放在不同值處就可獲得不同動(dòng)量的單一動(dòng)量電子，該動(dòng)量電子的動(dòng)能可用實(shí)驗(yàn)1.2中的（）閃爍譜儀經(jīng)137 和60放射源標(biāo)定過(guò)的能量刻度曲線獲得，對(duì)應(yīng)能量的電子束強(qiáng)度通過(guò)峰面積也能測(cè)定。 3.用放射源的衰變獲得快速電子進(jìn)行測(cè)量是十分理想的，因?yàn)椋?）衰變?cè)诎l(fā)射粒子的同時(shí)還發(fā)射出一個(gè)反中微子，中微子是一個(gè)靜止質(zhì)量近似為0的中性粒子，衰變中釋放出的衰變能被-粒子，反中微子和反沖核三者分配，隨發(fā)射角的不同，-粒子動(dòng)能可以在零至之間變化，形成一個(gè)連續(xù)譜，如圖（1.6-3）所示。因此，我們可以獲得不同動(dòng)量的快速電子在不同值處射出真空盒。（2）從表1.6-1粒子能量與

18、速度對(duì)照表可知，當(dāng)能量1時(shí)，其速度是光速的94.11，能量是2，其速度已是光速的97.91。顯然，這樣的粒子已經(jīng)是接近光速的快速電子了。表1.6-1 粒子能量與速度對(duì)照表能量(MeV)0.0500.1000.2000.5001.0002.000V/c0.14280.54830.69540.86290.94110.9791 4、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 注意尋峰時(shí)的左右確定，若肉眼可見(jiàn)嚴(yán)重偏移，可手動(dòng)移動(dòng)定標(biāo)線至峰處，得其橫坐標(biāo)而代替尋峰。定標(biāo)：放大器電壓/V137Cs 峰道址（Xp0，E=0.662MeV）60Co 峰1道址（Xp1，E=1.17MeV）60Co 峰2道址（Xp2，E=1.33MeV）6003

19、52618697由圖像得：G=0.0019，E0=-0.018。經(jīng)過(guò)能量換算：初設(shè)電壓600V標(biāo)號(hào)距離(直徑D)道址時(shí)間面積P*c能量825.683930014762.1.5761722.7745.830078942.1.39902620.4646300123631.1.2094518.1545.6200276711.1.415.4439200319281.1.01864313.1337.1200338191.0.62249對(duì)于1和2，太不精確 忽略。得到E-P圖像：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與相對(duì)論吻合。射線能譜如下圖思考題137Cs能譜中反散射峰的成因及抑制該峰的措施實(shí)驗(yàn)中常用的C射線源是137Cs, 它的

20、能譜如圖一所示。圖中除了0.633MeV 的光電峰( 圖中的1 號(hào)峰) 和能量較小的Ba 的X 射線峰之外, 最明顯的峰位要數(shù)0.184MeV 的反散射峰了( 圖中的2 號(hào)峰) 。137Cs 的C射線與NaI 晶體的相互作用只有光電效應(yīng)和康普頓散射兩種情況。光電效應(yīng)指入射C粒子把能量幾乎全部轉(zhuǎn)移給原子中的束縛電子而把束縛電子打出來(lái)形成光電子,所以光電子的動(dòng)能近似等于入射C 射線的能量, 即0.662MeV。入射C射線與核外電子作用則產(chǎn)生康普頓散射。散射后散射光子的能量與散射角H有關(guān)。康普頓平臺(tái)的左側(cè)有一個(gè)明顯的小峰( 2 號(hào)峰)就是反散射峰。該峰從能量上看在0. 184MeV 附近, 顯然不是放射源直接輻射的C射線所造成的。而它與光電峰( 0.662MeV) 的能量之差恰好是康普頓邊的能量( 0. 477MeV) 通過(guò)分析我們認(rèn)識(shí)到該峰是由于入射C射線穿過(guò)NaI 晶體后打到光電倍增管