閃爍譜儀及射線能譜的測量

1、 閃爍譜儀及射線能譜的測量 魯斌 物理082班 08180219 fgg摘要 本文介紹了閃爍譜儀的工作原理及射線能譜的測量的基本方法，并詳細闡述了單道脈沖幅度分析器和g多道脈沖幅度分析器的工作原理。本實驗要求我們通過實驗學會NaI（Tl）單晶體閃爍體整套裝置的操作、調(diào)整和使用，并測量137Cs、60Co的能譜并求出能量的分辨率、峰康比、線性等各項指標，并做出譜儀的能量刻度曲線。關鍵詞 閃爍譜儀 射線能譜 脈沖幅度分析器引言 放射性物質(zhì)含有許多不穩(wěn)定原子。這些原子在核衰變時輻射出、射線和中子流等，并且具有一定的能量。射線是原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到低能態(tài)或基態(tài)時所產(chǎn)生的一種輻射。 在放射性測量工作中,

2、對射線的測量是一個非常重要的組成部分,對射線的測量通常有強度測量和能譜測量兩種方式。 閃爍譜儀是一種常用的對射線進行能譜測量的譜儀,它與高純鍺譜儀相比具有探測效率高, 晶體便于加工成各種形狀,價格便宜等特點,因而在環(huán)境測量、工業(yè)在線檢測以及監(jiān)測等方面有著廣泛的應用。正文一、Na I ( Tl) 閃爍譜儀系統(tǒng) 典型的Na I ( Tl) 閃爍譜儀由Na I ( Tl) 閃爍探頭、放大器、高壓電源、低壓電源、多道脈沖幅度分析器、計算機等部分組成,其中Na I ( Tl) 閃爍探頭包括Na I ( Tl) 閃爍晶體、光電倍增管、分壓器、電壓靈敏前置放大器(如圖1 所示) .儀器示意圖如圖二所示。 當

3、 射線與Na I ( Tl) 閃爍晶體作用后,Na I ( Tl) 閃爍晶體發(fā)出光子,光子入射到光電倍增管的光陰極后打出光電子,光電子經(jīng)聚集后射向倍增極,經(jīng)各個倍增極倍增后的電子到陽極收集而形成電壓脈沖,該電壓脈沖經(jīng)過放大器放大送入多道脈沖幅度分析器分析,再經(jīng)過一個多道接口板與計算機連接. 計算機通過專用多道軟件可以實現(xiàn)把所測量的譜數(shù)據(jù)進行譜數(shù)據(jù)輸入、譜數(shù)據(jù)處理、譜數(shù)據(jù)輸出等操作.圖2 NaI（Tl）閃爍譜儀器示意圖 二、閃爍能譜儀原理 閃爍能譜儀是利用射線與物質(zhì)的相互作用時，產(chǎn)生的閃爍熒光現(xiàn)象來測量能譜，依據(jù)能譜曲線推算射線能量。1.射線與物質(zhì)相互作用 射線與物質(zhì)的相互作用主要有三種：光電效

4、應、康普頓散射和電子對效應。 光電效應：入射粒子把能量全部轉(zhuǎn)移給原子中的束縛電子，光子本身消失而把束縛電子打出來形成光電子這個過程稱為光電效應。這個光電子的動能為：其中為逸出功，遠小于光子能量（）。因此光電子的動能近似認為等于光子能量。康普頓散射：核外自由電子與入射射線發(fā)生康普頓散射。根據(jù)動量守恒的要求，散射與入射只能發(fā)生在一個平面內(nèi)。設入射光子能量為，散射光子能量為，康普頓散射后散射光子能量與散射角的關系為：式中，即為入射射線能量與電子靜止質(zhì)量所對應的能量之比。當時，這時，即不發(fā)生散射；當時，散射光子能量最小為，這時康普頓電子的能量最大為。  正、負電子對效應  當射線能

5、量超過以后，光子受原子核或電子的庫侖場的作用可能轉(zhuǎn)化成正、負電子對,稱為電子對效應。此時光子能量可表示為兩個電子的動能，如其中，。轉(zhuǎn)化幾率隨光子的能量的增加而增大。但是當光子的能量小于時，閃爍晶體中產(chǎn)生正負電子對的幾率非常小。2. 射線能譜圖 由的衰變可知只放出單一能量的射線（）。因此能量小于正、負電子對的產(chǎn)生閾，所以的射線與NaI(TI)晶體的相互作用只有光電效應和康普頓散射兩個過程。又由于譜儀存在一定的能量分辨率，實際測的能譜相對于圖 4中單線存在一定的能量寬度，形狀如圖。 NaI(TI)單晶閃爍譜儀測量的137Cs能譜圖 A峰又稱光電峰，這一幅度直接反映射線的能量0.662MeV。有時康

6、普頓散射產(chǎn)生的散射光子若未逸出晶體，仍然為NaI(Tl)晶體所吸收，也即通過光電效應把散射光子的能量轉(zhuǎn)換成光電子能量，而這個光電子也將對輸出脈沖作貢獻。由于上述整個過程是在很短時間內(nèi)完成的，這個時間比探測器形成一個脈沖所需的時間短得多，所以先產(chǎn)生的康普頓電子和后產(chǎn)生的光電子，二者對輸出脈沖的貢獻是疊加在一起形成一個脈沖。這個脈沖幅度所對應的能量，是這兩個電子的能量之和，即，也就是入射射線的能量。所以這一過程所形成的脈沖將疊加在光電峰1上使之增高。 平臺狀曲線B是康普頓效應的貢獻，稱為康普頓平臺，其特征是散射光子逃逸后留下一個能量從O到的連續(xù)的電子譜。 峰C是反散射峰。由射線透過閃爍體射在光電倍

7、增管的光陰極上發(fā)生康普頓反散射或射線在源及周圍物質(zhì)上發(fā)生康普頓反散射，而反散射光子進入閃爍體通過光電效應而被記錄所致。這就構(gòu)成反散射峰。返回的光子能量峰D是X射線峰，它是由137Ba的K層特征X射線貢獻的，137Cs的衰變體137Ba的0.662MeV激發(fā)態(tài)在放出內(nèi)轉(zhuǎn)換電子后造成K空位，外層電子躍遷后產(chǎn)生此X光子。閃爍能譜儀的結(jié)構(gòu) 閃爍探頭，包括閃爍晶體NaI（Tl），光電倍增管，前置放大器。 （1）閃爍晶體：它是用來將射線在其中損失的能量成比列地轉(zhuǎn)換成熒光光子的元件。本實驗室采用無機鹽（NaI）晶體，激活劑為（Tl）。 （2）光電倍增管：將微弱熒光信號放大并轉(zhuǎn)化成電壓脈沖信號。光電倍增管的結(jié)

8、構(gòu)如圖。它由光陰極K、收集電子的陽極A和在光陰極與陽極之間十個左右能發(fā)射二次電子的次陰極D（又稱倍增極、打拿極或聯(lián)極）構(gòu)成。在每個電極上加上正電壓，相鄰的兩個電極之間的電位差一般在100V左右。當閃爍體放出的光子打到光陰極上時，發(fā)生光電效應，打出的光電子被加速聚集到第一倍增極D1上，平均每個光電子在D1上打出36個次電子，增值后的電子又為D1和D2之間的電場加速，打到第二倍增極D2上，平均每個電子又打出36個次級電子，這樣經(jīng)過n級倍增以后，在陽極上就收集到大量的電子，在負載上形成一個電壓脈沖。 （3）前置放大器：由入射極，跟隨電路和放大電路組成，主要功能是在光電管和脈沖幅度之間起隔離和阻抗作用

9、，并對輸入脈沖進行適當整形或者放大。2. 單道脈沖幅度分析器：由線性放大器、上下甄別器，反符合電路組成。（1）線性放大器：將“探頭”輸送來的脈沖不失真地加以放大。（2）上下甄別器宇上下反符合電路配合，可將放大后的脈沖信號按其幅值高低加以甄別，選擇性讓脈沖通過，并輸送至定標器計數(shù)。定標器測得的計數(shù)率是單位時間的幅值落在區(qū)間中，輸送到分析器的脈沖數(shù)目。倘若逐點改變上下甄別器的閾值（保持通道寬不變），測量的就是前面所示的分布曲線。3. 能譜儀的特性1. 能量分辨率。由于閃爍晶體的發(fā)光效率、閃爍體與光電倍增管相應匹配，光電本征管的性能指標等因素都具有統(tǒng)計漲落，對應于單一能量的粒子在閃爍探頭匯總所形成的

10、脈沖信號仍有一定的分布范圍。通常利用的譜曲線的光電峰來測定能譜儀的分辨率其中式中是指計數(shù)率為峰值計數(shù)率一半處的光電峰寬度。如果能譜儀有良好的線性關系，即有，則可寫為分辨率表示能譜儀區(qū)分能量很靠近的兩個光電峰的本領。顯然越小越好。對于單晶NaI（Tl）作為探測器的能譜儀來說能譜儀來說，的一般在815%，最好的達到67%。2、 線性 反映輸出脈沖信號的幅度與入射粒子之間是否有良好的線性關系，Na（Tl）單晶能譜儀對能量為150KeV到6MeV的次級高能電子都具有良好的線性關系相應。3）譜儀的穩(wěn)定性： 譜儀的能量分辨率，線性的正常與否與譜儀的穩(wěn)定性有關。因此在測量過程中，要求譜儀始終能正常的工作，如

11、高壓電源，放大器的放大倍數(shù)，和單道脈沖分析器的甑別閾和道寬。如果譜儀不穩(wěn)定則會使光電峰的位置變化或峰形畸變。在測量過程中經(jīng)常要對137Cs的峰位，以驗證測量數(shù)據(jù)的可靠性。為避免電子儀器隨溫度變化的影響，在測量前儀器必須預熱半小時。歸結(jié)起來，閃爍探測器的工作可分為五個相互聯(lián)系的過程：1) 射線進入閃爍體，與之發(fā)生相互作用，閃爍體吸收帶電粒子能量而使原子、分子電離和激發(fā)；2) 受激原子、分子退激時發(fā)射熒光光子；3) 利用反射物和光導將閃爍光子盡可能多地收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應，光子在光陰極上擊出光電子；4) 光電子在光電倍增管中倍增，數(shù)量由一個增加到104109個，電子流在陽極負載

12、上產(chǎn)生電信號；5) 此信號由電子儀器記錄和分析。三、單道脈沖幅度分析器和多道脈沖幅度分析器的工作原理單道脈沖幅度分析器（簡稱“單道”）是分析射線能譜的一種儀器。所謂射線的能譜，是指各種不同能量粒子的相對強度分布；把它畫到以能量E為橫坐標，單位時間內(nèi)測到的射線粒子數(shù)為縱坐標的圖上是一條曲線。根據(jù)這條曲線，我們可以清楚地看到此種射線中各種能量的粒子所占的百分比。這一任務可以用單道或多道脈沖幅度分析器來完成。那么，單道是如何測出能譜的？我們知道閃爍探測器可將入射粒子的能量轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號，而信號幅度大小與入射粒子能量成正比。因此只要測到不同幅度的脈沖數(shù)目，也就得到了不同能量的粒子數(shù)目。由于射線與物

13、質(zhì)相互作用機制的差異，從探測器出來的脈沖幅度有大有小，單道就起到從中“數(shù)出”某一幅度脈沖數(shù)目的作用。單道里有一個甄別電壓V0（此電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)），稱為閾值，它就象一道屏障一樣，將所有低于V0的信號都擋住了，只有大于V0的信號才能通過。但這樣只解決了一半問題，因為在通過的信號中實驗者只知道它們都比V0高，具體的幅度還是不能確定。因此在單道中還有一個窗寬DV，使幅度大于V0+DV的脈沖亦被擋住，只讓幅度為的信號通過（有的單道是）；當我們把DV取得很小時，所通過的脈沖數(shù)目就可以看成是幅度為V0的脈沖數(shù)目。簡單地說，單道脈沖分析器的功能是把線性脈沖放大器的輸出脈沖按高度分類：若線性脈沖放大器的輸出是

14、010V，如果把它按脈沖高度分成500級，或稱為500道，則每道寬度為0.02V，也就是輸出脈沖的高度按0.02V的級差來分類。在實際測量能譜時，我們保持道寬DV不變（道寬的選擇必須恰當，過大會使譜畸變，分辨率變壞，能譜曲線上實驗點過少；道寬過小則使每道的計數(shù)減小，統(tǒng)計漲落增大，或者使測量時間相應增加），逐點增加V0，這樣就可以測出整個譜形。上面所描述的情況可以稱之為單道工作在微分狀態(tài)下；當單道工作在積分狀態(tài)下時，只要脈沖高度大于閾值電壓單道就輸出一個脈沖，即記錄大于某一高度的所有脈沖數(shù)目。單道是逐點改變甄別電壓進行計數(shù)，測量不太方便而且費時，因而在本實驗裝置中采用了多道脈沖分析器。多道脈沖分

15、析器的作用相當于數(shù)百個單道分析器與定標器，它主要由010V的A/D轉(zhuǎn)換器和存儲器組成，脈沖經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后即按高度大小轉(zhuǎn)換成與脈高成正比的數(shù)字輸出，因此可以同時對不同幅度的脈沖進行計數(shù)，一次測量可得到整個能譜曲線，既可靠方便又省時。4、 實驗內(nèi)容1、 用示波器觀察探頭及線性放大器的工作狀態(tài)。2、 測定的能譜 （1）首先選擇光電倍增管的工作電壓,應選擇適當，過低會影響譜儀的能量分辨率，過高會影響譜儀的線性。實驗中，取700V左右為宜。此時用示波器觀察探頭的輸出信號，可看到穩(wěn)定的輸出脈沖信號的包絡。 （2）調(diào)節(jié)線性放大器的放大倍數(shù)K，使放大后的脈沖幅度小于10V,以便與單道配合。 （3）調(diào)節(jié)單道

16、分析器。先將開關撥到積分位置，從定標器中讀出積分計數(shù)率，然后將開關撥到微分位置，調(diào)節(jié)單道的甄別閾和道寬以及線性放大器的放大倍數(shù)K，反復多次進行這個過程，直到找到光電峰。（4）用已知源（0.662MeV，0.184MeV）和（1.17MeV，1.33MeV）對譜儀進行能量刻度校準，分別測出、的譜。（5）作圖定出相應的光電峰位置和能量分辨率，做出譜儀的能量刻度曲線。3、從測量到的的能譜圖，計算康普頓邊和反散射峰的能量值，并與理論值作比較，對所得的結(jié)果進行討論。4、以的光電峰和的兩個光電峰作為已知能量值，測定的射線能量。五、實驗基本步驟1、連接好實驗儀器線路，經(jīng)老師檢查同意后接通電源。2、開機預熱后，選擇合適的工作電壓使探頭的分辨率和線性都有較好。3、把放射源或放在探測器前，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)為0.3，調(diào)節(jié)高壓使或能譜的最大脈沖幅度盡量大而