能譜的測量多道

1、云南大學(xué)物理實驗教學(xué)中心實驗報告課程名稱： 近代物理實驗 實驗項目：能譜的測量多道學(xué)生姓名： 朱江醒 學(xué)號： 20051050148 物理科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理系2005級數(shù)理基礎(chǔ)科學(xué)專業(yè)成績 指導(dǎo)教師： 葛茂茂 實驗時間： 2007年 12 月 9 日 8 時 30 分至12時 30 分 實驗地點： 四合院 實驗類型：教學(xué)(演示 驗證 綜合 設(shè)計) 學(xué)生科研課外開放 測試 其它一、實驗?zāi)康模?） 了解射線與物質(zhì)相互作用的基本特性；（2） 掌握NaI(Tl) 譜儀的工作原理及其使用方法；（3） 學(xué)會分析137Cs單道能譜；（4） 測定譜儀的能量分辨率及線性。二實驗原理1、射線與物質(zhì)相互作用。當(dāng)射線的

2、能量在30MeV以下時，最主要的相互作用方式有三種：（1） 光電效應(yīng)。射線的全部能量轉(zhuǎn)移給原子中的束縛電子，使這些電子從原于中發(fā)射出來，光子本身消失。（2）康普頓散射。入射光子與原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它反沖出來，而散射光子的能量和運(yùn)動方向都發(fā)生了變化。（3） 電子對效應(yīng)。 光子與靶物質(zhì)原子的原子核庫侖場作用，光子轉(zhuǎn)化為正-負(fù)電子對。 在光電效應(yīng)中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光電子脫離原子束縛所需的電離能，另一部分就作為光電子的動能。所以，釋放出來的光電子的能量就是入射光子能量和該束縛電子所處的電子殼層的結(jié)合能B之差。雖然有一部分能量被原子的反

3、沖核所吸收，但這部分反沖能量與射線能量、光電子的能量相比可以忽略。因此，E光電子 (1)即光電子動能近似等于射線能量。值得注意的是，由于必須滿足動量守恒定律，自由電子（非束縛電子）則不能吸收光子能量而成為光電子。光電效應(yīng)的發(fā)生除入射光子和光電子外，還需要有一個第三者參加，這第三者就是發(fā)射光子之后剩余下來的整個原子。它帶走一些反沖能量，但該能量十分小。由于它的參加，動量和能量守恒才能滿足。而且，電子在原子中被束縛得越緊（即越靠近原子核），越容易使原子核參加上述過程。所以在K殼層上發(fā)生光電效應(yīng)的概率最大。圖1是能量為h，的入射光子發(fā)生康普頓散射的示意圖，h為散射光子的能量；為散射光子與入射光子方向

4、間的夾角，稱散射角；為反沖電子的反沖角?？灯疹D散射與光電效應(yīng)不同。光電效應(yīng)中光子本身消失，能量完全轉(zhuǎn)移給電子；康普頓散射中光子只是損失掉一部分能量。光電效應(yīng)發(fā)生在束縛得最緊的內(nèi)層電子上；康普頓散射則總是發(fā)生在束縛得最松的外層電子上。我們可以分析一下散射光子和反沖電子的能量與反射角的關(guān)系。入射光子能量為,動量為碰撞后，散射光子的能量為，動量為，反沖電子的動能為Ee ，總能量為E，動量為 P，見圖 1，它們之間有下列關(guān)系式： (2) (3)相對論能量和動量關(guān)系為 (4)式中，v為反沖電子速度，mo 是電子靜止質(zhì)量，m是電子以速度v運(yùn)動時具有的質(zhì)量。根據(jù)能量和動量守恒定律，有下列關(guān)系式： (5) (

5、6) (7)由此可以得到 或者因此，散射光子的能量 (8)康普頓反沖電子的動能即 (9) (10)從（8）、（9） 和 （10）式可以看出： （1） 當(dāng)散射角 時，散射光子能量，達(dá)到最大值。這時反沖電子的能量Ee0。這就是說，在這種情況下入射光子從電子近旁掠過，未受到散射，所以光于能量沒有損失。 （2） 當(dāng)時，入射光子與電子對心碰撞后，沿相反方向散射出來，而反沖電子沿著入射光子方向飛出 ，這種情況稱反散射。這時散射光子能量最小，即由此式可以推斷出，即使入射光子的能量很大，反散射光子的能量也都在200keV左右。這也是能譜上容易辨認(rèn)反散射峰的一個原因。發(fā)生康普頓效應(yīng)時，散射光子可以向各個方向散射

6、。對于不同方向的散射光子，其對應(yīng)的反沖電子能量也不同。因而即使入射光子的能量是單一的，反沖電子的能量卻是隨散射角連續(xù)變化的。理論計算和實驗都表明，入射光子的康普頓反沖電子能譜如圖2所示。電子對效應(yīng)是光子從原子核旁經(jīng)過時，在原子核的庫侖場作用下，光子轉(zhuǎn)化為一個正電子和一個負(fù)電子的過程。根據(jù)能量守恒定律，只有當(dāng)入射光子能量>，即>1.02 MeV 時，才能發(fā)生電子對效應(yīng)。與光電效應(yīng)相似，電子對效應(yīng)除涉及入射光電子和電子對以外，必須有一個第三者原子核參加。2、NaI（Tl）能譜儀介紹。 圖3是NaI（Tl）閃爍能譜儀的方框圖。 當(dāng)放射源發(fā)出的射線進(jìn)入閃爍體時，光子即與閃爍體中的原子、分子

7、及晶體系統(tǒng)發(fā)生相互作用（如光電效應(yīng)，康普頓散射和電子對效應(yīng)等）。相互作用的結(jié)果產(chǎn)生次級電子，光子的能量轉(zhuǎn)化為次級電子的動能。探頭的閃爍體是熒光物質(zhì)，它被次級電子激發(fā)而發(fā)出熒光，這些光子射向光電倍增管的光陰極。由于光電效應(yīng)，在光陰極上打出光電子，每個光電子在光電倍增管中的打拿極（倍增極）上打出多個電子，這些電子又打在其他級的打拿極上，打出更多的電子，經(jīng)過多次倍增，最后有大量電子射向管子的陽極，轉(zhuǎn)變成電信號輸出。以上光電轉(zhuǎn)換過程之間能夠保持良好的線性關(guān)系，從而使光電倍增管輸出的脈沖幅度，正比于光子在閃爍體內(nèi)由各種效應(yīng)面產(chǎn)生的次級電子的能量。通常，光電倍增管輸出的脈沖幅度不超過1V，所以必須經(jīng)過線性

8、沖放大器放大后，再輸入到單道（或多道）脈沖幅度分析器中，對不同幅度的脈沖強(qiáng)度進(jìn)行分析。單道脈沖幅度分析器主要由上、下兩個甄別器和一個反符合電路組成，如圖4（a）所示。上甄別器有較高的閾電壓VV，下甄別器有較低閾電壓V，V稱為道寬，如圖4（b）所示。反符合電路的作用是，僅當(dāng)一個輸入端有信號輸入時才有信號輸出。這樣，脈沖A不能通過上、下甄別器，脈沖C都能通過上、下甄別器，這兩種情況均不能使反符合電路有信號輸出。只有介于上、下甄別閾之間的脈沖B才能觸發(fā)反符合電路使單道分析器有脈沖輸出 ，送到定標(biāo)器進(jìn)行計數(shù)。我們通過不斷改變甄別閾V，就可能得到脈沖計數(shù)率按其幅度分布的曲線，叫作“脈沖譜”。由于脈沖幅度

9、正比于射線的能量，所以“脈沖譜”既是射線的能譜曲線。以上是單道分析器作“微分”測量的情形。當(dāng)作“積分”測量時，上甄別器不輸出脈沖到反符合電路，故只要幅度高于下甄別閾的脈沖均能通過分析器得計數(shù)。我們可根據(jù)不同的需要作“微分”或“積分”測量。多道分析器相當(dāng)于多個單遒分析器。它把分析器的分析范圍（5伏或10伏）按不同的測量平均分成256道、 512道、1024道、 2048道等。各道能同時測量，可測出介于各窄小道寬內(nèi)的脈沖強(qiáng)度，既可在幕上同時顯示各道的計數(shù)，也可由打印機(jī)打印出來，因此能便捷地測量能譜。3、137Cs 能譜分析。圖5是137Cs的衰變綱圖。它可發(fā)出能量為1.176MeV的粒子，成為基態(tài)

10、的137Ba；而主要的衰變過程是發(fā)出能量為0.517MeV的粒子，成為激發(fā)態(tài)的137Ba*，再躍遷到基態(tài)發(fā)出能量為0.662MeV的單能射線。其能譜是有三個峰和一個坪臺的連續(xù)分布，如圖6 所示。圖中的峰A稱為全能峰，這一幅度的脈沖是 0.662MeV 的光子與閃爍體發(fā)生光電效應(yīng)而產(chǎn)生的，它直接反映了射線的能量。平臺狀曲線B是康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)，它的特征是散射光子逃逸出晶體后留下一個連續(xù)的電子譜。峰C是反散射峰，當(dāng)射線射向閃爍體時,總有一部分射線沒有被吸收而逸出，當(dāng)它與閃爍體周圍的物質(zhì)發(fā)生康普頓散射時，反散射光子可能進(jìn)入閃爍體發(fā)生光電效應(yīng)，其電脈沖就形成反散射峰。峰D是X射線峰，它是由137Ba

11、的 K 層特征X射線貢獻(xiàn)的。處于激發(fā)態(tài)的137Ba（在放出內(nèi)轉(zhuǎn)換電子后，造成K殼層空位，外層電子向 K殼層躍遷后產(chǎn)生X光子。由于137Cs 發(fā)出的射線能量為0.662MeV（小于1.02MeV），所以它與閃爍體作用不會發(fā)生電子對效應(yīng)。4、譜儀的性能指標(biāo) 一臺閃爍譜儀的性能指標(biāo)，包括能量分辨率、線性及穩(wěn)定性等。探測器輸出脈沖幅度的過程中存在著統(tǒng)計漲落，即使是有確定能量的粒子的脈沖幅度，仍具有一定的分布。通常把分布曲線極大值一半處的全寬度稱為半高寬，即圖6中的 E，有時也用 FWHM表示，它反映了譜儀對相鄰的脈沖幅度或能量的分辨本領(lǐng)。因為有些漲落因素與能量有關(guān)，故使用相對分辨本領(lǐng)即能量分辨率更為確

12、切。一般譜儀在線性條件下工作，因此 也等于脈沖幅度分辨率，即（11） 標(biāo)準(zhǔn)源137Cs 的全能峰最為明顯和典型，用 NaI（Tl）閃爍體的譜儀測量其 0.662MeV的射線，能量分辨率一般為 810，理想的能量分辨率為 7.8。因此，常用137Cs的射線的能量分辨率來檢驗與比較譜儀性能優(yōu)劣。能量線性指譜儀對射線的能量和它產(chǎn)生的脈沖幅度之間的對應(yīng)關(guān)系。一般NaI（Tl）閃爍譜儀在較寬的能量范圍內(nèi)（約lO0keV 到1300keV）是近似線性的。通常，在實驗中用系列標(biāo)準(zhǔn)源，在相同的條件下分別測量它們的能譜，用其全能峰峰位（閾電壓值）與已知的射線能量作關(guān)系圖，稱為能量刻度曲線。理想的能量刻度曲線是不

13、通過原點的一條直線，即。 (12)式中x為全能峰位，G為增益（每伏對應(yīng)的能量），E0為截矩。利用這條能量刻度曲線還可以測量未知源的射線能量。顯然，確定未知7射線能量的準(zhǔn)確度取決于全能峰位的準(zhǔn)確性。這將與譜儀的穩(wěn)定性、能量刻度線的原點及增益漂移有關(guān)。因此，一臺好的譜儀必須具有長時間的穩(wěn)定性。三、 實驗裝置實驗裝置的組成如圖3所示，包括NaI（Tl）閃爍譜儀、多道分析器(FH1220)、示波器、標(biāo)準(zhǔn)源137Cs，60Co 各一個、未知源一個。四、 實驗內(nèi)容和步驟1、按圖3連接儀器，用示波器觀察137Cs 的脈沖波形，調(diào)節(jié)線性放大器的放大倍數(shù)，使幅度最大的脈沖亮帶小于10V（一般為 89V）。2、選

14、擇并固定單道分析器的道寬，例如 0.1伏，從小到大改變閾值，測量137Cs 能譜及本底譜，描圖并計算能量分辨率。3、改變放大器的放大倍數(shù)，使137Cs，60Co（1.173MeV，1.332 MeV）的全能峰合理地分布在單道分析器的閾值范圍內(nèi)（10V）。依次測量它們的能譜，再用最小二乘法擬合出能量刻度曲線。評分內(nèi)容預(yù)習(xí)操作數(shù)據(jù)處理處理與分析實驗報告其他綜合評定成績分?jǐn)?shù)五、實驗數(shù)據(jù)與圖象電壓計數(shù)電壓計數(shù)電壓計數(shù)0235017247004710536015587103920987337014757204730115733801636730254012445390369074030501218340

15、011180750226012535410297067602870127024205360277027801321143061170780239013915440415787902310017921450159678002711019530460365881021120177924705438202013016341480149830251401498249012984017150144655001248502516013439510103860291701277952011187028180125355301138802319012155540102890312001205955086900

16、202101177656099910162201182257080920132301190258073930524012329590859408250121716007595022601241861075960827012730620679707280120416306698062909640640529907300655165052100033104339660611010332031906705610201330245668048340199569037電壓計數(shù)電壓計數(shù)電壓記數(shù)002301296460111310024012604701142201549250128448011693018

17、532601237490116140190727011975001170501907280114851012066019142901133520122170183030010975301181801822310114354012549017553201094550125110017313301148560138511017883401080570135112020073501118580137413023863601094590146814021793701160600133615019443801046610148216017713901090620143217016344001122630

18、1380180162341010926401173190155942010816501078200153443011056609352101389440109167093322013794501079六、 恩考與討論1、用閃爍能譜儀測量單能7射線的能譜，為什么呈連續(xù)的分布？   由于單能射線所產(chǎn)生的這三種次級電子能量各不相同，甚至對康普頓效應(yīng)是連續(xù)的，因此相應(yīng)一種單能射線，閃爍探頭輸出的脈沖幅度譜也是連續(xù)的。2、反散射峰是怎樣形成的？ 如何從實驗上減小這一效應(yīng)？反散射峰主要由打到光電倍增管上或晶體周圍物質(zhì)上后反散射回到晶體中的射線產(chǎn)生。射線在源襯底材料上的反散射也會對反散射

19、峰有貢獻(xiàn)。放射源輻射C射線的方向具有一定的隨機(jī)性, 它在源襯底材料上的反散射我們無法加以控制。對于射向光電倍增管的射線我們也不能加以限制, 因為最終對能譜的測量和觀察全靠光電倍增管將晶體中產(chǎn)生的光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖。因此我們只能限制射向晶體周圍物質(zhì)的射線，這有以下兩種方式：（1）通過加大探頭和放射源之間的距離以加大射線對晶體周圍物質(zhì)的入射角并觀察反散射峰和光電峰計數(shù)率的變化。距離改變較小時計數(shù)率的變化不明顯, 而距離拉得太遠(yuǎn)又影響探頭的探測效果。（2）在放射源和探頭之間加一個準(zhǔn)直裝置。3、如何從示波器上觀察到的137Cs 脈沖波形圖，判斷譜儀能量分辨率的好壞？ 譜儀的工作條件（放大倍數(shù)、高壓等）

20、對能量分辨率有何影響？因為輸出幅度可以變換為射線的能量，如果線性良好，可以直接變?yōu)?W表示出譜儀能夠區(qū)分能量很靠近的兩條譜線的本領(lǐng)，或者說它代表了譜儀能夠分辨開（兩種能量很相近）的能量差的相對值的極限。顯然W越小越好，表示它能將靠得很近的譜線分開。對于一臺譜儀來說，近似地有 即譜儀的分辨率還與入射粒子的能量有關(guān)。譜儀的穩(wěn)定性在本實驗中是很重要的，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(guān)。因此在測量過程中，要求譜儀始終能正常的工作，如高壓電源，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)