NaI(Tl)閃爍譜儀系列實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)講學(xué)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。NaI(Tl)閃爍譜儀系列實(shí)驗(yàn)-NaI（Tl）閃爍譜儀系列實(shí)驗(yàn)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

2、角的關(guān)系為（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02（1.022）時(shí)，光子受原子核或電子的庫倉場(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)生湮沒反應(yīng)而變成一對(duì)能量各為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

3、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。光陰極上打出的光電子在光電倍增管中倍增出大量電子，最后為陽極吸收形成電壓脈沖。每產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖就表

4、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。閃爍體是用來把射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿?。閃爍體分無機(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、收集電子的陽極與在陽極與光陰極之間十個(gè)左右能發(fā)射二次電子的次陰極（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)

5、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)過級(jí)倍增后，在陽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。由于形成陽極電流脈沖之前的各種過程的統(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。由于粒子能量與脈沖幅度成正比，所以能量分辨率（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

6、中產(chǎn)生的光子數(shù)目不同。這是由于：a.閃爍體發(fā)光過程的統(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.入射粒子穿過晶體的角度、位置不同所帶來的在晶體內(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。

7、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，也即通過光電效應(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。所以這一過程所形成的脈沖將疊

8、加在光電峰之上使之增高。為了確切起見，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）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，而是通過內(nèi)轉(zhuǎn)過程，把的電子打出。這一過程將導(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，一方面用來檢驗(yàn)譜儀的能量分辨率，另一

9、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（）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為直線截距；為增益（即單位脈沖幅度對(duì)應(yīng)的能量）

10、。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。核衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解NaI(TI)計(jì)數(shù)管的幾個(gè)基本性能。2.學(xué)會(huì)正確使用NaI(TI)閃爍譜儀的方法。3.了解并驗(yàn)證原子核衰變及放射性計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.熟悉譜儀各組件正確使用方法，并把各組件正確無誤地連接起來。2.按各部件操作規(guī)程，啟動(dòng)各部件（高壓電源最后啟動(dòng)），檢查各部件工作是否正常。3.調(diào)節(jié)光電倍增管工作電壓及放大器放大倍數(shù)，使放大器輸出脈沖的脈

11、沖幅度小于。4.測(cè)137和60的能譜。再調(diào)節(jié)線性放大器的放大倍數(shù)，使137和60的全能譜合理分布在適當(dāng)?shù)膮^(qū)間內(nèi)，依次或同時(shí)測(cè)量這兩個(gè)源的能譜。用最小二乘法擬合直線方程計(jì)算增益和截距0。5.從測(cè)量的計(jì)數(shù)脈沖幅度曲線，計(jì)算閃爍譜儀的能量分辨率。6.驗(yàn)證核衰變規(guī)律。原子核衰變服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此多次測(cè)量同一時(shí)間間隔內(nèi)的計(jì)數(shù)，應(yīng)服從統(tǒng)計(jì)分布，如高斯分布或泊松分布。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理1、放大器電壓590V時(shí)137Cs能譜和60Co能譜時(shí)刻/s峰道址峰半高寬能量分辨率峰凈面積137Cs200.68197.8121.1110.67%980960Co208.63347.7711.003.16%62397.8314.

12、743.71%562、放大器電壓600V時(shí)137Cs能譜和60Co能譜時(shí)刻/s峰道址峰半高寬能量分辨率峰凈面積137Cs173.21225.2225.5511.34%831060Co209.23394.9412.624.68%458.3015.334.16%3、放大器電壓610V時(shí)137Cs能譜和60Co能譜時(shí)刻/s峰道址峰半高寬能量分辨率峰凈面積137Cs151.31254.3729.1311.45%669260Co200.43447.5719.514.36%519.7121.224.08%4、閃爍譜儀的能量線性關(guān)系(定標(biāo))放大器電壓/V137Cs峰道址（Xp0，E=0.662MeV）60C

13、o峰1道址（Xp1，E=1.17MeV）60Co峰2道址（Xp2，E=1.33MeV）590197.81347.77397.83600225.52394.94458.30610254.37447.57519.71經(jīng)過線性擬合可以得到590V時(shí)，G0=0.00335，E0=3.0334E-4經(jīng)過線性擬合可以得到600V時(shí)，G1=0.0029，E0=0.01253經(jīng)過線性擬合可以得到610V時(shí)，G2=0.00254，E0=0.01939（三）快速電子的動(dòng)量和動(dòng)能之間的相對(duì)論關(guān)系實(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)

14、會(huì)測(cè)量射線能譜實(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，ki），（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。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

15、+m02c4-m0c2（1.6-3）當(dāng)150)把大部分的能量(接近于電子能量的最大值,即康普頓邊的能量)都傳遞給了電子,又返回到晶體中,這時(shí)由于C射線能量較低,產(chǎn)生光電效應(yīng)的幾率較高,因此這部分C射線產(chǎn)生的光電效應(yīng)打出的光電子的能量為0.662-0.477=0.184MeV。這就是我們?cè)谀茏V圖中看到的反散射峰。由上面的分析可知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C射線產(chǎn)生。如果能想辦法使這種反散射減少,就應(yīng)該使能譜上的該峰減弱。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無法控制。對(duì)于射向光電倍增管的射線也不能加以限制,因?yàn)樽罱K對(duì)能譜的測(cè)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。因此只能限制射向晶體周圍物質(zhì)的射線?；谝陨锨闆r有兩種實(shí)驗(yàn)方案。一種是通過加大探頭和放射源之間的距離以加大射線對(duì)晶體周圍