近代物理實(shí)驗(yàn)用NaI單晶γ閃爍譜儀測(cè)γ能譜

1、實(shí)驗(yàn)用NaI ( Tl)單晶y閃爍能譜儀測(cè)Y能譜【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解閃爍探測(cè)器的結(jié)構(gòu)、工作原理。2、掌握NaI(Tl)單晶y閃爍能譜儀的幾個(gè)性能指標(biāo)和測(cè)試方法.4、了解核電子學(xué)儀器的數(shù)據(jù)采集、記錄方法和數(shù)據(jù)處理原理?！緦?shí)驗(yàn)原理】一、閃爍能譜儀測(cè)量Y能譜的原理1、閃爍體的發(fā)光機(jī)制純粹的碘化鈉晶體，其能帶結(jié)構(gòu)是在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間有比較寬的禁帶，如有帶電粒子進(jìn) 人到閃爍體中，將引起后者產(chǎn)生電離或激發(fā)過(guò)程，即可能有電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶或激發(fā)到 激帶，然后這些電子再退激到價(jià)帶。退激的可能過(guò)程之一是發(fā)射光子，這種光子的能量還會(huì) 使晶體中其它原子產(chǎn)生激發(fā)或電離，也就是光子可能被晶體吸收而不能被探測(cè)到，為此要在

2、 晶體中摻入少量的雜質(zhì)原子(激活原子)，如在碘化鈉晶體中摻入鉈原子，其關(guān)鍵作用是可 以在低于導(dǎo)帶和激帶的禁帶中形成一些雜質(zhì)能級(jí)。這些雜質(zhì)原子會(huì)捕獲一些自由電子或激子 到達(dá)雜質(zhì)能級(jí)上，然后以發(fā)光的形式退激到價(jià)帶，這就形成了閃爍過(guò)程的發(fā)光。2、y射線與物質(zhì)的相互作用Y射線光子與物質(zhì)原子相互作用的機(jī)制主要有以下三種方式，如圖9-1-1所示。光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)圖9-1-1 y射線光子與物質(zhì)原子相互作用二、NaI (Tl)單晶y閃爍能譜儀的結(jié)構(gòu)與性能圖9-1-2是NaI (Tl)單晶y閃爍能譜儀結(jié)構(gòu)示意圖。1、NaI (Tl)閃爍探測(cè)器閃爍探測(cè)器由閃爍體、光電倍增管

3、和相應(yīng)的電子儀器三個(gè)主要部分組成。圖9-1-2 NaI (Tl)單晶y閃爍能譜儀結(jié)構(gòu)示意圖2、單道與多道脈沖幅度分析器上甄別域匕輸出信號(hào)下甄別域輸入信號(hào)圖9-1-4單道脈沖幅度分析原理由于Y射線與物質(zhì)相互作用機(jī)制的差異，從探測(cè)器出來(lái)的脈沖幅度有大有小，單道脈沖 幅度分析器就起從中“數(shù)出”某一幅度 脈沖數(shù)目的作用。單道脈沖幅度分析器 里有兩個(gè)甄別電壓V1 (此電壓可以連 續(xù)調(diào)節(jié))和V2，V1和V2也稱(chēng)下、上 甄別域，差值/V稱(chēng)為窗寬。這樣， V1和V2就像一扇窗子，低于v1或高 于2的電壓信號(hào)都被擋住，只有在v1 和V2之間的信號(hào)才能通過(guò)，形成輸出 脈沖。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，按/ V連續(xù)改變 V上甄別域

4、匕輸出信號(hào)下甄別域輸入信號(hào)圖9-1-4單道脈沖幅度分析原理3、NaI (Tl)單晶y閃爍能譜儀的 主要指標(biāo)能量分辨率能量分辨率的定義是：(9-1-5)(9-1-5)x 100 %E由于脈沖幅度與能量有線性關(guān)系并且脈沖幅度與多道道數(shù)成正比，故又可以寫(xiě)為由于脈沖幅度與能量有線性關(guān)系(9-1-6)門(mén)=A CH x (9-1-6)CH為記數(shù)率極大值一半處的寬度(或稱(chēng)半寬度)，CH為記數(shù)率極大處所在道數(shù)。顯然，能量分辨率的數(shù)值越小，儀器分辨不同能量的本領(lǐng)就越高。線性度與能量刻度能量的線性就是指輸出的脈沖幅度與帶電粒子的能量是否有線性關(guān)系，以及線性范圍的 大小。為了檢查譜儀的線性，必須用一組已知能量的Y射

5、線，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，分別測(cè) 量出它們的光電峰位，做出能量一一幅度曲線，稱(chēng)為能量刻度曲線(或能量校正曲線)。坪曲線與本底計(jì)數(shù)率坪曲線是入射粒子強(qiáng)度不變時(shí)，NaI (Tl)單晶y閃爍能譜儀的源(或全譜)計(jì)數(shù)率隨 工作電壓變化的曲線。本底 計(jì)數(shù)率是指不加放射源時(shí) NaI (Tl)單晶y閃爍能譜儀 的全譜計(jì)數(shù)率。穩(wěn)定性NaI (Tl)單晶y閃爍能 譜儀的能量分辨率、線性度 都與穩(wěn)定性有關(guān)，因此在測(cè) 量過(guò)程中，要求其各組成部 分，如高壓電源、放大器、 多道脈沖幅度分析器等，都 要具有較高的穩(wěn)定性，并始 終能正常工作。材物2班姓名：宋永成學(xué)號(hào)：08132220材物2班圖9-1-3能量刻度曲線三、Y射線

6、的能譜圖9-1-5所示為i37Cs的Y能譜，縱軸代表單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)目，即射線強(qiáng)度，橫軸道數(shù) 代表脈沖幅度，即反映粒子的能量。圖9-1-5】37Cs的y能譜【實(shí)驗(yàn)儀器與材料】Y放射源60C。和137CS； NaI（Tl）單晶y閃爍能譜儀；計(jì)算機(jī)等?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、采用定時(shí)（200s）計(jì)數(shù)的方法，在600V850V之間，測(cè)繪坪曲線（用137Cs源），以 及本底計(jì)數(shù)率隨電壓變化的關(guān)系曲線，確定合適的工作電壓。2、保持工作電壓不變，改變線性放大器的放大倍數(shù)，觀察137Cs的y能譜的光電峰位置 變化的規(guī)律。要求至少測(cè)量10組數(shù)據(jù)并作最小二乘法擬合，給出相關(guān)結(jié)果。3、用多道分析器觀察137Cs的y能譜

7、的形狀，識(shí)別其光電峰、反散射峰、X射線峰及康 普頓邊界等；記錄光電峰、反散射峰的峰位（道數(shù)）；繪制能譜圖。4、測(cè)量60Co的y能譜，繪制能譜圖，記錄光電峰位（兩個(gè)光電峰，能量分別為1.33MeV 和1.17MeV），結(jié)合137Cs的y能譜的光電峰（0.662MeV）和反散射峰（0.184MeV）位來(lái)標(biāo) 定譜儀的能量刻度，繪制能量刻度曲線，作最小二乘法擬合，給出相關(guān)結(jié)果?！咀⒁馐马?xiàng)】1、儀器開(kāi)機(jī)后，必須預(yù)熱30分鐘左右。2、在測(cè)繪能量刻度曲線中，為了減小計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)漲落對(duì)測(cè)量的影響，應(yīng)保證計(jì)數(shù)足夠多。 一般做法是選擇某個(gè)要觀測(cè)的光電峰，使該峰位的計(jì)數(shù)達(dá)到1000以上。3、當(dāng)工作指示燈亮?xí)r，切勿關(guān)閉儀

8、器。4、軟件系統(tǒng)的操作按說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。5、領(lǐng)用和歸還放射源必須作好登記。【數(shù)據(jù)處理】1.采用定時(shí)（200s）計(jì)數(shù)的方法，在600V850V之間，測(cè)繪坪曲線（用137Cs源）， 以及本底計(jì)數(shù)率隨電壓變化的關(guān)系曲線，確定合適的工作電壓。（1）測(cè)繪坪曲線（用137CS源），以及本底計(jì)數(shù)率隨電壓變化的關(guān)系曲線，確定合適的工作 電壓。表一：有放射源和無(wú)放射源時(shí)計(jì)數(shù)率隨工作電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系工作電壓/V650700750800850總計(jì)數(shù)率cps472544575600610由上表數(shù)據(jù)做得坪曲線如下:圖1坪曲線650電數(shù)計(jì)總600電數(shù)計(jì)總系列系列1500450600 650 700 750 800 850 900

9、工作電壓/V（2）本底計(jì)數(shù)率表2本底計(jì)數(shù)率與工作電壓對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)工作電壓/V650700750800850總計(jì)數(shù)率cps811121212由上表數(shù)據(jù)可以做出本底計(jì)數(shù)率隨工作電壓變化的曲線圖:圖2本底計(jì)數(shù)率隨工作電壓變化曲線1313600650700750 800850900工作電壓/V分析：工作電壓應(yīng)該選擇源（或全譜）計(jì)數(shù)率隨電壓變化較小、本底計(jì)數(shù)率相對(duì)較低的 電壓。由圖1和圖2可知：隨著工作電壓的增大，總計(jì)數(shù)率、本底計(jì)數(shù)率也會(huì)隨之增加，但 是變化趨勢(shì)都是趨于平穩(wěn)，且在775V是最為平穩(wěn)，因此選擇775V作為實(shí)驗(yàn)電壓。2、保持工作電壓不變，改變線性放大器的放大倍數(shù)，觀察13s的Y能譜的光電峰位 置

10、變化的規(guī)律。要求至少測(cè)量10組數(shù)據(jù)并作最小二乘法擬合，給出相關(guān)結(jié)果。表3放大倍數(shù)與光電峰位置對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)放大倍數(shù)11.52.533.54.55.5677.5光電峰道數(shù)/CH109111117122124132140146157163由上表數(shù)據(jù)可得放大倍數(shù)與光電峰道數(shù)關(guān)系曲線圖:圖3放大倍數(shù)與光電峰道數(shù)關(guān)系曲線170C160170C160數(shù)150道140峰130電120光110100系列100. 11.22.33.44.55.66.77.855555555放大倍數(shù)用最小二乘法做線性擬合：設(shè)道數(shù)為y，放大倍數(shù)為x， 則 y=ax+b，y =(109+111+117+122+124+132+140+14

11、6+157+163)/10=132.2X=(1+1.5+2.5+3+3.5+4.5+5.5+6+7+7.5)/10=4.2 x * y =(109*1+111*1.5+117*2.5+122*3+124*3.5+132*4.5+140*5.5+146*6+157*7+163*7.5)/10=592.95x2 =(1*1+1.5*1.5+2.5*2.5+3*3+3.5*3.5+4.5*4.5+5.5*5.5+6*6+7*7=7.5*7.5)/10=22.25根據(jù)公式，b= x *中- U x2 = 97.84(x )2 一 x2a=*y = 8.18(x )2 x2則 y=8.18x+97.84

12、可以分析得：光電峰的道數(shù)與放大倍數(shù)近似為線性關(guān)系，隨著放大倍數(shù)增大，光電峰所在道數(shù)增大。這與實(shí)驗(yàn)觀察到的隨放大倍數(shù)增大光電峰位置右移的現(xiàn)象一致。3、用多道分析器觀察13Cs的Y能譜的形狀，識(shí)別其光電峰、反散射峰、X射線峰及康普頓 邊界等；記錄光電峰、反散射峰的峰位(道數(shù))；繪制能譜圖。（2）反散射峰：道數(shù)43CH能譜圖如圖5所示:D127X次f、U.、,， . .0511（3）x射線峰：道數(shù)19CH,能譜圖如圖6所示5、測(cè)量60Co的y能譜，繪制能譜圖，記錄光電峰位（兩個(gè)光電峰，能量分別為1.33MeV 和1.17MeV），結(jié)合 Ms的y能譜的光電峰（0.662MeV）和反散射峰（0.184M

13、eV）位來(lái)標(biāo) 定譜儀的能量刻度，繪制能量刻度曲線，作最小二乘法擬合，給出相關(guān)結(jié)果。60Co的能譜圖及兩光電峰的位置圖像如圖8所示表4 繪制60Co能譜圖，結(jié)合137CS能譜繪制能量刻度曲線，做最小二乘法擬合能量/MeV道數(shù)/CH137CS光電峰0.662136137CS反散射峰0.18443Mo光電峰11.1723460Co光電峰21.33267根據(jù)上表數(shù)據(jù)得到如圖9-1-9所示能量刻度曲線:用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，設(shè)道數(shù)為y,能量為x則 y=ax+by =(136+43+234+267)/4=170；=(0.662+0.184+1.17+1.33) /4=0.8365.xX*y =(0.6

14、62*136+0.184*43+1.17*234+L33*267)/4=181.7085，=(0.6622+0.1842+1.172+1.332)/4=0.902475.根據(jù)公式，b=x * 中一 U x2 = 7.013074(x )2 一 x2a=x*y-x*y = 194.8865（x ）2 x2則y=194.8865x+7.013074（說(shuō)明擬合效果很好）分析：由圖9可知，定標(biāo)曲線基本呈線形，由此能量刻度曲線可以得到任意道數(shù)時(shí) 粒子的能量。實(shí)驗(yàn)總結(jié)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程并不復(fù)雜，我認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)的主要目的是了解實(shí)驗(yàn)儀器的工作 原理。實(shí)驗(yàn)原理中涉及很多以前學(xué)到的物理知識(shí)，比如光與物質(zhì)作用的三種形式: 光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)。這些可以在測(cè)量結(jié)果的能譜上顯示。另外， 從光與物質(zhì)作用與電信號(hào)輸出之間的過(guò)程是比較復(fù)雜的。涉及到原子的導(dǎo)帶、禁 帶，電子的激發(fā)、退激，光電倍增等。這個(gè)實(shí)驗(yàn)使我們接觸到了一種新的測(cè)量方 法和思想，對(duì)我們以后的學(xué)習(xí)很有幫助?！舅伎寂c討論】1、簡(jiǎn)單描述NaI（Tl）單品Y閃爍能譜儀的工作原理。答：閃爍能譜儀是利用某些熒光物質(zhì)在帶電粒子作用下被激發(fā)或電離后， 能發(fā)射熒光的現(xiàn)象來(lái)測(cè)量能譜的。當(dāng)射線進(jìn)入閃爍體后，會(huì)產(chǎn)生次級(jí)電子，它可 使閃爍體分子電離和激發(fā)。當(dāng)閃爍體分子退激時(shí)發(fā)出大量光子。大量光子經(jīng)過(guò)光 電倍增管后產(chǎn)生輸出信號(hào)，通常為