NaI閃爍譜儀r能譜

Nal(Tl)閃爍譜儀測量y能譜實驗?zāi)康恼莆誑aI(Tl)y閃爍譜儀的結(jié)構(gòu)、原理和工作過程掌握NaI(Tl)Y閃爍譜儀的性能指標和測試方法。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。實驗內(nèi)容學(xué)會NaI(Tl)單晶y閃爍譜儀裝置的使用操作方法掌握調(diào)整譜儀參數(shù)，選擇最佳測量工作條件的方法測量譜儀的能量分辨率、刻度能量線性。了解數(shù)據(jù)處理(包括對譜形進行光滑、尋峰，曲線擬合等)。.Y射線與物質(zhì)的相互作用Y射線光子與物質(zhì)原子相互作用的機制主要有以下三種方式，如圖1所示。圖1y射線光子與物質(zhì)原子相互作用光電效應(yīng)當能量為ey的入射y光子與物質(zhì)中原子的束縛電子相互作用時，光子可以把全部能量轉(zhuǎn)移給某個束縛電子，使電子脫離原子束縛而發(fā)射出去，光子本身消失。發(fā)射出去的電子稱為光電子，這種過程稱為光電效應(yīng)。發(fā)射光電子的動能為E=Ey-BB.為束縛電子所在殼層的結(jié)合能。原子內(nèi)層電子脫離原子后留下空位形成激發(fā)原子，其外部殼層的電子會填補空位并放出特征X射線。這種X射線在閃爍體內(nèi)很容易再產(chǎn)生一次新的光電效應(yīng)，將能量又轉(zhuǎn)移給光電子，所以閃爍體得到的能量是兩次光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子能量之和。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)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之外，還需有一個第三者參加，這第三者就是發(fā)射光電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(即越靠近原子核的電子)，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?？灯疹D效應(yīng)Y光子與自由靜止的電子發(fā)生碰撞，將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使電子成為反沖電子，Y光子被散射，改變了原來的能量和方向。反沖電子的動能為E= Ey (e mc2+Ed'-cosO)

式中m0c2為電子靜止能量，約為0.5MeV；角度0是散射光子的散射角。當。=180。時（即光子向后散射，又稱為反散射），反沖電子的動能有最大值，此時(9-1-3)E(9-1-3)E=——￥—

maximC22E￥這說明康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的反沖電子的能量有一上限最大值，稱為康普頓邊界。需要注意：（1） 當散射角e=0o時，散射光子能量E廣勺達到最大值。這時反沖電子的能量Ee=0。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，所以光子能量沒有損失。e（2） 當e=i80o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。這時散射能量最小，即EE= min] 2Emc2

0由此式可以推斷出，即使入射光子的能量變化很大，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。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4-2所示。計數(shù)率fllOkcV12MeV計數(shù)率fllOkcV12MeV2.76MeV_^L1.5 2-0(MuV)（3）電子對效應(yīng)當Y光子能量大于2m0c2時，Y光子從原子核旁經(jīng)過并受到核的庫侖場作用，可能轉(zhuǎn)化為一個正電子和一個負電子，稱為電子對效應(yīng)。此時光子能量可表示為兩個電子的動能與靜止能量之和E=E++E-+2mc2 （9-1-4）綜上所述，Y光子與物質(zhì)相遇時，通過與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)或電子對效應(yīng)而損失能量，其結(jié)果是產(chǎn)生次級帶電粒子，如光電子、反沖電子或正負電子對。次級帶電粒子的能量與入射Y光子的能量直接相關(guān)，因此，可通過測量次級帶電粒子的能量求得Y光子的能量。閃爍Y能譜儀正是利用Y光子與閃爍體相互作用時產(chǎn)生次級帶電粒子，進而由次級帶電粒子引起閃爍體發(fā)射熒光光子，通過這些熒光光子的數(shù)目來推出次級帶電粒子的能

量，再推出Y光子的能量，以達到測量Y射線能譜的目的。、NaI（Tl）單晶y閃爍能譜儀的結(jié)構(gòu)與性能圖2閃爍譜儀裝置結(jié)構(gòu)圖1、NaI（Tl）閃爍探測器閃爍探測器由閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子儀器三個主要部分組成。探測器最前端是NaI（Tl）閃爍體，當射線（如y和。）進入閃爍體時，在某一地點產(chǎn)生次級電子，它使閃爍體分子電離和激發(fā)，退激時發(fā)出大量光子。在閃爍體周圍包以反射物質(zhì)，使光子集中向光電倍增管（具體內(nèi)容參閱附錄3-2-1）方向射出去。經(jīng)過光電倍增管產(chǎn)生輸出信號，通常為電流脈沖或電壓脈沖，然后通過起阻抗匹配作用的射極跟隨器，由電纜將信號傳輸?shù)诫娮訖z測儀器中去。圖9-1-2NaI（Tl）單晶y閃爍能譜儀結(jié)構(gòu)示意圖實用時常將閃爍體、光電倍增管、分壓器及射極跟隨器安裝在一個暗盒中，統(tǒng)稱探頭。探頭中有時在光電倍增管周圍包以起磁屏蔽作用的屏蔽筒（如本實驗裝置），以減弱環(huán)境中磁場的影響。電子檢測儀器的組成單元則根據(jù)閃爍探測器的用途而異，常用的有高、低壓電源、線性放大器、單道或多道脈沖幅度分析器等。2、單道與多道脈沖幅度分析器

上甄別域匕I漸別域八一一輸梅號 ——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。由行射線與物質(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，單道脈沖幅度分析器就起從中“上甄別域匕I漸別域八一一輸梅號 ——單道脈沖幅度分析器里有兩個甄別電壓輜出信號圖9-1-4單道脈沖幅度分析原理V1（此電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)）和V2，如圖9-1-4所示。V1和V2也稱下、上甄別域，差值/V稱為窗寬。為保證足夠的分辨率，以及減小統(tǒng)計漲落的影響，窗寬的選擇不能過大，也不能太小。這樣，V］和V2就像一扇窗子，低于v1或高于V2的電壓信號都被擋住，只有在V1和V2之間的信號才能通過，形成輸出脈沖。進行測量時，按/V連續(xù)改變輜出信號圖9-1-4單道脈沖幅度分析原理顯然，使用單道脈沖幅度分析器進行測量，既不方便也費時，因此，現(xiàn)在多使用多道脈沖幅度分析器。多道脈沖幅度分析器的作用相當于幾百個單道脈沖幅度分析器，一次測量可獲得整個能譜，非常方便，在本實驗中就采用這種方式。3、閃爍譜儀的性能指標閃爍譜儀的基本性能由能量分辨率、能量線性和穩(wěn)定性來衡量。在高強度放射性測量和時間測量中，則首先要考慮的是時間分辨本領(lǐng)。（1）能量分辨率：由于單能帶電粒子在閃爍體內(nèi)損失能量引起的閃爍發(fā)光所放出的熒光光子數(shù)有統(tǒng)計漲落；一定數(shù)量的熒光光子打在光電倍增管光陰極上產(chǎn)生的光電子數(shù)目有統(tǒng)計漲落。這就使同一能量的粒子產(chǎn)生的脈沖幅度不是同一大小而近似為高斯分布。能量分辨率的定義是：門=^lx100%E （1—1）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，故又可以寫為門=門=ACHx100%

CH(1—2)△CH為記數(shù)率極大值一半處的寬度（或稱半寬度），記作FWHM（FullWidthathalfmaximum）oCH為記數(shù)率極大處的脈沖幅度。顯然譜儀能量分辨率的數(shù)值越小，儀器分辨不同的能量的本領(lǐng)就越高。而且可以證明能量分辨率和入射粒子能量有關(guān)。門=-Lx門=-Lx100%

<E(1—3)通常NaI（Tl）單晶y閃爍譜儀的能量分辨率以137C的0.661MeV單能Y射線為標準，它的值S一般是10%左右，最好可達6?7%。（2）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。圖3能量刻度曲線NaI(Tl)單晶的熒光輸出在150KeV〈EY〈6MeV的范圍內(nèi)和射線能量是成正比的。但是NaI(Tl)單晶y閃爍能譜儀的線性好壞還取決于閃爍能譜儀的工作狀況。例如當射線能量較高時，由于光電倍增管后幾個聯(lián)極的空間電荷的影響，會使線性變壞。另外，脈沖放大器線性程度也將影響譜儀的線性。為了檢查譜儀的線性，必須用一組已知能量的Y射線，在相同的實驗條件下，分別測量出它們的光電峰位，做出能量一幅度曲線，稱為能量刻度曲線(或能量校正曲線)。如圖9-1-3所示。用最小二乘法進行線性擬合，線性度一般在0.99圖3能量刻度曲線NaI(Tl)NaI(Tl)單晶y閃爍能譜儀的源(或全譜)計數(shù)率隨工作電壓變化的曲線。本底計數(shù)率是指不加放射源時NaI(Tl)單晶y閃爍能譜儀的全譜計數(shù)率，主要由光電倍增管的暗電流、電子學(xué)噪聲、宇宙射線及環(huán)境輻射產(chǎn)生，其也隨工作電壓的變化而變化。在使用NaI(Tl)單晶y閃爍能譜儀時，應(yīng)首先測量坪曲線和本底計數(shù)率，然后選擇源(或全譜)計數(shù)率隨電壓變化較小、本底計數(shù)率相對較低的工作電壓。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(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137C的峰位，s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(yù)熱半小時。在測量中可考慮下列一些因素，進行必要的調(diào)整，以期達到一臺譜儀可能實現(xiàn)的最好的分辨率。閃爍體與光電倍增管光陰極之間保持良好的光學(xué)接觸；參考光電倍增管高壓推薦值，并作適當調(diào)整，使得在保持能量線性條件下，輸出脈沖幅度最大；合理選擇單道分析器的道寬，如單道分析器最大分析幅度為10V時，道寬宜用0.1V根據(jù)放射源的活度，選擇合適的源與閃爍體之間的距離。三、實驗裝置光電倍增示波器定標器~|I機箱數(shù)L光電倍增示波器定標器~|I機箱數(shù)L-低壓電源圖4閃爍譜儀裝置結(jié)構(gòu)示意圖圖5圖5閃爍譜儀裝置實物圖實驗裝置組成:插件機箱FH0001A1臺低壓電源BH12311臺1.5KV高壓電源BH1283N1臺線性脈沖放大器BH12181臺單道脈沖幅度分析器BH12191臺插道定標器BH12201臺Y能譜探頭FJ3741個標準源13Cs1個NIM系統(tǒng):本實驗單道譜儀采用NIM系統(tǒng)與NaI(Tl)閃爍探頭組合而成。NIM(NuclearInstrumentModule)代表核儀器標準化的國際通用系統(tǒng)，它由NIM機箱、NIM電源及各種NIM插件組成，實驗者可根據(jù)需要，配備各種功能的插件，構(gòu)成各式各樣的NIM系統(tǒng)。射極跟隨器射極跟隨器的作用是減少外界干擾的影響，跟隨器輸入阻抗較大與光

倍增管可匹配，而輸出阻抗又較小，使之與線性放大器輸入端實現(xiàn)阻抗匹配。高壓電源提供光電倍增管的工作電壓。高壓電源的穩(wěn)定性要好(工作過程中電壓改變不超過0.1%)。這是因為高壓變化時對脈沖幅度影響很大，一般對閃爍探頭而言，高壓變動0.1%，輸出脈沖幅度將變動2?3%。線性脈沖放大器線性脈沖放大器主要用于射線的能譜測量，所以除了要求它線性地放大輸入脈沖幅度外，還要它對探測器的輸出脈沖適當?shù)剡M行成形。探頭信號及成形過程 極零相消電路5.單道脈沖幅度分析器單道脈沖幅度分析器簡稱單道，其用途是選擇一定幅度范圍內(nèi)的信號。單道脈沖幅度分析器的結(jié)構(gòu)如圖2-2-11所示，它卞要由兩個甄別器和一個反符合電路組成。甄別器只能容許幅度大于甄別閩的脈沖通過，如果下甄別閩為V1，只有大于V1的脈沖才能通過下甄別器。而上甄別器閩值V2與V1保持一定的差值A(chǔ)V，即V2=V1十AV，因此只有幅度大于V2的脈沖才能通過上甄別器。反符合電路具有這樣的特性當兩端同時有脈沖輸入時，電路無輸出；只有一端有脈沖輸入時，電路才有輸出。寸間寸間V2L卜甄別器V1單道脈沖工作原理圖單道分析的數(shù)學(xué)理論補充：如果子樣為n維隨機變量，那么對于每一組子樣可作一個經(jīng)驗分布函數(shù)，經(jīng)驗分布函數(shù)F*(x)同樣也為一隨機變量。考察當n—8時F*(x)的極限。對于固定的x，F(xiàn)(x)表示事件｛Xa｝事件的概率，而F^(x)表示n次試驗事件｛X^x｝發(fā)生的頻率。由切比雪夫定律大數(shù)定律，對任意￡>0，

limPn—3即Fn*(x)依概率收斂于F(x)。給定很小的正數(shù)8,對每一個固定x,當n充分大時，{f*(x)-F(x)<81是大概率事件。利用實際推斷原理，一次抽樣此事件必定發(fā)生，即可用一次抽樣后獲得的Fn*(x)值近似于F(x)。5,放射源與探測器作用四、實驗過程按譜儀裝置示意圖連接儀器，用示波器觀察137CS和60CO的脈沖波形，調(diào)節(jié)并固定光電倍增管的高壓。調(diào)節(jié)線性脈沖放大器的放大倍數(shù)，使i37Cs0.662MeV和60Co的1.33MeV和1.17MeV的兩個Y全能峰落在單道甄別器的閾值范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)單道閾值，設(shè)置相應(yīng)的道寬，從閾值為0開始分別測量137CS和60Co的Y能譜，繪制相應(yīng)的能譜圖，對所測得的能譜進行分析。根據(jù)測得137CS和60Co放射源的數(shù)據(jù)，分別計算該能譜針對137CS和60Co兩種放射源的能量分辨率，并根據(jù)能譜來標定譜儀的能量刻度，繪制能量刻度曲線，作最小二乘法擬合，給出相關(guān)結(jié)果。重復(fù)測量137Cs0.662MeV的Y射線的全能峰，檢驗譜儀的穩(wěn)定性。思考題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？某同學(xué)實驗結(jié)果得到137CS能量分辨率為6%，試述怎樣用實驗來判斷這一分辨率之真假？若有一單能y源，能量為2MeV，試預(yù)言其譜形。試根據(jù)測量的137Cs(0.662MeV)、60Co(1.33MeV)以及未知y源的能譜，求出相應(yīng)的Y射線全能峰的半寬度，并討論半寬度隨Y射線能量變化的規(guī)律。試述60Co1.17MeV這條y射線相應(yīng)的能量分辨率，能否直接從全能峰半寬度求出，為什么？在測得的37Cs0.662MeVy射線全能峰峰位處，作一垂線為對稱軸，將發(fā)現(xiàn)對稱軸低能邊計數(shù)明顯地多于對應(yīng)的高能邊計