NaI(Tl)單晶γ閃爍能譜儀測γ能譜

中國石油大學(xué)近代物理實驗實驗報告成績班級： 姓名:同組者： 教師:實驗9-1用NaI(T1)單晶y閃爍能譜儀測Y能譜原子核的能級間的躍遷產(chǎn)生Y射線，Y射線強度按能量的分布即Y射線能譜，簡稱Y能譜。研究Y能譜可確定原子核激發(fā)態(tài)的能級等，對放射性分析、同位素應(yīng)用及鑒定核素等方面都有重要的意義。測量Y能譜最常用的儀器是閃爍Y能譜儀，在核物理、高能粒子物理和空間輻射物理的探測中應(yīng)用非常廣泛?！緦嶒?zāi)康摹?、 了解閃爍探測器的結(jié)構(gòu)、工作原理。2、 掌握NaI(T1)單晶y閃爍能譜儀的幾個性能指標和測試方法.3、 觀測及分析y全能譜。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?！緦嶒炘怼恳?、閃爍能譜儀測量Y能譜的原理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(稱為閃爍)的現(xiàn)象來測量能譜的。這種熒光物質(zhì)常稱為閃爍體。1、 閃爍體的發(fā)光機制閃爍體的種類很多，按其化學(xué)性質(zhì)不同可分為無機晶體閃爍體和有機閃爍體。有機閃爍體包括有機晶體閃爍體、有機液體閃爍體和有機塑料閃爍體等。最常用的無機晶體是鉈激活的碘化鈉單晶閃爍體，常記為NaI(T1),屬離子型晶體。純粹的碘化鈉晶體，其能帶結(jié)構(gòu)是在價帶和導(dǎo)帶之間有比較寬的禁帶，如有帶電粒子進人到閃爍體中，將引起后者產(chǎn)生電離或激發(fā)過程，即可能有電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶或激發(fā)到激帶,然后這些電子再退激到價帶。退激的可能過程之一是發(fā)射光子，這種光子的能量還會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到，為此要在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。這些雜質(zhì)原子會捕獲一些自由電子或激子到達雜質(zhì)能級上，然后以發(fā)光的形式退激到價帶，這就形成了閃爍過程的發(fā)光，而這種光因能量小于禁帶寬度而不再被晶體吸收，不再會產(chǎn)生激發(fā)或電離。這說明只有加入少量激活雜質(zhì)的晶體，才能成為實用的閃爍體。對于NaI(Tl)單晶閃爍體而言，其發(fā)射光譜最強的波長是415nm的藍紫光，其強度反映了進人閃爍體內(nèi)的帶電粒子能量的大小，選擇適當(dāng)大小的閃爍體，可使這些光子一射出閃爍體就被探測到。2、 Y射線與物質(zhì)的相互作用Y射線光子與物質(zhì)原子相互作用的機制主要有以下三種方式，如圖9-1-1所示。

光電效應(yīng)反沖尅子康普頓效應(yīng)電子對效應(yīng)光電效應(yīng)反沖尅子康普頓效應(yīng)電子對效應(yīng)圖9-1-1y射線光子與物質(zhì)原子相互作用光電效應(yīng)當(dāng)能量為E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Y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=E—B (9-1-1)e 丫 iB.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i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?？灯疹D效應(yīng)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(9-1-2)EG—cosO)式中mc2為電子靜止能量，約為0.5MeV；角度0是散射光子的散射角。當(dāng)O=1800時(即0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二y max mC21+ 0—2E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。電子對效應(yīng)當(dāng)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)Y e e 0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。二、NaI(T1)單晶y閃爍能譜儀的結(jié)構(gòu)與性能圖9-1-2是NaI(T1)單晶y閃爍能譜儀結(jié)構(gòu)示意圖。1、NaI(T1)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(T1)閃爍體，當(dāng)射線(如Y和卩)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。轉(zhuǎn)出信號 1轉(zhuǎn)出信號 1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Y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“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甄

別電壓V](此電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié))和

V2,如圖9-1-4所示。V]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。圖9-1-4單道脈沖幅度分析原理

這樣，V］和V2就像一扇窗子，低于V］或高于V2的電壓信號都被擋住，只有在V］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V］值，就可獲得全部能譜。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(dāng)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、NaI(Tl)單晶y閃爍能譜儀的主要指標能量分辨率由于單能帶電粒子在閃爍體內(nèi)激發(fā)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(正態(tài))分布。能量分辨率的定義是：AE耳二——x100% (9-1-5)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，故又可以寫為aCH耳二—X100% (9-1-6)CHACH為記數(shù)率極大值一半處的寬度(或稱半寬度)，記作FWHM(FullWidthatHalfMaximum)。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，而且可以證明能量分辨率和入射粒子能量有關(guān)：(9-1-7)X100%(9-1-7)通常NaI(Tl)單晶y閃爍能譜儀的能量分辨率以137Cs的0.662MeV單能y射線為標準，它的值一般是10%左右，最好可達6?7%。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。NaI(Tl)單晶的熒光輸出在150KeVVEV6MeV的范圍內(nèi)和射線能量是成正比的。但Y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(dāng)射線能圖9-1-3能量刻度曲線量較高時，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——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以上。對未知能量的放圖9-1-3能量刻度曲線坪曲線與本底計數(shù)率坪曲線是入射粒子強度不變時，NaI(T1)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(T1)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(T1)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。穩(wěn)定性NaI(T1)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)，因此在測量過程中，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。三、y射線的能譜圖9-1-5所示為i37Cs的y能譜，縱軸代表單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)目，即射線強度，橫軸道數(shù)代表脈沖幅度，即反映粒子的能量。譜線包括三個峰和一個平臺。峰A是光電峰，也稱為全能峰，這一脈沖幅度直接反映y射線的能量，即0.662MeV。閃爍探測器對0.662MeV的y射線能量分辨率為7.5%。圖9-1-5137Cs的y能譜平臺狀曲線B是康普頓效應(yīng)的貢獻，其待征是散射光子逃逸后留下一個能量從0到E 的連續(xù)的電子譜。max峰C是反散射峰。由y射線透過閃爍體射在光電倍增管的光陰極上發(fā)生反散射，或y射線在源及周圍物質(zhì)上發(fā)生反散射，而反散射光子進入閃爍體通過光電效應(yīng)而被記錄所致。反散射峰對應(yīng)的y射線的能量為0.184MeV。峰D是X射線峰，它是由137Ba的K層特征X射線貢獻的。137Cs的0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。【實驗儀器與材料】r放射源60Co和137Cs；Nal（T1）單晶r閃爍能譜儀；計算機等?！緦嶒瀮?nèi)容】1、 詳細閱讀說明書，熟悉儀器及軟件的使用方法。2、 采用定時（200s）計數(shù)的方法，在600V-850V之間，測繪坪曲線（用?Cs源），以及本底計數(shù)率隨電壓變化的關(guān)系曲線，確定合適的工作電壓。3、 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r能譜的光電峰位置變化的規(guī)律。分別測出放大倍數(shù)為7、8、9、10的數(shù)據(jù)并作最小二乘法擬合，給出相關(guān)結(jié)果。4、 用多道分析器觀察i37Cs的r能譜的形狀，識別其光電峰、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。5、 測量60Co的r能譜，繪制能譜圖，記錄光電峰位（兩個光電峰，能量分別為1.33MeV和1.17MeV）,結(jié)合i37Cs的r能譜的光電峰（0.662MeV）和反散射峰（0.184MeV）位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?！咀⒁馐马棥?、 儀器開機后，必須預(yù)熱30分鐘左右。2、 在測繪能量刻度曲線中，為了減小計數(shù)統(tǒng)計漲落對測量的影響，應(yīng)保證計數(shù)足夠多。一般做法是選擇某個要觀測的光電峰，使該峰位的計數(shù)達到1000以上。3、 當(dāng)工作指示燈亮?xí)r，切勿關(guān)閉儀器。4、 軟件系統(tǒng)的操作按說明書進行。5、 領(lǐng)用和歸還放射源必須作好登記?！緮?shù)據(jù)記錄及處理】1、坪曲線的測定分別測量750V、800V、850V電壓下的源計數(shù)率，見表1表1.不司電壓下的源計數(shù)率電壓/V750800850源計數(shù)率324650336470339658坪曲線率聲源

率聲源圖一坪曲線的測量圖一坪曲線的測量由圖一可知在800V—850V之間的源計數(shù)率隨電壓變化較小所以選擇此電壓段的電壓測量得到的數(shù)據(jù)比較準確。2、本底計數(shù)率隨電壓變化曲線的測定分別測量750V、800V、850V電壓下的本底計數(shù)率，見表2表2.不同電壓下的本底計數(shù)率率數(shù)計底本O752702592率數(shù)計底本O752702592290582280電壓/V750800850本底計數(shù)率279428122921本底計數(shù)率隨電壓的變化曲線由上圖可知在750V—800V電壓段的本底計數(shù)率較小所以實驗時可以選擇在此段內(nèi)的電壓提咼實驗的準確性。并且綜上根據(jù)選擇隨電壓變化較小的源計數(shù)率或本底計數(shù)率較小的工作電壓的原則在實驗時可以選擇800V的工作電壓以提高實驗的準確性。3、光電峰位置與放大倍數(shù)關(guān)系的測定分別測量放大倍數(shù)為7、8、9、10時的光電峰位置道數(shù)，見表3表3不同放大倍數(shù)時的光電峰位置道數(shù)放大倍數(shù)78910光電峰位置道數(shù)125.42135.40148.79161.79137CS的洎呂譜的光電峰位置變化規(guī)律數(shù)道置位峰電光放大倍數(shù)f(x)=12.25x+38.725O■數(shù)道置位峰電光放大倍數(shù)f(x)=12.25x+38.725O■50OOOOOOOOOO006420864259-由上圖可知光電峰位置道數(shù)與放大倍數(shù)之間滿足線性關(guān)系并且滿足關(guān)系式f(x)=12.25x+38.725分析可知光電峰道數(shù)與放大倍數(shù)近似成線性關(guān)系，隨著放大倍數(shù)增大光電峰道數(shù)增大。這與實驗中觀察到的放大倍數(shù)增大光電峰又移的現(xiàn)象一致。4、觀察137CS的Y能譜形狀，記錄光電峰放散射峰的峰位，繪制能譜圖表4137CS光電峰與反散射峰的道數(shù)光電峰0.662MeV反散射峰0.184MeV161.7951.43AC?.1.■? >IB137CS源的能譜圖A：X射線峰 B：康普頓邊界 C：反散射峰 D：光電峰5、測量60Co的y能譜，記錄光電峰位并且結(jié)合137CS的光電峰位繪制能量刻度曲線。表560Co的光電峰位光電峰能量/MeV1.331.17光電峰道數(shù)321.40284.50能量刻度曲線E/MeV由上圖可以看出能量與通道數(shù)目成線性關(guān)系并且計算出其關(guān)系為f(x)=236.3848029091x+7.04所以測量射線的未知能量時候可以通過這種方法用閃爍能譜儀測量其光電峰道數(shù)并且通過測繪能量刻度曲線來計算出相應(yīng)的能量。【實驗總結(jié)】這個實驗的主要目的是了解實驗儀器的工作原理。實驗原理涉及到書本上學(xué)到的知識。比如光與物質(zhì)作用的三種主要形式：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)。這些效應(yīng)在能譜圖上都有顯示。而且其中也有一些新接觸到的比如光信號與電信號的轉(zhuǎn)化以及光電倍增等。