近代物理實(shí)驗(yàn)(2)緒論

近代物理實(shí)驗(yàn)（2）陳公室：實(shí)驗(yàn)樓S216課程簡介與安排內(nèi)容：（1）NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀；（2）γ射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)μ的測定。上課地點(diǎn)——實(shí)驗(yàn)樓(辦公樓旁邊，樓下有

郵局的)S223室。講義：電子版發(fā)給大家。重點(diǎn)：（1）核探測器的構(gòu)造與工作原理；（2）射線與物質(zhì)的相互作用；（3）核應(yīng)用系統(tǒng)與核技術(shù)方法。實(shí)驗(yàn)要求（參見講義）1.預(yù)習(xí)報(bào)告需要包含“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹薄ⅰ皩?shí)驗(yàn)內(nèi)容”、“實(shí)驗(yàn)裝置”和“實(shí)驗(yàn)步驟”等固定內(nèi)容?！皩?shí)驗(yàn)原理”部分可從講義中的思考題中任選5題回答，作為實(shí)驗(yàn)原理部分。實(shí)驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)、能譜圖等需要保存在自己的數(shù)據(jù)文件夾中，并在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中注明此文件夾，以備查驗(yàn)。2.實(shí)驗(yàn)之后的完整實(shí)驗(yàn)報(bào)告需完整反映實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的所有部分，包括步驟與數(shù)據(jù)（圖表）。從其余的思考題中再選擇5題作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告的思考題。數(shù)據(jù)處理部分需要區(qū)分清楚測量數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)、計(jì)算過程、結(jié)果數(shù)據(jù)等。（問題最多）3.實(shí)驗(yàn)完成一周后交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。預(yù)習(xí)要求:

了解設(shè)備的連接過程、調(diào)整步驟與指標(biāo)數(shù)據(jù)；提出對本次實(shí)驗(yàn)的知識疑點(diǎn)與準(zhǔn)備解決的問題；列出數(shù)據(jù)處理的方法、步驟，設(shè)計(jì)并準(zhǔn)備好有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄表格。上課前或上課中會對有關(guān)部分的知識點(diǎn)進(jìn)行提問，結(jié)果將計(jì)入成績。背景知識一、射線的來源1.原子躍遷（x射線與電磁波）2.原子核的激發(fā)/退激發(fā)以及內(nèi)部核子的

吸收與釋放行星結(jié)構(gòu)分離光譜電子躍遷（原子激發(fā)與退激發(fā)，能量的量子化）、能級與光子頻率（光譜），能級圖。原子的躍遷原子核由中子和質(zhì)子構(gòu)成。其能量狀態(tài)仍然滿足量子化，仍然存在激發(fā)與退激發(fā)，但機(jī)制要復(fù)雜得多。原子核的變化（一般是自發(fā)的衰變）常常會放出α（氦原子核）、β（電子）和γ射線（電磁波或光子）或n（中子）。其中γ射線的能量也與能級躍遷有關(guān)。本次實(shí)驗(yàn)主要涉及γ射線。原子核的變化

本次實(shí)驗(yàn)使用的放射源：Cs137與Co60（也可寫成137Cs與60Co，數(shù)字表示原子核內(nèi)包含的核子數(shù)）Cs137：主要為0.661MeV的γ射線Co60：主要為1.17MeV和1.33MeV的兩個γ射線二、放射源使用時注意：1.不要將放射源出射口對準(zhǔn)人員。2.使用后要洗手。放射源的性質(zhì)：主要有：①半衰期T1/2；

②放出射線的種類，如、、γ、n；

③每種射線對應(yīng)的能量；

④射線的放射強(qiáng)度（專業(yè)名詞叫活度）。其他：形態(tài)（氣態(tài)、液體、固體、粉末）

包裝（密封、非密封）

可溶性

混合結(jié)構(gòu)（數(shù)種放射源混合包裝或形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）

137Cs：β—511.6kev（94.6％），1173.2kev（5.4％）,x—32.1936kev（3.69％）

γ—661.661kev（85.0％）

624.220kev（7.79％）

655.672kev（1.44％）

30.17±0.05年。60Co：

β—318.3kev（99.89％）

γ—1173.238kev（99.87％），

1332.513kev（99.982％）

5.270±0.003年。三、射線與物質(zhì)的相互作用

常見的射線：α（氦原子核）、β（電子）、γ（光子）、中子。帶電粒子與物質(zhì)相互作用的描述（微觀）：庫侖散射，電離或激發(fā)，軔致輻射，電子對湮滅。γ射線與物質(zhì)相互作用的描述（微觀）：作用截面（幾率），作用對象（束縛電子、自由電子、庫侖場吸收、核子），效應(yīng)（吸收、彈性散射、非彈性散射）。中子與物質(zhì)相互作用的描述（微觀）：不與庫侖場作用，非彈性散射時原子核激發(fā)并放出光子退激發(fā)，原子核俘獲發(fā)生衰變或裂變。光電效應(yīng)康普頓散射電子對效應(yīng)

入射光子被吸收，其能量被電子接收，并轉(zhuǎn)為自由電子。

入射光子與電子發(fā)生散射，損失部分能量轉(zhuǎn)移給電子。

如果入射光子的能量>1.02MeV（兩個電子的靜止質(zhì)量），就可能發(fā)生光子轉(zhuǎn)換為兩個電子的情況（正負(fù)電子對）。重點(diǎn)：γ射線的三種基本作用γ射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律（宏觀）：

I=I0e–μx線性吸收系數(shù)：μ=μph+μc+μp其中：μph——光電效應(yīng)；

μc——康普頓效應(yīng)；

μp——電子對效應(yīng)。均與射線能量、物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)。

射線的生物效應(yīng)或損傷機(jī)制：電離作用，產(chǎn)生重帶電粒子，產(chǎn)生放射性原子核。射線強(qiáng)度的描述：“居里”或“貝可勒”（1ci=3.7x1010Bq）。射線防護(hù)：中子——輕物質(zhì)

γ射線——重物質(zhì) 帶電粒子——重物質(zhì)四、探測技術(shù)二大類型的探測器：計(jì)數(shù)型、徑跡型。氣體探測器（電離）、閃爍探測器（能量吸收）、半導(dǎo)體探測器（載流子）、中子探測器（核反應(yīng)）。閃爍探測器：能量吸收后，退激發(fā)再發(fā)光?？捎捎袡C(jī)體、無機(jī)體晶體構(gòu)成閃爍體。探測器系統(tǒng)：探測器（計(jì)數(shù)輸出、電荷輸出、時間輸出）＋處理（信號調(diào)理、放大、符合、信息提?。磉_(dá)（能量譜、時間譜、其他）一般的核應(yīng)用系統(tǒng)五、能譜的表達(dá)與意義能譜：以能量為橫坐標(biāo)，以強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，描述射線

在不同能量上的強(qiáng)度分布。重點(diǎn)：根據(jù)射線與物質(zhì)的相互作用來理解能譜。Co60能譜圖一、NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀1、目的：（1）了解閃爍探測器的結(jié)構(gòu)、原理。（2）掌握NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀的幾個性能指標(biāo)和測試方法。（3）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(shí)驗(yàn)內(nèi)容NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀2．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)會NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀整套裝置的操作、調(diào)整和使用，調(diào)試一臺譜儀至正常工作狀態(tài)。測量Cs137、Co60的γ能譜，求出能量分辨率、峰康比、線性等各項(xiàng)指標(biāo)，并分析譜形。了解多道脈沖幅度分析器在NaI(Tl)單晶γ譜測量中的數(shù)據(jù)采集及其基本功能。數(shù)據(jù)處理（包括對譜形進(jìn)行光滑、尋峰，曲線擬合等）。系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成NaI(TI)單晶γ閃爍譜儀

NaI(TI)探測器工作原理系統(tǒng)構(gòu)成：NaI(TI)無機(jī)晶體（吸收入射光子的能量，退激發(fā)時發(fā)出閃爍光）、光電倍增管（在閃爍光的作用下，其光陰極發(fā)射電子，后面的倍增極將電流放大，在最后的陽極上輸出電脈沖）、放大器、多道分析器（對輸入的電脈沖作幅度分析，并在計(jì)算機(jī)上以能譜形式表現(xiàn)入射γ射線的能量分布與強(qiáng)度分布）。閃爍體發(fā)光與電子激發(fā)態(tài)

閃爍體晶體受到入射射線的激發(fā)，電子退激發(fā)時發(fā)出閃爍光。但閃爍光的波長由退激發(fā)時的能級差決定。也就是說，閃爍光的波長（對應(yīng)能量）與入射射線的能量無關(guān)（這一點(diǎn)非常重要）。問題：對閃爍體而言，入射的是γ光子，出射的是閃爍光。

為什么需要“光—>光”的轉(zhuǎn)換？閃爍探測器又是如

何探測射線能量的？

入射光的能量越大，被激發(fā)的電子越多，即閃爍光的強(qiáng)度越強(qiáng)。光電倍增管（PMT）光電轉(zhuǎn)換—>電子倍增—>電荷收集（形成脈沖信號）探測小結(jié)：γ射線（來自放射源）閃爍體吸收能量放出閃爍光光電轉(zhuǎn)換（PMT光陰極）電子倍增電荷收集啟動測量系統(tǒng)能譜測量系統(tǒng)測量時間設(shè)置測量時間（Cs137能譜，550秒）Cs137能譜測量（26秒）思考：測量時間對結(jié)果有什么影響？如何決定測量時間的長短？高壓600V，峰位302道高壓630V，峰位420道思考：高壓對測量結(jié)果有什么影響？如何決定高壓的數(shù)值？能譜的形成與多道分析器單道與多道單道是一種選擇指定幅度脈沖的儀器方法。多道是模擬很多個單道的儀器方法。多道分析器

理論上，每一個入射的光子都會在PMT上產(chǎn)生一個輸出的脈沖，其幅度的大小與能量相關(guān)。如果以橫坐標(biāo)為能量值，縱坐標(biāo)為測量時間內(nèi)的累計(jì)計(jì)數(shù)值，則可以反映出在測量時間內(nèi)，入射射線中各種不同能量的光子在數(shù)量上的相對分布。這就是能譜圖。也就是不同能量的入射射線在強(qiáng)度上的分布。多道譜儀采用ADC變換，將信號的幅度數(shù)字化。然后將相同幅度的信號累加計(jì)數(shù)，存放在一個存儲單元內(nèi)。存儲單元的地址就是所謂的“道”。這樣就可以用計(jì)算機(jī)來處理了。能譜表達(dá)能譜表達(dá)能量分辨率：盡管入射射線的能量單一，但由于系統(tǒng)的問題，信號的幅度表現(xiàn)為一定的漲落，在能譜上表現(xiàn)為一定的“展寬”，是一種“誤差”，并影響到分辨相鄰能量的能力。能量刻度：由于橫坐標(biāo)（能量）實(shí)際上是由信號脈沖幅度代表的，所以系統(tǒng)輸出的信號幅度是否與實(shí)際的能量線性相關(guān)便十分重要。光電峰——入射光子能量全部沉積在晶體內(nèi)，多次效應(yīng)的總和。全能峰康普頓峰——散射光子逃逸，能譜上反映的是反沖電子能量。反散射峰——入射光子在晶體之外發(fā)生康普頓散射后再進(jìn)入晶體（相當(dāng)于另一個入射光子）。理想能譜與實(shí)際測量結(jié)果的差別Cs137：主要為0.661MeV的γ射線NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀譜形的分析光電峰：由于吸收了全部入射射線的能量，其位置與入射射線的能量對應(yīng)?？灯疹D峰：由于是散射后的能量，所以一定是在光電峰的左邊。反散射峰：是180°的散射結(jié)果，可以計(jì)算出它的能量值，用于能量刻度。注意反散射峰的形成機(jī)制。能譜（定量關(guān)系）光電效應(yīng)康普頓散射效應(yīng)電子對效應(yīng)反沖電子：散射光子：NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀能量分辨率、峰康比、線性等各項(xiàng)指標(biāo)二、γ射線的吸收與物質(zhì)吸收

系數(shù)μ的測定一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私猞蒙渚€與物質(zhì)相互作用的特性。了解窄束γ射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律，測量其在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)。二．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測量137Cs的γ射線（0.661MeV光電峰）在一組吸收片（鉛、鋁）中的吸收曲線，并計(jì)算線性吸收系數(shù)。根據(jù)測到的的吸收系數(shù)計(jì)算材料的厚度。光電效應(yīng)康普頓散射電子對效應(yīng)

入射光子被吸收，其能量被電子接收，并轉(zhuǎn)為自由電子。

入射光子與電子發(fā)生散射，損失部分能量轉(zhuǎn)移給電子。

如果入射光子的能量>1.02MeV（兩個電子的靜止質(zhì)量），就可能發(fā)生光子轉(zhuǎn)換為兩個電子的情況（正負(fù)電子對）。γ射線的三種基本作用γ射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律（宏觀）：

I=I0e–μx線性吸收系數(shù)：μ=μph+μc+μp其中：μph——光電效應(yīng)；

μc——康普頓效應(yīng)；

μp——電子對效應(yīng)。均與射線能量、