NaI(TI)閃爍譜儀系列實驗

__NaI(TI)閃耀譜儀試驗一、引言閃耀探測器是利用某些物質在射線作用下受激發(fā)光的特性來探測射線的儀NaI(TI)閃耀譜儀的原NaI(TI)閃耀譜儀的使用方法和—射線能譜的刻度，學會NaI(TI)閃耀譜儀的應用。二、試驗原理1、射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用主要是光電效應、康普頓散射和正、負電子對產生三種過程。光電效應：入射粒子把能量全部轉移給原子中的束縛電子，而把束縛電E1一般遠小于入射E，所以光電子的動能近似等于入射射線的能量E=E光電

EE1 光子能量為h，散射光子能量為h”，則反沖康普頓電子的動能Err康普頓散射后散射光子能量與散射角的關系為

1

h1cos hmc2e為入射射線能量與電子靜止質量之比。由上式可得，當0h”h。Ee

180

h ，12這時康普頓電子的能量最大，為Eemax

212所以康普頓電子能量在0至h 2 之間變化。12正、負電子對產生：當射線能量超過2m0

c2(1.022MeV時，光子受原子射線的能量越大，產0.511MeV的光子。2、核衰變的統(tǒng)計規(guī)律〔例如放射源的半衰誤差等，每次的測量結果并不完全一樣，而是圍圍著其平均值上下漲落，有時甚至有較大的差異。這種現象就叫做放射性計數的統(tǒng)計性。t=0的總數是N

0tt內衰變的概率為p1et，不衰變的概率為q1pet。是該放射性原子核的衰變常數。利用二項式分布可以得到在t時間內有n個核發(fā)生衰變的概率pn為0pn N0

t

n

t

NnN n!n!0在t時間內，衰變掉的粒子平均數為0 0其相應的均方根差為Npq0m(1p) Npq0m(1p) me t 2假設t 1，即時間t遠比半衰期小，這時可以簡化為mmN總是一個很大的數目而且假設滿足t 1則二項式分布可以簡化為泊0N100p0.010泊松分布能很好的近似于二項式分布，此時pn

mnemn!在泊松分布中，n〔3四周時，p(n)m；m趨近于對稱。當m20時，泊松分布一般就可用正態(tài)〔高斯〕分布來代替：pn

1 nm22e 22式中2m，pn是在n處的概率密度值。M及均方根差這兩個參數，它N=M，見圖。對于M0，1,這種分布成為標準正態(tài)分布。一般的概率統(tǒng)計書上給出的正態(tài)分布數值表都是對應于標準正態(tài)分布的。N~NdN內的概率為 1

NM22p N dN2

e 2 dN為了計算便利，需作如下的變量置換〔稱標準化，令NM z 則 1

2

1 z222p N dN e22d e 2222e d2而2e d20

z2 稱為正態(tài)分布概率積分。假設我們對某一放射源進展屢次重復測量，得到一組數據，其平均值為N，N那么計數值落在N〔即N 范圍內的概率為NN

dN

NN

1 NN22e 22 dN2N NNzNN

來置換之，并查表，上式即為11

1 12ez22 2ez2這就是說，在某試驗條件下進展單次測量，假設計數值為NN1N

〔來自一個正態(tài)分布總體N1

68.3%；或者反過N來說，在N 范圍內包含真值的概率是68.3%。實質上，從正態(tài)分布的特點NN1來看，由于消滅概率較大的計數值與平均值N的偏差較小，可以用N1

來代替N，對于單次測量值NN1

1

范圍內包含真值的概率N168.3%，這樣用單次測量值就大體上確定了真值所在的范圍，這種由于放射N1N所以用均方根差〔也稱標準偏差〕 來表示。當承受標準偏差表示表示放N射性的單次測量值N1

時，則可以表示為N1

N1

NN1N

。用數理統(tǒng)N1〔NN2N3時，相應的置信概率分別為95.599.7%。N13、閃耀譜儀構造與工作原理NaI(TI〔射極跟隨器，高壓電源，線性放大器、多道脈沖幅度分析器幾局部組成。射線射線現在閃耀體內產生光電子、康普頓電子及正、負電子對〔V，然后這些電子使閃耀體內的分〔產沖幅度分析器可以測定入射射線的能譜。4、譜儀組件性能一般介紹閃耀體：閃耀體時用來把射線能量轉變?yōu)楣饽艿?。閃耀體分無機閃耀和有試驗中承受含鉈〔TI〕NaI晶體做射線的探測器。K、收集電子的陽A〔又稱倍增極、打拿極或者聯(lián)極〕構成，相鄰的兩個電極之間的電位差一般在100VD1上，D13~6D1和D2之D23~5，……這樣經過n電壓脈沖。能量區(qū)分率：由于形成陽極電流脈沖之前的各種過程的統(tǒng)計性質，對應于計數率隨脈沖幅度分布的半寬度U 與計數率最大值對應的脈沖幅度U 之比1/2 0定義為能量區(qū)分。由于粒子能量與脈沖幅度成正比，所以能量區(qū)分率U 1/2U0

EE影響能量區(qū)分率的主要因素有：①同一能量的粒子在閃耀體中產生的光子數目不同。這是由于閃耀體發(fā)光過程的統(tǒng)計漲落；閃耀體的非均性使不同點的發(fā)光效率不同；入射粒子穿過晶體的角度、位置不同所帶來的在晶體內損失能量的不同。②粒子的入射位置不同，閃耀體所發(fā)出的光能到達光陰極的收集效率也不同。③光陰極外表的不均勻性，陰極的不同位置放射光電子的效率不同。④光陰極放射光電子數和光電倍增管的倍增系數的統(tǒng)計漲落。NaI(TI)晶體對137Cs0.662MeV的6%~8%。5、閃耀譜儀對137Cs單能射線的響應。13Cs只放出單一能量的〔EV1.02MeVCs的NaI(TI)晶體的相互作用只有光電效應和康普頓散射兩個過程，圖給出了用NaI(TI)晶體譜儀所測得的137Cs的11假設康普頓散射產生的散射光子hNaI(TI即通過光電效應把散射光子的能量h轉換成光電子能量，而這個光電子也將對Ehh射線的能量。11號峰又稱為全能峰。2NaI180°的康普頓散射，反散射的光子返回晶體，與晶體發(fā)生光電效應所形成的。返回散射光子能量hE

E

2反散射峰有奉獻。圖中能量最小的那個峰是應為137Cs的衰變子體137Ba在退激時，可能不發(fā)生BaK電子打出，這一過程將導致發(fā)生BaKXBaK〔32KeV。137Cs的譜是比較典型的，常用137Cs作為標準源，一方面用來檢驗譜儀的能量區(qū)分率，另一方面作為射線能量測量的相對標準。6、閃耀譜儀的能量線性關系利用閃耀譜儀做射線能量測定時，最根本的要求是在入射射線的能量和〔指全能峰的位置NaI(TI)閃耀譜儀在較寬的能量范圍內〔100keV1300keV〕是近似線性的。這是利用該譜儀進展射線能量分析與推斷未知放射性核素的重要依據。通常，在試驗上利用系列標準源，測量相應全能量峰處的脈沖幅度，建立射線能量及其對應峰位的關系曲線，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的一條直線，即ExpGxp0xp為全能峰位〔峰道址E0G為增益〔即單位脈沖幅度對應的能量137C〔V和60C〔V，1.33MeV〕來作，如下圖。試驗中欲得到較抱負的線性，還要留意放大器和進展刻度。7、探測效率設S譜儀的探測效率為，可以用下式表示：nS〔1.1-15〕S射線放射強度，n義的探測效率稱作源峰探測效率，nnNtN，tNl，r側的峰谷處，如下圖。②求得峰內各道計數的總和Iii1

B1I2l

Irl1rN=T-B2T1rl3BN 28、輻射強度測量N和待測樣的全能峰面積N，0 x設標準源的強度為S，待測樣的強度為S，則有0 xNS xSx N 001輻射的能量和強度測量一、試驗目的NaTl閃耀譜儀的組成，根本特性及使用方法。把握測量射線的能量和強度的根本方法。二、試驗內容及步驟UMS。選擇適宜的高壓和放大倍數，測量137Cs標準源在三組不同測量時間下的能〔本試驗取測量時間分別為t300s,400s,500s〕測量60Co標準源的能譜，并依據測量結果對譜儀進展能量刻度，求出式ExGxE中的常數G和E 。p p 0 00，再關機。三、數據記錄及處理137Cs在不同測量時間下的能譜依據得到的試驗數據，得到t300s,400s,500s下137Cs的能譜如下。圖1 s下s的γ能譜圖2 t=400s下137Cs的γ能譜圖3 t=500s下137Cs的γ能譜不同測量時間下的峰位信息如下表所示測量時間t/s峰位半高寬凈面積/%300255.2330.362148511.90400252.1530.132763211.95500250.7230.723565312.28表1不同測量時間下從峰位信息中可以得到如下幾個結論：①峰的位置根本不變。這種狀況簡潔理解，由于峰的位置對應的就是粒子的能量，而放射源放出的粒子能量是肯定的，所以峰的位置也根本不變。粒子是原子核能級躍遷產生的，而原子核能級有肯定寬度，所以躍遷產生的粒子能量也有肯定差異，顯示在峰不變。t變產生的粒子數的平均值為mNpN1et0 0在t 1時，

mN1etNt0 0即測量時間越長，衰變產生的粒子數越多，由于全能峰的面積反映的就是粒子數，所以峰面積也就越大。能量刻度曲線首先，得到60Co的能譜如以下圖圖4 能譜中兩個峰的峰位分別為x 450.34和x 501.00對應粒子的能量p p分別是1.17MeV和1.33MeV，結合t=300s下137Cs的能譜x 255.23，pE0.662MeV，可得到能量刻度曲線上的三個點255.23450.34501.000.6621.171.33xpExpE/MeV作出能量刻度曲線如圖5能量刻度曲線

Exp

0.00269xp

0.02632(MeV)所以能量刻度曲線中兩個參數的值分別為G0.00269MeV。E0.02632MeV0四、思考題射線與物質有哪三種主要作用，各有什么特點？答：射線與物質的三種主要作用是：光電效應，康普頓散射和正負電子對的產生?？灯疹D散射過程中，光子通過碰撞作用將一局部動能傳遞給電子，電子獲獲得肯定動能，滿足動量守恒定律。正負電子對產生過程中，光子自身轉化為正負電子對，電子動能為光子能并且滿足動量守恒定律。答：有兩方面的奉獻。一是光電效應形成的光電子，其能量為h。e二是康普頓散射過程中被散射的光子在閃耀體中發(fā)生光電作用產生的光電子e生奉獻。

h”h，二者加在一起的脈沖對全能峰產因此，全能峰的能量正