NaI(TI)閃爍譜儀系列實驗

...wd......wd......wd...NaI(TI)閃爍譜儀實驗一、引言閃爍探測器是利用某些物質(zhì)在射線作用下受激發(fā)光的特性來探測射線的儀器。它們的主要優(yōu)點是：既能探測各種帶電粒子，又能探測中性粒子；既能測量粒子強度，又能測量粒子能量；且探測效率高，分辨時間短。它在核物理研究和放射性同位素測量中得到廣泛的應(yīng)用。本實驗?zāi)康氖橇私釴aI(TI)閃爍譜儀的原理、特性與構(gòu)造，掌握NaI(TI)閃爍譜儀的使用方法和—射線能譜的刻度，學(xué)會NaI(TI)閃爍譜儀的應(yīng)用。二、實驗原理1、射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用主要是光電效應(yīng)、康普頓散射和正、負電子對產(chǎn)生三種過程?！?〕光電效應(yīng)：入射粒子把能量全部轉(zhuǎn)移給原子中的束縛電子，而把束縛電子打出來形成光電子。由于束縛電子的電離能一般遠小于入射射線能量，所以光電子的動能近似等于入射射線的能量〔2〕康普頓散射：核外電子與入射射線發(fā)生康普頓散射示意如圖。設(shè)入射光子能量為，散射光子能量為，則反沖康普頓電子的動能康普頓散射后散射光子能量與散射角的關(guān)系為為入射射線能量與電子靜止質(zhì)量之比。由上式可得，當時，。這時，即不發(fā)生散射；當時，散射光子能量最小，它等于，這時康普頓電子的能量最大，為所以康普頓電子能量在0至之間變化?！?〕正、負電子對產(chǎn)生：當射線能量超過時，光子受原子核或電子的庫倫場的作用可能轉(zhuǎn)化成正、負電子對。入射射線的能量越大，產(chǎn)生正、負電子對的幾率也越大。在物質(zhì)中正電子的壽命是很短的，當它在物質(zhì)中消耗盡自己的動能，便同物質(zhì)原子中的軌道電子發(fā)生湮沒反響而變成一對能量各位0.511MeV的光子。2、核衰變的統(tǒng)計規(guī)律在重復(fù)的放射性測量中，即使保持完全一樣的實驗條件〔例如放射源的半衰期足夠長，在實驗時間內(nèi)可以認為其活度根本上沒有變化；源與探測器的相對位置始終保持不變；每次測量時間不變；測量儀器足夠準確，不會產(chǎn)生其他的附加誤差等〕，每次的測量結(jié)果并不完全一樣，而是圍繞著其平均值上下漲落，有時甚至有較大的差異。這種現(xiàn)象就叫做放射性計數(shù)的統(tǒng)計性。放射性計數(shù)的這種統(tǒng)計性反映了放射性原子核衰變本身固有的特性，與使用的測量儀器及技術(shù)無關(guān)。放射性原子核衰變的統(tǒng)計分布可以根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計分布的理論來推導(dǎo)。放射性原子核衰變的過程是一個相互獨立彼此無關(guān)的過程，即每一個原子核的衰變是完全獨立的，和別的原子核是否衰變沒有關(guān)系，而且哪一個原子核先衰變，哪一個原子核后衰變也是純屬偶然的，并無一定的次序，因此放射性原子核的衰變可以看成是一種伯努里實驗問題。設(shè)在t=0時，放射性原子核的總數(shù)是，在t時間內(nèi)將有一局部核發(fā)生了衰變。任何一個核在t時間內(nèi)衰變的概率為，不衰變的概率為。是該放射性原子核的衰變常數(shù)。利用二項式分布可以得到在時間內(nèi)有個核發(fā)生衰變的概率為在時間內(nèi)，衰變掉的粒子平均數(shù)為其相應(yīng)的均方根差為假設(shè)，即時間遠比半衰期小，這時可以簡化為總是一個很大的數(shù)目，而且如果滿足，則二項式分布可以簡化為泊松分布，因為在二項式分布中，不小于100，而且p不大于0.01的情況下，泊松分布能很好的近似于二項式分布，此時在泊松分布中，n的取值范圍為所有的正整數(shù)〔0,1,2,3……〕，并且在n=m附近時，p(n)有一極大值；當m較小時，分布是不對稱的；m較大時，分布漸趨近于對稱。當時，泊松分布一般就可用正態(tài)〔高斯〕分布來代替：式中，是在處的概率密度值。由上式可以看出，正態(tài)分布決定于平均值M及均方根差這兩個參數(shù)，它對稱于N=M，見圖。對于，,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(shù)值表都是對應(yīng)于標準正態(tài)分布的。計數(shù)值處于內(nèi)的概率為為了計算方便，需作如下的變量置換〔稱標準化〕，令則而稱為正態(tài)分布概率積分。如果我們對某一放射源進展屢次重復(fù)測量，得到一組數(shù)據(jù)，其平均值為，那么計數(shù)值落在〔即范圍內(nèi)的概率為用變量來置換之，并查表，上式即為這就是說，在某實驗條件下進展單次測量，如果計數(shù)值為〔來自一個正態(tài)分布總體〕，那么我們可以說落在，范圍內(nèi)的概率為68.3%；或者反過來說，在范圍內(nèi)包含真值的概率是68.3%。實質(zhì)上，從正態(tài)分布的特點來看，由于出現(xiàn)概率較大的計數(shù)值與平均值的偏差較小，可以用來代替，對于單次測量值，可以近似地說，在范圍內(nèi)包含真值的概率是68.3%，這樣用單次測量值就大體上確定了真值所在的范圍，這種由于放射性衰變的統(tǒng)計性而引起的誤差，叫做統(tǒng)計誤差。放射性統(tǒng)計漲落服從于正態(tài)分布，所以用均方根差〔也稱標準偏差〕來表示。當采用標準偏差表示表示放射性的單次測量值時，則可以表示為。用數(shù)理統(tǒng)計的術(shù)語來說，將68.3%稱為“置信概率〞〔或者叫做“置信度〞〕，相應(yīng)的“置信區(qū)間〞即，當置信區(qū)間為，時，相應(yīng)的置信概率分別為95.5%和99.7%。3、閃爍譜儀構(gòu)造與工作原理NaI(TI)閃爍譜儀構(gòu)造如以下列圖。整個儀器由探頭〔包括閃爍體、光電倍增管、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。射線通過閃爍體時，閃爍體的發(fā)光強度與射線在閃爍體內(nèi)損失的能量成正比。帶電粒子通過閃爍體時，將引起大量的分子或原子的激發(fā)和電離，這些受激的分子或原子由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時就放出光子，不帶電的射線現(xiàn)在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生光電子、康普頓電子及正、負電子對〔當>1.02MeV時〕，然后這些電子使閃爍體內(nèi)的分子或原子激發(fā)和電離而發(fā)光。閃爍體發(fā)出的光子被閃爍體外的光反射層反射，會聚到光電倍增管的光電陰極上，打出光電子。光陰極上打出的光電子在光電倍增管中倍增出大量電子，最后為陽極吸收形成電壓脈沖。每產(chǎn)生一個電壓脈沖就表示有一個粒子進入探測器，由于電壓脈沖幅度與粒子在閃爍體內(nèi)消耗的能量〔產(chǎn)生的光強〕成正比，所以根據(jù)脈沖幅度的大小可以確定入射粒子的能量。利用脈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〔1〕閃爍體：閃爍體時用來把射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿?。閃爍體分無機閃爍和有機閃爍體兩大類。實際運用中依據(jù)不同的探測對象和要求選擇不同的閃爍體。本實驗中采用含鉈〔TI〕的NaI晶體做射線的探測器?！?〕光電倍增管：光電倍增管的構(gòu)造如以下列圖。它由光陰極K、收集電子的陽極A與在陽極與光陰極之間十個左右能發(fā)射二次電子的次陰極〔又稱倍增極、打拿極或者聯(lián)極〕構(gòu)成，相鄰的兩個電極之間的電位差一般在100V左右。當閃爍體發(fā)出的光子到達光陰極時，它打出的光電子被加速聚焦到第一倍增極D1上，平均每個光電子在D1上打出了3~6個次級電子，增殖的電子又為D1和D2之間的電場加速，打到第二個倍增極D2上，平均每個電子又打出3~5個次級電子，……這樣經(jīng)過n級倍增后，在陽極上就收集到大量的電子，在負載上形成一個電壓脈沖?！?〕能量分辨率：由于形成陽極電流脈沖之前的各種過程的統(tǒng)計性質(zhì)，對應(yīng)于某一定能量的粒子，光電倍增管的輸出脈沖的幅度的大小仍有起伏，通常把脈沖計數(shù)率隨脈沖幅度分布的半寬度與計數(shù)率最大值對應(yīng)的脈沖幅度之比定義為能量分辨。由于粒子能量與脈沖幅度成正比，所以能量分辨率影響能量分辨率的主要因素有：=1\*GB3①同一能量的粒子在閃爍體中產(chǎn)生的光子數(shù)目不同。這是由于a.閃爍體發(fā)光過程的統(tǒng)計漲落；b.閃爍體的非均性使不同點的發(fā)光效率不同；c.入射粒子穿過晶體的角度、位置不同所帶來的在晶體內(nèi)損失能量的不同。=2\*GB3②粒子的入射位置不同，閃爍體所發(fā)出的光能到達光陰極的收集效率也不同。=3\*GB3③光陰極外表的不均勻性，陰極的不同位置發(fā)射光電子的效率不同。=4\*GB3④光陰極發(fā)射光電子數(shù)和光電倍增管的倍增系數(shù)的統(tǒng)計漲落。=5\*GB3⑤光電倍增管的本底脈沖噪聲將疊加在入射粒子的脈沖信號上使之發(fā)生漲落。NaI(TI)晶體對的0.662MeV的射線能量分辨率為6%~8%。5、閃爍譜儀對單能射線的響應(yīng)。只放出單一能量的射線〔=0.662MeV〕，此射線能量小于正、負電子對的產(chǎn)生閾1.02MeV，所以Cs的射線于NaI(TI)晶體的相互作用只有光電效應(yīng)和康普頓散射兩個過程，圖給出了用NaI(TI)晶體譜儀所測得的的能譜，其中1號峰相應(yīng)于光電峰，1號峰左面的平臺相應(yīng)于康普頓電子的奉獻。如果康普頓散射產(chǎn)生的散射光子未逸出晶體，仍然為NaI(TI)晶體所吸收，也即通過光電效應(yīng)把散射光子的能量轉(zhuǎn)換成光電子能量，而這個光電子也將對輸出脈沖作奉獻。由于上述整個過程是在很短的時間內(nèi)完成的，這個時間比探測器形成的一個脈沖所需的時間短得很多，所以先產(chǎn)生的康普頓電子和后產(chǎn)生的光電子，二者對輸出脈沖的奉獻是疊加在一起形成一個脈沖，這個脈沖幅度所對應(yīng)的能量，是這兩個電子的能量值和，即。即等于入射射線的能量。所以這一過程所形成的脈沖將疊加在光電峰1之上使之增高。為了確切起見，1號峰又稱為全能峰。上圖的康普頓電子平臺上還出現(xiàn)一個2號峰，它是由于入射射線穿過NaI晶體，到達光電倍增管上發(fā)生180°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(yīng)所形成的。返回散射光子能量，所以2號峰成為反散射峰。當讓射線在源襯底、源容器材料上的反散射也會對反散射峰有奉獻。圖中能量最小的那個峰是應(yīng)為的衰變子體在退激時，可能不發(fā)生射線，而是通過內(nèi)轉(zhuǎn)過程，把Ba的K電子打出，這一過程將導(dǎo)致發(fā)生Ba的K系X射線，所以這個峰對應(yīng)于Ba的K系射線的能量〔32KeV左右〕。的譜是比擬典型的，常用作為標準源，一方面用來檢驗譜儀的能量分辨率，另一方面作為射線能量測量的相對標準。6、閃爍譜儀的能量線性關(guān)系利用閃爍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它產(chǎn)生的脈沖幅度〔指全能峰的位置〕之間有確定的關(guān)系；對于理想的閃爍譜儀，脈沖幅度與能量之間應(yīng)是線性關(guān)系；對于實際NaI(TI)閃爍譜儀在較寬的能量范圍內(nèi)〔100keV到1300keV〕是近似線性的。這是利用該譜儀進展射線能量分析與判斷未知放射性核素的重要依據(jù)。通常，在實驗上利用系列標準源，測量相應(yīng)全能量峰處的脈沖幅度，建設(shè)射線能量及其對應(yīng)峰位的關(guān)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，即式中為全能峰位〔峰道址〕；-為直線截距；為增益〔即單位脈沖幅度對應(yīng)的能量〕。能量刻度曲線可以選用標準源〔0.662MeV〕和〔1.17MeV，1.33MeV〕來作，如以下列圖。實驗中欲得到較理想的線性，還要注意放大器和多道分析器甄別閾的線性，進展必要的檢測與調(diào)整。此外，實驗條件變化時應(yīng)重新進展刻度。7、探測效率設(shè)源的發(fā)射強度為S，譜儀的探測效率為，可以用下式表示：〔1.1-15〕式中的S為射線發(fā)射強度，n為全能峰的總計數(shù)率，用這種方法定義的探測效率稱作源峰探測效率，n可以用下式求得：式中N為全能峰的凈計數(shù)，t為計數(shù)時間。全能峰的凈計數(shù)N可采用全能峰面積法來計算具體步驟如下：=1\*GB3①選定所求的全能峰，在全能峰選定左，右兩個邊界道址l，r一般選在峰兩側(cè)的峰谷處，如以下列圖。=2\*GB3②求得峰內(nèi)各道計數(shù)的總和=3\*GB3③計算本底計數(shù)=4\*GB3④計算凈計數(shù)N=T-B及統(tǒng)計誤差8、輻射強度測量在一樣條件下，分別測得標準源的全能峰面積和待測樣的全能峰面積，設(shè)標準源的強度為，待測樣的強度為，則有實驗1輻射的能量和強度測量一、實驗?zāi)康?.了解閃爍譜儀的組成，根本特性及使用方法。2.掌握測量射線的能量和強度的根本方法。二、實驗內(nèi)容及步驟1.檢查實驗裝置，翻開電源，進入多道分析程序UMS。2.選擇適宜的高壓和放大倍數(shù)，測量標準源在三組不同測量時間下的能譜，并計算對應(yīng)的峰面積和能量分辨率?！脖緦嶒炄y量時間分別為〕3.測量標準源的能譜，并根據(jù)測量結(jié)果對譜儀進展能量刻度，求出式中的常數(shù)和。4.測量完畢，先把高壓降至0，再關(guān)機。三、數(shù)據(jù)記錄及處理1.在不同測量時間下的能譜根據(jù)得到的實驗數(shù)據(jù)，得到下的能譜如下。圖1t=300s下137Cs的γ能譜圖2t=400s下137Cs的γ能譜圖3t=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峰位半高寬凈面積分辨率/%300255.2330.362148511.90400252.1530.132763211.95500250.7230.723565312.28表1不同測量時間下137Csγ能譜的峰位信息從峰位信息中可以得到如下幾個結(jié)論：=1\*GB3①峰的位置根本不變。這種情況容易理解，因為峰的位置對應(yīng)的就是粒子的能量，而放射源放出的粒子能量是一定的，所以峰的位置也根本不變。=2\*GB3②峰有一定寬度且寬度根本不變。這是因為粒子是原子核能級躍遷產(chǎn)生的，而原子核能級有一定寬度，所以躍遷產(chǎn)生的粒子能量也有一定差異，顯示在峰位上就是有峰寬。而核能級寬度根本不變，所以能量偏差也根本不變，即峰寬根本不變。=3\*GB3③峰面積隨測量時間逐漸增大。由核衰變的統(tǒng)計規(guī)律可知，在t時間內(nèi)，衰變產(chǎn)生的粒子數(shù)的平均值為在時，即測量時間越長，衰變產(chǎn)生的粒子數(shù)越多，由于全能峰的面積反映的就是粒子數(shù)，所以峰面積也就越大。2.能量刻度曲線首先，得到的能譜如以下列圖圖4t=300s下60Co的γ能譜能譜中兩個峰的峰位分別為和，對應(yīng)粒子的能量分別是1.17MeV和1.33MeV，結(jié)合t=300s下的能譜，，可得到能量刻度曲線上的三個點255.23450.34501.000.6621.171.33表2全能峰位和對應(yīng)能量作出能量刻度曲線如圖圖5能量刻度曲線擬合得到的曲線為所以能量刻度曲線中兩個參數(shù)的值分別為。四、思考題1.射線與物質(zhì)有哪三種主要作用，各有什么特點答：射線與物質(zhì)的三種主要作用是：光電效應(yīng)，康普頓散射和正負電子對的產(chǎn)生?！?〕光電效應(yīng)中，電子吸收光子全部能量，電子獲得的能量一方面抑制束縛能，一方面轉(zhuǎn)化成電子動能。作用完畢后光子消失，只