NaI(TI)閃爍譜儀系列實(shí)驗(yàn)

...wd......wd......wd...NaI(TI)閃爍譜儀實(shí)驗(yàn)一、引言閃爍探測(cè)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(cè)射線的儀器。它們的主要優(yōu)點(diǎn)是：既能探測(cè)各種帶電粒子，又能探測(cè)中性粒子；既能測(cè)量粒子強(qiáng)度，又能測(cè)量粒子能量；且探測(cè)效率高，分辨時(shí)間短。它在核物理研究和放射性同位素測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)?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(huì)NaI(TI)閃爍譜儀的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)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(fù)電子對(duì)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(yuǎn)小于入射射線能量，所以光電子的動(dòng)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(dòng)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(dāng)時(shí)，。這時(shí)，即不發(fā)生散射；當(dāng)時(shí)，散射光子能量最小，它等于，這時(shí)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(fù)電子對(duì)產(chǎn)生：當(dāng)射線能量超過時(shí)，光子受原子核或電子的庫(kù)倫場(chǎng)的作用可能轉(zhuǎn)化成正、負(fù)電子對(duì)。入射射線的能量越大，產(chǎn)生正、負(fù)電子對(duì)的幾率也越大。在物質(zhì)中正電子的壽命是很短的，當(dāng)它在物質(zhì)中消耗盡自己的動(dòng)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(duì)能量各位0.511MeV的光子。2、核衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律在重復(fù)的放射性測(cè)量中，即使保持完全一樣的實(shí)驗(yàn)條件〔例如放射源的半衰期足夠長(zhǎng)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)可以認(rèn)為其活度根本上沒有變化；源與探測(cè)器的相對(duì)位置始終保持不變；每次測(cè)量時(shí)間不變；測(cè)量?jī)x器足夠準(zhǔn)確，不會(huì)產(chǎn)生其他的附加誤差等〕，每次的測(cè)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(shí)甚至有較大的差異。這種現(xiàn)象就叫做放射性計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)性。放射性計(jì)數(shù)的這種統(tǒng)計(jì)性反映了放射性原子核衰變本身固有的特性，與使用的測(cè)量?jī)x器及技術(shù)無關(guān)。放射性原子核衰變的統(tǒng)計(jì)分布可以根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分布的理論來推導(dǎo)。放射性原子核衰變的過程是一個(gè)相互獨(dú)立彼此無關(guān)的過程，即每一個(gè)原子核的衰變是完全獨(dú)立的，和別的原子核是否衰變沒有關(guān)系，而且哪一個(gè)原子核先衰變，哪一個(gè)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(shí)驗(yàn)問題。設(shè)在t=0時(shí)，放射性原子核的總數(shù)是，在t時(shí)間內(nèi)將有一局部核發(fā)生了衰變。任何一個(gè)核在t時(shí)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(xiàng)式分布可以得到在時(shí)間內(nèi)有個(gè)核發(fā)生衰變的概率為在時(shí)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(shí)間遠(yuǎn)比半衰期小，這時(shí)可以簡(jiǎn)化為總是一個(gè)很大的數(shù)目，而且如果滿足，則二項(xiàng)式分布可以簡(jiǎn)化為泊松分布，因?yàn)樵诙?xiàng)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(xiàng)式分布，此時(shí)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(shí)，p(n)有一極大值；當(dāng)m較小時(shí)，分布是不對(duì)稱的；m較大時(shí)，分布漸趨近于對(duì)稱。當(dāng)時(shí)，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(gè)參數(shù)，它對(duì)稱于N=M，見圖。對(duì)于，,這種分布成為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。一般的概率統(tǒng)計(jì)書上給出的正態(tài)分布數(shù)值表都是對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的。計(jì)數(shù)值處于內(nèi)的概率為為了計(jì)算方便，需作如下的變量置換〔稱標(biāo)準(zhǔn)化〕，令則而稱為正態(tài)分布概率積分。如果我們對(duì)某一放射源進(jìn)展屢次重復(fù)測(cè)量，得到一組數(shù)據(jù)，其平均值為，那么計(jì)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(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)展單次測(cè)量，如果計(jì)數(shù)值為〔來自一個(gè)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(shí)質(zhì)上，從正態(tài)分布的特點(diǎn)來看，由于出現(xiàn)概率較大的計(jì)數(shù)值與平均值的偏差較小，可以用來代替，對(duì)于單次測(cè)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(cè)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(jì)性而引起的誤差，叫做統(tǒng)計(jì)誤差。放射性統(tǒng)計(jì)漲落服從于正態(tài)分布，所以用均方根差〔也稱標(biāo)準(zhǔn)偏差〕來表示。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示表示放射性的單次測(cè)量值時(shí)，則可以表示為。用數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(dāng)置信區(qū)間為，時(shí)，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(gè)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(shí)，閃爍體的發(fā)光強(qiáng)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(shí)，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(shí)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(fù)電子對(duì)〔當(dāng)>1.02MeV時(shí)〕，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(huì)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(yáng)極吸收形成電壓脈沖。每產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖就表示有一個(gè)粒子進(jìn)入探測(cè)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(qiáng)〕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(cè)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(shí)用來把射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿?。閃爍體分無機(jī)閃爍和有機(jī)閃爍體兩大類。實(shí)際運(yùn)用中依據(jù)不同的探測(cè)對(duì)象和要求選擇不同的閃爍體。本實(shí)驗(yàn)中采用含鉈〔TI〕的NaI晶體做射線的探測(cè)器。〔2〕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(yáng)極A與在陽(yáng)極與光陰極之間十個(gè)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(gè)電極之間的電位差一般在100V左右。當(dāng)閃爍體發(fā)出的光子到達(dá)光陰極時(shí)，它打出的光電子被加速聚焦到第一倍增極D1上，平均每個(gè)光電子在D1上打出了3~6個(gè)次級(jí)電子，增殖的電子又為D1和D2之間的電場(chǎng)加速，打到第二個(gè)倍增極D2上，平均每個(gè)電子又打出3~5個(gè)次級(jí)電子，……這樣經(jīng)過n級(jí)倍增后，在陽(yáng)極上就收集到大量的電子，在負(fù)載上形成一個(gè)電壓脈沖。〔3〕能量分辨率：由于形成陽(yáng)極電流脈沖之前的各種過程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，對(duì)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(jì)數(shù)率隨脈沖幅度分布的半寬度與計(jì)數(shù)率最大值對(duì)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(jì)漲落；b.閃爍體的非均性使不同點(diǎn)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(dá)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(jì)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(hào)上使之發(fā)生漲落。NaI(TI)晶體對(duì)的0.662MeV的射線能量分辨率為6%~8%。5、閃爍譜儀對(duì)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(fù)電子對(duì)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(gè)過程，圖給出了用NaI(TI)晶體譜儀所測(cè)得的的能譜，其中1號(hào)峰相應(yīng)于光電峰，1號(hào)峰左面的平臺(tái)相應(yīng)于康普頓電子的奉獻(xiàn)。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(gè)光電子也將對(duì)輸出脈沖作奉獻(xiàn)。由于上述整個(gè)過程是在很短的時(shí)間內(nèi)完成的，這個(gè)時(shí)間比探測(cè)器形成的一個(gè)脈沖所需的時(shí)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(duì)輸出脈沖的奉獻(xiàn)是疊加在一起形成一個(gè)脈沖，這個(gè)脈沖幅度所對(duì)應(yīng)的能量，是這兩個(gè)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(hào)峰又稱為全能峰。上圖的康普頓電子平臺(tái)上還出現(xiàn)一個(gè)2號(hào)峰，它是由于入射射線穿過NaI晶體，到達(dá)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(hào)峰成為反散射峰。當(dāng)讓射線在源襯底、源容器材料上的反散射也會(huì)對(duì)反散射峰有奉獻(xiàn)。圖中能量最小的那個(gè)峰是應(yīng)為的衰變子體在退激時(shí)，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(gè)峰對(duì)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(biāo)準(zhǔn)源，一方面用來檢驗(yàn)譜儀的能量分辨率，另一方面作為射線能量測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。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(cè)定時(shí)，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(duì)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(duì)于實(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)上利用系列標(biāo)準(zhǔn)源，測(cè)量相應(yīng)全能量峰處的脈沖幅度，建設(shè)射線能量及其對(duì)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(diǎn)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(duì)應(yīng)的能量〕。能量刻度曲線可以選用標(biāo)準(zhǔn)源〔0.662MeV〕和〔1.17MeV，1.33MeV〕來作，如以下列圖。實(shí)驗(yàn)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(jìn)展必要的檢測(cè)與調(diào)整。此外，實(shí)驗(yàn)條件變化時(shí)應(yīng)重新進(jìn)展刻度。7、探測(cè)效率設(shè)源的發(fā)射強(qiáng)度為S，譜儀的探測(cè)效率為，可以用下式表示：〔1.1-15〕式中的S為射線發(fā)射強(qiáng)度，n為全能峰的總計(jì)數(shù)率，用這種方法定義的探測(cè)效率稱作源峰探測(cè)效率，n可以用下式求得：式中N為全能峰的凈計(jì)數(shù)，t為計(jì)數(shù)時(shí)間。全能峰的凈計(jì)數(shù)N可采用全能峰面積法來計(jì)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(gè)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(jì)數(shù)的總和=3\*GB3③計(jì)算本底計(jì)數(shù)=4\*GB3④計(jì)算凈計(jì)數(shù)N=T-B及統(tǒng)計(jì)誤差8、輻射強(qiáng)度測(cè)量在一樣條件下，分別測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)源的全能峰面積和待測(cè)樣的全能峰面積，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)源的強(qiáng)度為，待測(cè)樣的強(qiáng)度為，則有實(shí)驗(yàn)1輻射的能量和強(qiáng)度測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解閃爍譜儀的組成，根本特性及使用方法。2.掌握測(cè)量射線的能量和強(qiáng)度的根本方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1.檢查實(shí)驗(yàn)裝置，翻開電源，進(jìn)入多道分析程序UMS。2.選擇適宜的高壓和放大倍數(shù)，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)源在三組不同測(cè)量時(shí)間下的能譜，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的峰面積和能量分辨率。〔本實(shí)驗(yàn)取測(cè)量時(shí)間分別為〕3.測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)源的能譜，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)譜儀進(jìn)展能量刻度，求出式中的常數(shù)和。4.測(cè)量完畢，先把高壓降至0，再關(guān)機(jī)。三、數(shù)據(jù)記錄及處理1.在不同測(cè)量時(shí)間下的能譜根據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)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(cè)量時(shí)間下的峰位信息如下表所示測(cè)量時(shí)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(cè)量時(shí)間下137Csγ能譜的峰位信息從峰位信息中可以得到如下幾個(gè)結(jié)論：=1\*GB3①峰的位置根本不變。這種情況容易理解，因?yàn)榉宓奈恢脤?duì)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?yàn)榱Ｗ邮窃雍四芗?jí)躍遷產(chǎn)生的，而原子核能級(jí)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(jí)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(cè)量時(shí)間逐漸增大。由核衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律可知，在t時(shí)間內(nèi)，衰變產(chǎn)生的粒子數(shù)的平均值為在時(shí)，即測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)，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(gè)峰的峰位分別為和，對(duì)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(gè)點(diǎn)255.23450.34501.000.6621.171.33表2全能峰位和對(duì)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(gè)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(diǎn)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(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生。〔1〕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(dòng)能。作用完畢后光子消失，只