近代物理伽馬射線能譜的測量.doc

近代物理實(shí)驗(yàn)報告 NaI(TI)閃爍譜儀及射線能譜的測定學(xué) 院 數(shù)理與信息工程學(xué)院 班 級 * 姓 名 * 學(xué) 號 * 時 間 20* 年 * 月*日 NaI(TI)閃爍譜儀及射線能譜的測定【摘要】放射性物質(zhì)中含有許多不穩(wěn)定的原子。這些原子在核衰變時輻射出伽馬等射線和中子流等，并且具有一定的能量。伽馬射線是原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)或基態(tài)時所產(chǎn)生的一種輻射。實(shí)驗(yàn)中將了解NaI(Tl)單晶閃爍譜儀是如何測量射線的能譜，NaI(Tl)單晶閃爍譜儀的結(jié)構(gòu)、原理與特性；掌握NaI(Tl)單晶閃爍譜儀整套裝置的操作、調(diào)整和使用方法。并通過對137Cs和60Co 放射源能譜的測量，加深對射線與物質(zhì)相互作用的理解以及通過該實(shí)驗(yàn)了解多道脈沖幅度分析器在NaI(Tl)單晶譜測量中的數(shù)據(jù)采集及其基本功能。在第一個實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 采用NaI閃爍譜儀測全能峰的方法測量137Cs的射線在鉛、鋁材料中的吸收系數(shù)。并且通過實(shí)驗(yàn)對核試驗(yàn)安全防護(hù)的重要性有初步的認(rèn)識?！娟P(guān)鍵詞】射線 閃爍譜 能譜 統(tǒng)計(jì)漲落 分辨率【引言】 通過這個實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)之前，我有幾個關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的問題。第一：反閃射峰是怎么形成的？ 第二：一個未知的源，要確定其能量，實(shí)驗(yàn)應(yīng)該如何進(jìn)行？ 第三：NaI(TI)閃爍探測器的工作原理是什么？我希望通過實(shí)驗(yàn)后能夠把這些問題給弄明白?！菊摹恳籒a I ( Tl) 閃爍譜儀系統(tǒng)通過查閱相關(guān)資料，我了解了伽馬閃爍譜儀的基本工作原理以及整個的工作過程。NaI(TI)閃爍探測器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。整個譜儀由探頭（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等組成。探測器結(jié)構(gòu)閃爍探測器由閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子放大器件三個主要部分組成。（1）閃爍體: 閃爍體是用來把射線的能量轉(zhuǎn)變成光能的。本實(shí)驗(yàn)中采用含TI（鉈）的NaI晶體作射線的探測器。（2）光電倍增管: 光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖2。它由光陰極K、收集電子的陽極 A和在光陰極與陽極之間十個左右能發(fā)射二次電子的次陰極D（又稱倍增極、打拿極或聯(lián)極）構(gòu)成。在每個電極上加上正電壓，相鄰的兩個電極之間的電位差一般在100V左右。當(dāng)閃爍體放出的光子打到光陰極上時，發(fā)生光電效應(yīng)，打出的光電子被加速聚集到第一倍增極D1上，平均每個光電子在D1上打出36個次電子，增值后的電子又為D1和D2之間的電場加速，打到第二倍增極D2上，平均每個電子又打出36個次級電子，這樣經(jīng)過n級倍增以后，在陽極上就收集到大量的電子，在負(fù)載上形成一個電壓脈沖。（3）射極跟隨器：光電倍增管輸出負(fù)脈沖的幅度較小，內(nèi)阻較高。一般在探頭內(nèi)部安置一級射極跟隨器以減少外界干擾的影響，同時使之與線性放大器輸入端實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。（4）線性放大器：由于入射粒子的能量變化范圍很大，線性放大器的放大倍數(shù)能在101000倍范圍內(nèi)變化，對它的要求是穩(wěn)定性高、線性好和噪聲小。開啟實(shí)驗(yàn)儀器工作時射線通過閃爍體，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，即入射線的能量越大，在閃爍體內(nèi)損失能量越多，閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度也越大。當(dāng)射線（如、）進(jìn)入閃爍體時，在某一地點(diǎn)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（一般光譜范圍從可見光到紫外光，并且光子向四面八方發(fā)射出去）。在閃爍體周圍包以反射物質(zhì)，使光子集中向光電倍增管方向射出去，當(dāng)閃爍光子入射到光陰極上，就會產(chǎn)生光電子，這些光電子受極間電場加速和聚集，在各級打拿極上發(fā)生倍增（一個光電子最終可產(chǎn)生104109個電子），最后被陽級收集。大量電子會在陽極負(fù)載上建立起電信號，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)诫娮訉W(xué)儀器中去。由原子物理學(xué)中可知射線與物質(zhì)的相互作用主要是光電效應(yīng)、康普頓散射和正、負(fù)電子對產(chǎn)生這三種過程，如圖所示： 最終實(shí)現(xiàn)了能譜圖樣的輸出如下：圖中的橫坐標(biāo)CH表示道數(shù)，與能量成正比，縱坐標(biāo)表示強(qiáng)度，也就是射線的密集程度，與計(jì)數(shù)成正比。二. 能譜儀的特性1. 能量分辨率。由于閃爍晶體的發(fā)光效率、閃爍體與光電倍增管相應(yīng)匹配，光電本征管的性能指標(biāo)等因素都具有統(tǒng)計(jì)漲落，對應(yīng)于單一能量的粒子在閃爍探頭匯總所形成的脈沖信號仍有一定的分布范圍。通常利用的譜曲線的光電峰來測定能譜儀的分辨率其中式中是指計(jì)數(shù)率為峰值計(jì)數(shù)率一半處的光電峰寬度。如果能譜儀有良好的線性關(guān)系，即有，則可寫為分辨率表示能譜儀區(qū)分能量很靠近的兩個光電峰的本領(lǐng)。顯然越小越好。對于單晶NaI（Tl）作為探測器的能譜儀來說能譜儀來說，的一般在815%，最好的達(dá)到67%。2、 線性 反映輸出脈沖信號的幅度與入射粒子之間是否有良好的線性關(guān)系，Na（Tl）單晶能譜儀對能量為150KeV到6MeV的次級高能電子都具有良好的線性關(guān)系相應(yīng)。3）譜儀的穩(wěn)定性： 譜儀的能量分辨率，線性的正常與否與譜儀的穩(wěn)定性有關(guān)。因此在測量過程中，要求譜儀始終能正常的工作，如高壓電源，放大器的放大倍數(shù)，和單道脈沖分析器的甑別閾和道寬。如果譜儀不穩(wěn)定則會使光電峰的位置變化或峰形畸變。在測量過程中經(jīng)常要對137Cs的峰位，以驗(yàn)證測量數(shù)據(jù)的可靠性。為避免電子儀器隨溫度變化的影響，在測量前儀器必須預(yù)熱半小時。歸結(jié)起來，閃爍探測器的工作可分為五個相互聯(lián)系的過程：1) 射線進(jìn)入閃爍體，與之發(fā)生相互作用，閃爍體吸收帶電粒子能量而使原子、分子電離和激發(fā)；2) 受激原子、分子退激時發(fā)射熒光光子；3) 利用反射物和光導(dǎo)將閃爍光子盡可能多地收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應(yīng)，光子在光陰極上擊出光電子；4) 光電子在光電倍增管中倍增，數(shù)量由一個增加到104109個，電子流在陽極負(fù)載上產(chǎn)生電信號；5) 此信號由電子儀器記錄和分析。三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 用示波器觀察探頭及線性放大器的工作狀態(tài)。2、 測定的能譜 （1）首先選擇光電倍增管的工作電壓,應(yīng)選擇適當(dāng)，過低會影響譜儀的能量分辨率，過高會影響譜儀的線性。實(shí)驗(yàn)中，取700V左右為宜。此時用示波器觀察探頭的輸出信號，可看到穩(wěn)定的輸出脈沖信號的包絡(luò)。 （2）調(diào)節(jié)線性放大器的放大倍數(shù)K，使放大后的脈沖幅度小于10V,以便與單道配合。 （3）調(diào)節(jié)單道分析器。先將開關(guān)撥到積分位置，從定標(biāo)器中讀出積分計(jì)數(shù)率，然后將開關(guān)撥到微分位置，調(diào)節(jié)單道的甄別閾和道寬以及線性放大器的放大倍數(shù)K，反復(fù)多次進(jìn)行這個過程，直到找到光電峰。（4）用已知源（0.662MeV，0.184MeV）和（1.17MeV，1.33MeV）對譜儀進(jìn)行能量刻度校準(zhǔn)，分別測出、的譜。（5）作圖定出相應(yīng)的光電峰位置和能量分辨率，做出譜儀的能量刻度曲線。3、從測量到的的能譜圖，計(jì)算康普頓邊和反散射峰的能量值，并與理論值作比較，對所得的結(jié)果進(jìn)行討論。4、以的光電峰和的兩個光電峰作為已知能量值，測定的射線能量。四實(shí)驗(yàn)步驟1、連接好實(shí)驗(yàn)儀器線路，經(jīng)老師檢查同意后接通電源。2、開機(jī)預(yù)熱后，選擇合適的工作電壓使探頭的分辨率和線性都有較好。3、把放射源或放在探測器前，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)為0.3，調(diào)節(jié)高壓使或能譜的最大脈沖幅度盡量大而又不超過多道脈沖分析器的分析范圍。4、分別測和的全能譜并分析譜形