閃爍譜儀測量γ射線能譜

1、實驗名稱：閃爍譜儀測射線能譜實驗目的：1. 掌握閃爍頻譜儀的工作原理和使用方法； 2. 學會譜儀的能量標定方法； 3. 測量137Cs和60Co的射線能譜。實驗原理：（以下原理部分摘自教學資源實驗講義，詳見手寫預習報告）根據(jù)原子核結構理論，原子核的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，存在著分立能級。處在能量較高的激發(fā)態(tài)能級上的核，當它躍遷到低能級上時，就發(fā)射射線（即波長約在1nm 0.1nm間的電磁波）。放出的射線的光量子能量，此處h為普朗克常數(shù)，為光子的頻率。由此看出原子核放出的射線的能量反映了核激發(fā)態(tài)間的能級差。因此測量射線的能量就可以了解原子核的能級結構。測量射線能譜就是測量核素發(fā)射的射線強度按能量的分

2、布。1 閃爍譜儀測量射線能譜的原理閃爍能譜儀是利用某些熒光物質，在帶電粒子作用下被激發(fā)或電離后，能發(fā)射熒光（稱為閃爍）的現(xiàn)象來測量能譜的。這種熒光物質常稱為閃爍體。i. 閃爍體的發(fā)光機制閃爍體的種類很多，按其化學性質不同可分為無機晶體閃爍體和有機晶體閃爍體。有機閃爍體包括有機晶體閃爍體、有機液體閃爍體和有機塑料閃爍體等。此處僅對常用的無機晶體閃爍體的發(fā)光機制作簡單介紹。最常用的無機晶體是鉈激活的碘化鈉單晶閃爍體，常寫為NaI (T1)，屬離子型晶體，是絕緣體，按固體物理的概念，其能帶結構是在價帶和導帶之間有比較寬的禁帶。如有帶電粒子進入到閃爍體中，引起后者產(chǎn)生電離或激發(fā)過程，即可能有電子從價帶

3、激發(fā)到導帶或激發(fā)到激帶，然后這些電子再退激到價帶的可能過程之一是發(fā)射光子。這種光子的能量還會使晶體中其他原子產(chǎn)生激發(fā)或電離過程，也就是光子可能被晶體吸收而不能被探測到。為此在晶體中摻入少量的雜質原子稱為激活原子，如在碘化鈉晶體中摻入鉈原子，其關鍵作用是可以在低于導帶和激帶的禁帶中形成一些雜質能級，見圖-1示意圖。這些雜質原子會捕獲一些自由電子或激子到達雜質能級上，然后以發(fā)光的形式退激發(fā)到價帶，這就形成了閃爍過程的發(fā)光，而這種光因能量小于禁帶寬度而不再被晶體吸收，不再會產(chǎn)生激發(fā)或電離。這說明只有加入少量激活雜質的晶體才能成為實用的閃爍體。對于無機晶體NaI (T1)而言，其發(fā)射光譜最強的波長是4

4、15nm的藍紫光，其強度反映了進入閃爍體內的帶電粒子能量的大小。應選擇適當大小的閃爍體，可使這些光子一射出閃爍體就被探測到。（2）射線與物質的相互作用射線光子與物質原子相互作用的機制主要有以下三種方式：1. 光電效應 2.康普頓效應 3.電子對效應綜上所述，光子與物質相遇時，通過與物質原子發(fā)生光電效應、康普頓效應或電子對效應而損失能量，其結果是產(chǎn)生次級帶電粒子，如光電子、反沖電子或正負電子對。次級帶電粒子的能量與入射光子的能量直接相關，因此，可通過測量次級帶電粒子的能量求得光子的能量。閃爍能譜儀正是利用光子與閃爍體相互作用時產(chǎn)生次級帶電粒子，進而由次級帶電粒子引起閃爍體發(fā)射熒光光子，通過這些熒

5、光光子的數(shù)目來推出次級帶電粒子的能量，再推出光子的能量，以達到測量射線能譜的目的。能譜的形狀閃爍能譜儀可測得能譜的形狀，圖-6所示是典型的射線能譜圖。圖的縱軸代表單位時間內的脈沖數(shù)目即射線強度，橫軸代表脈沖幅度即反映粒子的能量值。從能譜圖上看，有幾個較為明顯的峰，光電峰，又稱全能峰，其能量就對應射線的能量。這是由于射線進入閃爍體后，由于光電效應產(chǎn)生光電子，能量關系見式（1），如果閃爍體大小合適，光電子停留在其中，可使光電子的全部能量被閃爍體吸收。光電子逸出原子會留下空位，必然有外殼層上的電子躍入填充，同時放出能量的X射線，一般來說，閃爍體對低能射線有很強的吸收作用，這樣閃爍體就吸收了的全部能量

6、，所以光電峰的能量就代表射線的能量，對，此能量為0.661e。即為康普頓邊界，對應反沖電子的最大能量。背散射峰是由射線與閃爍體屏蔽層等物質發(fā)生反向散射后進入閃爍體內，形成的光電峰，一般峰很小。4譜儀的能量刻度和分辨率（1）譜儀的能量刻度閃爍譜儀測得的射線能譜的形狀及其各峰對應的能量值由核素的蛻變綱圖所決定，是各核素的特征反映。但測得的光電峰所對應的脈沖幅度（即峰值在橫軸上所處的位置）是與工作條件有關系的。如光電倍增管高壓改變、線性放大器放大倍數(shù)不同等，都會改變各峰位在橫軸上的位置，也即改變了能量軸的刻度。因此，應用譜儀測定未知射線能譜時，必須先用已知能量的核素能譜來標定譜儀的能量刻度，即給出每

7、道所對應的能量增值。例如選擇的光電峰0.661e和的光電峰、等能量值，先分別測量兩核素的能譜，得到光電峰所對應的多道分析器上的道址（若不用多道分析器，可給出各峰位所為應的單道分析器上的閾值）?？梢哉J為能量與峰值脈沖的幅度是線性的，因此根據(jù)已知能量值，就可以計算出多道分析器的能量刻度值。如果對應的光電峰位于道，對應的光電峰位于道，則有能量刻度 （6）測得未知光電峰對應的道址再乘以e值即為其能量值。（2）譜儀分辨率能譜儀的一個重要指標是能量分辨率。由于閃爍譜儀測量粒子能量過程中，伴隨著一系列統(tǒng)計漲落因素，如光子進入閃爍體內損失能量、產(chǎn)生熒光光子、熒光光子進入光電倍增管后，在陰極上打出光電子、光電子

8、在倍增極上逐級打出光電子而使數(shù)目倍增，最后在陽極上形成電流脈沖等，脈沖的高度是服從統(tǒng)計規(guī)律而有一定分布的。光電峰的寬窄反映著譜儀對能量分辨的能力。如圖-7中所示的光電峰的描繪，定義譜儀能量分辨率為（7）表示閃爍譜儀在測量能量時能夠分辨兩條靠近的譜線的本領。目前一般的閃爍譜儀分辨率在10%左右。對的影響因素很多，如閃爍體、光電倍增管等等。（以上原理部分摘自教學資源實驗講義，詳見手寫預習報告）實驗器材：閃爍譜儀（含閃爍體、光電倍增管、電源、單道分析器、多道分析器、線性放大 器等），放射源。實驗步驟：1. 打開閃爍譜儀和電源，調節(jié)電壓到550V（該電壓可以合適地使射線能譜正好在多道分析器圖像輸出的顯

9、示范圍內），開始預熱；2. 取出放射源137Cs，并登記，將其置于光電倍增管一端的（閃爍體）下面，打開程序，準備計數(shù)；3. 調節(jié)放大倍數(shù)到9.0，開始進行數(shù)據(jù)采集，待不同能量的粒子計數(shù)積累較多，能譜譜看上去較為均勻清晰的時候暫停計數(shù)，移動光標找出光電峰的最大值點，然后繼續(xù)計數(shù)；4. 等待片刻之后再次暫停計數(shù)，移動光標，重新確認光電峰的最大值點所對應的橫坐標（道址），當多次反復后橫坐標不再變化時即可記錄此時的光電峰所對應的道址值作為最終記錄數(shù)據(jù)；5. 停止計數(shù)，調節(jié)放大倍數(shù)為其它值后，開始計數(shù)，重復操作（3）（4），記錄不同放大倍數(shù)所對應的光電峰的橫坐標，共10組數(shù)據(jù)；6. 選擇合適的放大倍數(shù)（

10、本次實驗為10.4）使光電峰位于大約400道址的位置（60Co的光電峰能量約為137Cs的兩倍，這樣定位，后面測量能譜就不會使光電峰超出顯示范圍1024道址了），等待計數(shù)足夠長的時間，待能譜清晰均勻的時候暫停計數(shù)，首先讀出最尖的光電峰對應的橫坐標以及背景峰的橫坐標，再從0道址開始向右移動光標，記錄適量其它的數(shù)據(jù)點（平緩處可以取得稀疏些，接近峰的地方應當取得密集一些），以備描點作圖；7. 繼續(xù)計數(shù)，等能譜足夠清晰時暫停計數(shù)，移動光標，首先確定最大峰的峰值，在左右移動光標，找到計數(shù)值為其一半或在其一半附近的計數(shù)點，記錄對應的橫坐標（道址數(shù)）；8. 停止計數(shù)，取下放射源137Cs，登記，登記，換上放

11、射源60Co，由于其活度較137Cs低，故旋開放射源蓋，并將光電倍增管下降以靠近放射源、加快計數(shù)；9. 重新開始計數(shù)，注意保持原先的電壓和放大倍數(shù)不變，待計數(shù)絕對值足夠大、能譜圖像足夠清晰的時候，暫停計數(shù)，移動光標確定出60Co兩個較強的光電峰的橫坐標，記錄；10. 實際上應當再記錄出60Co能譜足夠多的其他數(shù)據(jù)點，描點作圖，而這次我們選擇作了137Cs的能譜圖，因而未再作60Co的能譜圖（另有圖像記錄）；11. 整理數(shù)據(jù)，老師簽字，放回放射源，登記，洗手，關閉儀器，實驗結束。實驗數(shù)據(jù)記錄：放大倍數(shù)與137Cs光電峰位置的關系放大倍數(shù)11.010.410.09.08.0道數(shù)4244063873

12、46304放大倍數(shù)7.06.05.04.03.0道數(shù)25521617413589表格-1能譜數(shù)據(jù)點分布數(shù)據(jù)記錄 光電倍增管放大倍數(shù)10.4 工作電壓550V道數(shù)02050555960637490120130計數(shù)322315347388413429409356265227190道數(shù)160190210224230242250260270280300計數(shù)16015517617717515513610710510091道數(shù)330348366377380385390400403406409計數(shù)7779107208239270359441450503427道數(shù)41342042443544045046047

13、2500564700計數(shù)390305233107491362413表格-2137Cs定標放大倍數(shù)10.4 工作電壓550V60Co光電峰測量放大倍數(shù)10.4 工作電壓550V背景峰光電峰光電峰1光電峰2道址60406道址760872能量(MeV)0.1840.661能量(MeV)1.171.33表格-3 表格-4分辨率測量137Cs 放大倍數(shù)10.4 工作電壓550V道址380406423絕對計數(shù)8241634828表格-5實驗數(shù)據(jù)處理：首先繪制光電倍增管放大倍數(shù)與137Cs光電峰位置的關系圖。將表中數(shù)據(jù)在origin中線性擬合后有下圖：圖中可以發(fā)現(xiàn)，以最小二乘方式擬合的光電峰道址數(shù)與放大倍數(shù)

14、的關系，顯示出了相當好的線性相關程度，其相關系數(shù)達到0.99973；參與擬合十個數(shù)據(jù)點的擬合標準差約為2.8991。下圖加入誤差條的擬合圖像，誤差條比率為5%。下面我們開始對137Cs能譜的數(shù)據(jù)點記錄描點畫圖。采用B-Spline線型對記錄的數(shù)據(jù)點之間的連線作光滑處理?？梢缘玫饺缦聢D象：其中由左到右的三個峰依次為背景峰、康普頓電子散射峰和光電峰。由數(shù)據(jù)記錄可知，較明顯的背景峰和光電峰對應的橫坐標依次為60、406；又由已知數(shù)據(jù)有，兩峰各自所對應的射線能量分別為0.184eV、0.661eV，故可以由下式計算并定標：得到：于是可以將上圖重新定標，得到真正的能譜，即輻射強度橫軸的分布以能量為單位：

15、下面計算137Cs的射線能譜分辨率。由記錄數(shù)據(jù)表格-5，可由下面的式子計算出分辨率：于是上面便得到了儀器在該電壓（550V）、放大倍數(shù)（10.4倍）條件下的顯示分辨率。與參考值10%相當接近。至此，在該條件下的閃爍譜儀多頻道分析器的輸出標定已經(jīng)完成。下面再進行60Co的射線能譜測定的數(shù)據(jù)處理。由表格-4中的數(shù)據(jù)和剛剛完成的標定?？梢酝浦?0Co的兩個光電峰的位置和對應的能量。而實際標準值為可以計算相對誤差：而由60Co的兩個光電峰也可以定標，當然將這兩個數(shù)據(jù)點與137Cs的兩個數(shù)據(jù)點綜合后可以對四點作線性擬合，這樣得到的結果應當更加有可能接近實際?，F(xiàn)做圖如下：右上圖可以發(fā)現(xiàn)四個數(shù)據(jù)點的線性相關

16、度非常的高，情況比較理想。最后附上60Co的能譜分布實測圖片，以彌補未能描點作圖的遺憾。實驗結果及討論：實驗實現(xiàn)了對137Cs和60Co的射線能譜的測量，測量的137Cs和60Co能譜的峰值與標準值相比均偏小2%左右，因而系統(tǒng)誤差可能性較大，但也不排除隨機誤差的可能。可能原因有：i)、閃爍體由于長期使用性能下降，使有效的閃爍次數(shù)減少；ii)、計數(shù)不夠多，能譜峰值處的橫向座標還不夠穩(wěn)定就讀了數(shù)iii)、調節(jié)放大倍數(shù)的器件本身有儀器誤差。另外，分辨率的測量中由于半峰值無法精確地找到，因此實際確定對數(shù)據(jù)點均比半峰值稍大一些，即測量寬度偏小，分辨率略為偏低。此外，由于多道址分析器粒子計數(shù)并非完全同時進行的而且放射源放射射線與閃爍體的作用本身也具有隨機性，因此即使是暫停計數(shù)之后，峰值附近的數(shù)據(jù)關于橫坐標還是會出現(xiàn)較小的波動（即可能不同時刻暫停計數(shù)后有不同的峰值及其對應的橫坐標），但是隨著計數(shù)絕對數(shù)量的上升，能譜中峰的橫坐標誤差可以減到很小，甚至完全穩(wěn)定下來。另外，粒子計數(shù)總數(shù)增加之后，圖像上表面來看是光滑、清晰了，但這是由于縱坐標的標度被壓縮了的緣故，實際上可以預見，不同橫坐標所對應計數(shù)的差的絕對值總體上一定是在擴大的，這也進一步保證了橫坐標讀數(shù)的準確性。思考題：答：光電倍增管的放