γ射線能譜的測(cè)量

(一)Y射線能譜的測(cè)量摘要：本實(shí)驗(yàn)將了解閃爍探測(cè)器譜儀的工作原理及其使用；學(xué)習(xí)分析實(shí)驗(yàn)測(cè)量的137Cs和60Coy譜之譜形和Y射線能譜的刻度測(cè)定譜儀的能量分辨率，本實(shí)驗(yàn)的目的是了解NaI(Tl)閃爍譜儀的原理、特性與結(jié)構(gòu)，掌握NaI(Tl)閃爍譜儀的使用方法和Y射線能譜的刻度。關(guān)鍵詞：丫射線Na(Tl)閃爍探測(cè)器能譜圖單道脈沖幅度分析器引言:閃爍探測(cè)器是利用某些物質(zhì)在射線作用下會(huì)發(fā)光的特性來探測(cè)射線的儀器。它的主要優(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。核物理的發(fā)展，不斷地為核能裝置的設(shè)計(jì)提供日益精確的數(shù)據(jù)，新的核技術(shù)，如核磁共振、穆斯堡爾譜學(xué)、晶體的溝道效應(yīng)和阻塞效應(yīng)，以及擾動(dòng)角關(guān)聯(lián)技術(shù)等都迅速得到應(yīng)用。核技術(shù)的廣泛應(yīng)用已成為現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的標(biāo)志之正文：實(shí)驗(yàn)原理閃爍譜儀結(jié)構(gòu)與工作原理Nal(T1)閃爍譜儀結(jié)構(gòu)如圖。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部分組成。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(如a、B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Y射線先在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生光電子、康普頓電子及正、負(fù)電子對(duì)(當(dāng)E>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。由原子物理學(xué)中可知Y射線與物質(zhì)的相互作用主要是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和正、負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生這三種過程分別如下：光電效應(yīng)。入射丫粒子把能量全部轉(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E]—般遠(yuǎn)小于入射丫射線能量E,，所以光電子的動(dòng)能近似等于入射Y射線的能量E光電=E—E『E'康普頓效應(yīng)。核外電子與入射丫射線發(fā)生康普頓散射，設(shè)入射丫光子能量為"，散射

光子能量為hW則反沖康普頓電子的動(dòng)能E光子能量為hW則反沖康普頓電子的動(dòng)能E=hU—h"康普頓散射后散射光子能量與散射角hv'二―所八。的關(guān)系為1+a(1-cos0)能量之比。由式當(dāng)9=0時(shí)h"=h"hva=式中嘩即為入射丫射線能量與電子靜止質(zhì)量所對(duì)應(yīng)的V，這時(shí)E=0,即不發(fā)生散射；當(dāng)9=180。時(shí)，散射光e?2c；子能量最小，它等于h^/(1+2a)，這時(shí)康普頓電子的能量最大，為1十蒞hv?康普頓電子能量在0至1十2”之間變化。正、負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生。當(dāng)Y射線能量超過2mC2(1.022MeV)時(shí)，Y光子受原子核或電子的庫倉場(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)生湮沒反應(yīng)而變成一對(duì)能量各為0.511mev的Y光子。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。譜儀組件性能簡(jiǎn)單介紹閃爍體。閃爍體是用來把射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿?。閃爍體分無機(jī)閃爍體和有機(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(Tl)的NaI晶體作Y射線的探測(cè)器。光電倍增管。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(gè)左右能發(fā)射二次電子的次陰極(又稱倍增極、打拿極或聯(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)出的光子打到光陰極時(shí)，它打出的光電子被加速聚焦到第一倍增極D上，平均每個(gè)光電子在D上打出3?6個(gè)次級(jí)電子，增殖的電子又為D和D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?6個(gè)次級(jí)電子，……這樣經(jīng)過n級(jí)倍增后，在負(fù)載上形成一一個(gè)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(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(左下圖)。通常把脈沖計(jì)數(shù)率隨脈沖幅度分布的半寬度亍與計(jì)數(shù)率最大值對(duì)應(yīng)的脈沖幅度U0之比定義為能量分辨8。由于粒子能量與脈沖幅度ASs==——,UF成正比，所以能量分辨率0閃爍譜儀對(duì)137Cs單能Y射線的影響由于137CS只放出單一能量的Y射線(E=0.662MeV)。而此Y射線能量小于正、負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生閾1.02MEV。所以Cs的Y射線與N」I(Tl)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。右上圖給出了用NaI(Tl))晶體Y譜儀所測(cè)得的137CS的Y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)于康普頓電子的貢獻(xiàn)。如果康普頓散射產(chǎn)生的散射光子h"未逸出晶體，仍為NaI(Tl)晶體所吸收，也即通過光電效應(yīng)把散射光子的能量h^轉(zhuǎn)換成光電子能量，而這個(gè)光電子也將對(duì)輸出脈沖做貢獻(xiàn)。由于上述整個(gè)過程是在很短時(shí)間內(nèi)完成的，這個(gè)時(shí)間比探測(cè)器形成一個(gè)脈沖所需的時(shí)間短得多，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)輸出脈沖的貢獻(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)電子的能量之和，即E+eh^=h'，即等于入射丫射線的能量。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。圖中康普頓電子平臺(tái)上還出現(xiàn)一個(gè)2號(hào)峰，它是由于入射丫射線穿過NaI(Tl)晶體，打到光電倍增管上發(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hv^=E-E=0.184mev，所以2號(hào)峰稱為反散射峰。Yc(max)圖中能量最小的那個(gè)峰是因?yàn)?37CS的B衰變子體i37Ba在退激時(shí)，可能不發(fā)生Y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)。閃爍譜儀的能量線性關(guān)系利用閃爍譜儀作Y射線能量測(cè)定時(shí)，最基本的要求是在入射丫射線的能量和它產(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)呈線性關(guān)系；對(duì)于實(shí)際Na(Tl)閃爍譜儀在較寬的能量范圍內(nèi)(100kev到1300kev)是近似線性。這是利用該譜儀進(jìn)行射線能量分析與判斷未知放射性核素的重要依據(jù)。通常實(shí)驗(yàn)上利用系列Y標(biāo)準(zhǔn)源，測(cè)量相應(yīng)全能量峰處的脈沖幅度，建立Y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E(x)=Gx+E式中xp為全能峰峰位；E°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137Cs(0.662mev)和6°Co(1.17、1.33mev來作，如圖。實(shí)驗(yàn)中欲得到較理想的線性，還要注意放大器和單道分析器甄別閾的線性，進(jìn)行必要的檢驗(yàn)與調(diào)整。此外，實(shí)驗(yàn)條件變化時(shí)應(yīng)重新進(jìn)行刻度?！闘dFcA*o實(shí)驗(yàn)內(nèi)容連接好實(shí)驗(yàn)儀器線路，經(jīng)老師檢查同意后接通電源。開機(jī)預(yù)熱，選擇合適的工作電壓使探頭的分辨率和線性都較好。把137Cs和60Co放在探測(cè)器前，調(diào)節(jié)電壓及放大倍數(shù)，是60Co能譜最大脈沖盡量大但不超過躲到脈沖分析起的分析范圍。測(cè)137Cs和60Co的能譜，指出光電峰、康普頓平臺(tái)和反散波峰。利用多道數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)所測(cè)得的譜形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從測(cè)量的計(jì)數(shù)脈沖幅度曲線，計(jì)算閃爍譜儀的能量分辨率5。定義5=光電峰的半高寬乂100%

光電峰處脈沖幅度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理能譜的測(cè)量^Cs能譜圖（見附件）預(yù)置時(shí)間：300秒放大倍數(shù):0.3高壓調(diào)節(jié):868V道數(shù)：160cm總計(jì)數(shù)率:1970峰位:5th=161.11chn半高寬:16.34chn凈面積:66465分辨率:10.14%6。*能譜圖（見附件）預(yù)置時(shí)間：500秒放大倍數(shù):0.3高壓調(diào)節(jié):869V道數(shù)320cm總計(jì)數(shù)率:324峰位:4th=316.11chn半高寬:14.21chn凈面積:2260分辨率:6.81%誤差分析：1.在測(cè)量中由于射線瓶口很小，靠肉眼很難確保其出射孔與探測(cè)器的測(cè)量孔對(duì)齊，造成了在移動(dòng)射線源復(fù)原后的位移，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。放大倍數(shù)我們預(yù)置的是0.3,倍數(shù)小，線性關(guān)系好，分辨率就越好。調(diào)節(jié)的電壓高低，雖然找到了全能峰，可能不是最理想的。光電倍增管與射線源的距離長短，接受的強(qiáng)弱一部分受到空氣的影響，計(jì)數(shù)的密集程度，能量的大小，對(duì)實(shí)驗(yàn)有一定影響。在尋找全能峰的時(shí)候，應(yīng)先停止再清零。如果不這樣做，數(shù)據(jù)會(huì)在原有能譜圖的基礎(chǔ)上繼續(xù)搜索全能峰，導(dǎo)致前后能譜圖相互重疊，時(shí)間也縮短了穩(wěn)定性還沒達(dá)到，最后產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差。注意事項(xiàng)：在開始實(shí)驗(yàn)打開射線時(shí)一定在放在防護(hù)照內(nèi)