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1、Y闪烁能谱测量姓名：蓝清风学号：207213238成绩：实验目的1. 掌握y闪烁探测的原理。2. 掌握丫闪烁单道能谱仪的原理和使用方法。3. 测量13的Y能谱并理解其意义。实验原理y射线是原子核由激发态跃迁到较低能太时的高能电磁辐射，研究y射线能 量对研究原子核结构有着极其重要的意义。y闪烁能谱仪是用来测量y射线能谱 的仪器，它具有探测效率高，分辨时间短，能量分辨率高等优点，同时，还能测 量y射线强度。一. y闪烁能谱仪原理。y闪烁能谱仪是利用y射线与物质的相互作用时，产生的闪烁荧光现象来测量 能谱，依据能谱曲线推算y射线能量。1. y射线与物质相互作用。y射线与物质的相互作用主要有三种：光电
2、效应、康普顿散射和电子对效应。光电效应：入射y粒子把能量全部转移给原子中的束缚电子，光子本身消失 而把束缚电子打出来形成光电子这个过程称为光电效应。这个光电子的动能为:外=加-W其中W为逸出功，远小于y光子能量（W 加）。因此光电子的动能近似认为等于y光子能量。康普顿散射：核外自由电子与入射y射线发生康 普顿散射。根据动量守恒的要求，散射与入射只能发 生在一个平面内。设入射y光子能量为如，散射光子能量为淅，康普顿散射 后散射光子能量与散射角0的关系为：如，=竺式中a = 土，即为1 + a (1 - cos 0 )m c2入射y射线能量与电子静止质量m所对应的能量之比。当 5 时3 5，这时
3、E = 0，即不发生散射；当9 = 1如时，散射光子能量最小为老-，这时康普 顿电子的能量最大为E =加罗max1 + 2 a正、负电子对效应 当y射线能量超过(2 m c 2 = 1.02 MeV )以后，y光子受原 子核或电子的库仑场的作用可能转化成正、负电子对，称为电子对效应。此时光 子能量可表示为两个电子的动能，如.、.，E广 E.+ E _+ 2mc2，其中，2*必1.。2场 转化几率随y光子的能量的增加而增大。但是当y光子的能量小于1.5 MeV时，闪烁品体中产生正负电子对的几率非常小。2. y射线能谱图由137 C的衰变可知137 C只放出单一能量的y射线 (Ey = 0.662
4、 MeV)。 因此能量 小于正、负电子对的产生阈1.023 MeV，所以137 Cs的/射线与NaI(TI )晶体的相互 作用只有光电效应和康普顿散射两个过程。又由于y谱仪存在一定的能量分辨 率，实际测的能谱相对于图4中单线存在一定的能量宽度，形状如图。A峰又称光电峰，这一幅度直接反映丫射线的能量0.662MeV。有时康普顿散射产 生的散射光子尿若未逸出品体，仍然为NaI(Tl)晶体所吸收，也即通过光电效 应把散射光子的能量如转换成光电子能量，而这个光电子也将对输出脉冲作贡 献。由于上述整个过程是在很短时间内完成的，这个时间比探测器形成一个脉冲 所需的时间短得多，所以先产生的康普顿电子和后产生
5、的光电子，二者对输出脉 冲的贡献是叠加在一起形成一个脉冲。这个脉冲幅度所对应的能量，是这两个电 子的能量之和，即乳+村，也就是入射y射线的能量尿。所以这一过程所形成 的脉冲将叠加在光电峰1上使之增高。平台状曲线B是康普顿效应的贡献，称为康普顿平台，其特征是散射光子逃逸后 留下一个能量从O到号的连续的电子谱。峰C是反散射峰。由丫射线透过闪烁体射在光电倍增管的光阴极上发生康普顿反 散射或y射线在源及周围物质上发生康普顿反散射，而反散射光子进入闪烁体通 过光电效应而被记录所致。这就构成反散射峰。返回的y光子能量尿，=占 占=0.184场F峰D是X射线峰，它是由i37Ba的K层特征X射线贡献的，i37
6、Cs的。衰变体Ba 的0.662MeV激发态在放出内转换电子后造成K空位，外层电子跃迁后产生此X TuTo二. y闪烁能谱仪的结构1. 闪烁探头，包括闪烁品体NaI (T1)，光电倍增管，前置放大器。(1).闪烁晶体：它是用来将射线在其中损失的能量成比列地转换成荧光光子的元件。本实验室米用无机盐(NaI)晶体，激活剂为(T1)。(2)光电倍增管：将微弱荧光信 号放大并转化成电压脉冲信号。光 电倍增管的结构如图。它由光阴极K、收集电子的阳极A和在光阴极与阳极之间十个左右能发射二次电子的次 阴极D (又称倍增极、打拿极或联极)构成。在每个电极上加上正电压，相 邻的两个电极之间的电位差一般在100V
7、左右。当闪烁体放出的光子打到光 阴极上时，发生光电效应，打出的光电子被加速聚集到第一倍增极D1上， 平均每个光电子在D1上打出36个次电子，增值后的电子又为D1和D2 之间的电场加速，打到第二倍增极D2上，平均每个电子又打出36个次级 电子，这样经过n级倍增以后，在阳极上就收集到大量的电子，在负载 上形成一个电压脉冲。(3)前置放大器：由入射极，跟随电路和放大电路组成，主要功能是在 光电管和脉冲幅度之间起隔离和阻抗作用，并对输入脉冲进行适当整形或者 放大。2. 单道脉冲幅度分析器：由线性放大器、上下甄别器，反符合电路组成。(1) 线性放大器：将“探头”输送来的脉冲不失真地加以放大。(2) 上下
8、甄别器宇上下反符合电路配合，可将放大后的脉冲信号按其幅 值高低加以甄别，选择性让脉冲通过，并输送全定标器计数。定标器测得的 计数率是单位时间的幅值落在直，(虻+ v)区间中，输送到分析器的脉冲数 目。倘若逐点改变上下甄别器的阈值、(保持通道宽av不变)，测量的就是 前面所示的分布曲线。三. 能谱仪的特性。1. 能量分辨率。由于闪烁晶体的发光效率、闪烁体与光电倍增管相应匹配，光电本征管的 性能指标等因素都具有统计涨落，对应于单一能量的粒子在闪烁探头汇总所形成 的脉冲信号仍有一定的分布范围。通常利用13务的y谱曲线的光电峰来测定能谱仪的分辨率A V = V X 100%V0其中式中A气是指计数率为
9、峰值计数率N一半处的光电峰宽度。如果能谱 仪有良好的线性关系，即有V X Ey，则可写为8 = t X 100%EY分辨率表示能谱仪区分能量很靠近的两个光电峰的本领。显然8越小越好。 对于单晶NaI（Tl）作为探测器的Y能谱仪来说Y能谱仪来说，137cs的 E = 0.662 MeV ,8 一般在 815%,最好的达到 67%。2. 线性，反映输出脉冲信号的幅度与入射粒子之间是否有良好的线性关系，Na （Tl）单品能谱仪对能量为150KeV到6MeV的次级高能电子都具有良好的 线性关系相应。实验仪器与装置1. 仪器：NaI（Tl）闪烁探头，单道脉冲幅度分析器，定标器，高（低）电源，137 CS
10、反射源，示波器。2. 装置：如下图。Y闪烁能谱测量装置示意图实验步骤1. 仔细阅读仪器使用说明书，特别是要熟悉“单道分析器”前后板面上各旋钮， 按键功能。2. 根据使用的光电倍增管所要求的工作电压加高压，一般约为500V3. 利用示波器观察探头输出地波形图。4. 用示波器可以决定光电峰峰位选择线性放大器的放大系数k，使得放大后的脉冲幅度都不超过“单道”的允许电压（即010伏特），光电峰峰位为7.0V。5. 测量137 cs的y能谱曲线：取A V = 0.1 V，下阈值每改变0.1 V测量1次计数率，每次测量1分钟。注意事项1. 同GM计数管实验要求。2. 在调整137 CS的光电峰峰位，要注意
11、高压与线性放大倍率的配合使用。3. 测量能谱曲线时，除了下阈值变化，道宽、线性放大倍率、高压均应固定。数据处理VV）N （个 / min）vv ）N （个 / min）vv ）N （个 / min）0.321212.76225.31020.421602.86215.41420.56932.95635.51470.671235025.61940.77543.15055.72780.87473.25075.83100.97153.35475.950516933.451366911.16953.55186.110281.27533.64846.214541.38103.74936.318631.47
12、543.84976.419071.57863.95056.516991.673244506.612411.77874.14876.76861.89094.25186.84101.910624.34856.9175212224.44937532.111714.54627.1192.211254.63847.272.39274.73212.48394.82732.57384.91742.66975149利用Excel中作图工具，作出y能谱曲线图如下:利用Matlb模拟曲线工具峰值N = 1907 （个/min ），对应的V =6.4 V ；计数率为N0的一半 A V = 0.6 V， 计算出能谱仪
13、分辨率为 = AV X 100% = 6 X 100% = 9.4%V6.4 V思考题1. 光电倍增管要在密封状态下工作，且严禁露光，因为光电倍增管中只要有一 个光子进入，就会被光电倍增管高压放大转化为脉冲信号，对我们实验数据造成 干扰。2. 在测量丫能谱的过程中，若取A V = 0.2 V，调节v时每次递增0.1 V额话，会导致一定的高压下的计数率重复测量。若取AV = 0.1 V，而每次递增0.2V，会导 致某些高压下的计数率没有测量，但测得的y能谱总体曲线是合理的。3. 关于理解与解释Y能谱曲线在实验原理已经解释得很清楚。Y射线与物质相 互作用后二次高能电子的能量分布，并以此推算出1射线能量。
