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1、实验五 NaI(Tl)单晶能谱的认识与分析一 实验目的1. 初步认识几种放射性核素在NaI（T1）谱仪中形成的能谱；2. 了解数字化多道谱仪系统（Ispeter 2000）以及NaI（T1）谱仪系统的特点，并学会操作使用该系统；3. 掌握测量和分析天然放射性（40-K、226-Ra、232-Th）水平的原理和方法；二 实验器材NaI（T1）闪烁探测器、铅室、Ispeter 2000数字化多道谱仪、环境放射性标准样品，137-Cs源，计算机。三 实验原理利用碘化钠晶体和光电倍增管组成的闪烁计数器，把具有一定能量的光子变为电脉冲，且输出的脉冲幅度与入射光子能量成正比。通过对脉冲幅度的分析，从而得到
2、光子能量的分布，这就是能谱仪进行能谱分析的基本原理。但是用能谱仪测得的放射源的谱，与放射源产生的起始谱有很大差别，这种由能谱仪测量得到的、被复杂化的核辐射原始线谱称为仪器谱。放射性核素与辐射的能量间存在一一对应关系，辐射的含量与能量的强度存在正比关系。 在射线与闪烁体发生光电效应时，射线产生的光电子动能给出为：其中，为K、L、M等壳层中电子的结合能。在射线能区，光电效应主要发生在K壳层。此时，K壳层留下的空穴将为外层电子所填补，跃迁时将放出X光子，其能量为。这种X光子在闪烁晶体内很容易再产生一次新的光电效应，将能量又转移给光电子。因此闪烁体得到的能量将是两次光电效应产生的光电子能量和： 所以，
3、由光电效应形成的脉冲幅度就直接代表了射线的能量。在康普顿效应中，光子把部分能量传递给次级电子，而自身则被散射。反冲电子动能为散射光子的散射角为；为电子静止能量（0.511MeV）。为方便起见上式可近似写成：散射光子能量也可近似写成： （1）当=180时，即光子向后散射，称为反散射光子。电子前冲，而且获得反冲最大，此时 （2） （3） 当初始光子在NaI（T1）晶体中，首次发生的效应是康普顿效应时，散射光子有两种可能性：或逃逸出晶体，或继续在晶体中产生次级效应（光电效应及康普顿效应）。若是逃逸出晶体，则留下的反冲电子形成能谱；若留在晶体中，则所有次级效应产生的光电子能量与首次康普顿效应产生的光电
4、子能量之和正好等于原始射线能量，即和光电效应产生的脉冲幅度是一样的，相应于光子的全部能量。四 结果分析及数据处理以NaI（T1）谱仪测得的能谱分析说明为主。1）一个典型的NaI（T1）谱仪测到的137Cs源的0.662MeV能谱图1 Na（T1）闪烁谱仪测得的137Cs能谱图1上有三个峰和一个平台。最右边的峰A称为全能峰。这一脉冲幅度直接反映射线的能量。上面已经分析过，这一峰中包含光电效应及多次效应的贡献。能量分辨率为8。 平台状曲线B就是康普顿散射效应的贡献，它的特征是散射光子逃逸后留下一个能量从0到的连续的电子谱。 峰C是反散射峰。当射线射向闪烁体时，总有一部分射线没有被闪烁体吸收而逸出。
5、当它与闪烁体周围的物质发生康普顿效应时，反散射光子返回闪烁体，通过光电效应被记录，这就构成反散射峰。当然，在放射源衬底材料中，以及探头的屏蔽材料中产生的反散射光子同样有可能对反散射峰做出贡献。从（3）式都可看出，反散射光子能量总是在200keV左右，因此在能谱图上较易识别。峰D是X射线峰，它是由137Ba的K层特征X射线贡献的137Cs的衰变子体137Ba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光子。康普顿边E的能量为0.480MeV，由式（2）可理论得出。2）射线能量比较高的情况的实例此时和物质相互作用会出现电子对效应，这时能谱更加复杂。以24Na源为
6、例，它放出两种能量射线，即1.38MeV和2.76MeV。图2是实验测得的能谱图。图中最右边的峰为2.76MeV的射线在NaI（T1）晶体产生的全能峰。能量为=2.76MeV的射线在NaI（T1）晶体中主要产生电子对效应，这时正负电子对具有的总动能为：，它比少去一对正负电子的静止能量（ 1.02MeV）。这一电子对动能消耗在NaI（T1）中用于闪烁发光。另外，当正电子动能消耗殆尽时，它就与碘化钠晶体原子中的电子产生湮灭作用，转化为二个光子：，其中=0.511MeV。这两个能量为0.511MeV的光子称为湮灭光子，它们在NaI（T1）晶体中有三种可能趋向：图2 Na（T1）闪烁谱仪测得的24Na
7、源能谱 （1）两个湮灭光子能量全部消耗在晶体中，它们的总能量1.02MeV加到上面讲的产生的闪烁过程中去。所以谱仪记录到的能量为（）+1.02MeV=2.76MeV，就是全能峰。 （2）两个湮灭光子中有一个逃逸出闪烁晶体，于是谱仪记录到的能量比全能峰少去0.51MeV，这就是图上的单逃逸峰。它对应的能量为（3）两个湮灭光子全部逃逸，对应的能量为相应于图上的双逃逸峰。五 实验结论与心得体会：六 实验结论与心得体会： 参考文献1 复旦大学、清华大学、北京大学合编，原子核物理实验方法（上册），原子能出版社，1981年。2 北京大学、复旦大学主编，核物理实验，原子能出版社，1984年。3 张锦由主编，放射性方法勘查实验，原子能出版社，1992年。4 丁富荣、班勇、夏宗璜编著，辐射物理，北京大学出版社，2004年。5 曹利国、章晔编著，核地球物理勘查方法，原子能出版社，1991年。6 贾文懿编著，核地球物理仪器 原子能出版社，1998。 第5页 共5页
