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1、1NaI(Tl)闪烁谱仪测定射线的能谱马玉林物理学院 学号:1100011366本实验通过对 NaI(Tl)单晶闪烁谱仪对 射线的能谱进行测量，了解NaI(Tl)单晶 闪烁谱仪的结构、原理与特性；掌握 NaI(Tl)单晶闪烁谱仪的操作和使用方法。鉴定谱仪的能量分辨率与线性；并通过对 Cs137 和 Co60 放射源 能谱的测量，加深对 射线与物质相互作用的理解。关键词：NaI(Tl)闪烁探测器 能谱 吸收系数. 引 言闪烁探测器主要由闪烁体、光的收集部件和光电转换器件组成的辐射探测器。当粒子进入闪烁体时，闪烁体的原子或分子受激而产生荧光。利用光导和反射体等光的收集部件使荧光尽量多地射到光电转换
2、器件的光敏层上并打出光电子。这些光电子可直接或经过倍增后，由输出级收集而形成电脉冲。早在 1903年就有人发现 粒子照射在硫化锌粉末上可产生荧光的现象。但是，直到 1947年，将光电倍增管与闪烁体结合起来后才制成现代的闪烁探测器。很多物质都可以在粒子入射后而受激发光，因此闪烁体的种类很多，可以是固体、液体或气体。光电转换器件一般采用光电管与光电倍增管。但是，后出现的半导体光电器件，具有高的量子转换效率和低功耗，便于闪烁探测器的微型化和提高空间分辨率。已有人研制成闪烁体与光电器件均用半导体材料组成的单片集成化的闪烁探测器。利用光电倍增管倍增系统所做成的电子倍增器，也可单独用来探测辐射。将2分立的
3、二次级改为连续的二次级后，形成通道型电子倍增器。微型化的通道型电子倍增器微通道板可以做到在1c 面积上具有几十万个微通道。用微通道板作为电子倍增系统的光电转换器件，不但可以得到较高的灵敏度，而且还具有良好的时间特性和位置分辨率。闪烁探测器具有探测效率高和灵敏体积大等优点。其能量分辨率虽然不如半导体探测器好，但对环境的适应性较强。特别是有机闪烁体的定时性能，中子、分辨能力和液体闪烁的内计数本领均有其独具的优点。因此，它仍是广泛使用的辐射探测器。，又称粒子流，是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，是波长短于0.2埃的电磁波。射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。射线对细胞有杀伤力，
4、医疗上用来治疗肿瘤。波长短于0.2埃的电磁波。放射性原子核在发生衰变,衰变后产生的新核往往处于高能量级，要向低能级跃迁，辐射出光子.首先由法国科学家 P.V.维拉德发现，是继、射线后发现的第三种原子核射线。原子核衰变和核反应均可产生射线。射线的波长比 X射线要短，所以射线具有比 X射线还要强的穿透能力。可以透过几厘米厚的铅板。当射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。原子核释放出的光子与核外电子相碰时，会把全部能量交给电子，使电子电离成为光电子，此即光电效应。由于核外电子壳层出现空位，将产生内层电子的跃迁并发射 X射线标识谱。高能光子（2兆电子伏特）的光电
5、效应较弱。光子的能量较高时，除上述光电效应外，还可能与核外电子发生弹性碰撞，光子的能量和运动方向均有改变，从而产生康普顿效应。当光子的能量大于电子静质量的两倍时，由于受原子核的3作用而转变成正负电子对，此效应随光子能量的增高而增强。光子不带电，故不能用磁偏转法测出其能量，通常利用光子造成的上述次级效应间接求出，例如通过测量光电子或正负电子对的能量推算出来。此外还可用谱仪（利用晶体对射线的衍射）直接测量光子的能量。由荧光晶体、光电倍增管和电子仪器组成的闪烁计数器是探测射线强度的常用仪器。. 实 验A. 实验装置a) 自动定标器b) 单道c) 放大器d) 3kv高压电源e) TDS2012C型示波
6、器f) FJ-374型能谱探头B. 实验原理辐射与某些物质相互作用会使其电离、激发而发射荧光，闪烁探测器就是利用这一特性来工作的。当核辐射的能量全部耗尽在闪烁体内时，探测器输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比，因此可以根据对脉冲幅度谱的分析来测定核粒子的能谱。NaI(Tl)单晶能谱仪由以下单元组成：闪烁探头(包括 NaI(Tl)晶体和光电倍增管)，高压电源，线性放大器，脉冲幅度分析器(分为单道分析器和多道分析器)。4闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程：1. 射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发；2. 受激原子、分子退激时发射荧光光子；3. 利用反射
7、物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；4. 光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104109个，电子流在阳极负载上产生电信号；5. 此信号由电子仪器记录和分析。闪烁探测器可将入射粒子的能量转换为电压脉冲信号，而信号幅度大小与入射粒子能量成正比。因此只要测到不同幅度的脉冲数目，也就得到了不同能量的粒子数目。由于射线与物质相互作用机制的差异，从探测器出来的脉冲幅度有大有小，单道就起到从中“数出”某一幅度脉冲数目的作用。单道里有一个甄别电压V0（此电压可以连续调节），称为阈值，它就象一道屏障一样，将所有低于V0的信号都挡住了，只有大于V
8、0的信号才能通过。但这样只解决了一半问题，因为在通过的信号中实验者只知道它们都比V0高，具体的幅度还是不能确定。因此在单道中还有一个窗宽V，使幅度大于V0+V的脉冲亦被挡住，只让幅度为 VVV 00 的信号通过（有的单道是 2/2/ 00 VVVV ）；5当我们把V取得很小时，所通过的脉冲数目就可以看成是幅度为V0的脉冲数目。单道脉冲分析器的功能是把线性脉冲放大器的输出脉冲按高度分类。在实际测量能谱时，我们保持道宽V不变（道宽的选择必须恰当，过大会使谱畸变，分辨率变坏，能谱曲线上实验点过少；道宽过小则使每道的计数减小，统计涨落增大，或者使测量时间相应增加），逐点增加V0，这样就可以测出整个谱形
9、。射线与物质相互作用时可能产生三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应，这三种效应产生的次级电子在NaI(Tl)晶体中产生闪烁发光；如下图所示。表1列出了这些相互作用的基本过程。光 电 效 应 康 普 顿 效 应电子对效应表1 射线在NaI(Tl)闪烁体中相互作用的基本过程基本过程 次级电子获得的能量T1）光电效应+原子原子激发或离子激发+电子BEET （该层电子结合能）2）康普顿效应 按 )cos1(1)cos1(rrET， 20cmEr ；为散6+电子(散射)+反冲电子 射角，从0至最大能量 rE212连续分布，峰值在最大能量处。3）电子对产生+原子原子+ e + e电子对均分能量 20
10、2 cmE 由于单能射线所产生的这三种次级电子能量各不相同，甚至对康普顿效应是连续的，因此相应一种单能射线，闪烁探头输出的脉冲幅度谱也是连续的。C、实验步骤一、按照结构图连接仪器，不接微机，接单道口二、打开电源，接高压，选择0-1kv，加高压至580V三、调节放大器，粗调乘以细调为放大倍数，Pz调为“-”四、调节单道a) 选择微分模式b) 阈值的量程为010Vc) 道宽的量程为05V五、调节自动定标器为半自动，30s计数一次六、选择放大倍数为23.02倍七、在6.67.2之间以0.1V进行变化，并记录，之后考虑到单能峰位置，经过多次调节放大倍数，将峰值调节到7.0V左右，此时放大倍数为21.4
11、2倍。八、细测8.00.8V的 Cs137 的计数值九、绘图，并估算峰值的位置，此时再测几个更细的点，放大倍数减小一档，为3.5V，1V。十、换上 Co60 源进行测量，从7.3V测到5.9V，并作图7十一、找出以上四个峰的位置，拟合能量刻度。十二、接上微机口，微机比较 Cs137 和 Cs137 + Co60 的不同。. 实验结果及分析讨论一、表 2记录了细测 8.00.8V的计数情况表4 Cs137 的能谱曲线电压（v） 计数 电压（v） 计数 电压（v） 计数8.0 68 5.1 1353 2.2 46127.9 87 5.0 1789 2.1 48777.8 114 4.9 2076
12、2.0 46507.7 227 4.8 2456 1.9 44747.6 570 4.7 2741 1.8 42797.5 1393 4.6 2708 1.7 40177.4 2992 4.5 2790 1.6 39697.3 5169 4.4 2810 1.5 40307.2 7786 4.3 2753 1.4 41927.1 9746 4.2 2825 1.3 42257.0 10350 4.1 2817 1.2 42676.9 10049 4.0 2720 1.1 43686.8 8428 3.9 2779 1.0 45306.7 6200 3.8 2876 0.9 48196.6 43
13、15 3.7 2801 0.8 51146.5 2627 3.6 28806.4 1910 3.5 29286.3 1393 3.4 29156.2 997 3.3 29866.1 785 3.2 30436.0 686 3.1 31175.9 524 3.0 33285.8 515 2.9 33755.7 499 2.8 35225.6 527 2.7 37345.5 565 2.6 38095.4 630 2.5 40495.3 796 2.4 42365.2 1138 2.3 45588由上表可得下图，为 Cs137 的射线的能谱图。如上图所示，测得的能谱有三个峰和一个平台。最右边的峰称
14、为全能峰，这一脉冲幅度直接反映射线的能量即0.661MeV；上面已经分析过，这个峰中包含光电效应及多次效应的贡献，本实验装置的闪烁探测器对0.661MeV的射线能量分辨率 9%。平台状曲线是康普顿效应的贡献，其特征是散射光子逃逸后留下一个能量从0到 /(1 1/4 )E E 的连续的电子谱。峰C是反散射峰。由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。估算峰的位置，约2V，7V，此时再测几个更细的点，放大倍数减小一档，峰值为3.5V，1V，如下表表3：减小放大倍数后的电压电压（v
15、） 计数 电压（v） 计数 电压（v） 计数3.8 15685 1.3 86773.7 24554 1.2 94663.6 21981 1.1 106313.5 11709 1.0 106713.4 5623 0.9 98313.3 5378 0.8 9582由表可知，计数值在相应的峰值比放大倍数下降之前约大两倍，这是由于放大倍数下降而计数区间不变的缘故。由此可以更加精确的得到峰值。换上 Co60 进行测量，从7.3V测到5.9V，有下表9表4： Co60 的计数测量电压（v） 计数 电压（v） 计数 电压（v） 计数7.3 455 6.6 304 5.9 5797.2 637 6.5 543
16、7.1 748 6.4 8407.0 728 6.3 10916.9 579 6.2 11556.8 347 6.1 9036.7 270 6.0 652根据以上两个表，可以得到峰值对于 Co60 ，能量为1.33MeV时，峰位为6.21V，能量为1.17MeV时，峰位为7.05V，对于 Cs137 ，能量为0.662MeV时，峰位为3.58V，能量为0,184MeV时，峰位为1.04V。用以上四个值做线性回归，得到：E=5.2368x+0.0894R=0.99999线性性很好。利用此公式可以用来标定其他射线的关系。接入微机后，得到下图：图1： Cs137 的危机测量图图2： Co60 + Cs137 的危机测量图10对这两个图作对比，可知，在大范围中，单一的 Cs137 和两者的叠
