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1、1.1.2 射线的能量和强度测量一、实验目的：了解TlNaI闪烁谱仪的组成，基本特性及使用方法。掌握测量射线的能量和强度的基本方法。二、基本原理 ：1TlNaI闪烁谱仪的组成TlNaI闪烁谱仪由探头，高压电源，线性放大器，微机多道分析器组成，如图（1）所示：探头由TlNaI闪烁体、光电信增管、射极输出器组成。当射线进入TlNaI闪烁体后，会与物质发生多种相互作用。当射线的能量不太高时ev30，作用过程主要有光电效应，康普顿散射效应和电子对效应三种，作用的结果，产生了具有一定动能的次级电子，而射线被吸收或散射， 这些次级电子获得的动能与射光子的能量的关系如表1 所示表 1射线在TlNaI闪烁体中
2、相互作用的基本过程基 本 过 程次级电子获得能量（1）光电效应+原子原子激发或离子 激发 +电子BEET（BE为该层电子结合能）（2）康普顿散射+ 电子（散射） +反冲电子按2 0,cos11cos1cmErrrET ，为散射角，从 0 至最大能量rrE212连续分布， 峰值在最大能量处。（3）电子对产生+原子原子 +ee电子对均分能量2 02cmE次级电子在闪烁体中运动时，使闪烁体的原子激发而发射出荧光光子，光电倍增管的光阴极收集这些荧光光子后发射出光电子，光电子再经过倍增后由阳极收集，在阳极负载电阻上形成一个电压脉冲信号。这一信号经过射极输出器放大后再输出至线性放大器，因此，探头输出信号的
3、电压脉冲幅度，与次级电子在闪烁体中损失的能量成正比，次级电子的能量来自于入射的光子， 所以信号脉冲的幅度也与入射的光子的能量有关，由表 1 可知， 由于三种不同的相互作用，对相同能量的入射射线，也可以产生不同能量的次级电子。因此对于单能的射线，所得到的信号脉冲幅度也有一个很宽的分布。当入射射线的能量MevE3. 0时，光电效应占优势，随着射线的能量增加，发生康普顿效应的几率也增加，当EMev022.1，才有可能出现电子对效应，并且随着的增加，发生电子对效应的几率也显著上升。光电效应主要发生在原子的K 壳层上，光子击出K 壳层的电子的同时，外层电子立即跃迁到 K 壳层上的空穴并发射出X 射线，在
4、晶体中X 射线再次被吸收而产生一个新的次级电子，上述两个过程几乎是同时进行的。因此相应的输出信号是迭加在一起的。即光电效应产生的脉冲幅度直接代表了射线的能量， 在能谱上由光电效应产生的峰称作光电峰。通常也称为全能峰，康普顿效应中多次散射的累计效应和电子对效应中两个湮没光子被全吸收时，对全能峰也有贡献，但这一过程的比例很小，所以全能峰中的计数主要由光电效应所产生。图 2 给出了用TlNaI闪烁谱仪所测得的sc137 55源的能谱。图中 1 号峰为全能峰，对应的射线的能量为0.662Mev ，1 号峰左面的平台相应于康普顿散射产生的次级电子的贡献，根据康普顿散射的特性，次级电子的动能的值可以在0
5、到最大值0. 478Mev 之间连续分布。 峰值在最大能量处，所以从 0 到 E=0. 478Mev 之间出现一个连续分布的平台，称为康普顿平台。2 号峰为反散射峰，它是由能量E=0.662Mev的光子穿透TlNaI晶体后打到光电倍增管上，发生散射角为180的散射后返回到晶体中的光子产生的，可以求得反散射的光子能量值MevE184.0在源的衬底及周围物质上产生的反散射，对2 号峰也有贡献。图中最左边的峰是Cs137的子体Ba137的K X射线峰，相应的KevEx32。闪烁谱仪的主要性能指标。（1）能量的线性关系能量线性是指测得的能谱上全能峰的道址X 与相应的射线能量E之间的线性关系。可以用下式
6、表示：0EXGE（1）式中 G，OE为一常数，其值与探测器的性质及谱仪的工作条件有关，对于TlNaI闪烁谱仪在KeVE100到MeVE3.1的范围内，E与 X 有线性关系。测量能量的线性关系，即用实验方法确定（1）式中的参数G 与OE的值叫做能量刻度。具体是：测量标准源的能谱（例如oC60 源MeVE173.11，MeVE332. 12） ， 找出两个全能峰的道址1x，2x，代入（ 1）式，即可求得G 和OE的值。若谱仪的工作状态发生改变（如高压值，放大倍数发生改变），G 与OE的值也将改变，此时必须重新进行能量刻度。（2）能量分辨率能量分辨率是表示闪烁谱仪区分不同射线能量的本领的物理量，Na
7、I(Tl) 闪烁谱仪的能量分辩率一般用所测得的Cs137标准源的能谱上的全能峰的半宽度来表示，如图2 所示。设全能峰的道址为0x， 对应于峰计数率一半的两个道址为1x和2x。 则谱仪的能量分辩率可以用下式表示：012 xxx（2）的值越小，表示谱仪分辩率不同能量的射线的本领越强。影响谱仪分辩率的因素很多，主要有 NaI(Tl) 晶体的发光效率的非均匀性及统计性涨落，光电倍增管的倍增系数的不稳定性，电子仪器的非线性等，此外， 还与放射源的位置和性质有关，一般情况下，的值为 10%左右，最佳的数据为6%8%，对于能量相差太小的射线，由于受分辩率的限制，NaI(Tl) 闪烁谱仪无法区分，这时必须采用
8、分辨本领更好的半导体谱仪。（3）探测效率设源的发射率为N，谱仪的探测效率可以用下式表示：Nn（3）用这种方法定义的探测效率称作源峰探测效率，（3）式中的N 为射线发射强度，n为全能峰的总计数率由于N 与源的活度成正比，如下式所示。全能峰的总计数可采用全能峰面积法来计算（TPA 法）具体步骤如下：fAN(4) 式中 A 为活度， f 为一常数道数 图（ 3）1 选定所求的全能峰，在全能峰上选定左，右两个边界道址l，r一般选在峰两侧的峰谷处， 如图 3 所示2 求得峰内各道计数的总和rliiIT3 计算本底计数)1()(21lrIIBrl4 计算净计数BTA及统计误差。BlrTA)3(2123微机
9、多道分析器的工作原理及操作方法可参阅有关使用说明书三、实验内容与要求： （1）按图（ 1）检查实验装置，打开电源，微机执行UMS35 软件，进入多道分析工作状 态。（2）选择合适的高压和放大倍数，使测得的Co60标准源的两个全能峰道址在700 到 800 之间。（3）测量Co60标准源的能谱，并根据测量结果对谱仪进行能量刻度，即求出（1）式中的常数G 和OE（4）测量Cs137标准源的能谱，根据测得的能谱，计算谱仪的能量分辩率及探测效率（已知Cs137标准源的活度A=53.3 103Bq）（5）测量Na22的能谱，计算射线的能量（6）测量待测Cs137源的活度xA及误差A （7）测量结束，先把
10、高压降至0，再关机四、数据处理1.能谱仪能量分辨率由Cs-137（编号 432）标定：012 xxxNn= 11% = 0.66% 2.测量 Co-60（编号 11）标准源的能谱：0EGXE代入 Cs-137 和 Co-60 右峰数据可得 G=0.002 E0=-0.005 代入 Co-60 左峰数据验证得E=1.16MeV理论值1.17MeVENn=0.047% 3.测量待测Co-60（编号 12）能谱：由0EXGEE1=1.16MeV E2=1.33MeV Sx=Nx/N0*S0=77.18*1000Bq( 实际 79.1*1000Bq ，误差在合理范围内) 4.改变源的高度,能量不变，强
11、度变小。五、思考题1、射线与物质有哪三种主要作用，各有什么特点？ 答：射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正负电子对产生三种过程。1) 光电效应：入射光子把能量全部转移给原子中的束缚电子，将其打出形成光电子，光 电子动能近似等于入射光子的能量。2) 康普顿散射：入射光子与核外电子发生非弹性散射，康普顿电子能量在0至之间变化，其中如(2)式所示。3) 正负电子对产生：入射射线能量超过时，光子受原子核或电子的库仑场的作用可激 发正负电子对。入射射线能量越大，产生正负电子对的几率也越大。在物质中正电子的 寿命很短，当它在物质中耗尽自己的动能，便同物质原子中的轨道电子发生湮灭反应而变成一对
12、能量各为的光子。2、 何为全能峰？全能峰的计数主要来自于哪些作用的贡献？ 答：光谱中由光电效应形成的光电峰能量与入射射线能量几乎相等，称为全能峰。其 计数主要来源于光电效应，此外，多次康普顿散射的累计效应和两个湮没光子被全吸收时的 电子对效应，对全能峰也有贡献。3、 当改变源与探头之间的距离时，探测效率有无变化？为什么？ 答：有变化。源与探头之间的距离改变时，源对探头所张的立体角必然发生变化， 光子被探头吸收的几率必然发生变化，从而引起探测效率的改变。4、 在对辐射进行能量测量时，样品的位置改变对测量结果有无影响？为什么？ 答：没有。辐射的能量只取决于所用核素的种类，与样品位置的改变没有关系。
