NaI(Tl)闪烁谱仪r能谱

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1、NaI（Tl ）闪烁谱仪测量能谱实验目的1.掌握 NaI(Tl) 闪烁谱仪的结构、原理和工作过程2.掌握 NaI(Tl)闪烁谱仪的性能指标和测试方法。3.了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。实验内容1.学会 NaI(Tl) 单晶 闪烁谱仪装置的使用操作方法2.掌握调整谱仪参数，选择最佳测量工作条件的方法3.测量谱仪的能量分辨率、刻度能量线性。4.了解数据处理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等）。一 射线与物质的相互作用 射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式，如图1 所示。图 1 射线光子与物质原子相互作用（1）光电效应当能量为E的入射 光子与物质中原子的束缚电

2、子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失。 发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应。发射光电子的动能为ieBEEBi为束缚电子所在壳层的结合能。原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X 射线。这种X 射线在闪烁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，所以闪烁体得到的能量是两次光电效应产生的光电子能量之和。值得注意的是，由于必须满足动量守恒定律，自由电子（非束缚电子）不能吸收光子能量而成为光电子。光电效应的发生除入射光子和光电子之外，还需有一个第三者参加，这第三者就是发射光电子

3、之后剩余下来的整个原子。它带走一些反冲能量，但该能量十分小。由于它的参加， 动量和能量守恒才能满足。而且， 电子在原子中被束缚得越紧（即越靠近原子核的电子），越容易使原子核参加上述过程。所以在K 壳层上发生光电效应的概率最大。（2）康普顿效应 光子与自由静止的电子发生碰撞，将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子， 光子被散射，改变了原来的能量和方向。反冲电子的动能为cos112 0 EcmEEe（式中2 0cm为电子静止能量，约为 0.5MeV ；角度 是散射光子的散射角。当0180时（即光子向后散射，又称为反散射），反冲电子的动能有最大值，此时EcmEE212 0max（9-1-3）这说

4、明康普顿效应产生的反冲电子的能量有一上限最大值，称为康普顿边界。需要注意：（1）当散射角=0o时，散射光子能量E=E，达到最大值。 这时反冲电子的能量Ee=0。这就是说，在这种情况下入射光子从电子近旁掠过，未受到散射，所以光子能量没有损失。（2）当=180o时，入射光子与电子对心碰撞后，沿相反方向散射出来，而反冲电子沿着入射光子方向飞出，这种情况称反散射。这时散射能量最小，即min2 021EEEm c由此式可以推断出，即使入射光子的能量变化很大，反散射光子的能量也都在200keV 左右。这也是能谱上容易辨认反散射峰的一个原因。发生康普顿效应时，散射光子可以向各个方向散射。对于不同方向的散射光

5、子，其对应的反冲电子能量也不同。因而即使入射 光子的能量是单一的， 反冲电子的能量却是随散射角连续变化的。理论计算和实验都表明，入射光子的康普顿反冲电子能谱如图4-2 所示。（3）电子对效应当 光子能量大于22 0cm时， 光子从原子核旁经过并受到核的库仑场作用，可能转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对效应。 此时光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和2 02cmEEEee（9-1-4）综上所述， 光子与物质相遇时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应或电子对效应而损失能量，其结果是产生次级带电粒子，如光电子、反冲电子或正负电子对。次级带电粒子的能量与入射 光子的能量直接相关，因此

6、，可通过测量次级带电粒子的能量求得光子的能量。 闪烁 能谱仪正是利用 光子与闪烁体相互作用时产生次级带电粒子，进而由次级带电粒子引起闪烁体发射荧光光子，通过这些荧光光子的数目来推出次级带电粒子的能量，再推出 光子的能量，以达到测量 射线能谱的目的。二、 NaI（Tl）单晶 闪烁能谱仪的结构与性能图 2 闪烁谱仪装置结构图1、NaI（Tl）闪烁探测器闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。探测器最前端是 NaI（Tl ）闪烁体，当射线（如 和 ）进入闪烁体时，在某一地点产生次级电子，它使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子。在闪烁体周围包以反射物质，使光子集中向光电倍

7、增管（具体内容参阅附录3-2-1）方向射出去。经过光电倍增管产生输出信号，通常为电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆将信号传输到电子检测仪器中去。图 9-1-2 NaI（Tl）单晶 闪烁能谱仪结构示意图实用时常将闪烁体、光电倍增管、分压器及射极跟随器安装在一个暗盒中，统称探头。探头中有时在光电倍增管周围包以起磁屏蔽作用的屏蔽筒（如本实验装置），以减弱环境中磁场的影响。 电子检测仪器的组成单元则根据闪烁探测器的用途而异，常用的有高、 低压电源、线性放大器、单道或多道脉冲幅度分析器等。2、单道与多道脉冲幅度分析器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

8、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，单道脉冲幅度分析器就起从中“ 数出 ” 某一幅度脉冲数目的作用。单道脉冲幅度分析器里有两个甄别电压V1（此电压可以连续调节）和V2，如图 9-1-4所示。 V1 和 V2也称下、上甄别域，差值V称为窗宽。为保证足够的分辨率，以及减小统计涨落的影响，窗宽的选择不能过大，也不能太小。这样， V1和 V2就像一扇窗子，低于V1或高于 V2的电压信号都被挡住，只有在V1和 V2之间的信号才能通过，形成输出脉冲。进行测量时，按V 连续改变V1值，就可获

9、得全部能谱。显然， 使用单道脉冲幅度分析器进行测量，既不方便也费时，因此，现在多使用多道脉冲幅度分析器。 多道脉冲幅度分析器的作用相当于几百个单道脉冲幅度分析器，一次测量可获得整个能谱，非常方便，在本实验中就采用这种方式。3、闪烁谱仪的性能指标闪烁谱仪的基本性能由能量分辨率、能量线性和稳定性来衡量。在高强度放射性测量和时间测量中，则首先要考虑的是时间分辨本领。（1）能量分辨率：由于单能带电粒子在闪烁体内损失能量引起的闪烁发光所放出的荧光光子数有统计涨落；一定数量的荧光光子打在光电倍增管光阴极上产生的光电子数目有统计涨落。这就使同一能量的粒子产生的脉冲幅度不是同一大小而近似为高斯分布。能量分辨率

10、的定义是：%100 （11）由于脉冲幅度与能量有线性关系,并且脉冲幅度与多道道数成正比，故又可以写为%100CHCH（12） CH 为记数率极大值一半处的宽度（或称半宽度），记作 FWHM （ Full Width at half maximum ） 。 CH为记数率极大处的脉冲幅度。显然谱仪能量分辨率的数值越小，仪器分辨不同的能量的本领就越高。而且可以证明能量分辨率和入射粒子能量有关。%1001（13）通常 NaI(Tl) 单晶 闪烁谱仪的能量分辨率以137C S的0.661MeV 单能 射线为标准，它的值一般是 10%左右，最好可达67%。（2）线性度与能量刻度能量的线性就是指输出的脉冲幅

11、度与带电粒子的能量是否有线性关系，以及线性范围的图 9-1-4 单道脉冲幅度分析原理大小。NaI（Tl）单晶的荧光输出在150KeV E6MeV 的范围内和射线能量是成正比的。但是 NaI（Tl）单晶 闪烁能谱仪的线性好坏还取决于闪烁能谱仪的工作状况。例如当射线能量较高时，由于光电倍增管后几个联极的空间电荷的影响，会使线性变坏。另外，脉冲放大器线性程度也将影响谱仪的线性。为了检查谱仪的线性，必须用一组已知能量的 射线，在相同的实验条件下，分别测量出它们的光电峰位，做出能量幅度曲线，称为能量刻度曲线 （或能量校正曲线） 。如图9-1-3 所示。用最小二乘法进行线性拟合，线性度一般在0.99 以上

12、。对未知能量的放射源，由谱仪测出脉冲幅度后，利用这种曲线就可以求出射线的能量。（3）坪曲线与本底计数率坪曲线是入射粒子强度不变时，NaI（Tl）单晶 闪烁能谱仪的源（或全谱）计数率随工作电压变化的曲线。本底计数率是指不加放射源时NaI（Tl）单晶 闪烁能谱仪的全谱计数率，主要由光电倍增管的暗电流、电子学噪声、 宇宙射线及环境辐射产生，其也随工作电压的变化而变化。在使用NaI（ Tl）单晶 闪烁能谱仪时，应首先测量坪曲线和本底计数率，然后选择源（或全谱）计数率随电压变化较小、本底计数率相对较低的工作电压。（4）谱仪的稳定性：谱仪的能量分辨率，线性的正常与否与谱仪的稳定性有关。因此在测量过程中，要

13、求谱仪始终能正常的工作，如高压电源， 放大器的放大倍数， 和单道脉冲分析器的甑别阈和道宽。如果谱仪不稳定则会使光电峰的位置变化或峰形畸变。在测量过程中经常要对137C s的峰位，以验证测量数据的可靠性。为避免电子仪器随温度变化的影响，在测量前仪器必须预热半小时。在测量中可考虑下列一些因素，进行必要的调整，以期达到一台谱仪可能实现的最好的分辨率。（1）闪烁体与光电倍增管光阴极之间保持良好的光学接触；（2）参考光电倍增管高压推荐值，并作适当调整，使得在保持能量线性条件下，输出脉冲幅度最大；（3）合理选择单道分析器的道宽，如单道分析器最大分析幅度为10V 时，道宽宜用0.1V （4）根据放射源的活度

14、，选择合适的源与闪烁体之间的距离。三、实验装置图 3 能量刻度曲线图 4 闪烁谱仪装置结构示意图图 5 闪烁谱仪装置实物图实验装置组成：插件机箱FH0001A 1 台低压电源BH1231 1 台1.5KV 高压电源BH1283N 1 台线性脉冲放大器BH1218 1 台单道脉冲幅度分析器BH1219 1 台插道定标器BH1220 1 台 能谱探头FJ374 1 个标准源137Cs 1 个1. NIM 系统 :本实验单道谱仪采用NIM 系统与 NaI(Tl) 闪烁探头组合而成。NIM(Nuclear Instrument Module)代表核仪器标准化的国际通用系统，它由NIM 机箱、 NIM电

15、源及各种NIM 插件组成， 实验者可根据需要， 配备各种功能的插件，构成各式各样的NIM系统。2射极跟随器射极跟随器的作用是减少外界干扰的影响，跟随器输入阻抗较大与光倍增管可匹配，而输出阻抗又较小，使之与线性放大器输入端实现阻抗匹配。3高压电源提供光电倍增管的工作电压。高压电源的稳定性要好(工作过程中电压改变不超过0. 1%)。这是因为高压变化时对脉冲幅度影响很大，一般对闪烁探头而言，高压变动 0. 1%，输出脉冲幅度将变动23%。4线性脉冲放大器线性脉冲放大器主要用于射线的能谱测量，所以除了要求它线性地放大输入脉冲幅度外，还要它对探测器的输出脉冲适当地进行成形。探头信号及成形过程极零相消电路

16、5单道脉冲幅度分析器单道脉冲幅度分析器简称单道，其用途是选择一定幅度范围内的信号。单道脉冲幅度分析器的结构如图2-2-11 所示，它卞要由两个甄别器和一个反符合电路组成。甄别器只能容许幅度大于甄别闽的脉冲通过，如果下甄别闽为V1，只有大于V1 的脉冲才能通过下甄别器。而上甄别器闽值V2 与 V1 保持一定的差值V，即 V2=V1 十V，因此只有幅度大于V2 的脉冲才能通过上甄别器。反符合电路具有这样的特性:当两端同时有脉冲输入时，电路无输出；只有一端有脉冲输入时，电路才有输出。单道脉冲工作原理图单道分析的数学理论补充：如果子样为n 维随机变量， 那么对于每一组子样可作一个经验分布函数，经验分布函数nFx同样也为一随机变量。考察当n时nFx的极限。对于固定的x，F（x）表示事件 X x事件的概率，而nFx表示 n 次试验事件 X x发生的频率。由切比雪夫定律大数定律，对任意0，lim1nnPFxFx即 Fn(x)依概率收敛于F(x)。给定很小