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1、云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称: 近代物理实验 实验项目: 能谱的测量单道学生姓名: 朱江醒 学号: 20051050148 物理科学技术学院物理系 2005 级数理基础科学专业成绩指导教师: 葛茂茂 实验时间: 2007 年 12 月 16 日 8 时 30 分至 12 时 30 分 实验地点: 四合院 实验类型:教学(演示 验证 综合 设计) 学生科研课外开放 测试 其它云南大学物理实验教学中心 实验报告1一、实验目的(1) 了解 射线与物质相互作用的基本特性;(2) 掌握NaI(Tl) 谱仪的工作原理及其使用方法;(3) 学会分析 137Cs单道 能谱;(4) 测定谱仪的能量分
2、辨率及线性。二实验原理1、 射线与物质相互作用。当 射线的能量在30MeV以下时,最主要的相互作用方式有三种:(1) 光电效应。 射线的全部能量转移给原子中的束缚电子,使这些电子从原于中发射出来, 光子本身消失。(2)康普顿散射。入射 光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞,光子的一部分能量转移给电子,使它反冲出来,而散射光子的能量和运动方向都发生了变化。(3) 电子对效应。 光子与靶物质原子的原子核库仑场作用,光子转化为正-负电子对。在光电效应中,原子吸收光子的全部能量,其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能,另一部分就作为光电子的动能。所以,释放出来的光电子的能量就是入射光子能量和该束
3、缚电子所处的电子壳层的结合能B 之差。虽然有一部分能量被原子的反冲核所吸收,但这部分反冲能量与 射线能量、光电子的能量相比可以忽略。因此,E光电子 (1)EBi即光电子动能近似等于 射线能量。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)则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外,还需要有一个第三者参加,这第三者就是发射光子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),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。图1是能量为h,的入
4、射光子发生康普顿散射的示意图,h 为散射光子的能量; 为散射光子与入射光子方向间的夹角,称散射角; 为反冲电子的反冲角。康普顿散射与光电效应不同。光电效应中光子本身消失,能量完全转移给电子;康普顿散射中光子只是损失掉一部分能量。光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上;康普顿散射则总是发生在束缚得最松的外层电子上。我们可以分析一下散射光子和反冲电子的能量与反射角的关系。入射光子能量为 ,动量为 碰hEc/撞后,散射光子的能量为 ,动量为 ,反冲电子的动能为E e ,总能量为 E,动量为 P,见图 1,它们之间有下列关系式:(2)202020201cmcmce (3)20v云南大学物理实验教学中心
5、实验报告2相对论能量和动量关系为(4)2420cPmE式中 ,v为反冲电子速度,m o 是电子静止质量,m是电子以速度v运动时具有的质c/量。根据能量和动量守恒定律,有下列关系式:(5)eh(6)cosPc(7)insi由此可以得到202 )()co1(cmhh或者 sEE 因此,散射光子的能量(8)cos1(20m康普顿反冲电子的动能 EhEe即(9)cos1(20me之 间 的 关 系 为和 (10)2)(0tgcEctg从(8)、(9) 和 (10)式可以看出:(1) 当散射角 时,散射光子能量 ,达到最大值。这时反冲电子的能0量E e0。这就是说,在这种情况下入射光子从电子近旁掠过,未
6、受到散射,所以光于能量没有损失。(2) 当 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8子沿着入射光子方向飞出 ,这种情况称反散射。这时散射光子能量最小,即 )/(2120mincE由此式可以推断出,即使入射光子的能量很大,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2所云南大学物理实验教学中心 实验报告3示。电子对效应是
7、 光子从原子核旁经过时,在原子核的库仑场作用下, 光子转化为一个正电子和一个负电子的过程。根据能量守恒定律,只有当入射光子能量 h,即 1.02 MeV 时,才能发生电子对效应。与20cmh光电效应相似,电子对效应除涉及入射光电子和电子对以外,必须有一个第三者原子核参加。2、NaI( Tl) 能谱仪介绍。 图3是NaI(Tl)闪烁能谱仪的方框图。 当放射源发出的 射线进入闪烁体时,光子即与闪烁体中的原子、分子及晶体系统发生相互作用(如光电效应,康普顿散射和电子对效应等)。相互作用的结果产生次级电子,光子的能量转化为次级电子的动能。探头的闪烁体是荧光物质,它被次级电子激发而发出荧光,这些光子射向
8、光电倍增管的光阴极。由于光电效应,在光阴极上打出光电子,每个光电子在光电倍增管中的打拿极(倍增极)上打出多个电子,这些电子又打在其他级的打拿极上,打出更多的电子,经过多次倍增,最后有大量电子射向管子的阳极,转变成电信号输出。以上光电转换过程之间能够保持良好的线性关系,从而使光电倍增管输出的脉冲幅度,正比于 光子在闪烁体内由各种效应面产生的次级电子的能量。通常,光电倍增管输出的脉冲幅度不超过1V ,所以必须经过线性冲放大器放大后,再输入到单道(或多道)脉冲幅度分析器中,对不同幅度的脉冲强度进行分析。单道脉冲幅度分析器主要由上、下两个甄别器和一个反符合电路组成,如图4(a)所示。上甄别器有较高的阈
9、电压V V ,下甄别器有较低阈电压V,V称为道宽,如图4(b)所示。反符合电路的作用是,仅当一个输入端有信号输入时才有信号输出。这样,脉冲A不能通过上、下甄别器,脉冲C 都能通过上、下甄别器,这两种情况均不能使反符合电路有信号输出。只有介于上、下甄别阈之间的脉冲B 才能触发反符合电路使单道分析器有脉冲输出 ,送到定标器进行计数。我们通过不断改变甄别阈V,就可能得到脉冲计数率按其幅度分布的曲线,叫作“脉冲谱”。由于脉冲幅度正比于 射线的能量,所以“脉冲谱”既是 射线的能谱曲线。以上是单道分析器作“微分”测量的情形。当作“积分”测量时,上甄别器不输出脉冲到反符合电路,故只要幅度高于下甄别阈的脉冲均
10、能通过分析器得计数。我们可根据不同的需要作“微分”或“积分”测量。多道分析器相当于多个单遒分析器。它把分析器的分析范围(5伏或10伏)按不同的测量平均分成256道、 512道、1024道、 2048道等。各道能同时测量,可测出介于各窄小道宽内的脉冲强度,既可在幕上同时显示各道的计数,也可由打印机打印出来,因此能便捷地测量能谱。3、 137Cs 能谱分析。图5是 137Cs的衰变纲图。它可发出能量为1.176MeV的粒子,成为基态的 137Ba;而主要的衰变过程是发出能量为0.517MeV 的 粒子,成为激发态的 137Ba*,再跃迁到基态发出能量为0.662MeV的单能 射线。其能谱是有三个峰
11、和一个坪台的连续分布,云南大学物理实验教学中心 实验报告4如图6 所示。图中的峰A称为全能峰,这一幅度的脉冲是 0.662MeV 的 光子与闪烁体发生 光电效应而产生的,它直接反映了 射线的能量。平台状曲线B是康普顿效应的贡献,它的特征是散射光子逃逸出晶体后留下一个连续的电子谱。峰C是反散射峰,当 射线射向闪烁体时,总有一部分 射线没有被吸收而逸出,当它与闪烁体周围的物质发生康普顿散射时,反散射光子可能进入闪烁体发生光电效应,其电脉冲就形成反散射峰。峰D是X射线峰,它是由 137Ba 的 K 层特征X射线贡献的。处于激发态的137Ba(在放出内转换电子后,造成K 壳层空位,外层电子向 K壳层跃
12、迁后产生X光子。由于 137Cs 发出的 射线能量为0.662MeV (小于1.02MeV),所以它与闪烁体作用不会发生电子对效应。4、 谱仪的性能指标 一台闪烁谱仪的性能指标,包括能量分辨率、线性及稳定性等。探测器输出脉冲幅度的过程中存在着统计涨落,即使是有确定能量的粒子的脉冲幅度,仍具有一定的分布。通常把分布曲线极大值一半处的全宽度称为半高宽,即图6中的 E,有时也用 FWHM表示,它反映了谱仪对相邻的脉冲幅度或能量的分辨本领。因为有些涨落因素与能量有关,故使用相对分辨本领即能量分辨率更为确切。一般谱仪在线性条件下工作,因此 也等于脉冲幅度分辨率,即 VE(11) 标准源 137Cs 的全
13、能峰最为明显和典型,用 NaI(Tl)闪烁体的 谱仪测量其 0.662MeV的 射线,能量分辨率一般为 810,理想的能量分辨率为 7.8。因此,常用 137Cs的 射线的能量分辨率来检验与比较 谱仪性能优劣。能量线性指谱仪对 射线的能量和它产生的脉冲幅度之间的对应关系。一般NaI (Tl)闪烁谱仪在较宽的能量范围内(约lO0keV 到1300keV)是近似线性的。通常,在实验中用系列 标准源,在相同的条件下分别测量它们的能谱,用其全能峰峰位(阈电压值)与已知的 射线能量作关系图,称为能量刻度曲线。理想的能量刻度曲线是不通过原点的一条直线,即。 (12)0EGx式中x为全能峰位,G 为增益(每
14、伏对应的能量),E 0为截矩。利用这条能量刻度曲线还可以测量未知 源的射线能量。显然,确定未知7射线能量的准确度取决于全能峰位的准确性。这将与谱仪的稳定性、能量刻度线的原点及增益漂移有关。因此,一台好的谱仪必须具有长时间的稳定性。三、 实验装置云南大学物理实验教学中心 实验报告5实验装置的组成如图3所示,包括NaI(Tl)闪烁谱仪、多道分析器 (FH1220)、示波器、标准 源 137Cs, 60Co 各一个、未知 源一个。四、 实验内容和步骤1、按图3连接仪器,用示波器观察 137Cs 的脉冲波形,调节线性放大器的放大倍数,使幅度最大的脉冲亮带小于10V (一般为 89V )。2、选择并固定
15、单道分析器的道宽,例如 0.1伏,从小到大改变阈值,测量 137Cs 能谱及本底谱,描图并计算能量分辨率 。3、改变放大器的放大倍数,使 137Cs, 60Co( 1.173MeV, 1.332 MeV)的1E2E全能峰合理地分布在单道分析器的阈值范围内(10V )。依次测量它们的能谱,再用最小二乘法拟合出能量刻度曲线。实验指导教师签名 学生签名实验指导老师填写 1、实验记录是否完整准确 2、有无涂改抄袭现象云南大学物理实验教学中心 实验报告6五、实验数据与图象铯 137 放大倍数 2 t=6s V/伏 N1 N2 N3 Averange0 375 423 386 394.66670.1 332 297 309 312.66670.2 1254 1253 1270 12590.3 1236 1264 1305 1268.3330.4 444 475 459 459.33330.5 405 441 468 4380.6 419 482 424 44