【精选】NaI晶体谱仪及γ全能谱分析(338)

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1、1中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级：应用物理学 09-2 班 姓名：王国强 同组者：庄显丽 教师：NaI 晶体谱仪及 全能谱分析【实验目的】1、了解闪烁探测器的结构、工作原理。2、掌握 NaI（Tl）单晶 闪烁能谱仪的几个性能指标和测试方法3、观测及分析 全能谱。4、了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。【实验原理】一、闪烁能谱仪测量 能谱的原理闪烁能谱仪是利用某些荧光物质在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射荧光（称为闪烁）的现象来测量能谱的。这种荧光物质常称为闪烁体。1、闪烁体的发光机制有机闪烁体包括有机晶体闪烁体、有机液体闪烁体和有机塑料闪烁体等。最常用

2、的无机晶体是铊激活的碘化钠单晶闪烁体，常记为 NaI（Tl ） ，属离子型晶体。在碘化钠晶体中掺入铊原子，其关键作用是可以在低于导带和激带的禁带中形成一些杂质能级。这些杂质原子会捕获一些自由电子或激子到达杂质能级上，然后以发光的形式退激到价带，这就形成了闪烁过程的发光，而这种光因能量小于禁带宽度而不再被晶体吸收，不再会产生激发或电离。这说明只有加入少量激活杂质的晶体，才能成为实用的闪烁体。对于 NaI（Tl ）单晶闪烁体而言，其发射光谱最强的波长是 415 nm 的蓝紫光，其强度反映了进人闪烁体内的带电粒子能量的大小。2、 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

3、式，如图 9-1- 1 所示。（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（9-1-1 ）ieBEBi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。（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，

4、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。反冲电子的动能为图 9-1-1 射线光子与物质原子相互作用2（9-1-2 ）cos120Eme式中 为电子静止能量，约为 0.5MeV；角度 是散射光子的散射角。当 时（即光子20cm 018向后散射，又称为反散射） ，反冲电子的动能有最大值，此时（9-1-3 ）Ecm210ax这说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。（3）电子对效应当 光子能量大于 2 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0cm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（9-

5、1-4 ）20cmEe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，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 9-1-2 是 NaI（Tl）单晶 闪烁能谱仪结构示意图。1、NaI（ Tl）

6、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。3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

7、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

8、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，V 1 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、NaI（ Tl）单晶 闪烁能谱仪的主要指标（1）能量分辨率由于单能带电粒子在闪烁体内激发的荧光

9、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（正态）分布。能量分辨率的定义是：（9-1-5 ）%10E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（9-1-6 ）CHCH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 为记数率极大处所在道数。显然，能量分辨率的数值越小，仪器分辨不同能量的本领就越高，而且可以证明能量分辨率和入射粒子能量有关：（9-1-7 ）%10E通常 NaI（Tl ）单晶

10、闪烁能谱仪的能量分辨率以 137Cs 的 0.662 MeV 单能 射线为标准，它图 9-1-4 单道脉冲幅度分析原理4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度与带电粒子的能量是否有线性关系，以及线性范围的大小。NaI（Tl）单晶的荧光输出在 150KeVE 6MeV 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

11、，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。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

12、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）稳定性NaI（Tl）单晶 闪烁能谱仪的能量分辨率、线性度都与稳定性有关，因此在测量过程中，要求其各组成部分，如高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器等，都要具有较高的稳定性，并始终能正常工作。三、 射线的能谱图 9-1-5 所示为 137Cs 的 能谱，纵轴代表单位时间内的脉冲数目，即射线强度，横轴道数代表脉冲幅度，即反映粒子的能量。谱线包括三个峰和一个平台。峰 A 是光电峰，也称为全能峰，这一脉冲幅度直接反映 射线的能量，即 0.662MeV。闪烁探测器对 0.662MeV 的 射线能量分辨率为

13、7.5%。图 9-1-3 能量刻度曲线5图 9-1-5 137Cs 的 能谱平台状曲线 B 是康普顿效应的贡献，其待征是散射光子逃逸后留下一个能量从 0 到 的maxE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反散射，或 射线在源及周围物质上发生反散射，而反散射光子进入闪烁体通过光电效应而被记录所致。反散射峰对应的 射线的能量为 0.184MeV。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。【

14、实验装置及器材】放射源 60Co 和 137Cs；NaI（ Tl）单晶 闪烁能谱仪；计算机等。【实验数据的处理与分析】1. 用 137Cs 源测绘坪曲线的数据处理：测绘坪曲线数据如下表表 1 坪曲线数据表(放大倍数=8)电压/V内容750 800 850全谱总计数 212352 219053 220806将上表中数据在直角坐标系中逐点描绘的下图：图 9-5-1 粒子的动能与动量的关系6图 9-1-6 评 曲 线 图210000215000220000225000700 750 800 850 900电 压 V全 谱 总 计 数系 列 1由上图可以看出，当工作电压在 700-80V 之间时，具有

15、良好的线性关系，所以在做实验时，工作电压应在 700-800V 之间选择，当电压大于 800V 时实验效果没有在 700-800V 之间的效果明显，此时，能谱仪能采集到的粒子数减少。其原因可能是当束缚电子脱离原子束缚时在高电压下有一部分粒子超出了能谱仪的采集范围，所以全谱计数会减少。2. 本底计数率随电压变化的数据处理本底计数率随电压变化的数据如下表表 2 本底计数率随电压变化的数据表(放大倍数=8)将上表中数据在直角坐标系逐点描绘得本底计数率随电压变化的关系曲线。将表中数据用作图法拟合，得到表中数据基本符合如下公式20.5368.374yx电压/V内容 750 800 850本底计数率 25

16、99 2420 25087图 9-1-7 本 地 计 数 率 随 电 压 的 变 化 关 系 图y = 0.0536x2 - 86.66x + 37444240024502500255026002650740 760 780 800 820 840 860电 压 V本 底 计 数 率个 多 项 式(系 列1)将上式整理成标准形式得 20.536(8.4)16.yx由式中可知，当电压在 808.4V 时本底计数率最低，及外界对实验的干扰最小。所以该电压就是合适的电压。试验中为了测得比较精确实验数据，就把 800V 作为试验电压。3. 对 137Cs 的 r 能谱光电锋位置的相关数据的处理：137Cs 的 r 能谱光电锋位置(电压=800V) 的数据如下表表 3 137C