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1、近 代 物 理 实 验 报 告 射 线 能 谱 的 测 量学 院 数理与信息工程学院 班 级 光信 081班 姓 名 陈亮 学 号 08620114 时 间 2011 年 04月 27日 射线能谱的测量班级：光信 081 姓名：陈亮 学号：08620114摘要：学会 NaI(Tl)单晶 闪烁体整套装置的操作、调整和使用；在此基础上测量 137Cs和60Co的 能谱，求出能量变化率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形；了解多道脉冲幅度分析器在 NaI(Tl)单晶 谱测量中的数据采集及其基本功能，在数据处理中包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等。通过测量 137Cs和 60Co 的 射线的吸收曲线
2、，研究 射线与物质（被束缚在原子中的电子、自有电子、库仑场、核子）相互作用的特性，了解窄束 射线在物质中的吸收规律及测量其在不同物质中的吸收系数。关键字： 射线 能谱 物质吸收系数 光电效应 康普顿效应 电子对效应 引言：原子核由高能级向低能级跃迁时会辐射 射线，它是一种波长极短的电磁波，其能量由原子核跃迁前后的能级差来表示即：射线与物质发生相互作用则产生次级电子或能量较低的 射线，将 射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到 辐射强度按能量的分布，即为“能谱” 。测量能谱的装置称为“能谱仪” 。闪烁探测器是利用带电粒子或非带电粒子与某些物质的相互作用下转化成为带电粒子对物质原子的激
3、发，从而会产生发光效应的特性来测量射线的仪器。它的主要优点是即能测量各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子；即能测量粒子强度，又能测量粒子能量；并且探测效率高。 射线，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。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 。 当 射 线 通 过 物 质 并
4、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 效 应 较 弱 。 光 子的 能 量 较 高 时 ， 除 上 述 光 电 效 应 外 ， 还 可
5、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 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
6、。 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 。 通 过 对 射 线 谱 的 研 究 可 了 解 核 的 能 级 结 构 。 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 ， 医 疗 上 用 来 治 疗 肿 瘤 。 射线是原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时所发出的一种辐射，其辐射的
7、能量由原子核跃迁前后两能级的能量之差决定。由于 射线的能量与原子核激发态的能级密切相关， 因此， 射线能量的测量对于了解原子核的结构、获得原子核内部的信息是一个十分重要的途径。正文实验目的1了解闪烁探测器的结构、原理；2掌握 Nal（T1）单晶 闪烁谱仪的几个性能指标和测试方法；3了解和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 闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用，调试一台谱仪至正常工作状态。2测量 137Cs的 能谱，求出能量分辨率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形。3了解多道脉冲幅度分析器在 NaI(Tl)单晶 谱测量中的数据采集及其基本功能4数据处
8、理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等） 。实验原理 射线能谱的测量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。某些物质的原子核能发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线，核辐射主要有 、 三种射线。我们通过不同的实验仪器能够探
9、测到这些肉眼无法看见的射线。本实验使用的是 闪烁谱仪。 闪烁谱仪内部含有闪烁体，可以把射线的能量转变成光能。实验中采用含 TI（铊）的 NaI晶体作 射线的探测器。由原子物理学中可知 射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程，最终实现了能谱图样的输出如下：图中的横坐标 CH表示道数，与能量成正比，纵坐标表示强度，也就是射线的密集程度，与计数成正比。显然多于实验产生了多个峰值，但是 B/C/D这三个峰值的能量比较低，不适合我们记录，为了能够同时获得高能量以及大密集度的峰值我们选取最右端的峰值，也就是 A峰。 这个峰我们又把它称为全能峰。实验过程中要保证最终的峰值
10、与图中 A峰的 CH（道数）尽量的接近，这样测得的结果才有实验价值。由于射线与物质相互作用，导致射线通过一定厚度物质后，能量或强度有一定的减弱，称为物质对射线的吸收。研究物质对射线的吸收规律，不同物质的吸收性能等，在防护核辐射、核技术应用和材料科学等许多领域都有重要意义。实验装置实验步骤：1熟悉仪器，检查仪器安装是否正确，特别注意高压调节至 0，以免接通电源后对闪烁探测器的冲击，影响仪器工作状态和使用寿命，然后接通电源,并预热 20分钟左右。2放上 60Co放射源，打开盖子；并使探测器大致对准放射源出射口。3运行多道分析软件开始计数测量。为了提高数据采集的速度及能量分辨率，参数范围设置在 51
11、2道，时间预置为 500，并调节道数坐标 320，纵轴刻度为自动线性显示。4调节电压（700 左右，不能超过 900V）至合适值，线性放大调节到 0.3倍，开始计数测量，记录总计数率。5文件保存为 a.chn并按下清零按钮。6对探测器位置稍作调节，其他设置保持不变,开始测量，记录总计数率。7文件另保存为 b.chn并按下清零按钮。8又对探测器位置稍作调节，其他设置保持不变,开始测量，记录总计数率。9 文件另保存为 c.ch。以上步骤是 60Co的 射线能谱测量，接下来是 137Cs的 射线能谱测量换 137Cs辐射源，在测量过程中，除了注意时间预置为 300，并调节道数坐标 160之外，其他步
12、骤与 60Co的 射线能谱测量类似，得到 A.chn、B.chn、C.chn。最后分析并打印出实验所得的图像 1、2（a、b、c 文件中取总计数率最大文件中的图像 1；A、B、C 文件中取总计数率最大文件中的图像 2） ，实验结束后整理实验仪器，老师签字。能谱测量数据：，电压为 684大倍数为 0.3倍60o总计数率 峰位 半高宽 净面积 分辨率 道数 计数285 5h=158.75chn 14.96chn 106202 9.43% 320 689279 5h=157.75chn 14.86chn, 106102 9.44% 320 654296 5h=159.75chn 14.76chn 1
13、05102 9.34% 320 798，电压为 686大倍数为 0.3倍137Cs总计数率 峰位 半高宽 净面积 分辨率 道数 计数914 4th156.45 15.56 36537 10.01% 160 2389995 4th159.80 15.79 38657 10.09% 160 2624928 4th156.09 15.05 35999 9.64% 160 2498实验总结在本次实验中有很多值得注意的地方，如对于放射源的操作。虽然放射源所开的孔很小，但操作仍要十分小心，在拧开或关闭放射源盖子时，需从侧面慢慢盖上或取下。对于暂时不用的放射源应将它保存于抽屉中，切不可放在桌角等处，以防放射
14、源掉下来造成严重的后果。实验问题分析1、 为何分析仪需要将电压调零后关机？答：仪器启动时会有瞬间高压产生，分析仪能产生 170%的高压，若在 700V 左右工作电压启动，则开机时会击穿光电倍增管。2、 实验中 Cs137 测量时间为 300 秒，Co60 测量时间为 500 秒，可不可以讲测量时间互换？答：不能 Cs 放射性强，技术强，300s 吸收已经稳定，无需 500s，而 Pb 放射强度弱，需要 500s 才能稳定，300s 时完全没有达到稳态。3、 调整道数电压时为什么每次都要将软件停止归零？每一次运行软件测定时间已经开始计算，若调整电压时没有停止调零，则下次测定时间就会减少，导致结果不正确。4、 改变放大倍数结果有没有变化？答：结果一致，效果不同。放大倍数越大，精度越高，误差越小，但对仪器的要求更高。
