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1、实验名称：闪烁谱仪测射线能谱 实验目的：1.把握闪烁频谱仪的工作原理和利用方式；2. 学会谱仪的能量标定方式；3. 测量137CS和60Co的Y射线能谱。实验原理：（以下原理部份摘自教学资源实验讲义，详见手写预习报告）依照原子核结构理论，原子核的能量状态是不持续的，存在着分立能级。处在能量较高的激发态能级E2上的核，当它跃迁到低能级E1上时，就发射y射线（即波长约在1nm间的电磁波放出的y射线的光 量子能量hv = E2 - E1 ,此处h为普朗克常数，v为y光子的频率。由此看出原子核放出的Y射线的能量反 映了核激发态间的能级差。因此测量Y射线的能量就能够够了解原子核的能级结构。测量Y射线能谱
2、确实 是测量核素发射的Y射线强度按能量的散布。1 闪烁谱仪测量Y射线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。i. 闪烁体的发光机制闪烁体的种类很多，按其化学性质不同可分为无机晶体闪烁体和有机晶体闪烁体。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。此处仅对经常使用的无机晶体闪烁体的发光机制作简单 介绍。最经常使用的无机晶体是铊激活的碘化钠单晶闪烁体，常写为NaI （T1），属离子型晶体，是绝缘体，按 固体物理的概念，其能带结构是在价带和导带之间有比较宽的禁带。如有带电粒子进
3、入到闪烁体中，引发后 者产生电离或激发进程，即可能有电子从价带激发到导带或激发到激带，然后这些电子再退激到价带的可能 进程之一是发射光子。这种光子的能量还会使晶体中其他原子产生激发或电离进程，也确实是光子可能被晶 体吸收而不能被探测到。为此在晶体中掺入少量的杂质原子称为激活原子，如在碘化钠晶体中掺入铊原子， 其关键作用是能够在低于导带和激带的禁带中形成一些杂质能级，见图-1示用意。这些杂质原子会捕捉一 些自由电子或激子抵达杂质能级上，然后以发光的形式退激发到价带，这就形成了闪烁进程的发光，而这种 光因能量小于禁带宽度而再也不被晶体吸收，再也可不能产生激发或电离。这说明只有加入少量激活杂质的 晶
4、体才能成为有效的闪烁体。关于无机晶体NaI (T1)而言，其发射光谱最强的波长是415nm的蓝紫光，其 强度反映了进入闪烁体内的带电粒子能量的大小。应选择适当大小的闪烁体，可使这些光子一射出闪烁体就 被探测到。(2)y射线与物质的彼此作用Y射线光子与物质原子彼此作用的机制要紧有以下三种方式：1.光电效应2.康普顿效应3.电子对效应综上所述，Y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丫光子的能量 直接相关，因此，可通过测量次级带电粒子的能量求得Y光子的能量。闪烁Y能谱仪正是
5、利用Y光子与闪烁体彼此作历时产生次级带电粒子进而由次级带电粒子引发闪烁体 发射荧光光子，通过这些荧光光子的数量来推出次级带电粒子的能量，再推均光子的能量，以达到测量Y 射线能谱的目的。Y能谱的形状闪烁Y能谱仪可测得Y能谱的形状，图-6所示是典型137Cs的y射线能谱图。图的纵轴代表单位时刻内 的脉冲数量即射线强度，横轴代表脉冲幅度即反映粒子的能量值。从能谱图上看，有几个较为明显的峰，光电峰勺，又称全能峰，其能量就对应y射线的能量E丫。这是 由于Y射线进入闪烁体后，由于光电效应产生光电子，能量关系见式(1),若是闪烁体大小适合，光电子 停留在其中，可使光电子的全数能量被闪烁体吸收。光电子逸出原子
6、会留下空位，必然有外壳层上的电子跃 入填充，同时放出能量E = B的X射线，一样来讲，闪烁体对低能X射线有很强的吸收作用，如此闪烁体 就吸收了Ee + E的全数能量，因此光电峰的能量就代表y射线的能量，对137Cs，此能量为MeV。EC即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。背散射峰E是由射线与闪烁体屏蔽层等物质发生反向散射后进入闪烁体内，形成的光电峰，一样峰很b小。4. 谱仪的能量刻度和分辨率（1 ）谱仪的能量刻度闪烁谱仪测得的Y射线能谱的形状及其各峰对应的能量值由核素的蜕变纲图所决定是各核素的特点反 映。但测得的光电峰所对应的脉冲幅度（即峰值在横轴上所处的位置）是与工作条件有关系的。如光电
7、倍增 管高压改变、线性放大器放大倍数不一样，都会改变各峰位在横轴上的位置，也即改变了能量轴的刻度。因此，应用Y谱仪测定未知射线能谱时，必需先用已知能量的核素能谱来标定谱仪的能量刻度，即给出每道所 对应的能量增值E。例如选择137Cs的光电峰%二Me V和60Co的光电峰匕广1.17MeV、 七2 = 1.33MeV等能量值，先别离测量两核素的Y能谱，取得光电峰所对应的多道分析器上的道址（假设 不用多道分析器，可给出各峰位所为应的单道分析器上的阈值。能够以为能量与峰值脉冲的幅度是线性的，因此依照已知能量值，就能够够计算出多道分析器的能量刻度值E。若是对应E1 = 0.661MeV的光电峰位于人道
8、对应E广1.17MeV的光电峰位于B道，那么有能量刻度1.17 - 0.661B - AMeV(6)测得未知光电峰对应的道址再乘以e值即为其能量值。（2 ）谱仪分辨率Y能谱仪的一个重要指标是能量分辨率。由于闪烁谱仪测量粒子能量进程中，伴随着一系列统计涨落因 素，如Y光子进入闪烁体内损失能量、产生荧光光子、荧光光子进入光电倍增管后，在阴极上打出光电子、 光电子在倍增极上逐级打出光电子而使数量倍增，最后在阳极上形成电流脉冲等，脉冲的高度是服从统计规 律而有必然散布的。光电峰的宽窄反映着谱仪对能量分辨的能力。如图-7中所示的光电峰的刻画，概念谱 仪能量分辨率门为半高度AVAE(7)门=,二上. x
9、100%E 光电峰脉冲幅度V门表示闪烁谱仪在测量能量时能够分辨两条靠近的谱线的本领。目前一样的闪烁谱仪分辨率在10%左 右。对门的阻碍因素很多，如闪烁体、光电倍增管等等。（以上原理部份摘自教学资源实验讲义，详见手写预习报告）实验器材:闪烁谱仪（含闪烁体、光电倍增管、电源、单道分析器、多道分析器、线性放大等），放射源。实验步骤：1. 打开闪烁谱仪和电源，调剂电压到550V（该电压能够适合地使Y射线能谱正好在多道分 析器图像输出的显示范围内），开始预热；2. 掏出放射源137CS，并记录，将其置于光电倍增管一端的（闪烁体）下面，打开程序，预 备计数；3. 调剂放大倍数到，开始进行数据搜集，待不同能
10、量的粒子计数积存较多，能谱谱看上去较 为均匀清楚的时候暂停计数，移动光标找出光电峰的最大值点，然后继续计数；4. 等待片刻以后再次暂停计数，移动光标，从头确认光电峰的最大值点所对应的横坐标（道 址），当多次反复后横坐标再也不转变时即可记录现在的光电峰所对应的道址值作为最终记录数据；5. 停止计数，调剂放大倍数为其它值后，开始计数，重复操作（3）（4）,记录不同放大倍 数所对应的光电峰的横坐标，共10组数据；6. 选择适合的放大倍数（本次实验为）使光电峰位于大约400道址的位置（6oCo的光电峰 能量约为137CS的两倍，如此定位，后面测量能谱就可不能使光电峰超出显示范围1024道址了）， 等待
11、计数足够长的时刻，待能谱清楚均匀的时候暂停计数，第一读出最尖的光电峰对应的横坐标和 背景峰的横坐标，再从0道址开始向右移动光标，记录适量其它的数据点（平缓处能够取得稀疏些， 接近峰的地址应当取得密集一些），以备描点作图；7. 继续计数，等能谱足够清楚时暂停计数，移动光标，第一确信最大峰的峰值，在左右移动 光标，找到计数值为其一半或在其一半周围的计数点，记录对应的横坐标（道址数）；8. 停止计数，取下放射源137CS，记录，记录，换上放射源60CO，由于其活度较137CS低， 故旋开放射源盖，并将光电倍增管下降以靠近放射源、加速计数；9. 从头开始计数，注意维持原先的电压和放大倍数不变，待计数绝
12、对值足够大、能谱图像足 够清楚的时候，暂停计数，移动光标确信出60CO两个较强的光电峰的横坐标，记录；10. 事实上应当再记录出60CO能谱足够多的其他数据点，描点作图，而这次咱们选择作了137CS的能谱图，因此未再作60CO的能谱图（还有图像记录）；11. 整理数据，教师签字，放回放射源，记录，洗手，关闭仪器，实验终止。实验数据记录：放大倍数与137CS光电峰位置的关系放大倍数42403833道数4674604放大倍数25211718道数564359表格-1能谱数据点分布数据记录光电倍增管放大倍数工作电压550V道555667911数02005903402030计33334443221数22
13、15478813290956652790道11222222223数6090102430425060708000计11111111119数605576777555360705001道33333334444数3048667780859000030609计77122234454数79070839705941500327道44444444557数1320243540506072006400计332141数900533079362413表格-2137CS定标60CO光电峰测量放大倍数工作电压550V放大倍数工作电压550V光电峰背景峰光电峰光电峰12道址60406道址760872能量能量(MeV)(Me
14、V)表格-3表格-4分辨率测量137CS放大倍数 工作电压550V道址380406423绝对计163数8244828表格-5实验数据处:第一绘制光电倍增管放大倍数与137CS光电峰位置的关系图。将表中数据在origin中线性拟合后有以下图：图中能够发觉，以最小二乘方式拟合的光电峰道址数与放大倍数的关系，显示出了相当好的线性相关程度， 其相关系数达到；参与拟合十个数据点的拟合标准差约为。以下图加入误差条的拟合图像，误差条比率为5%。下面咱们开始对137CS能谱的数据点记录描点画图。采纳B-Spline线型对记录的数据点之间的连线作滑腻 处置。能够取得如以下图象：其中由左到右的三个峰依次为背景峰、康普顿电子散射峰和光电峰。由数据记录可知，较明显的背景峰和光 电峰对应的横坐标依次为60、406 ；又由已知数据有，两峰各自所对应的射线能量别离为、，故能够由
