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1、用Nal(Tl)单晶Y闪烁谱仪辨识未知源实验报告班级： 姓名： 学号：一. 实验目的1、了解闪烁谱仪的工作原理，学习调整闪烁谱仪的实验技术。2、掌握测谱技术及分析简单Y能谱的方法。3、掌握谱仪能量分辨率及能量线性的测量方法。4、学习谱仪应用的实例辨别未知源的方法。实验内容1、熟悉线性放大器与单道脉冲幅度分析器，以及计算机多道脉冲幅度分析器的使用，调整谱 仪至正常工作状态。2、选择合适实验条件，用单道测量wCs的Y能谱，确定单道系统的能量分辨率。3、利用多道脉冲幅度分析器测量i37Cs源及6oCo源的全谱；刻度谱仪能量线性，确定能量分 辨率、峰康比；对137CS的Y能谱进行谱形分析并与理论比较。
2、4、测量未知源的Y能谱，确定峰位的能量，进而辨别未知源。5、比较NaI和BGO两种不同闪烁体的性能。三. 实验原理1、NaI(T 1)单晶Y谱仪简介NaI(T 1)单晶闪烁谱仪由一块NaI(T 1)闪烁体、光电倍增管、射极输出器和高压电源以及 线性脉冲放大器、单道脉冲幅度分析器(或多道分析器)定标器等电子学设备组成，示意图见图3-1。第烁光电倍增管射极输出-器:线性脉冲 I 放大器单道脉冲幅度分析器多道脉冲幅度分析器自动士二叩疋标器示波器高压电源图3-1 Nal(Tl)闪烁谱仪装置示意Y射线入射闪烁体内，产生次级电子，使闪烁体内原子电离、激发后产生荧光。这些光信号被传输到光电倍增管的光阴极，经
3、光阴极的光电转换和倍增极的电子倍增作用而转 换成电脉冲信号，它的幅度正比于该次级电子能量，再由所连接的电子学设备接受放大 分析和记录。Nal(Tl)单晶Y谱仪测量Y射线的过程由图3-2示说明。P幣外光子阴极发射的光子打拿艇透JSX射线 B吸收侔、.光阴展冃Pb时響光电倍增普湮積反射层產啓觇铅屏蔽光电于- 康普饋沖电子- 燎醫换敷射光子铅屏嚴图3-2 y射线和闪烁体交互作用至光电倍增管阳极形成电流脉冲的示意图这种谱仪对Y射线的探测效率高、分辨时间短、价格相对便宜。可用来测量射线的通量 密度，也可用来对辐射进行能量分析，在核物理研究及核技术应用的各领域中广泛使用。2、单能Y谱的谱形分析方法谱仪测得
4、的是脉冲数按幅度的分布，即脉冲幅度谱，简称脉冲谱，一般提到谱仪测得Y 谱均系指此脉冲谱。必须经过数据处理后才能得到Y射线强度按能量的分布即Y能谱。Y射 线在闪烁体中通过光电效应、康谱顿效应及电子对效应产生能量各不相同的次级电子或正电 子，因此，即使对于单能Y射线，输出的脉冲幅度也分布在一个很宽的范围内。分布形状与 三种作用各自的作用截面有关，故与Y射线能量和闪烁体种类有关，也与闪烁体尺寸以及源 与探测器距离等实验条件有关。在不考虑电子对效应的情况下，脉冲幅度分布的示意图如图 3-3示。光电效应产生的光电子动能E = E -B，B是第i层电子的结合能。在打出第i层电子的 p Y i 同时，外层电
5、子跃迁填补i层空穴而放出特征X射线，一般此X光子也通过光电效应而被闪烁体 吸收，这两个过程几乎同时发生。因此，入射光子产生光电效应时，闪烁体吸收的能量几乎等于E，从而输出脉冲幅度直接反映了Y射线的能量，谱峰被称为全能峰。Ytb)彌图Mpl1 Jwl-rrI亠图3-3 y射线脉冲幅度谱示意图(3-1)康普顿散射产生的反冲电子动能E是由零到E的连续分布: c cmaxE = E Ee Y Y/EE =/ E1 + (1 cos0 ) m e 20其中E是散射光子能量(MeV),Y(3-2)me 2 = 0.511Mev。当 0 = 180 时,0E是入射光子能量(MeV)，。是散射角，电子静止能量
6、YEE =Yy 1 + 2rEr=，反冲电子得到最大能量 m e 202rEE =L，对应于脉冲谱中的康普顿边。e max (1 + 2r)由于累计效应及统计涨落的影响，康普顿边并不尖锐而被压平甚至消失。(3-3)电子对效应产生的正负电子对动能可不考虑。E + E = E 一 2m e2 e e+ Y 0当E 1.5MeV时，电子对效应截面甚小， Y为便于分析Y射线在闪烁体中可能发生的各种事件以脉冲谱的贡献及具体实验装置和周围物质可能产生的对谱形的影响，可参考讲义表3-1和图3-2。3、闪烁谱仪的主要指标一能量分辨率及能量线性闪烁探测器输出脉冲的形成过程中存在着统计涨落，即使对于单一能量的带电
7、粒子，输 出脉冲幅度也有一个分布，近似为高斯形的对称分布，如图3-4所示。分布曲线最大值一半处 的全宽度AV称为半宽度即FWHM,也可用AE表示。半宽度反映了谱仪分辨相邻能量粒子的本 领。但是半宽度和能量有关，所以用相对分辨本领来定义谱仪的能量分辨率，即AE耳二E的能量和谱够分辨的两 显然，耳值 通常说成谱 分辨率的因 增管的性能,V图3-4单能带电粒子的脉冲谱形(3-4)|1-.,|-:-.;,|-,门|;-|汁,-.-节仪器参量调可以证明闪似有下述关这里E和AE分别是谱线所对应 线的半宽度。耳的数值代表了谱仪能 个相邻能量粒子的最小相对能量差。 越小，谱仪的能量分辨本领越高， 仪的分辨率高
8、。影响闪烁谱仪能量 素很多，除主要与闪烁体和光电倍 它们之间的光学耦合效果有关外， 整以及实验条件选择也都有影响。 烁探头的能量分辨率与能量之间近 系：耳 x 1; Y E(35)通常，Nal(Tl)单晶Y谱仪的能量分辨率是指对13Cs的0.662MeV单能Y射线的分辨率而言, 耳值一般为10%左右，最好可达6-7%。能量线性是指谱仪的输出脉冲幅度与带电粒子能量之间 的对应关系是否有线性关系。通常电子学系统的零点和积分线性可以仔细调整，所以非线性 主要来自闪烁探头。NaI(T1)晶体在较宽的能量范围内(150-1500kev)平均脉冲幅度与Y射线 能量的关系偏离直线不大，光电倍增管需要仔细选择
9、与调整。为检查谱仪的能量线性，实验 上通常是利用系统Y标准源，在相同的实验条件下，测得它们的脉冲谱，用作图或用最小二 乘拟合方法建立已知Y射线能量与对应的全能峰位的关系，即得到能量刻度曲线，通常是一 条不通过原点的直线，数学表示式是：E(X ) = GX + E(3-6)pp0其中：X是全能峰位（道或伏）；E为截距，即谱仪零道或单道甄别阈值为零伏时所对应 p0的能量（能量单位，例如keV）； G为直线斜率，亦称增益，即每道或每伏对应的能量间隔（例 如, keV/道或V；道），能量刻度可简单地用标准源i37Cs（0.662MeV）和6oCo（1.17和1.33MeV）来作, 如图3-5示。Att
10、 V图3-5i37Cs和60CO Y射线能量刻度示意图也可用中子激活铟片Ii6min（T/2=54分）的七条Y射线进行，如图3-6示。BlEH 133 JAJI-dEl盼HLQ图3-6iiemln的脉冲谱实验作出谱仪的已刻度曲线对于谱仪的应用极为重要。它是利用谱仪进行Y能谱分析与 辨别未知放射性核素的重要依据，也有助于能量分辨率的计算。(3-7)AE GAV耳=E E这里AV和E分别是脉冲谱中全能峰的半宽度和全能峰峰位对应的Y射线能量。除能量分 辨率与能量线性外，还常给出对Ms源的峰康比这一指标。峰康比是指全能峰峰道最大计数 与康普顿坪内平均计数之比，它的意义在于说明了存在高能强峰时分辨低能弱
11、峰的能力。显然，峰康比越大越有利。4、谱仪应用1）辨别未知源对谱仪进行能量刻度后，在同样的实验条件下测量未知Y源的脉冲谱，通过谱形分析确 定各Y射线的全能峰峰位，即可求得对应的Y射线能量，进而从衰变纲图或核素表查得未知 源的成分。2）全能峰法确定Y放射源的活度由Y射线脉冲谱，可以确定某种能量Y射线的发射率N，因为N与放射源活度A之间有ii如下关系：N二f A，其中f是该能量Y射线的光子产额，即每次核衰变放出的该能量光子i ii的相对分额，所以由N可确定该放射源的活度。为此，必需知道探测器对该能量Y射线的探i测效率。n本实验中用到的谱仪探测效率的概念有：源峰效率二f ；源总效率二；和峰总比 sp
12、 Ns NnR = -P，这里n是全能峰内的净计数率，N是该能量Y射线的发射率，n是全谱净总计数率。 np显然， = R - 。sps由此可见，从脉冲谱确定Y射线的发射率N有两种方法：全谱法和全能峰法。前者利用 全谱面积确定n，后者利用全能峰面积确定n。用全能峰法的优点是在实际样品测量时，对p实验条件的要求并不很高，而仍能得到较准确的结果，当然必需事先在接近理想的条件（防 止散射等干扰因素）下确定源峰探测效率。用全能峰法确定Y放射源的活度有两种方法，如果有与待测源尺寸相同的同种核素标准 源，可以用与标准源相对比较的方法来确定待测源的活度，这种方法即为相对测量方法；如 果不用标准源，则必须先确定
13、同样实验条件下的谱仪源峰探测效率，才能求得待测源的活度， 这种方法也称为绝对测量方法。两种方法都需要测得全能峰下净计数率的准确值，在复杂Y 谱的情况下有时不容易做到。本实验中用上述两种方法确定137CS源的活度，】37Cs的衰变纲图比 较简单，所以全能峰的面积比较容易确定。相对测量方法：在同样实验条件下，测得同样尺寸的标准与待测137CS源的Y谱及本底谱，则工U 工Ub(3-8)ttA = t住 -A乙U 乙U 00 bttbEU.EU和刀U分别是上述三个谱的全能峰0bt、亡和t分别是上述三个谱的测量时间。b其中A和A分别为标准与待测137Cs源的活度；0道址范围内的总计数（注意道址范围必需相
14、同）；绝对测量方法:在同样实验条件下,，测得彳待测137Cs源的Y谱本底谱，计算公式是:(3-9)工U 工U1 工U Z U 1A = b -= b -tt - ftt R - fbspbs其中各符号意义同前。已知137Cs的0.662 MeV Y射线f二0.85 ；峰总比R由实验确定(在接近理想实验条件下)， 实验表明，R与源和晶体表面之间的距离Y关系不大，部分数据见表(3-2)。由计算给出, s部分数据见表(3-3)表3-1 40X40Nal(T1)晶体的峰总比能量的关系。点源在晶体轴线上，r =10cmE (MeV)0.3920.6621.25R0.6030.3750.215表3- 2 040X40NaI(T1)晶体的点源源总探测效率与源距r及丫射线能量E的关系y - - - - - - - - _ 一 R (cm)、-E (MeV)1020300.10.940X10-20.244X10-20.109X10-20.150.892X10-20.237X 10-20.107X10-20.20.832X 10-20.227X 10-20.104X10-20.30.705X 10-20.198X10-20.90
