γ谱仪的应用课件68页

（一）γ射线能谱的测量摘要：本实验将了解闪烁探测器谱仪的工作原理及其使用；学习分析实验测量的137Cs和60Coγ谱之谱形和γ射线能谱的刻度测定谱仪的能量分辨率,本实验的目的是了解NaI(Tl)闪烁谱仪的原理、特性与结构，掌握NaI(Tl)闪烁谱仪的使用方法和γ射线能谱的刻度。

关键词：γ射线Na(Tl)闪烁探测器能谱图单道脉冲幅度分析器引言：闪烁探测器是利用某些物质在射线作用下会发光的特性来探测射线的仪器。

它的主要优点是：既能探测各种带电粒子，又能探测中性粒子；既能测量粒子强度，又能测量粒子能量；且探测效率高，分辨时间短。

它在核物理研究和放射性同位素测量中得到广泛的应用。

核物理的发展,不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据,新的核技术，如核磁共振、穆斯堡尔谱学、晶体的沟道效应和阻塞效应，以及扰动角关联技术等都迅速得到应用。

核技术的广泛应用已成为现代化科学技术的标志之正文：实验原理1.闪烁谱仪结构与工作原理ＮａＩ（Ｔｌ）闪烁谱仪结构如图。

整个仪器由探头（包括闪烁体、光电倍增管、射极跟随器），高压电源，线性放大器、多道脉冲幅度分析器几部分组成。

射线通过闪烁体时，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比。

带电粒子（如α、β粒子）通过闪烁体时，将引起大量的分子或原子的激发和电离，这些受激的分子或原子由激发态回到基态时就放出光子；不带电的γ射线先在闪烁体内产生光电子、康普顿电子及正、负电子对（当Ｅγ＞1.02ＭｅＶ时），然后这些电子使闪烁体内的分子或原子激发和电离而发光。

闪烁体发出的光子被闪烁体外的光反射层反射，会聚到光电倍增管的光电阴极上，打出光电子。

光阴极上打出的光电子在光电倍增管中倍增出大量电子，最后为阳极吸收形成电压脉冲。

每产生一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。

由于电压脉冲幅度与粒子在闪烁体内消耗的能量（产生的光强）成正比，所以根据脉冲幅度的大小可以确定入射粒子的能量。

利用脉冲幅度分析器可以测定入射射线的能谱。

实验⼀γ能谱测量实验⼀γ能谱测量⼀．实验⽬的1．了解闪烁探测器的结构、原理。

2．掌握NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的⼏个性能指标和测试⽅法。

3．了解核电⼦学仪器的数据采集、记录⽅法和数据处理原理。

⼆．实验内容1．学会NaI(Tl)单晶γ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、60Co的γ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．数据处理（包括对谱形进⾏光滑、寻峰，曲线拟合等）。

三．原理1．N aI(Tl)闪烁探测器①概述核辐射与某些物质相互作⽤会使其电离、激发⽽发射荧光，闪烁探测器就是利⽤这⼀特性来⼯作的。

下图是闪烁探测器组成的⽰意图。

⾸先简要介绍⼀下闪烁探测器的基本组成部分和⼯作过程。

闪烁探测器有闪烁体、光电倍增管和相应的电⼦仪器三个主要部分组成。

上图中探测器最前端是⼀个对射线灵敏并能产⽣闪烁光的闪烁体，当射线(如γ、 )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(⼀般光谱范围从可见光到紫外光，并且光⼦向四⾯⼋⽅发射出去)。

在闪烁体周围包以反射物质，使光⼦集中向光电倍增管⽅向射出去。

光电倍增管是⼀个电真空器件，由光阴极、若⼲个打拿极和阳极组成；通过⾼压电源和分压电阻使阳极、各打拿极和阴极间建⽴从⾼到低的电位分布。

当闪烁光⼦⼊射到光阴极上，由于光电效应就会产⽣光电⼦，这些光电⼦受极间电场加速和聚焦，在各级打拿极上发⽣倍增(⼀个光电⼦最终可产⽣104~109个电⼦)，最后被阳级收集。

⼤量电⼦会在阳极负载上建⽴起电信号，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学仪器中去。

实⽤时常将闪烁体、光电倍增管、分压器及射极跟随器都安装在⼀个暗盒中，统称探头；探头中有时在光电倍增管周围包以起磁屏蔽作⽤的坡莫合⾦(如本实验装置)，以减弱环境中磁场的影响；电⼦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，单道或多道脉冲分析器等。

便携式γ能谱仪的原理及应用γ射线是由原子核衰变所产生的，当原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时，就可能会辐射出γ射线。

γ射线强度按能量分布即为γ能谱。

测量γ能谱最常用的仪器为便携式γ能谱仪。

γ能谱仪可以将探测到的γ射线强度和能量绘制成γ能谱，进行快速核素识别，因此也常用于野外对岩地或地层的钾、钍、铀（镭）、的γ强度测量，或计算含量分析地质等。

在实际应用中便携式γ能谱仪因其性价比高、操作维护比较简单、探测效率高（识别时间短），能满足大多数测量需求，因此广泛应用于工业生产、质量检查、工程地质、建筑材料和环境检测中。

探测原理便携式γ能谱仪探头部分由探测器（闪烁体）、光电倍增管和前置放大器构成。

闪烁体是一类能吸收能量，并能在大约一微秒或更短的时间内把所吸收的一部分能量以光的形式再发射出来的物质。

由于γ射线不同于α和β粒子，它类似于光和其它电磁辐射，具有很强的穿透性，容易被高电子密度的物质所吸收（如铅）。

就探测器而言，某些无机盐能有效地吸收γ光子，发射出强度正比于所吸收γ射线能量的光子。

例如铊激活的碘化钠（闪烁体），用来探测γ射线，效率较高。

当射线通过闪烁体时，闪烁体被射线电离、激发，会使闪烁体探测器产生荧光，光子被光电倍增管所接收。

所探测到的γ射线能量越高，所产生的荧光光子数目也就越多，再由光电倍增管实现光子到脉冲信号的转换，经电路信号处理完成模/数转换输出。

闪烁体探测器也是近几年来发展快速，应用广泛的核辐射探测器。

使用方法便携式γ能谱仪比较热门的型号有AT6102、Interceptor、SAM940等，就拿常用的几款举例来说实际使用操作是差不多的。

在检测之前仪器应当保持电量充足以便于长时间的现场测量。

当需要检测时检查仪器电量并开机充分预热（几分钟），以便于调节光电倍增管的电压，稳定系统增益，从而达到稳定谱线准确测量的目的。

有的γ能谱仪也可能会使用到参考源，参考源同样也是为了稳定谱线而制作的，如果稳定温度和测量温度差别较大可能需要重新稳定。

（一）γ射线能谱的测量摘要：本实验将了解闪烁探测器谱仪的工作原理及其使用；学习分析实验测量的137Cs和60Coγ谱之谱形和γ射线能谱的刻度测定谱仪的能量分辨率,本实验的目的是了解NaI(Tl)闪烁谱仪的原理、特性与结构，掌握NaI(Tl)闪烁谱仪的使用方法和γ射线能谱的刻度。

关键词：γ射线Na(Tl)闪烁探测器能谱图单道脉冲幅度分析器引言：闪烁探测器是利用某些物质在射线作用下会发光的特性来探测射线的仪器。

它的主要优点是：既能探测各种带电粒子，又能探测中性粒子；既能测量粒子强度，又能测量粒子能量；且探测效率高，分辨时间短。

它在核物理研究和放射性同位素测量中得到广泛的应用。

核物理的发展,不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据,新的核技术，如核磁共振、穆斯堡尔谱学、晶体的沟道效应和阻塞效应，以及扰动角关联技术等都迅速得到应用。

核技术的广泛应用已成为现代化科学技术的标志之正文：实验原理1.闪烁谱仪结构与工作原理ＮａＩ（Ｔｌ）闪烁谱仪结构如图。

整个仪器由探头（包括闪烁体、光电倍增管、射极跟随器），高压电源，线性放大器、多道脉冲幅度分析器几部分组成。

射线通过闪烁体时，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比。

带电粒子（如α、β粒子）通过闪烁体时，将引起大量的分子或原子的激发和电离，这些受激的分子或原子由激发态回到基态时就放出光子；不带电的γ射线先在闪烁体内产生光电子、康普顿电子及正、负电子对（当Ｅγ＞1.02ＭｅＶ时），然后这些电子使闪烁体内的分子或原子激发和电离而发光。

闪烁体发出的光子被闪烁体外的光反射层反射，会聚到光电倍增管的光电阴极上，打出光电子。

光阴极上打出的光电子在光电倍增管中倍增出大量电子，最后为阳极吸收形成电压脉冲。

每产生一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。

由于电压脉冲幅度与粒子在闪烁体内消耗的能量（产生的光强）成正比，所以根据脉冲幅度的大小可以确定入射粒子的能量。

利用脉冲幅度分析器可以测定入射射线的能谱。

γ能谱实验和原子的能级间跃迁产生原子光谱类似，原子核的能级间产生γ射线谱。

测量γ射线强度按能量的分布即γ射线谱，简称γ能谱，研究γ能谱可确定原子核激发态的能级，研究核蜕变纲图等，对放射性分析，同位素应用及鉴定核素等方面都有重要的意义。

在科研、生产、医疗和环境保护各方面，用γ射线的能谱测量技术，可以分析活化以后的物质各种微量元素的含量。

测量γ射线的能谱最常用的仪器是闪烁谱仪，该谱仪在核物理、高能离子物理和空间辐射物理的控测中都占有重要地位，而且用量很大。

一实验目的（1）学习用闪烁谱仪测量γ射线能谱的方法（2）要求掌握闪烁谱仪的工作原理和实验方法，（3）学会谱仪的能量标定方法，并测量γ射线的能谱二实验原理根据原子核结构理论，原子核的能量状态时不连续的，存在分立能级。

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γ射线（即波长约在1nm-0.1nm间的电磁波）。

放出的γ射线的光量子能量hγ= E2 - E1，此处h为普朗克常熟，γ为γ光子的频率。

由此看出原子核放出的γ射线的能量反映了核激发态间的能级差。

因此测量γ射线的能量就可以了解原子核的能级结构。

测量γ射线能谱就是测量核素发射的γ射线按能量的分布。

闪烁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。

这种荧光物质常称为闪烁体1. 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。

对于无机晶体NaI(Tl)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. γ射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式：1）光电效应当能量为Eγ的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能连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。

用闪烁谱仪测γ射线能谱PB05210153 蒋琪实验原理1.γ能谱的形状闪烁γ能谱仪可测得γ能谱的形状，下图所示是典型Cs 137的γ射线能谱图。

图的纵轴代表单位时间内的脉冲数目即射线强度，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e E ，又称全能峰，其能量就对应γ射线的能量γE 。

这是由于γ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），如果闪烁体大小合适，光电子停留在其中，可使光电子的全部能量被闪烁体吸收。

光电子逸出原子会留下空位，必然有外壳层上的电子跃入填充，同时放出能量i z B E =的X 射线，一般来说，闪烁体对低能Ｘ射线有很强的吸收作用，这样闪烁体就吸收了z e E E +的全部能量，所以光电峰的能量就代表γ射线的能量，对Cs 137，此能量为0.661Ｍe Ｖ。

C E 即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。

背散射峰b 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，一般峰很小。

2．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γ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，是各核素的特征反映。

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。

如光电倍增管高压改变、线性放大器放大倍数不同等，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γ谱仪测定未知射线能谱时，必须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Cs 137的光电峰γE ＝0.661Ｍe Ｖ和Co 60的光电峰MeV E 17.11=γ、MeV E 33.12=γ等能量值，先分别测量两核素的γ能谱，得到光电峰所对应的多道分析器上的道址（若不用多道分析器，可给出各峰位所为应的单道分析器上的阈值）。

可以认为能量与峰值脉冲的幅度是线性的，因此根据已知能量值，就可以计算出多道分析器的能量刻度值Ｅ。

航空γ能谱仪基础知识以及应用航空γ能谱仪测量系统由碘化钠晶体（NaI）和光电倍增管为主要部件航空γ能谱测量系统，多采用4条下测晶体和1条上测晶体组合成航空γ能谱测量系统的探头，设计了温度传感器、电流反馈型前置放大器等，实现了γ光子与核信号的转换；通过高速ADC与数据采集系统实现模拟核信号的数字化。

标签：航空γ能谱仪测量；γ能谱仪；应用Abstract：The measurement system of airborne γ spectrometer is mainly composed of sodium iodide crystal （NaI）and photomultiplier tube （PMT）. The probe of airborne γ energy spectrum measurement system is composed of four lower crystals and one upper crystal，and the temperature sensor and current feedback preamplifier are designed to rea lize the conversion between γ photons and nuclear signals，and the analog nuclear signals are digitized by high-speed ADC and data acquisition system.Keywords：airborne γ spectrometer measurement；γ spectrometer；application1 航空γ能谱仪测量原理航空γ能谱测量，简要地说就是将航空γ能谱仪安装在飞行器上，在测量地区上空按照预先设计的测线和高度对岩石和地层中天然放射性核素岩石或矿石品位进行测量的地球物理-地球化学方法。

浙江师范大学实验报告γ射线能谱的测定【摘要】：本实验主要通过测量γ的能谱和采用NaI( Tl) 闪烁谱仪测全能峰的方法测量了137Cs 和60 Co 的γ射线在铅铜中吸收，对137Cs( 0. 661 MeV) 分别为1. 213、0. 642、0. 194 cm- 1, 与公认值相差均约1%; 对60Co 分别为0. 674、0. 481、0. 149 cm- 1 , 与公认值相差均在5%以内。

本实验就是利用探测器的输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比的规律来测得能量与其强度的关系曲线。

通过对CS、CO能谱的测定，可以加深对γ射线能量与强度的关系，γ射线与物质相互作用的理解；可以进一步了解NaI(T )闪烁谱仪原理，特性与结构，掌握NaI(T )闪烁谱仪的使用方法以及鉴定谱仪的能量分辩率与线性。

【关键词】：γ射线、能谱、NaI（Tl）γ闪烁谱仪【引言】：γ跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激发态, 而原子序数Z 和质量数A 均保持不变的退激发过程, 是激发核损失能量的最显著方式跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激发态, 而原子序数Z 和质量数A 均保持不变的退激发过程, 是激发核损失能量的最显著方式。

闪烁探测器是利用某些物质在射线作用下会发光的特性来探5g射线的仪器。

它的主要优点是：既能探测各种类型的带电粒子，又能探测中性粒天既能测量粒子强度，又能测量粒子能氨并且探测效率高，分辨时间短。

它在核物理研究和放射性同位索的测量中得到广泛的应用。

本实验的目的是了解NaI(T1)闪烁谱仪的原理、特性与结构，掌捏NaI(T1)闪烁谱仪的使用方法，鉴定潜仪的能量分辨率和线性，并通过对于y射线能谱的测量，加深对y射线与物质相互作用规律的理解。

【实验方案】：实验原理原子核的衰变产生γ射线，不同能级间的衰变跃迁可以产生不同能量的γ射线，我们可以通过射线探测器对这些γ射线的能谱分析就可以推断出原子核的一些性质。

射线探测器的是根据射线与物质的相互作用规律研制的，可分为“信号型”和“径迹型”，本实验用的NaI （T1）单晶γ闪烁谱仪就是属于信号型。

40闪烁谱仪测定γ射线的能谱γ射线是原子核从激发态跃迁到较低能态时发射的波长很短的电磁辐射。

研究γ射线的能谱对于放射性核素的应用和研究原子核的能级结构有很重要的意义。

闪烁探测器在科学技术的许多部门有着十分重要的应用，它的主要优点是：既能探测各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子，既能对辐射强度进行测量，又能对辐射的能量进行分析，而且探测效率高（比G-M 计数器高几十倍），分辨时间短（约108-秒）。

通过本实验，你将学习掌握一种测量射线能量的方法：用NaI(Tl)闪烁探测器测量γ能谱。

实验原理一、γ射线与物质的相互作用放射性核素放射出来的带电粒子（α、β粒子以及内转换电子）与物质相互作用主要为电离、散射和吸收三个方面。

γ射线是不带电的电磁辐射，它与物质的相互作用主要有光电效应，康普顿效应和电子对效应三个过程。

1. 光电效应 入射的γ光子把能量全部转移给原子中的束缚电子，使之发射出来，而光子本身消失，这种过程称为光电效应。

光电效应中发射出来的电子叫光电子。

这过程如图2-2-1所示。

在光电效应中，若忽略被原子的反冲核所吸收的能量，则由能量守恒定律得到 E E E E r e i e =+@ (2-2-1)式中E r 为入射γ光子的能量，E e 为光电子获得的动能,E i 为i 层电子的结合能，一般E i 远小于E r 。

显然，如果入射γ光子是单能的，则产生的光电子也是单能的。

光电子可以从原子各个壳层中发射出来，但在K 壳层上打出电子的几率最大，L 层次之，M 、N 层更次之。

因此，在发射光电子的同时，还伴随着原子发射的特征X 射线或俄歇电子。

实验和理论都表明，γ射线与物质相互作用时，产生光电效应的几率随着物质原子序数的增大而迅速增大，又随着γ射线的能量增大而减小。

光图2-2-1 光电效应的示意图412. 康普顿效应入射的γ光子与物质原子的核外电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化，这一过程称为康普顿效应．图2-2-2为康普顿效应的示意图。