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NaI(Tl) 闪烁晶体γ能谱测量实验人：吴家燕学号：15346036一、实验目的1、加深对γ射线和物质相互作用的理解；2、掌握NaI(Tl) γ谱仪的原理及使用方法；3、学会测量分析γ能谱；4、学会测定γ谱仪的能量分辨率、线性、探测效率曲线；5、测定未知放射源的能量和活度。
二、实验原理1、γ谱仪的组成NaI(Tl)闪烁谱仪由NaI(Tl)闪烁探头（包括闪烁体、光电倍增管、前置放大器）、高压电源以及谱仪放大器、多道分析器、计算机等设备组成。
图1 为NaI(Tl)闪烁谱仪装置的示意图。
2、射线与闪烁体的相互作用当γ射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程：（1）光电效应；（2）康普顿散射；（3）电子对效应。
图2 为示波器上观察到的单能γ射线的脉冲波形，谱仪测得的能谱图。
图3 是137Cs、22Na 和60Co 放射源的γ能谱。
图中标出的谱峰称为全能峰。
在γ射线能区，光电效应主要发生在K 壳层。
在击出K 层电子的同时，外层电子填补K 层空穴而发射X 光子。
在闪烁体中，X 光子很快地再次光电吸收，将其能量转移给光电子。
上述两个过程是几乎同时产生的，因此它们相应的光输出必然是叠加在一起的，即由光电效应形成的脉冲幅度直接代表了γ射线的能量（而非减去该层电子结合能）。
3、137Cs 能谱分析4、闪烁谱仪的性能能量分辨率探测器输出脉冲幅度的形成过程中存在着统计涨落。
即使是确定能量的粒子的脉冲幅度，也仍具有一定的分布，其分布示意图如图4 所示。
通常把分布曲线极大值一半处的全宽度称半宽度即 FWHM，有时也用表示。
半宽度反映了谱仪对相邻脉冲幅度或能量的分辨本领。
因为有些涨落因素与能量有关，使用相对分辨本领即能量分辨率η更为确切。
一般谱仪在线性条件下工作，故η也等于脉冲幅度分辨率，即对于一台谱仪来说，近似地有对于单晶谱仪来说，能量分辨率是以137Cs 的0.662MeV 单能γ射线的光电峰为标准的，它的值一般在8-15%，最好可达6-7%。
附录一NaI(Tl)闪烁晶体闪烁体按其化学性质可分为两类：一类是无机晶体闪烁体，通常是含有少量杂质(称为激活剂)的无机盐晶体，如碘化钠(铊激活)单晶体、即NaI(Tl)，碘化铯(铊激活)单晶体、即CsI(Tl)，硫化锌(银激活)、即ZnS(Ag)等；另一类是有机闪烁体，它们都是苯环碳氢化合物。
闪烁体的发光机制比较复杂，在此对无机晶体闪烁体的发光机制作一些简要的定性介绍。
无机晶体闪烁体属离子型晶体，原子(离子)之间结合得比较紧密相互之间影响比较大，晶格中原子电子能级加宽成为一系列连续的能带。
其中最低能量状态已为电子所填满，故称为满带；价电子都处于稍高的能量状态，这种能带称为“价带”。
若价带未填满，则在外电场作用下将有净电流产生；若价带已填满，则必须有电子被激发到更高的能带——导带上去，才能产生电流，此时价带上有一空穴，导带上有一电子，即产生了一个自由电子——空穴对。
价带与导带之间的空隙中不存在电子能级，称为禁带；禁带有一宽度E g，它和晶体的导电性质密切相关，导体在左右，半导体在—之间，无机闪烁体为绝缘透明物质，E g>3eV，NaI为。
也存在另一种情况：在闪烁晶体中产生的电子——空穴对仍束缚着，称为“激子”，它们在晶格中一起运动，在外电场中无净电流产生，其能带在导带之下，称为“激带”。
自由的导带电子和价带空穴可以复合成激子，激子也可以吸收热运动能量变成自由电子——空穴对。
当核辐射进入闪烁体时，既可产生自由电子——空穴对，也可以产生激子。
而后电子从导带或激带跃迁到价带，退激过程中放出光子；也存在着竞争过程——非辐射跃迁，即通过放热(晶格振动)退激。
有一点需要指出，纯的NaI晶体不是有效的闪烁体。
一是因为相应禁带宽度的光子能量在紫外光范围，不是可见光；二是退激发出的光子尚未逸出晶体就会被晶体自身吸收。
为了解决这一问题，在纯晶体中掺入少量杂质原子(如Tl)，称为“激活剂”，它们成为发光中心，形成一套激发能级，能量比导带低，而基态却比价带高，这样跃迁产生的光子能量就比禁带宽度E g小，那么它就不可能再使价带上的电子激发到导带上去，从而避免自吸收。
NaI(Tl)谱仪受磁场研究内容2.1 NaI(Tl)谱仪能量测量原理图2.1 光电倍增管结构图根据图2.1可以看出，最左边是一个能产生闪烁光的对射线敏感的闪烁体，当γ射线进入到闪烁体时，在某一个位置产生次级电子，它使闪烁体分子激发和电离，退激时发出大量的光子。
一般光谱范围从紫外光到可见光，并且光子向各个不同的方向发射出去。
在闪烁体周围包以物质，使其能够发射光子，这样可以使光子从光电倍增管方向发射出去，防止光子从入射角度漏出去。
光电倍增管是一个电真空器件，真空防止空气中的分子发生光电效应。
它由一个光阴极，若干个打拿极，大概十个左右，以及一个阳极组成。
光阴极前有一个玻璃或者半导体制作的窗，各电极由针脚引出，整个电子器件外部由玻璃制作。
通过分压电阻和高压电源，使阳极，打拿极，阴极之间建立起从高压到低压的电位分布。
闪烁光子入射到阴极上，由于光电效应的影响，会产生光电子，这些光电子受极间电压引起的极间电场加速和聚焦，打在第一个打拿极上面，产生了二次电子，这些二次电子在以后各级打拿极上又发生相同的倍增过程，使其达到一定的量级。
大量的电子会在阳极上建立起电信号，通常为电压脉冲或者电流脉冲，然后通过射极跟随器，可以起到阻抗的作用，再由电缆将信号传输到电子学仪器中去。
总体的过程，可以归结为五个步骤①射线进入到闪烁体，发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子的能量使分子、原子电离激发；②受激分子、原子退激时发射出荧光分子；③利用反射板和光导传递，尽可能多的将闪烁光子收集到光电倍增管的光阴极上，由于发生光电效应，光子在光阴极上轰击出光电子；④光电子在光电倍增管中经过各打拿极进行电子倍增，数量由一个增加到104-109个，电子组成的束流在阳极负载上产生电信号；⑤信号由电子仪器输出、记录和分析。
2.2 地磁场的存在与影响地球可视为一个磁偶极，其中一极位于地理北极附近，另一极位于地理南极周围。
通过这两个磁极的假想直线与地球的自转轴大约成一定的倾斜角度。
附录一NaI(Tl)闪烁晶体闪烁体按其化学性质可分为两类：一类是无机晶体闪烁体，通常是含有少量杂质(称为激活剂)的无机盐晶体，如碘化钠(铊激活)单晶体、即NaI(Tl)，碘化铯(铊激活)单晶体、即CsI(Tl)，硫化锌(银激活)、即ZnS(Ag)等；另一类是有机闪烁体，它们都是苯环碳氢化合物。
闪烁体的发光机制比较复杂，在此对无机晶体闪烁体的发光机制作一些简要的定性介绍。
无机晶体闪烁体属离子型晶体，原子(离子)之间结合得比较紧密相互之间影响比较大，晶格中原子电子能级加宽成为一系列连续的能带。
其中最低能量状态已为电子所填满，故称为满带；价电子都处于稍高的能量状态，这种能带称为“价带”。
若价带未填满，则在外电场作用下将有净电流产生；若价带已填满，则必须有电子被激发到更高的能带——导带上去，才能产生电流，此时价带上有一空穴，导带上有一电子，即产生了一个自由电子——空穴对。
价带与导带之间的空隙中不存在电子能级，称为禁带；禁带有一宽度E g，它和晶体的导电性质密切相关，导体在0.1eV左右，半导体在0.63—2.5eV之间，无机闪烁体为绝缘透明物质，E g>3eV，NaI为7.0eV。
也存在另一种情况：在闪烁晶体中产生的电子——空穴对仍束缚着，称为“激子”，它们在晶格中一起运动，在外电场中无净电流产生，其能带在导带之下，称为“激带”。
自由的导带电子和价带空穴可以复合成激子，激子也可以吸收热运动能量变成自由电子——空穴对。
当核辐射进入闪烁体时，既可产生自由电子——空穴对，也可以产生激子。
而后电子从导带或激带跃迁到价带，退激过程中放出光子；也存在着竞争过程——非辐射跃迁，即通过放热(晶格振动)退激。
有一点需要指出，纯的NaI晶体不是有效的闪烁体。
一是因为相应禁带宽度的光子能量在紫外光范围，不是可见光；二是退激发出的光子尚未逸出晶体就会被晶体自身吸收。
为了解决这一问题，在纯晶体中掺入少量杂质原子(如Tl)，称为“激活剂”，它们成为发光中心，形成一套激发能级，能量比导带低，而基态却比价带高，这样跃迁产生的光子能量就比禁带宽度E g小，那么它就不可能再使价带上的电子激发到导带上去，从而避免自吸收。
常见无机闪烁晶体性能闪烁晶体相对光输出(%)衰减时间(ns)发光波长(nm)折射率@λmax密度(g/cm3)潮解性硬度余辉熔点（℃）NaI(Tl) 碘化钠100 250 415 1.85 3.67 强 20.3-0.5%@6ms651CsI(Tl) 掺铊碘化铯47 1000 550 1.79 4.53 轻微 20.5-5%@6ms621CsI(Na) 掺钠碘化铯85 630 420 1.84 4.51 有 20.5-5%@6ms621纯CsI 纯碘化铯4-6 16000 315 1.95 4.51 轻微 20.5-5%@6ms621BGO 锗酸铋20 300 480 2.3 7.13 无 50.005%@3ms1050L YSO 硅酸钇镥75 41 420 1.81 7.1 无 5.8<0.1%@6ms2050 辐射探测设备及核医学设备常用闪烁晶体如上表所示，主要有CsI系列，NaI（Tl），BGO以及LYSO闪烁晶体。
NaI(Tl)有很高的发光效率，并且在发光波段没有明显的自吸收，对Χ射线和γ射线均有良好的分辨能力。
在所有的闪烁晶体材料中，它是应用最广泛的一种，可用于核医学、石油地质勘探、高能物理、环境监测等领域。
NaI（Tl）晶体的最大的优势在于其相对光输出较高，制成的探头成像较为清晰。
且热稳定性较好，温度适应性较强，相对于CsI和BGO晶体，NaI(Tl)在高温时具有更高的发光强度，这使其在环境温度较高的场合有更强的适应性，例如油井或空间探测。
NaI(Tl)晶体易受辐射损伤，若长时间暴露在高强度的辐照下则会降低其闪烁性能，一般在射线强度高于102rad（rad：拉德，辐射剂量单位）时就会观察到辐射损伤。
所以晶体不要暴露在来自荧光灯或太阳光的紫外线辐照下。
其具有较强的潮解性。
CsI系列闪烁晶体潮解性略优于NaI（Tl）晶体。
CsI(Tl)晶体的光输出可达NaI(Tl)晶体的85%，发光主峰位在550nm，能与硅光电二极管很好地匹配，从而使读出系统大为简化。
Nal (Tl)闪烁谱仪系列实验张瑞 111120199一、实验原理1. 丫射线与物质的相互作用丫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。
(1) 光电效应。
入射丫粒子把能量全部转移给原子中的束缚电子，而把束缚电子打出来形成光电子。
由于束缚电子的电离能E1 一般远小于入射丫射线能量E 丫，所以光电子的动能近似等于入射丫射线的能量(2) 康普顿散射。
核外电子与入射丫射线发生康普顿散射的示意图见图 1.2-1。
设入射丫光子能量为h散射光子能量为h v ，则反冲康普顿电子的动能EevE e =h 卜—h康普顿散射后散射光子能量与散射角B 的关系为(1.2-1 )hv a = ----式中 ■'，即为入射丫射线能量与电子静止质量所对应的能量之比。
由式(B = 0时h “ =h 丁，这时E e =0,即不发生散射；当0 = 180。
时，散射光子能量最小, 它等于h ；/（l +E 光电=E Y —E 1~E Y1.2-1 ),2a），这时康普顿电子的能量最大，为（1.2-2）fi3V ■--------所以康普顿电子能量在0至1 --之间变化。
（3）正、负电子对产生。
当丫射线能量超过2m 0 c 2（1.022 MeV ）时，丫光子受原子核或电子的库仓场的作用可能转化成正、负电子对。
入射丫射线的能量越大，产生正、负电子对的几率也越大。
在物质中正电子的寿命是很短的，当它在物质中消耗尽自己的动能，便同物质原子中的轨道电子发生湮没反应而变成一对能量各为0.511 MeV的丫光子。
2•闪烁谱仪结构与工作原理Nal （T1 ）闪烁谱仪结构如图1.2-2。
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a、B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；不带电的丫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E Y> 1.02 MeV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。
NaI单晶(TL)γ能谱仪实验及相关讨论摘要：本实验通过对NaI单晶(TL) γ能谱仪的了解和熟悉，掌握其定标和调整方法，并测量放射源的γ能谱，用卡全能峰的方法计算Pb对射线的质量吸收系数以及散射截面。
关键词：NaI单晶γ能谱仪能量分辨率质量吸收系数散射截面一、引言测量γ射线的强度和能量是核辐射探测的一个重要方面。
在核物理研究中，测量原子核的激发能级、研究核衰变纲图、测定短的核寿命及进行核反应实验等，都需要测量γ射线。
在放射性同位素的工业、农业、医疗和科学研究的各种应用中也经常使用γ射线和要求进行γ射线的各种测量。
NaI(TL)单晶是以NaI为基质材料掺以适当浓度的TL生长而成的闪烁晶体材料。
材料对闪烁光无明显的自吸收，并对X射线和γ射线具有很高的分辨率。
在所有可供使用的闪烁晶体中, NaI是应用最广泛的材料。
广泛应用于核医学、矿井探测、环境监测、高能物理和其它方面。
二、实验目的掌握NaI(Tl)单晶γ能谱仪的调整方法，测量γ射线的能谱，测量能谱仪的性能和标定其能量定标曲线，并利用定标曲线进行一系列实验，掌握运用个人计算机处理能谱数据的方法。
三、实验原理γ光子是不带电的中性粒子，因此它与物质的相互作用与带电粒子有显著的差别。
带电粒子与物质相互作用时，与物质原子的核外电子的非弹性碰撞是主要的能量交换过程，每一次碰撞所转移的能量是很小的，经过许多次碰撞后逐渐损失能量。
γ射线与物质的相互作用主要有三种方式：光电效应，康普顿散射和电子对效应。
(1)光电效应入射γ粒子把能量全部转移给原子中的束缚电子，而把束缚电子打出来形成光电子。
由于束缚电子的电离能E i一般远小于入射γ射线能量Eγ，所以光电子的动能近似等于入射γ射线的能量E光电＝Eγ－E i≈Eγ(2)康普顿散射设入射γ光子能量为hν，散射光子能量为hν′，则反冲康普顿电子的动能：Ee＝hν－hν′康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为其中即为入射γ射线能量与电子静止质量所对应的能量之比。
常见无机闪烁晶体性能闪烁晶体相对光输出(%)衰减时间(ns)发光波长(nm)折射率@λmax密度(g/cm3)潮解性硬度余辉熔点（℃）NaI(Tl)碘化钠100 250 415 强 2掺铊碘化铯47 1000 550 轻微 2 %@6ms 621CsI(Na) 掺钠碘化铯85 630 420 有 2%@6ms 621纯CsI纯碘化铯4-6 16000 315 轻微 2%@6ms 621BGO锗酸铋20 300 480 无 5%@3ms 1050L YSO硅酸钇镥75 41 420 无<%@6ms 2050 辐射探测设备及核医学设备常用闪烁晶体如上表所示，主要有CsI系列，NaI（Tl），BGO以及LYSO闪烁晶体。
NaI(Tl)有很高的发光效率，并且在发光波段没有明显的自吸收，对Χ射线和γ射线均有良好的分辨能力。
在所有的闪烁晶体材料中，它是应用最广泛的一种，可用于核医学、石油地质勘探、高能物理、环境监测等领域。
NaI（Tl）晶体的最大的优势在于其相对光输出较高，制成的探头成像较为清晰。
且热稳定性较好，温度适应性较强，相对于CsI和BGO晶体，NaI(Tl)在高温时具有更高的发光强度，这使其在环境温度较高的场合有更强的适应性，例如油井或空间探测。
NaI(Tl)晶体易受辐射损伤，若长时间暴露在高强度的辐照下则会降低其闪烁性能，一般在射线强度高于102rad（rad：拉德，辐射剂量单位）时就会观察到辐射损伤。
所以晶体不要暴露在来自荧光灯或太阳光的紫外线辐照下。
其具有较强的潮解性。
CsI系列闪烁晶体潮解性略优于NaI（Tl）晶体。
CsI(Tl)晶体的光输出可达NaI(Tl)晶体的85%，发光主峰位在550nm，能与硅光电二极管很好地匹配，从而使读出系统大为简化。
它的衰减时间与入射粒子的电离本领有关，特别适宜于在强γ本底下探测重带电粒子。
CsI(Na)的发光效率与NaI(Tl) 接近，发射光谱的主峰位在420nm，更容易与光电倍增管配合；温度效应好。
