用闪烁谱仪测γ射线能谱

近代物理实验报告学院数理与信息工程学院班级物理092姓名艾合买提江学号09180218时间 2011年9月26日Nal(Tl) γ闪烁谱仪及γ射线能谱的测量摘要：放射性物质含有许多不稳定的原子。

这些源自在核衰变时辐射出α，β，γ射线和中子流等，并且都具有一定的能量。

γ射线是原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时所产生的一种辐射。

它是一种波长极短的电磁波，其辐射能量标示为Εr=Εi-Εf=hv,其中Εi和Εf分别为原子核所处的未态和初态的能量。

V是γ射线光子的频率。

本实验将γ射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到γ辐射强度按能量的分布，即所谓能谱关键字：Υ射线能谱物质吸收系数μ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。

γ射线，又称γ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α、β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γ射线。

γ射线的波长比X射线要短，所以γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。

当γ射线通过物质并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γ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。

γ闪烁谱仪与γ射线能谱的测量【摘要】原子核的能级跃迁能产生γ射线，测量γ射线的能量分布，可确定原子核激发态的能级，这对于放射性分析，同位素应用及鉴定核素等都有重要意义。

谱仪（把射线的能量转变成光能）测定不同的放射源的射线能谱，本实验对Cs 137和Co 60两种元素的γ射线能谱进行测量，通过对核技术探测仪器的使用方法和能谱的测量与分析让我们对核技术有更深一步的认识。

【关键词】能谱 测量【正文】γ闪烁谱仪的基本工作原理以及整个的工作过程：整个谱仪由探头（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等组成。

闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子放大器件三个主要部分组成。

（1）闪烁体: 闪烁体是用来把射线的能量转变成光能的。

本实验中采用含TI （铊）的NaI 晶体作射线的探测器。

（2）光电倍增管: 光电倍增管的结构如图2。

它由光阴极K 、收集电子的阳极A 和在光阴极与阳极之间十个左右能发射二次电子的次阴极D （又称倍增极、打拿极或联极）构成。

在每个电极上加上正电压，相邻的两个电极之间的电位差一般在100V 左右。

当闪烁体放出的光子打到光阴极上时，发生光电效应，打出的光电子被加速聚集到第一倍增极D1上，平均每个光电子在D1上打出3～6个次电子，增值后的电子又为D1和D2之间的电场加速，打到第二倍增极D2上，平均每个电子又打出3～6个次级电子，……这样经过n 级倍增以后，在阳极上就收集到大量的电子，在负载上形成一个电压脉冲。

图 2 百叶窗式光电倍增管示意图（3）射极跟随器：光电倍增管输出负脉冲的幅度较小，内阻较高。

一般在探头内部安置一级射极跟随器以减少外界干扰的影响，同时使之与线性放大器输入端实现阻抗匹配。

（4）线性放大器：由于入射粒子的能量变化范围很大，线性放大器的放大倍数能在10～1000倍范围内变化，对它的要求是稳定性高、线性好和噪声小。

开启实验仪器工作时射线通过闪烁体，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比，即入射线的能量越大，在闪烁体内损失能量越多，闪烁体的发光强度也越大。

用闪烁谱仪测γ射线能谱4+PB04210252 刘贤焯 第26组10号和原子的能级间跃迁产生原子光谱类似，原子核的能级间跃产生γ射线谱。

测量γ射线强度按能量的分布即γ射线能谱，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。

测量γ射线能谱最常用的仪器是闪烁γ能谱仪，该谱仪在核物理、高能粒子物理和空间辐射物理的探测中都占有重要地位，而且用量很大。

本实验的目的是学习用闪烁谱仪测量γ射线能谱的方法，要求掌握闪烁谱仪的工作原理和实验方法，学会谱仪的能量标定方法，并测量γ射线的能谱。

实验原理根据原子核结构理论，原子核的能量状态是不连续的，存在着分立能级。

处在能量较高的激发态能级2E 上的核，当它跃迁到低能级1E 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12E E hv -=，此处h 为普朗克常数，ν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射线强度按能量的分布。

1． 闪烁谱仪测量γ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。

（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。

此处仅对常用的无机晶体闪烁体的发光机制作简单介绍。

最常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。

如有带电粒子进入到闪烁体中，引起后者产生电离或激发过程，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过程之一是发射光子。

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。

实验原理
γ射线是原子核能级跃迁的辐射。

对γ射线的能谱测量能了解原子核的结构，获得原子核内部运动的信息。

闪烁谱仪的结构如下图所示
其工作过程是当γ射线射入探头内的NaI（Tl）闪烁晶体时在晶体内部产生电离，把能量交给次级电子，在闪烁体内引起的荧光，照射支光电倍增管的光阴是，打出光电子，再经光电倍增管次阴级多次倍增所被阳极收集，在光电倍增管阴极负载上输出电压脉冲，此脉冲幅度大小与被测的γ射线能量成正比。

脉冲信号通过放大器放大后进入多道分析器，从而获得γ射线的能谱。

铯137的γ射线能谱如下所示
E b为背散射峰，一般很小，E c为康普顿散射边界，E e为光电峰，又称全能峰，对于137Cs此能量为0.661Mev。

能量分辨率是γ能谱仪的重要参数。

其意义如下图
定义能量分辨率η为
△V为半高宽度，V为光电峰脉冲幅度。

思考题
用闪烁谱仪测量γ射线能谱时，要求在多道分析器的道址范围内能同时测量出137Cs和60Co光电峰，应如何选择合适的工作条件，在测量过程中该条件可否改变？
为满足光电峰处计数率相对误差小于2%的要求，怎样从实验中确定计数所用的时间？。

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。

γ)(TI NaI 闪烁谱仪及γ射线能谱的测量鲁斌 物理082班 08180219 fgg摘要 本文介绍了γ)(TI NaI 闪烁谱仪的工作原理及γ射线能谱的测量的基本方法，并详细阐述了单道脉冲幅度分析器和g 多道脉冲幅度分析器的工作原理。

本实验要求我们通过实验学会NaI （Tl ）γ单晶体闪烁体整套装置的操作、调整和使用，并测量137Cs 、60Co 的γ能谱并求出能量的分辨率、峰康比、线性等各项指标，并做出谱仪的能量刻度曲线。

关键词 γ)(TI NaI 闪烁谱仪 γ射线能谱 脉冲幅度分析器引言放射性物质含有许多不稳定原子。

这些原子在核衰变时辐射出α、β、γ射线和中子流等，并且具有一定的能量。

γ射线是原子核从激发态跃迁到低能态或基态时所产生的一种辐射。

在放射性测量工作中,对γ射线的测量是一个非常重要的组成部分,对γ射线的测量通常有强度测量和能谱测量两种方式。

γ)(TI NaI 闪烁谱仪是一种常用的对γ射线进行能谱测量的谱仪,它与高纯锗γ谱仪相比具有探测效率高,γ)(TI NaI 晶体便于加工成各种形状,价格便宜等特点,因而在环境测量、工业在线检测以及监测等方面有着广泛的应用。

正文一、Na I ( Tl) 闪烁谱仪系统典型的Na I ( Tl) 闪烁谱仪由Na I ( Tl) 闪烁探头、放大器、高压电源、低压电源、多道脉冲幅度分析器、计算机等部分组成,其中Na I ( Tl) 闪烁探头包括Na I ( Tl) 闪烁晶体、光电倍增管、分压器、电压灵敏前置放大器(如图1 所示) .仪器示意图如图二所示。

当γ 射线与Na I ( Tl) 闪烁晶体作用后,Na I ( Tl) 闪烁晶体发出光子,光子入射到光电倍增管的光阴极后打出光电子,光电子经聚集后射向倍增极,经各个倍增极倍增后的电子到阳极收集而形成电压脉冲,该电压脉冲经过放大器放大送入多道脉冲幅度分析器分析,再经过一个多道接口板与计算机连接. 计算机通过专用多道软件可以实现把所测量的谱数据进行谱数据输入、谱数据处理、谱数据输出等操作.二、γ闪烁能谱仪原理γ闪烁能谱仪是利用γ射线与物质的相互作用时，产生的闪烁荧光现象来测量能谱，依据能谱曲线推算γ射线能量。

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。

NaI （T1）闪烁谱仪测定γ射线的能谱09904047 周宁 [实验装置]NaI （T1）闪烁谱仪（FH1901型）一套，脉冲示波器（SBT-5型）一台，Cs 137γ源和Co 60γ源各一个。

[实验原理]一、γ射线与物质的相互作用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i E 一般小于γ射线的能量γE 。

所以： γγE E E E i ≈-=光电光电效应的截面光电σ随入射γ射线能量的增加而减小。

2．康普顿散射 核外自由电子与入射γ射线发生康普顿散射。

根据动量守恒的要求，散射和入射只能发生在一个平面内。

反冲康普顿电子的动能e E 为：'hv hv E e -=康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为： )cos 1(1'θα-+=hvhv 其中20c m hv =α康普顿电子的能量在0至αα212+hv之间变化。

3．正、负电子对的产生 当γ射线能量超过202c m （1.022MeV ）以后，γ光子受原子核或电子的库仑场的作用可能转化成正、负电子对。

入射γ射线的能量越大，产生正、负电子对的截面也越大。

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时，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0.511MeV 的γ光子。

二、仪器结构与工作原理1 反射层2 闪烁体3 硅油4光电倍增管 5 射极跟随器6 高压电源7 线性放大器8 单道分析器9 定标器10 示波器带电粒子通过闪烁体时，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台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，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。

中子的探测，则是利用中子引起的核反应所产生的带电粒子，或中子与核碰撞时产生的反冲核，这些带电粒子和反冲核在闪烁体内引起发光。