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%。
能量线性刻度曲线为检查谱仪的能量线性情况，必须利用一组已知能量的γ放射源，测出它们的γ射线在谱中相应的全能峰位置（或道址），然后，作出γ能量对脉冲幅度（或道址）的能量刻度曲线。
这个线性关系可用线性方程表示，即式中x p 为峰位，即道址；E0 为截距，即零道对应的能量；G 为斜率，即每道对应的能量间隔，又称增益。
实验中用的γ核素能量列于表2 中。
典型的能量刻度曲线如图5 所示。
效率刻度曲线探测效率的定义如下：T 为测量时间；A 为放射源活度；b 表示能量为E 的射线的产额（也称为分支比）；S(E)表示能量为E 的射线所对应的全能峰面积（如图6 ）。
通过对多种已知活度的γ源进行测量，可以计算出γ谱仪在不同能量处的效率，从而拟合得到探测效率随能量的变化规律。
三、实验仪器1、NaI（Tl）闪烁探头2、高压电源3、多道脉冲幅度分析器4、计算机5、示波器6、放射源5 个，铅砖若干。
四、实验步骤第一次实验：预习，掌握并熟悉NaI(Tl) γ谱仪，确定谱仪的工作参数。
1、检查线路确认无误后开低压电源，预热几分钟。
熟悉多道脉冲幅度分析器数据采集软件的使用；2、用示波器观察测量闪烁体探头输出信号。
把放射源放在托盘上，将探头和放射源用铅砖屏蔽。
加高压，用脉冲示波器观察探头工作状态。
调节高压如能观察到右图所示的波形，则表明探头已工作，该波形幅度最大的部分有一明亮光带，这是由光电效应引起的，而幅度较小的不断变化的弥漫区域由康普顿电子形成的。
高压调节合适亮带窄而亮，且亮带与弥漫区之间明显可见一较暗带域出现。
3、选择高压、放大倍数、测量道数等参数；a) 把放射源放在托盘上。
调节改变高压（350－700V），保持其它条件不变，观察能谱曲线的变化，并记录数据；b) 调节改变放大倍数，保持其它条件不变，观察能谱曲线的变化，并记录数据；c) 调节改变测量道数（256、512、1024、2048、4096），保持其它条件不变，观察能谱曲线的变化，并记录数据；d) 把放射源60Co 放在托盘上，调节参数，使两个全能峰均能清楚看见，并使能谱的能量范围约在0－1.5MeV。
e) 把放射源137Cs 放在托盘上，测量其能谱，解释能谱曲线形状，进一步理解γ射线和物质相互作用过程。
第二次实验：能量刻度、活度测量及未知源的确定，分析处理实验数据。
4、开机后预热20 分钟，固定NaI(Tl)闪烁探头位置，注意更换放射源时也要保持放射源与探头的相对位置不变；5、测量能谱数据：a) 确定实验条件。
把放射源60Co 放在托盘上，调节参数，测量道数设置为1024，使两个全能峰均能清楚看见，并使整个能谱的能量范围约为0－1.5MeV。
b) 测量本底、60Co、137Cs、133Ba、22Na 未知放射源分别放入时的能谱；6、数据分析：a) 将每次测量完成后的文件保存为文本文件，实验报告中数据、作图时应注明文件名；b) 查阅已知源的衰变纲图，根据测量的能谱曲线确定各峰对应的射线能量；c) 分析各峰的峰参数，得出γ谱仪的能量分辨率，作出能量刻度曲线，分析其线性；d) 计算出当前已知源的活度，结合衰变纲图数据，从而得到探测效率曲线；e) 根据能量刻度曲线，计算未知放射源的射线能量，判断放射源的种类；f) 根据探测效率曲线，计算未知放射源的活度。
g) 分析测量结果并进行总结。
已知放射源活度表（测试时间为1991 年7 月1 日）五．实验数据与分析1.选择高压、放大倍数、测量道数等参数a)把放射源放在托盘上。
调节改变高压（350－700V），保持测量道数1024道和放大倍数5.00倍不变图1.能谱曲线随电压的变化结论：由图1可以看出，随着电压的升高，全能峰右移，道址增大，即峰位E变大，输出脉冲幅度增加。
全能峰变宽，且其高度降低。
b)调节改变放大倍数，保持测量道数1024道和高压500V不变结论：由图2可以看出，随着电压的升高，全能峰右移，道址增大，即峰位E 变大，输出脉冲幅度增加。
全能峰变宽，且其高度降低。
c)调节改变测量道数（256、512、1024、2048、4096），保持放大倍数5倍和高压500V不变结论：由图3可以看出，随着测量道数的升高，全能峰右移，道址增大，即峰位E变大，输出脉冲幅度增加。
全能峰变宽，且其高度降低。
d)把放射源60Co 放在托盘上，调节参数为测量道数4096道,放大倍数5倍和高压。
60分析：我们测得的60Co的能谱曲线的两个全能峰都能清楚看见，查阅Co60的衰变纲图可知两个全能峰的能量分别是1.17MeV和1.33MeV，其中1.33MeV的全能峰对应道数2273,由计算1.33MeV/2273*4096=2.39MeV,超过了1.5Mev，将会影响后续实验。
e) 把放射源137Cs 放在托盘上，测量其能谱，解释能谱曲线形状，进一步理解γ射线和物质相互作用过程。
137的能谱曲线图5.Cs分析：如图5所示，137Cs的能谱曲线是三个峰和一个平台的连续分部。
参考137Cs的放射源衰变纲图，峰A为全能峰，这一幅度的脉冲是0.662MeV的γ光子与闪烁体发生光电效应而产生的，它直接反映了γ射线的能量；平台B是康普顿效应的贡献，它的特征是散射光子逃逸出晶体后留下的一个连续的电子谱。
峰C是反散射峰，当γ射线射向闪烁体时，总有一部分γ射线没有被吸收而逃逸出，当它与闪烁体周围的物质发生康普顿散射时，反散射光子可能进入闪烁体发生光电效应，其脉冲就产生反散射峰。
2、测量能谱数据并分析：a) 测量本底能谱图6.本底的能谱曲线结论：由上图可知，本底也会产生计数，即本底能谱曲线对各放射源的能谱曲线有一定的影响，所以在分析各放射源的能谱曲线时扣除本底的影响，否则会引起较大的误差。
b）扣除本底影响后，可得Co22的能谱曲线如下列图所示。
60、Cs133、Na137、Ba查阅已知源的衰变纲图，根据测量的能谱曲线确定各峰对应的射线能量。
图7 60的能谱曲线图8.137Cs的能谱曲线图9.133Ba的能谱曲线图10.22Na的能谱曲线C）分析各峰的峰参数，得出得出γ谱仪的能量分辨率，做出能量刻度曲线，分析其线性。
1)由图7-图10可得各放射源峰道址和对应射线能量如表1所示；表1 放射源峰道址和对应射线能量的关系由表1可用origin 拟合的E —N 曲线图如图11所示0.51.01.5E /M e vchannel图11.各已知放射源全能峰点能量与道址线性拟合图根据拟合结果，E=0.0011N+0.0073，能量线性刻度曲线，线性拟合度r=0.99996，线性度非常接近1，说明这组数据较为合理。
2) 计算γ谱仪的能量分辨率因为标准放射源Cs 137的全能峰最为明显和典型，所以选用其γ射线的能量分辨率来检验与比较γ谱仪的能量分辨率。
如下图所示：图12.137Cs 的能谱曲线图由图12可知，全能峰对应的道址为N=580，半峰高处对应的道址为N1=553和N2=603。
因此Cs 137的全能峰的半宽度为∆N =N1−N2=50道由图11和所得的E —N 拟合方程E=0.0011N+0.0073可知，能量E 与道址数N 成线性关系，所以能量分辨率η可写为：NNVVEE∆=∆=∆=η所以Cs 137的能量分辨率为：ηCs =ΔNN =50580×100%=8.62% 误差分析：137Cs 最佳的能量分辨率为7.8%，我们所测得的实验结果为8.62%，相差较大，由此可知实验所用的闪烁谱仪能量分辨率不是很好，谱仪对相邻脉冲幅度或能量的分辨本领不很理想。
这也有可能是由实验误差造成的，比如实验条件还不是没有调成最佳的，读数的误差等。
同理可求出测量其他放射源时的谱仪分辨率如表2.表2.测量不同放射源在不同的全能峰时的谱仪分辨率由上表可知：闪烁谱仪分辨率在测量测量不同放射源在不同的全能峰时是不同的。
当全能峰的峰位较大时，谱仪的分辨率较好。
3）计算当前已知源的活度表放射性元素按照以下的规律进行衰变： t e N N λ-=0 其中0N 表示初始的未发生衰变的原子数目，N 表示当前剩余的未衰变原子数目，λ是一个衰变常数，对于不同的元素，相应的λ也是不同的。
定义2/0N N =时所经历的时间为τ，称为半衰期，可得出其衰变常数λ，τλ/2ln =放射源活度A 表示单位时间内放射源发生的衰变次数，对于一定量的放射源而言，其总体的活度与其包含的放射性粒子数目是成正比的，即：t e A A λ-=0本次的实验时间为2017年9月28日，表3中的放射源活度测试时间距离实验时的时间间隔为t=26年。
可得出当前各已知放射源的活度如表4所示：表4 已知放射源实验时活度（2017年9月28日）4）得到探测效率曲线；以Cs 137的全能峰为例，计算其探测效率。
