下载文档原格式
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%。
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。
NaI（Tl）闪烁谱仪系列实验张瑞111120199一、实验原理1. γ射线与物质的相互作用γ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Ｅ1一般远小于入射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－Ｅ1≈Ｅγ（２）康普顿散射。
核外电子与入射γ射线发生康普顿散射的示意图见图 1.2-1。
设入射γ光子能量为ｈ，散射光子能量为ｈ，则反冲康普顿电子的动能ＥeＥe＝ｈ－ｈ康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为（1.2-1）式中，即为入射γ射线能量与电子静止质量所对应的能量之比。
由式（1.2-1），当θ＝０时ｈ＝ｈ，这时E e＝０，即不发生散射；当θ＝１８０°时，散射光子能量最小，它等于ｈ／（１＋２α），这时康普顿电子的能量最大，为（1.2-2）所以康普顿电子能量在０至之间变化。
（３）正、负电子对产生。
当γ射线能量超过２ｍ0ｃ2（1.022ＭｅＶ）时，γ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γ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0.511ＭｅＶ的γ光子。
2. 闪烁谱仪结构与工作原理ＮａＩ（Ｔｌ）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。
http://202.207.213.2/physic/dzkjjqtwj01/jdwldzjan/NaI.htmNaI(TI)单晶闪烁谱仪与能谱的测量原子核的能级跃迁能产生射线，测量射线的能量分布，可确定原子核激发态的能级，研究核蜕变纲图，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。
射线强度按能量的分布即能谱，测量能谱常用的仪器是闪烁能谱仪。
该能谱仪的主要优点是：既能探测各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子；既能测量粒子强度，又能测量粒子能量；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素的测量中得到广泛的应用。
本实验的目的是了解NaI(TI)闪烁谱仪的原理、特性与结构，掌握NaI(TI)闪烁谱仪的使用方法，鉴定谱仪的能量分辨率和线性，并通过对射线能谱的测量，加深对射线与物质相互作用规律的理解。
一、闪烁谱仪的结构原理（一）结构框图及工作原理NaI(TI)闪烁探测器的结构如图1。
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。
图 1 NaI(TI)闪烁探测器示意图首先介绍闪烁探测器的基本组成部分和工作过程。
1、基本组成部分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。
实验3 NaI(Tl)闪烁谱仪实验目的1. 了解谱仪的工作原理及其使用。
2. 学习分析实验测得的137Cs γ谱之谱形。
3. 测定谱仪的能量分辨率及线性。
实验内容1. 调整谱仪参数，选择并固定最佳工作条件。
2. 测量137Cs、65Zn、60Co等标准源的γ能谱，确定谱仪的能量分辨率、刻度能量线性并对137Cs γ能谱进行谱型分析。
3. 测量未知γ源的能谱，并确定各条γ射线的能量。
原理NaI(Tl)闪烁谱仪由NaI(Tl)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。
此种谱仪既能对辐射强度进行测量又可作辐射能量的分析，同时具有对γ射线探测效率高（比G-M计数管高几十倍）和分辨时间短的优点，是目前广泛使用的一种辐射探测装置。
下图为NaI（Tl）闪烁谱仪装置的示意图。
当γ射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程，即光电效应、康普顿散射和电子对效应。
前两种过程中产生电子，后一过程出现正、负电子对。
这些次级电子将能量消耗在闪烁体中，使闪烁体中原子电离、激发而后产生荧光。
光电倍增管的光阴极将收集到的这些光子转换成光电子，光电子再在光电倍增管中倍增，最后经过倍增的电子在管子的阳极上收集起来，并通过阳极负载电阻形成电压脉冲信号。
γ射线与物质的三种作用所产生的次级电子能量各不相同，因此对于一条单能量的γ射线，闪烁探测器输出的次级电子脉冲幅度仍有一个很宽的分布。
分布形状决定于三种相互作用的贡献。
根据γ射线在NaI（Tl）闪烁体中总吸收系数随γ射线能量变化的规律，γ射线能量Eγ<0.3MeV时，光电效应占优势，随着γ射线能量升高，康普顿散射几率增加；在Eγ>1.02MeV以后，则有出现电子对效应的可能性，并随着γ射线能量继续增加而变得更加显著。
图2为示波器荧光屏上观察到的137Cs 0.662MeV单能γ射线的脉冲波形和谱仪测得的能谱图。
NaI （Tl ）闪烁谱仪测量γ能谱实验目的1. 掌握NaI(Tl) γ闪烁谱仪的结构、原理和工作过程2. 掌握NaI(Tl)γ闪烁谱仪的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。
实验内容1. 学会NaI(Tl) 单晶γ闪烁谱仪装置的使用操作方法2. 掌握调整谱仪参数，选择最佳测量工作条件的方法3. 测量谱仪的能量分辨率、刻度能量线性。
4. 了解数据处理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等）。
一．γ射线与物质的相互作用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，如图1所示。
图1 γ射线光子与物质原子相互作用（1）光电效应当能量为E γ的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量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。
发射光电子的动能为i e B E E -=γB i 为束缚电子所在壳层的结合能。
原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X 射线。
这种X 射线在闪烁体内很容易再产生一次新的光电效应，将能量又转移给光电子，所以闪烁体得到的能量是两次光电效应产生的光电子能量之和。
值得注意的是，由于必须满足动量守恒定律，自由电子（非束缚电子）不能吸收光子能量而成为光电子。
光电效应的发生除入射光子和光电子之外，还需有一个第三者参加，这第三者就是发射光电子之后剩余下来的整个原子。
它带走一些反冲能量，但该能量十分小。
由于它的参加，动量和能量守恒才能满足。
而且，电子在原子中被束缚得越紧（即越靠近原子核的电子），越容易使原子核参加上述过程。
所以在K 壳层上发生光电效应的概率最大。
（2）康普顿效应γ光子与自由静止的电子发生碰撞，将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，γ光子被散射，改变了原来的能量和方向。
反冲电子的动能为()θγγcos 1120-+=E c m E E e （式中20c m 为电子静止能量，约为0.5MeV ；角度θ是散射光子的散射角。
当0180=θ时（即光子向后散射，又称为反散射），反冲电子的动能有最大值，此时γγE cm E E 2120max +=（9-1-3）这说明康普顿效应产生的反冲电子的能量有一上限最大值，称为康普顿边界。
需要注意：（1）当散射角θ=0o时，散射光子能量E γ’=E γ，达到最大值。
这时反冲电子的能量E e =0。
这就是说，在这种情况下入射光子从电子近旁掠过，未受到散射，所以光子能量没有损失。
（2）当θ=180o 时，入射光子与电子对心碰撞后，沿相反方向散射出来，而反冲电子沿着入射光子方向飞出，这种情况称反散射。
这时散射能量最小，即 min 2021E E E m c γγ=+由此式可以推断出，即使入射光子的能量变化很大，反散射光子的能量也都在200keV 左右。
这也是能谱上容易辨认反散射峰的一个原因。
发生康普顿效应时，散射光子可以向各个方向散射。
对于不同方向的散射光子，其对应的反冲电子能量也不同。
因而即使入射γ光子的能量是单一的，反冲电子的能量却是随散射角连续变化的。
理论计算和实验都表明，入射光子的康普顿反冲电子能谱如图4-2所示。
（3）电子对效应当γ光子能量大于220c m 时，γ光子从原子核旁经过并受到核的库仑场作用，可能转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对效应。
此时光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和 202c m E E E e e ++=-+γ （9-1-4）综上所述，γ光子与物质相遇时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应或电子对效应而损失能量，其结果是产生次级带电粒子，如光电子、反冲电子或正负电子对。
次级带电粒子的能量与入射γ光子的能量直接相关，因此，可通过测量次级带电粒子的能量求得γ光子的能量。
闪烁γ能谱仪正是利用γ光子与闪烁体相互作用时产生次级带电粒子，进而由次级带电粒子引起闪烁体发射荧光光子，通过这些荧光光子的数目来推出次级带电粒子的能量，再推出γ光子的能量，以达到测量γ射线能谱的目的。
二、NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪的结构与性能图2 闪烁谱仪装置结构图1、NaI（Tl）闪烁探测器闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。
探测器最前端是NaI（Tl）闪烁体，当射线（如γ和β）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。
在闪烁体周围包以反射物质，使光子集中向光电倍增管（具体内容参阅附录3-2-1）方向射出去。
经过光电倍增管产生输出信号，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检测仪器中去。
图9-1-2 NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪结构示意图实用时常将闪烁体、光电倍增管、分压器及射极跟随器安装在一个暗盒中，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屏蔽筒（如本实验装置），以减弱环境中磁场的影响。
电子检测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、单道或多道脉冲幅度分析器等。
2、单道与多道脉冲幅度分析器闪烁探测器可将入射粒子的能量转换为电压脉冲信号，而信号幅度大小与入射粒子能量成正比，因此，只要测到不同幅度的脉冲数目，也就得到了不同能量的粒子数目。
由于γ射线与物质相互作用机制的差异，从探测器出来的脉冲幅度有大有小，单道脉冲幅度分析器就起从中“数出”某一幅度脉冲数目的作用。
单道脉冲幅度分析器里有两个甄别电压V 1（此电压可以连续调节）和V 2，如图9-1-4所示。
V 1 和V 2也称下、上甄别域，差值⊿V 称为窗宽。
为保证足够的分辨率，以及减小统计涨落的影响，窗宽的选择不能过大，也不能太小。
这样，V 1 和V 2就像一扇窗子，低于V 1或高于V 2的电压信号都被挡住，只有在V 1 和V 2之间的信号才能通过，形成输出脉冲。
进行测量时，按⊿V 连续改变V 1值，就可获得全部能谱。
显然，使用单道脉冲幅度分析器进行测量，既不方便也费时，因此，现在多使用多道脉冲幅度分析器。
多道脉冲幅度分析器的作用相当于几百个单道脉冲幅度分析器，一次测量可获得整个能谱，非常方便，在本实验中就采用这种方式。
3、闪烁谱仪的性能指标闪烁谱仪的基本性能由能量分辨率、能量线性和稳定性来衡量。
在高强度放射性测量和时间测量中，则首先要考虑的是时间分辨本领。
（1）能量分辨率：由于单能带电粒子在闪烁体内损失能量引起的闪烁发光所放出的荧光光子数有统计涨落；一定数量的荧光光子打在光电倍增管光阴极上产生的光电子数目有统计涨落。
这就使同一能量的粒子产生的脉冲幅度不是同一大小而近似为高斯分布。
能量分辨率的定义是：%100⨯E ∆E =η （1—1）由于脉冲幅度与能量有线性关系,并且脉冲幅度与多道道数成正比，故又可以写为%100⨯∆=CH CH η （1—2）ΔCH 为记数率极大值一半处的宽度（或称半宽度），记作FWHM （Full Width at half maximum ）。
CH 为记数率极大处的脉冲幅度。
显然谱仪能量分辨率的数值越小，仪器分辨不同的能量的本领就越高。
而且可以证明能量分辨率和入射粒子能量有关。
%1001⨯E =η （1—3）通常NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的能量分辨率以137C S 的0.661MeV 单能Υ射线为标准，它的值一般是10%左右，最好可达6~7%。
（2）线性度与能量刻度能量的线性就是指输出的脉冲幅度与带电粒子的能量是否有线性关系，以及线性范围的图9-1-4 单道脉冲幅度分析原理大小。
NaI（Tl）单晶的荧光输出在150KeV＜Eγ＜6MeV的范围内和射线能量是成正比的。
但是NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪的线性好坏还取决于闪烁能谱仪的工作状况。
例如当射线能量较高时，由于光电倍增管后几个联极的空间电荷的影响，会使线性变坏。
另外，脉冲放大器线性程度也将影响谱仪的线性。
为了检查谱仪的线性，必须用一组已知能量的γ射线，在相同的实验条件下，分别测量出它们的光电峰位，做出能量——幅度曲线，称为能量刻度曲线（或能量校正曲线）。
如图9-1-3所示。
用最小二乘法进行线性拟合，线性度一般在0.99以上。
对未知能量的放射源，由谱仪测出脉冲幅度图3 能量刻度曲线后，利用这种曲线就可以求出射线的能量。
（3）坪曲线与本底计数率坪曲线是入射粒子强度不变时，NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪的源（或全谱）计数率随工作电压变化的曲线。
本底计数率是指不加放射源时NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪的全谱计数率，主要由光电倍增管的暗电流、电子学噪声、宇宙射线及环境辐射产生，其也随工作电压的变化而变化。
在使用NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪时，应首先测量坪曲线和本底计数率，然后选择源（或全谱）计数率随电压变化较小、本底计数率相对较低的工作电压。
（4）谱仪的稳定性：谱仪的能量分辨率，线性的正常与否与谱仪的稳定性有关。
因此在测量过程中，要求谱仪始终能正常的工作，如高压电源，放大器的放大倍数，和单道脉冲分析器的甑别阈和道宽。
如果谱仪不稳定则会使光电峰的位置变化或峰形畸变。
在测量过程中经常要对137C s的峰位，以验证测量数据的可靠性。
为避免电子仪器随温度变化的影响，在测量前仪器必须预热半小时。
在测量中可考虑下列一些因素，进行必要的调整，以期达到一台谱仪可能实现的最好的分辨率。
（1）闪烁体与光电倍增管光阴极之间保持良好的光学接触；（2）参考光电倍增管高压推荐值，并作适当调整，使得在保持能量线性条件下，输出脉冲幅度最大；（3）合理选择单道分析器的道宽，如单道分析器最大分析幅度为10V时，道宽宜用0.1V（4）根据放射源的活度，选择合适的源与闪烁体之间的距离。
三、实验装置图4闪烁谱仪装置结构示意图图5闪烁谱仪装置实物图实验装置组成：插件机箱FH0001A 1台低压电源BH1231 1台1.5KV高压电源BH1283N 1台线性脉冲放大器BH1218 1台单道脉冲幅度分析器BH1219 1台插道定标器BH1220 1台γ能谱探头FJ374 1个标准源137Cs 1个1. NIM系统:本实验单道 谱仪采用NIM系统与NaI(Tl)闪烁探头组合而成。
NIM(Nuclear Instrument Module)代表核仪器标准化的国际通用系统，它由NIM机箱、NIM 电源及各种NIM插件组成，实验者可根据需要，配备各种功能的插件，构成各式各样的NIM 系统。
2．射极跟随器射极跟随器的作用是减少外界干扰的影响，跟随器输入阻抗较大与光倍增管可匹配，而输出阻抗又较小，使之与线性放大器输入端实现阻抗匹配。
3．高压电源 提供光电倍增管的工作电压。
高压电源的稳定性要好(工作过程中电压改变不超过0. 1%)。
