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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。
云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称：普通物理实验实验项目：实验四闪烁探测器及r能谱的多道测量学生姓名：马晓娇学号：20131050137 物理科学技术学院物理系 2013 级天文菁英班专业指导老师：张远宪试验时间：2015 年 10月 30 日 13 时 00 分至 15 时 00 分实验地点：物理科学技术学院实验类型：教学 (演示□验证□综合□设计□) 学生科研□课外开放□测试□其它□一、实验目的1、了解γ 射线与物质相互作用的基本原理;2、掌握闪烁探测器的工作原理及使用方法；3、掌握能谱仪基本性能的确定;4、掌握简单γ放射源的γ能谱测量。
二、实验原理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”。
（一）γ射线与物质相互作用γ射线与物质相互作用是γ射线能量测量的基础。
γ射线与物质相互作用主要有三种效应，即光电效应、康普顿散射和电子对效应。
1、γ射线与物质相互作用。
当γ射线的能量在30MeV 以下时，最主要的相互作用方式有三种：（1） 光电效应。
γ射线的全部能量转移给原子中的束缚电子，使这些电子从原于中发射出来，γ光子本身消失。
（2）康普顿散射。
入射γ光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向都发生了变化。
（3） 电子对效应。
γ光子与靶物质原子的原子核库仑场作用，光子转化为正-负电子对。
在光电效应中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能，另一部分就作为光电子的动能。
所以，释放出来的光电子的能量就是入射光子能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能B γ之差。
虽然有一部分能量被原子的反冲核所吸收，但这部分反冲能量与γ射线能量、光电子的能量相比可以忽略。
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。
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。
闪烁体探测器原理闪烁体探测器是一种常用于粒子物理实验和核物理实验中的探测器，它可以用来探测高能粒子的能量和种类。
闪烁体探测器的原理是利用闪烁体材料对入射粒子产生的闪烁光进行探测和测量，通过测量闪烁光的强度和时间分布来获取粒子的信息。
闪烁体探测器通常由闪烁体材料、光电倍增管和信号处理系统组成。
闪烁体材料是闪烁体探测器的核心部分，它能够将入射粒子的能量转化为可测量的光信号。
常用的闪烁体材料包括塑料闪烁体、无机晶体闪烁体等。
当高能粒子穿过闪烁体材料时，会与闪烁体原子发生相互作用，使得原子激发态跃迁到基态的过程中释放出光子，形成闪烁光。
光电倍增管是用来接收和放大闪烁体产生的光信号的装置，它能够将微弱的光信号转化为可观测的电荷脉冲信号。
当闪烁光进入光电倍增管时，会引起光电效应，使得光电倍增管产生电子，并经过倍增过程放大电子数目，最终输出一个与入射粒子能量成正比的电荷脉冲信号。
信号处理系统是用来接收、处理和分析光电倍增管输出的电荷脉冲信号的装置，它能够将电荷脉冲信号转化为能够被计算机或其他数据采集设备读取和分析的数字信号。
信号处理系统通常包括放大器、快门、多道分析器等部分，通过这些部分对电荷脉冲信号进行放大、选择、测量等处理，最终得到入射粒子的能谱和能量信息。
闪烁体探测器的工作原理可以用一个简单的模型来描述，当高能粒子穿过闪烁体材料时，会与闪烁体原子发生相互作用，使得原子激发态跃迁到基态的过程中释放出光子，形成闪烁光。
闪烁光被光电倍增管接收并放大，最终转化为电荷脉冲信号。
信号处理系统对电荷脉冲信号进行处理，得到入射粒子的能谱和能量信息。
总的来说，闪烁体探测器利用闪烁体材料对入射粒子产生的闪烁光进行探测和测量，通过测量闪烁光的强度和时间分布来获取粒子的信息。
它在粒子物理实验和核物理实验中起着重要的作用，是一种常用的粒子探测器。
闪烁伽马能谱测量实验报告一、实验目的1.熟悉闪烁探测器的工作原理和使用方法。
2.了解伽马射线的特性和能谱分析的原理。
3.掌握使用闪烁探测器进行伽马能谱测量的技巧。
二、实验原理1.闪烁探测器的工作原理闪烁探测器是利用物质受到射线激发后产生荧光闪烁而测量射线的一种仪器。
当射线入射到闪烁体中时，闪烁体中的原子或分子被激发，由于能级的跃迁导致能量的差异，从而发出可见光。
通过光电倍增管将光电转换为电信号，进而进行电子学测量和处理。
2.伽马能谱的特性伽马射线是一种高能射线，具有穿透性和能量范围广的特性。
根据射线的能量，不同的射线在闪烁体内产生的闪烁光强度也不同，从而形成能谱。
3.测量方法通过将待测样品放置在闪烁探测器前，待测伽马射线与闪烁体发生相互作用并产生闪烁光。
光信号经过光电倍增管转换为电信号，再经过放大和测量电路进行测量和分析。
三、实验步骤1.打开仪器电源，预热一段时间，使仪器稳定后，将准直孔对准探测器，并调整探测器与准直孔之间的距离。
2.将样品放置于准直孔后，在样品的右侧放置标样。
3.调整电压和增益，使仪器工作在最佳状态。
4.打开计算机并启动相应的数据采集软件，进行数据采集。
5.启动伽马射线源，待稳定后开始测量。
四、实验结果与数据处理将测得的数据导入计算机，通过数据处理软件进行能谱分析。
根据能谱图可以得到伽马射线的能量分布情况，进一步分析样品中是否存在特定的伽马射线。
五、实验讨论与分析根据能谱图可以看出不同的伽马射线对应的峰位和峰面积，分析样品中存在的放射性核素和相应的伽马能量。
六、实验结论本次实验熟悉了闪烁探测器的工作原理和使用方法，了解了伽马射线的特性和能谱分析的原理。
通过实验测量并分析了闪烁伽马能谱，初步掌握了使用闪烁探测器进行伽马能谱测量的技巧。
七、实验总结本次实验中，通过操作仪器和进行数据处理，深入了解了闪烁伽马能谱的测量原理和方法。
但在实验中还存在一些问题，如测量的准确性和数据处理的复杂性等，需要进一步学习和探讨。
浙师大近代物理实验报告NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪及γ射线能谱的测量γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定任希物理081 08180123摘要：在了解了γ射线与物质相互作用的基本特性与多道脉冲幅度分析器在NaI（T1）单晶γ谱测量中的数据采集及其基本功能之后，我们通过使用NaI（T1）γ闪烁谱仪，测量137Cs 和60Co的γ能谱，并求出各项指标，分析谱形。
并且进一步了解窄束γ射线在物质中的吸收规律，并通过仪器测量了γ射线在不同物质中的吸收系数，通过对比不同物质的吸收系数，了解γ射线的性质。
关键词：NaI（T1）γ闪烁谱仪137Cs、60Coγ能谱吸收系数引言1896年法国物理学家H．贝可勒尔发现铀的放射性，以及1898年M．居里和P．居里发现钋和镭以后，人们开始认识到一类元素具有放射性，并陆续发现了其他放射性元素。
随着科技的不断进步发展，放射性元素最早应用的领域是医学和钟表工业。
后来放射性元素的应用更深入到人类物质生活的各个领域，例如核电站和核舰艇使用的核燃料，工业、农业和医学中使用的放射性标记化合物，工业探伤、测井（石油）、食品加工和肿瘤治疗所使用的某些放射源等。
由此可见放射性元素的价值所在。
在科研、工农业生产、医疗和环境保护等方面，应用γ射线的能谱测量技术，可以分析活化以后的物质中各种微量元素的含量。
但直接测量γ射线的强度是很困难的。
闪烁探测器是利用带电粒子转化成带电粒子对物质原子的激发，从而产生发光效应来探测射线的，它还能测量粒子强度和能量，由于具有探测效率高和分辨时间短等优点得到广泛应用。
正文：1.γ射线能谱的测量实验室所提供的仪器为NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪，其余素材包括Co和Cs两种放射源，还有Pb和Al两种测量吸收系数时所用的材料。
根据所提供的实验素材，首先我们需要测量Cs和Co的全能峰，即利用电脑软件画出以上两种元素的能谱图，全能峰的测量具有一定的意义，在能谱图左侧的高峰虽然有一定的量子数，但是其包含的能量太低，中间的峰虽然有一定的能量，但量子数太低，只有最右侧的全能峰具有一定的量子数和一定的能量，有研究的价值。
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。
闪烁计数器及γ能谱测量方啸（南开大学物理科学学院，天津 300071）【摘要】本文介绍了闪烁计数器的基本结构、工作原理，并阐述了闪烁谱仪测量γ能谱的原理和基本方法。
之后整理通过设计实验和分析数据测量了137Cs和60Co的γ射线脉冲谱，并求出了谱仪的能量分辨率。
【关键字】闪烁计数器闪烁体光电倍增管γ射线能量分辨率1.引言闪烁计数器(scintillation counter)是一种射线（α、β、γ射线等）探测器。
它利用一些物质在射线作用下的发光效率对射线进行探测，这些发光物质称为闪烁体。
闪烁计数器是1944年由Samuel Crowe Curran发明[1][2]。
闪烁计数器优点是效率高，有很好的时间分辨率和空间分辨率，时间分辨率可达10-9秒，空间分辨率可达毫米量级本文第二个部分先介绍了闪烁计数器的结构组成，阐述了其重要部件闪烁体和光电倍增管的工作原理。
第三部分分析了闪烁计数器的输出脉冲。
第四部分阐述了γ射线在闪烁体中发生的三种吸收作用。
第五部分说明了实际的脉冲分布情况，并计算了能量分辨率。
第六部分是实验的具体设计。
第七部分对实验获得的数据进行分析处理。
实验成功测得了137Cs和60Co的γ射线脉冲谱，并求出了谱仪的能量分辨率。
2.闪烁计数器基本结构图1 闪烁计数器实验装置图闪烁计数器由闪烁体、光电倍增管和前置放大器三部分组成（如图1），共同装在不透光的外壳内。
[3]图2 闪烁体的激发过程射线进入闪烁体，激发其中分子或结晶系统的电子，使处于激发态。
一部分电子回复到基态时，退激发放出光，其余的激发能转为分子热运动或晶格振动能等（见图2）。
若闪烁体吸收射线的能量为，闪烁体的发光效率为 ，闪烁体发光其每个光子平均能量为，则吸收的能量后闪烁体发出光子数为(1)对闪烁体的性能有如下要求：对射线的阻止本领大；发光效率高，且不随吸收能量大小而变；发光延续时间短；透明度好；易于制造加工,性能稳定等。
常用的闪烁体种类有无机晶体,有机晶体,有机溶剂,塑料,气体。
实验一NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪 课任教师： 胡君辉一、明确实验目的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、仪器介绍1、Na （Tl ）闪烁探测器（重点讲授）（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。
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。
归结起来，闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程： 1)射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发;2)受激原子、分子退激时发射荧光光子；3)利用反射物和光导体将闪烁光子尽可能多地收集到光电增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；4）光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104~109个．电子流在阳极负载上产生电信号；5）此电信号由电子仪器记录和分析。
（2）NaI （Tl ）单晶γ闪烁谱仪的主要指标：(简单讲解)a. 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%η∆Ε=×Ε (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 CHη∆=× (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。
N aI（Tl）γ闪烁谱仪器及γ射线能谱的测量预习报告摘要：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。
本实验要利用NaI（Tl）γ闪烁探测仪来测定γ射线能谱分布规律。
然后，通过分析结果，在得出结论,目的是了解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；鉴定谱仪的能量分辩率与线性；并通过对r射线能谱的测量，加深对r射线与物质相互作用的理解。
关键词：γ闪烁谱仪能谱γ射线NaI（Tl）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。
实验方案：实验所选用的仪器为相对论效应实验谱仪res-02型出厂编号0441 放大器型号rs2321打开实验仪器，打开计算机。
取出放射源Cs和Co，开机预热二十分钟；把 放射源137Cs放在先将放射源放入实验谱仪中适当的位置，调节放大倍数（大约是0.3），调节高压（700-900左右）。
转动实验谱仪上的手柄，使闪烁体的位置对准放射源，使射线能够刚好入射进入闪烁体。
注意，放射源放置时要紧靠通道，位置要正。
2打开软件，设置扫描时间为300s，将坐标定到160chn，若全能峰不在160上，清除数据调整电压，直到在160上。
分别测137Cs的全能谱并分析谱形。
利用多道数据处理软件对所测得的谱形进行数处理，寻峰，半宽度记录，净面积记录，能量刻度，能量分辨率等数据。
云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称：普通物理实验实验项目：实验四闪烁探测器及r能谱的多道测量学生姓名：马晓娇学号：20131050137 物理科学技术学院物理系 2013 级天文菁英班专业指导老师：张远宪试验时间：2015 年 10月 30 日 13 时 00 分至 15 时 00 分实验地点：物理科学技术学院实验类型：教学 (演示□验证□综合□设计□) 学生科研□课外开放□测试□其它□一、实验目的1、了解γ 射线与物质相互作用的基本原理;2、掌握闪烁探测器的工作原理及使用方法；3、掌握能谱仪基本性能的确定;4、掌握简单γ放射源的γ能谱测量。
二、实验原理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”。
（一）γ射线与物质相互作用γ射线与物质相互作用是γ射线能量测量的基础。
γ射线与物质相互作用主要有三种效应，即光电效应、康普顿散射和电子对效应。
1、γ射线与物质相互作用。
当γ射线的能量在30MeV 以下时，最主要的相互作用方式有三种：（1） 光电效应。
γ射线的全部能量转移给原子中的束缚电子，使这些电子从原于中发射出来，γ光子本身消失。
（2）康普顿散射。
入射γ光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向都发生了变化。
（3） 电子对效应。
γ光子与靶物质原子的原子核库仑场作用，光子转化为正-负电子对。
在光电效应中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能，另一部分就作为光电子的动能。
所以，释放出来的光电子的能量就是入射光子能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能B γ之差。
虽然有一部分能量被原子的反冲核所吸收，但这部分反冲能量与γ射线能量、光电子的能量相比可以忽略。
因此，E 光电子γγE B E i ≈-= (1)即光电子动能近似等于γ射线能量。
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）则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外，还需要有一个第三者参加，这第三者就是发射光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），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。
图1是能量为hν，的入射光子发生康普顿散射的示意图，h ν'为散射光子的能量；θ为散射光子与入射光子方向间的夹角，称散射角；ϕ为反冲电子的反冲角。
康普顿散射与光电效应不同。
光电效应中光子本身消失，能量完全转移给电子；康普顿散射中光子只是损失掉一部分能量。
光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上；康普顿散射则总是发生在束缚得最松的外层电子上。
我们可以分析一下散射光子和反冲电子的能量与反射角的关系。
入射光子能量为νγh E =,动量为c h /ν碰撞后，散射光子的能量为νγ'='h E ，动量为c h /ν'，反冲电子的动能为E e ，总能量为E ，动量为 P ，见图 1，它们之间有下列关系式：20220202201c m c m c m mc c m E E e --=-=-=β (2)201β-==v m mv P (3)相对论能量和动量关系为22420c P c m E += (4)式中c v /=β，v 为反冲电子速度，m o 是电子静止质量，m 是电子以速度v 运动时具有的质量。
根据能量和动量守恒定律，有下列关系式：e E h h +'=νν (5)ϕθννcos cos P c h c h +'= (6) ϕθνsin sin P ch ='(7) 由此可以得到202)()c o s 1(c m h h h ννθνν'-=-' 或者20)()cos 1(c m E E E E γγγγθ''-=-因此，散射光子的能量)cos 1(120θγγγ-+='cm E E E (8)康普顿反冲电子的动能γγνν'-='-=E E h h E e即)cos 1()cos 1(202θθγγ-+-=E c m E E e (9)之间的关系为和φθ2)1(20θφγtg cm E ctg += (10)从（8）、（9） 和 （10）式可以看出：（1） 当散射角 0=θ时，散射光子能量γγ'=E E ，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，所以光于能量没有损失。
（2） 当 180=θ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。
这时散射光子能量最小，即)/(2120min c m E E E γγγ+='由此式可以推断出，即使入射光子的能量很大，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2所示。
电子对效应是γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子转化为一个正电子和一个负电子的过程。
根据能量守恒定律，只有当入射光子能量νh >202c m ，即νh >1.02 MeV 时，才能发生电子对效应。
与光电效应相似，电子对效应除涉及入射光电子和电子对以外，必须有一个第三者——原子核参加。
2、NaI （Tl ）γ能谱仪介绍。
图3是NaI （Tl ）闪烁能谱仪的方框图。
当放射源发出的γ射线进入闪烁体时，γ光子即与闪烁体中的原子、分子及晶体系统发生相互作用（如光电效应，康普顿散射和电子对效应等）。
相互作用的结果产生次级电子，光子的能量转化为次级电子的动能。
探头的闪烁体是荧光物质，它被次级电子激发而发出荧光，这些光子射向光电倍增管的光阴极。
由于光电效应，在光阴极上打出光电子，每个光电子在光电倍增管中的打拿极（倍增极）上打出多个电子，这些电子又打在其他级的打拿极上，打出更多的电子，经过多次倍增，最后有大量电子射向管子的阳极，转变成电信号输出。
以上光电转换过程之间能够保持良好的线性关系，从而使光电倍增管输出的脉冲幅度，正比于γ光子在闪烁体内由各种效应面产生的次级电子的能量。
通常，光电倍增管输出的脉冲幅度不超过1V ，所以必须经过线性冲放大器放大后，再输入到单道（或多道）脉冲幅度分析器中，对不同幅度的脉冲强度进行分析。
单道脉冲幅度分析器主要由上、下两个甄别器和一个反符合电路组成，如图4（a ）所示。
上甄别器有较高的阈电压V ＋△V ，下甄别器有较低阈电压V ，△V 称为道宽，如图4（b ）所示。
反符合电路的作用是，仅当一个输入端有信号输入时才有信号输出。
这样，脉冲A 不能通过上、下甄别器，脉冲C 都能通过上、下甄别器，这两种情况均不能使反符合电路有信号输出。
只有介于上、下甄别阈之间的脉冲B 才能触发反符合电路使单道分析器有脉冲输出 ，送到定标器进行计数。
我们通过不断改变甄别阈V ，就可能得到脉冲计数率按其幅度分布的曲线，叫作“脉冲谱”。
由于脉冲幅度正比于γ射线的能量，所以“脉冲谱”既是γ射线的能谱曲线。
以上是单道分析器作“微分”测量的情形。
当作“积分”测量时，上甄别器不输出脉冲到反符合电路，故只要幅度高于下甄别阈的脉冲均能通过分析器得计数。
我们可根据不同的需要作“微分”或“积分”测量。
多道分析器相当于多个单遒分析器。
它把分析器的分析范围（5伏或10伏）按不同的测量平均分成256道、 512道、1024道、 2048道等。
各道能同时测量，可测出介于各窄小道宽内的脉冲强度，既可在幕上同时显示各道的计数，也可由打印机打印出来，因此能便捷地测量能谱。
3、137Cs 能谱分析。
图5是137Cs 的衰变纲图。
它可发出能量为1.176MeV 的β粒子，成为基态的137Ba ；而主要的衰变过程是发出能量为0.517MeV 的β粒子，成为激发态的137Ba *，再跃迁到基态发出能量为0.662MeV 的单能γ射线。
其能谱是有三个峰和一个坪台的连续分布，如图6 所示。
图中的峰A 称为全能峰，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。
平台状曲线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，其电脉冲就形成反散射峰。
峰D 是X 射线峰，它是由137Ba 的 K 层特征X 射线贡献的。
处于激发态的137Ba （在放出内转换电子后，造成K 壳层空位，外层电子向 K 壳层跃迁后产生X 光子。
由于137Cs 发出的γ射线能量为0.662MeV （小于1.02MeV ），所以它与闪烁体作用不会发生电子对效应。
4、γ谱仪的性能指标 一台闪烁谱仪的性能指标，包括能量分辨率、线性及稳定性等。
探测器输出脉冲幅度的过程中存在着统计涨落，即使是有确定能量的粒子的脉冲幅度，仍具有一定的分布。
通常把分布曲线极大值一半处的全宽度称为半高宽，即图6中的 ΔE ，有时也用 FWHM 表示，它反映了谱仪对相邻的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，故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，因此 η也等于脉冲幅度分辨即VV E E ∆=∆=η （11）标准源137Cs 的全能峰最为明显和典型，用 NaI （Tl ）闪烁体的γ谱仪测量其 0.662MeV 的γ射线，能量分辨率一般为 8％～10％，理想的能量分辨率为 7.8％。
因此，常用137Cs 的γ射线的能量分辨率来检验与比较γ谱仪性能优劣。
能量线性指谱仪对γ射线的能量和它产生的脉冲幅度之间的对应关系。
一般NaI （Tl ）闪烁谱仪在较宽的能量范围内（约lO0keV 到1300keV ）是近似线性的。
通常，在实验中用系列γ标准源，在相同的条件下分别测量它们的能谱，用其全能峰峰位（阈电压值）与已知的γ射线能量作关系图，称为能量刻度曲线。
