闪烁谱仪测γ射线能谱(牛雷)

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。

N al(Tl)γ闪烁谱仪及γ射线的吸收和物质吸收系数μ的测定实验报告物理072 07180217 陈焕摘要：介绍了Nal(Tl)γ闪烁谱仪，以及进行γ射线能谱的测量和物质吸收系数μ的测定实验内容以及所涉及的实验原理。

关键字：Nal(Tl)γ闪烁谱仪γ射线物质吸收系数μ引言：γ射线由法国科学家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。

γ射线是因核能级间的跃迁而产生，原子核衰变和核反应均可产生γ射线。

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。

实验内容：本实验使用的仪器为RES-02型相对论效应实验仪，也就是Nal(Tl)γ闪烁谱仪。

1、γ射线能谱的测量Nal(Tl)γ闪烁谱仪实际是记录射线强度和能量。

强度通过转变为电压信号的幅值来反映，而能量通过道数来反映，能量与道数成正比，这样就可以得到最终的曲线图。

进行γ射线能谱实验，放入放射源，要分别对放射源137Cs、60Co源进行能谱分析。

点开软件，设置参数。

137Cs源的测量时间为300s，60Co源的测量时间为500s，道数都为512。

调节电压到700V附近，再进行细调，使137Cs源的全能峰的峰值对应的道数为160，60Co 源的全能峰的峰值对应的道数为320。

然后进行测量。

因为γ射线的接受器不可能精确对准放射源的小孔，所以要选取三个位置测量，选取计数率最大的，作为最佳位置。

图像见附录。

2、物质吸收系数μ当γ光子穿过吸收物质时，通过与物质原γ子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量；γ射线一旦与吸收物质原子发生这三种相互作用，原来能量为h ν的光子就消失，或散射后能量改变、并偏离原来的入射方向；总之，一旦发生相互作用，就从原来的入射γ束中移去。

γ射线穿过物质时，射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，公式为00r N xxI I eI eσμ--==。

实验名称：闪烁谱仪测γ射线能谱实验目的：1. 把握闪烁频谱仪的工作原理和利用方式；2. 学会谱仪的能量标定方式；3. 测量137Cs 和60Co 的γ射线能谱。

实验原理：（以下原理部份摘自教学资源实验讲义，详见手写预习报告）依照原子核结构理论，原子核的能量状态是不持续的，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 ~ 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射线的能量就能够够了解原子核的能级结构。

测量γ射线能谱确实是测量核素发射的γ射线强度按能量的散布。

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。

i. 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。

此处仅对经常使用的无机晶体闪烁体的发光机制作简单介绍。

最经常使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，引发后者产生电离或激发进程，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进程之一是发射光子。

这种光子的能量还会使晶体中其他原子产生激发或电离进程，也确实是光子可能被晶体吸收而不能被探测到。

为此在晶体中掺入少量的杂质原子称为激活原子，如在碘化钠晶体中掺入铊原子，其关键作用是能够在低于导带和激带的禁带中形成一些杂质能级，见图-1示用意。

这些杂质原子会捕捉一些自由电子或激子抵达杂质能级上，然后以发光的形式退激发到价带，这就形成了闪烁进程的发光，而这种光因能量小于禁带宽度而再也不被晶体吸收，再也可不能产生激发或电离。

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射线能量——PB04210251 敖欢欢一、 实验目的：1、学习用闪烁谱仪测量γ射线能谱的方法；2、要求掌握闪烁谱仪的工作原理和实验方法；3、学会谱仪的能量标定方法并测量γ射线的能谱。

二、实验原理：根据原子核结构理论，原子核阶跃放出的γ射线的光量子能量12E E hv -=。

1、γ射线与物质的相互作用 １） 光电效应 光电子的动能i e B E E -=γ （1）i B 为束缚电子所在壳层的结合能，γE 是入射γ光子的能量。

２） 康普顿效应γ光子与自由静止的电子发生碰撞，而将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子。

反冲电子的动能e E 有最大值，此时γγE c m E E 2120max +=（4）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E C 。

闪烁γ能谱仪是利用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。

2、γ能谱的形状闪烁γ能谱仪可测得γ能谱的形状，图2.2.1-6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，1)光电峰e E ，又称全能峰，其能量就对应γ射线的能量γE 。

对Cs 137，此能量为0.661Ｍe Ｖ。

2)C E 即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。

3、谱仪的能量刻度和分辨率 （1）谱仪的能量刻度如果对应MeV E 661.01=的光电峰位于Ａ道，对应MeV E 17.12=的光电峰位于Ｂ道，则有能量刻度MeV AB e --=661.017.1 （6）测得未知光电峰对应的道址再乘以e 值即为其能量值。

三、数据处理：1、 测量Cs 137的γ能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间的关系：400450500550600650700峰道址放大倍数[2006-4-2 20:06 "/Graph1" (2453827)] Linear Regression for Data1_B: Y = A + B * XParameterValueError------------------------------------------------------------ A 252.689093.7388B86.07273 1.05141------------------------------------------------------------ RSD NP------------------------------------------------------------ 0.9994 2.86498 10 <0.0001由以上分析很容易看出放大倍数与峰道址是成线性关系 R=0。

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。

闪烁计数器及γ能谱测量赵志强物理四班0810290——————实验报告一、实验目的了解闪烁计数器的工作原理，熟悉其结构，并把握用闪烁谱仪测量γ谱的原理和大体方式，并测量Co 60和Cs 137的γ射线的脉冲谱。

二、实验原理（一）工作原理闪烁计数器探测射线的大体进程：在射线的激发下闪烁体发光。

所发之光被光电倍增管接收，经光点转换及电子倍增进程，最后从光电倍增管的阳极输出电脉冲。

分析、记录这些脉冲就能够测定射线的强度和能量。

（二）闪烁记数器的结构闪烁计数器探头中有闪烁体、光电倍增管和前置放大器，一起装在不透光的外壳内。

闪烁体吸收一个能量为E 入射粒子，在其激发下发射的光子数为N 。

这些光子打在光阴极上能打出PN 个光电子，P 称为光阴极的光电转换效率。

通过电子倍增在阳极可搜集到MPN 个电子。

那个地址为了简单，没有考虑光和电子在传输进程中的损失。

设阳极系统对地的等效电容为C ，那么在负载电阻足够大时（RC ＞＞闪烁体的 发光衰减时刻）,电压脉冲幅度为 此脉冲通过放大倍数为A 的线性放大器放大，最后取得脉冲 幅度为 （三）闪烁体的吸收 闪烁体吸收γ射线有光电效应，康普顿效应，电子对效应三种。

这三种吸收会阻碍到最后能谱的结构。

（四）能量分辨率 因为闪烁体的发光，光阴极的光电子发射，倍增极的次电子发射等都服从统计规律，存在必然的统计涨落；闪烁体各部份的发光效率和光的搜集效率可不能完全一样，光阴极各部份的灵敏度也有不同。

如此即便闪烁体吸收一束能量为E 的带电粒子，取得的脉冲幅度不是都等于V E ，而是以V E 为中心有必然的散布 三、实验装置 四、实验内容C e MPN V 光子=KE C h Ee AMP V ==νη（一）测Co60的γ射线的脉冲谱（二）测Cs137的γ射线的脉冲谱五、注意事项（1）放射源假设利用不妥，会有必然的危害。

实验前必需阅读《实验室规那么》并严格遵循执行（2）光电倍增管与碘化钠晶体系珍贵器材，并易损坏，利历时必需警惕，严防碰、摔及潮湿。

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。

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。

用闪烁谱仪测γ射线能谱禚伟 PB05210019一．实验步骤：1.测量前先将光电倍增管预热20分钟左右，以使测量时光电倍增管可以稳定工作。

2.改变线性放大器的放大倍数，观察光电峰位置变化的规律。

测量Cs 137的γ能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间的关系。

粒子计数应至少为3000.3. 用多道分析器观察Cs 137的能γ谱的形状，识别其光电峰及康普顿边界等，并绘制Cs 137的γ能谱图。

4.测量Cs 137和Co 60放射源的γ射线能谱，用已知的光电峰能量值来标定谱仪的能量刻度，然后计算未知光电峰的能量值。

提示：Co 60的γ射线能量约为Cs 137的γ射线能量的两倍，要求在多道分析器的横轴道址范围内使二者均能显示出来，需选择合适的放大倍数，如果放大倍数太大会使Co 60的光电峰逸出道址范围；如果放大倍数太小又不能充分利用多道址分析器的道址而降低了能量分辨率，因此需考虑怎样才是合适的放大倍数？二．实验数据处理：1. 测量Cs 137的γ能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间的关系实验测得光电峰位置与放大倍数数据如下：合）如下图所示 ：300400500600700800900峰道址放大倍数由上面的图形和数据可知光电峰位置和放大倍数呈线性关系。

2. 绘制Cs 137的γ能谱图实验原始数据如下：放大倍数1.10 得Cs 137的γ能谱图图像如下：500010000150002000025000峰值峰道址从能谱图上看，有几个较为明显的峰：光电峰Ee （道址404.3，峰值23869，分辨率8.9%），又称全能峰，其能量就对应γ射线的能量Ey 。

Ec （道址254）即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。

背散射峰Eb （道址110.4,峰值8897，分辨率250.5%）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。

3. 计算谱仪的能量刻度当放大倍数为1.1时，光电峰道址B=404.3，背散射峰道址A=110，4，所以能量刻度的计算结果如下：MeV E MeV MeV A B Eb Ee e 3632.14.1103.404184.0661.0-=--=--=4. 绘制Co 60的γ能谱图并计算其两个光电峰的能量标度 实验原始数据如下：作得Co 60的γ能谱图图像如下：-50005001000150020002500300035004000峰值峰道址由e= MeV E 3632.1-和1γE （721）、2γE （828）的道址可得两峰的能量为：1γE =MeV E 3632.1-*721=1.176MeV2γE =MeV E 3632.1-*828=1.351MeV又两峰能量的理论值为：'1γE =1.17MeV '2γE =1.33MeV相对误差分别为：%51.0%100*17.117.1176.11=-=η%57.1%100*33.133.1351.12=-=η5. 能量刻度曲线如图：光峰能量道址6. 实验注意事项及误差分析：1. 测量前应该先将光电倍增管预热20分钟左右，以使测量时光电倍增管可以稳定工作； 2. 闪烁谱仪测量的是各能量段的粒子数，其结果服从统计规律。

NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪及γ射线能谱的测量【摘要】本实验通过对NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪对γ射线的能谱进行测量，了解NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的结构、原理与特性；掌握NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的操作和使用方法。

鉴定谱仪的能量分辨率与线性；并通过对Cs 137和Co 60 放射源γ能谱的测量，加深对γ射线与物质相互作用的理解。

【关键词】NaI(Tl)闪烁探测器 能谱 吸收系数【正文】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。

当核辐射的能量全部耗尽在闪烁体内时，探测器输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比，因此可以根据对脉冲幅度谱的分析来测定核粒子的能谱。

NaI(Tl)单晶γ能谱仪由以下单元组成：闪烁探头(包括NaI(Tl)晶体和光电倍增管)，高压电源，线性放大器，脉冲幅度分析器(分为单道分析器和多道分析器)。

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. 利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，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. 此信号由电子仪器记录和分析。

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，单道就起到从中“数出”某一幅度脉冲数目的作用。

单道里有一个甄别电压V 0（此电压可以连续调节），称为阈值，它就象一道屏障一样，将所有低于V 0的信号都挡住了，只有大于V 0的信号才能通过。

但这样只解决了一半问题，因为在通过的信号中实验者只知道它们都比V 0高，具体的幅度还是不能确定。

实验报告 （系别：0406 姓名：陈锋 学号：PB04210223 日期：实验题目：用闪烁谱仪测γ射线能谱实验目的：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 -=。

1．闪烁谱仪测量γ射线能谱的原理闪烁能谱仪是利用闪烁体，在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射荧光的现象来测量能谱的。

其发光机制是：在价带和导带之间有比较宽的禁带，若带电粒子引起它产生电离或激发，就可能产生光子。

光子的能量还会使其他原子产生激发或电离，则光子可能被晶体吸收而不能被探测到。

所以只有加入少量激活杂质的晶体才能成为实用的闪烁体。

2．γ射线与物质的相互作用（1）光电效应 该效应中发射出的光电子的动能为：i e B E E -=γ （2）康普顿效应γ光子与自由静止的电子发生碰撞，使其成为反冲电子。

其动能为：)cos 1(1)cos 1()cos 1(20202θθθγγγγ-+=-+-=E c m E E c m E E e 当ο180=θ时，γγE c m E E E c 2120max +==，称其为康普顿边界。

（3）电子对效应当202c m E r ≥时，γ经过原子核旁时，可能转化为一个正电子和一个负电子。

光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和，即202c m E E E e e ++=-+γ。

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。

3．闪烁谱仪主要由闪烁探头，数据采集系统及供电电源等部分构成。

闪烁谱仪γ射线能谱的测量摘要：核技术在现代物理学中占有重要地位，本文通过对闪烁谱仪的介绍和γ射线能谱的测量，了解核技术的相关探测仪器的使用原理和方法以及能谱测量和分析方法，并对核实验中的安全防护措施有初步的认识。

关键字：核技术；γ射线；能谱；闪烁探测器；多道分析器引言：γ射线首先由法国科学家P.V .维拉德发现的，γ射线是光子，是由原子核的衰变产生的，当原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时，就有可能辐射出γ射线。

γ射线强度按能量分布即为γ射线能谱。

通过分析γ能谱可以确定原子核激发态的能级，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能谱最常用的仪器是闪烁γ能谱仪，下面我们就来介绍能谱测量的相关知识。

正文：原子核的衰变产生γ射线，不同能级间的衰变跃迁可以产生不同能量的γ射线，我们可以通过射线探测器对这些γ射线的能谱分析就可以推断出原子核的一些性质。

射线探测器的是根据射线与物质的相互作用规律研制的，可分为“信号型”和“径迹型”，本实验用的NaI （T1）单晶γ闪烁谱仪就是属于信号型。

下面来简单的介绍一下闪烁谱仪的工作原理。

γ射线在与物质相互作用的时候可能产生三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应，这三种效应会产生次级电子，NaI （T1）单晶γ闪烁谱仪就是利用这些次级电子激发电离闪烁体分子，当闪烁分子退激发时会放出大量的光子，并照射在光阴极上产生光电子，这些光电子经过倍增管放大而产生可探测的电信号并通过电子仪器的记录得到γ射线能谱，具体结构图如下：经过闪烁探测器后得到的电信号为电压脉冲信号，其幅值与入射的γ射线的能量成正比，线号脉冲的个数正比于γ射线的强度。

接收电信号的仪器可以分为单道和多道脉冲分析器，其功能是通过测量不同幅值电压脉冲信号的脉冲个数来画出入射γ射线能量与强度的关系。

单道分析器有一个下甄别电压1V 和一个上甄别电压2V ，只有当脉冲幅值在12V V 之间的信号才能通过，这样就可以测量出信号幅值在12V V 之间的个数，通过改变1V 并保持12V V 不变，就可以测量出不同幅值所对应的个数，即为γ射线的能量与强度的关系。

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？。

实验一NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪和γ能谱的测量引言γ射线是原子核衰变或裂变时放出的辐射，本质上它是一种能量比可见光X 射线高得多的电磁辐射。

利用γ射线和物质相互作用的规律，人们设计和制造了多种类型的探测器。

闪射探测器就是其中之一。

它是利用某些物质在射线作用下发光的特性来探测射线的仪器，既能测量射线的强度，也能测量射线的能量，在核物理研究和放射性同位素测量中得到广泛的应用。

本实验介绍一种常用的γ射线测量仪器：NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪。

实验目的⑴了解γ闪烁谱仪的原理和结构，掌握用谱仪测γ能谱的方法；⑵鉴定谱仪的基本性能，如能量分辨率、线性等。

⑶了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。

实验原理一、γ射线与物质相互作用的一般特性γ射线与物质的作用过程可以看作γ光子与物质中原子或分子碰撞而损失能量的过程。

主要的相互作用有光电效应、康普顿效应和电子对效应三种方式。

⑴光电效应.当入射γ光子与物质原子中的束缚电子作用时, γ光子把能量全部转移给某个电子,使它脱离原子的束缚变成自由电子,而γ光子本身消失掉,这种过程称为光电效应。

⑵康普顿效应. γ光子与原子的外层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,光子的能量减少了,变成闪烁光子γ',这种过程称为康普顿效应。

⑶电子对效应.当γ光子的能量大于2m0c2(m0c2=0.511MeV为电子的静止能量),即大于1.022MeV时, γ光子在原子核的库仑场作用下可能转化为一个正电子和一个负电子,这个过程称为电子对效应。

反过来,当电子在物质中耗尽动能时,便与物质中的轨道电子发生正负电子湮没,同时产生两个能量各为0.511MeV 的γ光子。

这三种效应产生的次级电子在NaI(Tl)晶体中产生闪烁发光如下图所示,表1表一、γ射线在NaI(Tl)闪烁体中相互作用的基本过程基本过程 次级电子获得的能量T1）光电效应 T=E -E (该层电子结合能) 由于单能γ射线所产生的这三种次级电子能量各不相同，甚至对康普顿效应是连续的，同此相应一种单能γ射线，闪烁探头输出的脉冲幅度谱也是连续的。