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γ射线能谱测量——物理0805 乔英杰u200810200王振宇u200810256实验背景：19世纪下半叶，物理学家对X射线和阴极射线进行了大量的研究，导致了放射性、电子以及α、β、γ射线的发现，这些射线的发现同时也为原子科学的发展奠定了基础。
自20世纪进入原子能时代，科学家对射线进行了更进一步的研究，射线在科学技术中开始渗透，根据γ射线具有波长短、能量高、穿透能力强和对细胞有很强的杀伤力的特性，γ射线的应用也成了一门新兴产业，现在它已经应用到了国民经济和社会生活的各个领域，特别是在工农业、医疗卫生和生物学方面取得了巨大的成果和效益，为科学技术和人类历史的进程起了巨大而深刻的影响。
目前γ射线的应用正在蓬勃快速的发展，应用领域仍在不断拓宽，它以低能耗、无污染、无残留、安全卫生等优点，深受众多行业的青睐，可是，其危害性也不容忽视。
我们需要对γ射线深入了解，才能在降低其危害性的同时让其更好的为我们服务。
本实验采用闪烁探测器和多道脉冲幅度分析器对γ射线的能量分布谱进行测量，以便我们了解用闪烁探测器测量γ射线的方法，学会分析能谱的特征及其影响因素。
实验原理：1、闪烁探测器工作原理：闪烁探测器探测γ射线时，γ光子与物质作用不直接产生电离，而是发生光电效应、康普顿效应、电子对效应，闪烁体的原子、分子、电离或激发的作用来自三种效应所产生的次级电子。
这样，我们就得到了对应于γ射线能量强度的电信号。
之后，光电倍增管将所得电信号放大（倍增管阴极与阳极之间有十余个打那级，每个打那级均发生电子的倍增现象），其阳极最后收集电子的电极，与射级跟随器电路相连，使收集到的电子流以电压脉冲的方式输出。
2、γ闪烁能谱仪的工作原理：如下图（1）所示，整个仪器的信号传递大致是：由γ射线放射源放出的γ射线被闪烁探测器接受并转换为电压脉冲，前置放大器和脉冲放大器对探测器输出的电压脉冲进行放大，最后这些脉冲被多道分析器采集、处理。
多道分析器的到是指在分析器中存在的记录不同高度脉冲的位置。
Vol. 55 ,No. 6Jun.2021第55卷第6期2021年6月原子能科学技术AtomicEnergyScienceandTechnology使用Geant4模拟CAPture 电极CdZnTe 探测器对！射线的响应周红召S 宋明哲，刘海侠1孙涛1，李军S 郝立亮1"1.国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京102205#.中国原子能科学研究院，北京102413)摘要：采用CAPture 电极CdZnTe 探测器获取X 射线注量谱，为建立ISO 40371 (996标准以外的参考 辐射和计算辐射场特殊剂量物理量的约定真值提供基础% CdZnTe 探测器的主要缺点是由于空穴迁移率寿命积过小，导致电荷收集不完全，全能峰左侧出现低能尾％ CAPture 电极CdZnTe 探测器采用扩展 阴极降低阴极附近区域的电场强度，弱化空穴输运对电荷收集效率的影响，实现对低能尾的抑制％但由 于探测器内的电场不再均匀，电荷收集效率无法用Hecht 方程计算％本文根据Shockley-Ramo 原理建立了 CAPture 电极CdZnTe 探测器电荷收集效率计算公式，用有限元分析软件模拟了探测器内的电场 分布％进而用Geant4软件开展了蒙特卡罗仿真计算，确定了载流子迁移率寿命积，并取得了与实测结 果基本一致的脉冲幅度谱，为建立探测器的响应矩阵奠定了基础％关键词:CdZnTe 探测器；电荷收集效率;Geant4；探测器响应;低能尾中图分类号:TL84文献标志码:A文章编号：10006931(2021)06109807doi ：10. 7538/yzk. 2020. youxian. 0475Simula&ingResponse&oGammaRayofCdZnTeDe&ec&orwith CAPture Electrode Using Geant4ZHOU Hongzhao 】,SONG Mingzhe 2" , LIU Haixia 1 , SUN Tao 1 , LI Jun 1 , HAO Liliang(1. State Key Laboratrry of NBC Protection for Civilian , Beijing 102205 , China ；2. China Institute of Atomic Energy , Beijing 102413 , China )Abs&rac&(AimingtoprovideabasisYorestablishingreYerenceradiationbeyondtheISO4037-1(1996standardandcalculatingtheconventionaltruevaluesoYspecialdosequanti-tiesoYtheradiation ield YluencespectrumoYX-rayisobtainedusingaCdZnTedetector with CAPture electrode. The main drawback oYthe CdZnTe detector is the low energy tail on the left side of the full energy peak due to insufficient charge collection caused by thesma l mobility-lifetime product. The CdZnTe detector with CAPture electrodereducestheelectricfieldstrengthinthevicinity ofthecathodethrough utilizingthe extendedcathodes which weakens the e f ect of hole transport on charge co l ection e f i-ciency and curbs the low energy tail. However thechargeco l ectione f iciencycannot收稿日期2020-07-10；修回日期2020-09-16"通信作者：宋明哲第6期 周红召等：使用Geant4模拟CAPture 电极CdZnTe 探测器对*射线的响应1099becalculatedusingthe Hechtequationastheelectricfieldinthedetectorisnolongeruniform. In this paper , the formula for calculating the charge collection efficiency of the CdZnTe detector with CAPture electrode was established based on the Shockley-Ramo principle , and the electric field strength in the detector was simulated with finiteelement analysis software. Furthermore , Monte Carlo simulation was carried out using Geant4. As a result , the mobility-lifetime product was determined , and the pulse heightspectra calculated by Geant4 are consistent with the measured results , laying the foun dation for establishing the response matrix of the detector.Key words ： CdZnTe detector # charge collection efficiency # Geant4 # detector response #low energy tailX 射线注量谱可用于计算平均能量、半值 层和转换系数等参数3*,对于建立过滤X 射 线参考辐射场具有重要意义。
γ射线能谱测量实验报告篇一：γ射线能谱的测量及γ射线的吸收γ射线能谱的测量及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定【摘要】原子核从激发态跃迁到较低能级或基态跃迁能产生γ射线，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。
并通过测量γ射线在不同物质中的吸收系数，了解γ射线在不同物质中的吸收规律。
【关键字】γ闪烁谱仪γ射线能谱物质吸收系数当今的世界，以对核技术进行了相当广泛的运用。
从1896年法国科学家A.H.Becquerel发现放射性现象开始，经过M.Curie一些新放射性元素的发现及其性质进行研究后，人类便进入了原子核科学时代。
在原子核发生衰变时，会发出α、β、γ射线，核反应时会产生各种粒子。
人们根据射线粒子与物质相互作用的规律，研制了各种各样的探测器。
这些探测器大致可以分为“信号型”和“径迹型”两大类。
径迹型探测器能给出粒子运动的径迹，有的还能测出粒子的速度、性质等，如核乳胶、固体径迹探测器、威尔逊云室、气泡室、多丝正比室等。
而信号型探测器根据工作物质和原理的不同，又可分为气体探测器、半导体探测器、闪烁探测器。
其中闪烁探测器的工作物质是有机或无机的晶体闪烁体，射线与闪烁体相互作用，会使其电离激发而发射荧光。
从闪烁体出来的光子与光电倍增管的光阴极发生光电效应而击出光电子，光电子在管中倍增，形成电子流，并在阳极负载上产生电信号。
如NaI(TI)单晶γ探测器。
γ射线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，就有可能辐射出不同能量的γ射线。
人们已经对γ射线进行了很多研究，并在很多方面加以运用。
像利用γ射线杀菌，γ探伤仪等。
然而不恰当的使用γ射线也会对人类产生一定的危害。
γ射线的穿透力非常强，如果在使用过程中没有有效的防护，长时间被放射性元素照射的话可能发生细胞癌变。
在对γ射线进行了大量的研究后发现，按能量的不同，可以对其进行强度测量，从而得到γ辐射强度按能量的分布（能谱）。
一款低放液体活度监测仪响应的蒙卡分析发布时间：2021-06-02T05:59:34.342Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第4期作者：平建晓1，连琦2，曲广卫2，陈宇轩2，赵江斌2，杨中中2，孙世敏2 [导读] 根据实际需求，计算了反应堆二次水污染监测时常选用的典型核素24Na和16N核素的响应因子，其中对24Na衰变的特殊性，考虑了其真符合加出效应。
(1 三门核电有限公司，浙江三门 317112；2 陕西卫峰核电子有限公司，陕西西安 710118)摘要：本文以卫峰设计的一款WF-LL-810B型LaBr3:Ce低放液体活度监测仪为研究对象，用蒙特卡罗软件MCNP仿真计算了对137Cs溶液的全谱及全能峰的响应因子并与实验值进行了对比，结果均符合较好，证明采用的计算模型合理、可靠。
根据实际需求，计算了反应堆二次水污染监测时常选用的典型核素24Na和16N核素的响应因子，其中对24Na衰变的特殊性，考虑了其真符合加出效应。
关键词：低放液体；蒙特卡罗方法；LaBr3:Ce；24Na；16N MCNP Simulation of Low-level Radioactivity Liquid Monitor Ping Jian-xiao, Lian Qi, Qu Guang-wei, Chen Yu-xuan, Zhao Jiang-bin, Yang Zhong-zhong, Sun Shi-min (Sanmen Nulcear Power Co., Ltd. Zhejiang Sanmen, 317112 Shaanxi WeiFeng Nuclear Instrument Inc., Shaanxi Xi’an, 710118) Abstract：Monto Carlo software MCNP has been applied to simulate the designed WF-LL-810B LaBr3:Ce low level radioactivity liquid monitor responses for 137Cs liquid. Both the simulated 137Cs full spectrum and full energy peak responses agree well with experiment results，which proves that the model is reasonable and reliable. Responses for nuclides of 24Na and 16N which are common in reactor secondary water contamination monitoring have been simulated, in which true coincidence of 24Na has been accounted for due to its special decay pattern. Keywords：Low level liquid activity; Monto Carlo simulation; LaBr3:Ce; 24Na; 16N1 引言核电站反应堆在运行中可能发生轻微放射性释放而产生放射性废液，泄漏的放射性废液经放射性废液系统收集和处理，在满足排放标准后进行排放。
γ能谱法标准γ能谱法是一种通过测量γ射线的能量分布来分析物质成分和结构的方法。
它具有高灵敏度、高分辨率和高准确性的特点，被广泛应用于环境监测、材料科学、核物理等领域。
为了确保γ能谱法测量的准确性和可靠性，需要制定相应的标准来规范实验操作和数据处理。
一、实验设备标准探测器：选择具有高探测效率、低本底噪声和稳定性能的探测器，如高纯锗探测器、闪烁计数器等。
屏蔽材料：采用适当的屏蔽材料，如铅、铜等，以减少外部γ射线和宇宙射线的干扰。
校准源：使用已知活度和能量的校准源，对探测器进行能量和效率校准，确保测量结果的准确性。
二、实验操作标准样品制备：根据实验需求，选择合适的样品制备方法，如研磨、压片等，以获得均匀的样品。
测量时间：根据样品的活度和探测器的性能，确定合适的测量时间，以确保足够的计数统计量。
背景测量：在没有样品的情况下进行背景测量，以扣除探测器本底和环境干扰对测量结果的影响。
数据记录：详细记录实验过程中的各种参数，如测量时间、源到探测器的距离、探测器的温度和电压等，以便后续的数据处理和分析。
三、数据处理标准能谱分析：利用专业的能谱分析软件，对测量得到的γ能谱进行平滑、去噪和寻峰处理，以获得准确的峰位和峰面积信息。
效率校正：根据探测器的能量响应和效率曲线，对测量结果进行效率校正，以消除探测器对不同能量γ射线的探测效率差异。
放射性核素识别：通过比对已知核素的γ射线能量和强度信息，识别样品中的放射性核素种类。
活度计算：根据识别出的核素种类和其对应的γ射线强度，结合相应的半衰期信息，计算样品中各核素的活度。
四、质量控制标准定期校准：定期对探测器和能谱分析系统进行校准，以确保其性能和测量结果的稳定性。
重复测量：对同一样品进行多次重复测量，以评估测量结果的稳定性和可靠性。
结果比对：将不同实验室或不同方法获得的测量结果进行比较和分析，以验证γ能谱法的准确性和适用性。
通过以上标准的制定和执行，可以确保γ能谱法测量的准确性和可靠性，为相关领域的研究和应用提供有力的技术支持。
γ能谱仪是一种用于测量放射性物质辐射能量的仪器。
其主要参数包括：
1. 能量分辨率：能量分辨率是指γ能谱仪能够分辨两个相邻能量峰值的能力。
高能量分辨率有助于识别不同放射性核素的能量特征。
2. 探测效率：探测效率是指γ能谱仪对入射γ射线的吸收和转换能力。
探测效率越高，测量结果越准确。
3. 谱仪的本底：本底是指γ能谱仪在无辐射源存在时，仍会观测到的辐射信号。
本底会影响测量结果的准确性，因此需要降低本底辐射。
4. 能量范围：γ能谱仪可测量的能量范围。
不同型号的γ能谱仪能量范围有所不同，可根据应用场景选择合适的设备。
5. 测量范围：测量范围是指γ能谱仪能够测量的放射性物质浓度范围。
不同型号的γ能谱仪测量范围有所不同，可根据实际需求选择合适的设备。
6. 探测器：γ能谱仪的核心部件，用于吸收和转换γ射线。
常见的探测器有NaI(Tl)探测器、Ge探测器等。
7. 数据处理系统：数据处理系统用于采集、处理和分析γ能谱数据。
现代化的γ能谱仪通常具有高效的数据处理能力，可方便地进行数据分析和管理。
8. 显示与输出：γ能谱仪的显示与输出功能用于呈现测量结果。
常见的显示方式有谱图显示、数值显示等。
outputs
9. 校准：γ能谱仪的校准是为了确保测量结果的准确性。
校准方法包括标准源校准、仪器自带校准等。
10. 操作界面：γ能谱仪的操作界面便于用户进行参数设置、数据采集和分析。
现代化的γ能谱仪通常具有友好的操作界面，使操作更加便捷。
《γ射线探测器能谱响应》
光电效应
光电吸收是使入射γ光子消失的一种相互作用。
在发生作用的位置，γ光子从吸收体原子的某电子壳层打出一个光电子，其动能为入射光子能量hν减去电子在其原壳层中的结合能(Eb)。
该过程如图5.7所示。
对于一般的γ射线能量说来，光电子最可能来自K层，其典型结合能从低Z材料的几个keV到高原子序数材料的几十keV。
通过光电子发射最终在电子壳层中所产生的空穴，经电子重新排布迅速被填满。
在此过程中，以特征X射线的形式或以
俄歇电子的形式释放出结合能
要是人们关注初始γ射线能量的测量，那么光电吸收正是一个理想过程。
如果论述的是单能γ射线，则总的电子动能就等于入射γ射线的能量，而且始终相同。
在这些条件下，对于一组光电吸收事件说来，电子动能的微分分布应该是一个简单的δ（E－hν）函数，如在电子总
能量相当于入射γ射线的能量处有单峰出现。
康普顿散射
康普顿散射作用的结果是产生了一个反冲电子和
散射γ光子，两者之间的能量分配依赖于散射角θ，
由(5.30)和(5.31)式给出。
考虑两种极端情况：其一，
散射角θ＝0，反冲康普顿电子的能量很小，而散射
γ射线的能量最大，与入射γ射线的能量几乎相等；
其二，散射角θ＝π，即正面碰撞，入射γ射线朝它
的原方向反散射，而反冲电子却沿着入射方向反冲，
反冲电子获最大能量
实际探测器材料在散射过程前的
电子结合能在康普顿连续谱形上
会有可测到的效应，这些效应对
于低能入射γ射线尤其引人注意。
它们使靠近连续谱向上的一端前
沿圆曲，这样就给突然下降的那
段康普顿边缘引入了一定的斜率。
这些效应常常被探测器有限的能
量分辨率所掩盖。
但是，在固有
分辨率高的探测器测到的能谱中
就很明显
形成电子对效应
这个过程发生在吸收材料的原
子核场内，并且在入射γ光子完
全消失处对应产生正负电子对。
因为产生一正负电子对需要
2m0c2的能量，所以γ射线的最小
能量为1.02MeV才能发生此过程。
若入射γ射线能量超过了这个值，
则过剩的能量将以正负电子对
均分的动能形式出现。
因此，该
过程包括入射γ光子转换成正、
负电子的动能。
对于常见的γ射
线能量，正、负电子在把所有动能传给吸收介质之前最多移动几毫米。
由入射γ射线产生的全部(负电子和正电子)带电粒子动能的曲线图也是个简单的δ函数，此刻它落在低于入射γ射线能量2m0c2的位置上，如图5.9所示。
由于正电子是不稳定的粒子，这个事实使电子对产生过程变得复杂了。
一旦它的动能变得很低(可与吸收材料中正常电子的热能相比)，正电子将湮没，即与吸收介质中的负电子结合在一起。
此时正负电子都消失，由各自能量为m0c2 (0.511MeV)的两个湮没γ光子所代替。
正电子慢化和湮没所需要的时间很短，因此，实际上湮没辐射与初始的电子对产生是同时出现的。
“小”探测器模型
所谓“小”探测器是指探测器的体积小于初始γ射线与吸收材料相互作用所产生的次级γ辐射的平均自由程。
这些次级γ辐射包括康普顿散射的散射γ射线，以及在电子对产生的正电子湮没产产的γ光子。
因为次级γ射线的平均自由程一般有几个厘米左右，如果探测器的尺寸不超过1或2厘米，就算满足‘小”的条件；同时假定γ射线与探测器介质相互作用产生的所有带电粒子(光电子、康普顿电子、正负电子对)的能量全部沉淀在探测器中。
若入射γ射线能量低于1.02MeV，对能谱的贡献只有康普顿散射和光电吸收的综合效应产生。
相应于康普顿散射电子能量的连续谱称为康普顿连续谱，而相应于光电子能量的窄峰称为光电峰。
对于“小”探测器，只发生单次相互作用，而且光电峰下的面积与康普顿连续谱下的面积之比，和探测器材料的光电截面与康普顿截面之比是相等的。
若入射γ射线能量足够高(几个MeV)，那么电子对生成的效果在电子能谱中也是明显的。
对“小”探测器而言，只有负电子和正电子的动能被积存下来，而湮没辐射逃逸掉了，其净效应是在低于光电峰
2m0c2(1.02MeV)的能谱位置上叠加一个双逃逸峰。
“双逃逸”这个词是指两个湮没光子不再进行相互作用就从探测器逃出去。
“大”探测器模型
设想在靠近特别大的探测器中心引入γ射线。
所谓“大”探测器是指探测器的尺寸足够大，以至包括康普顿散射的散射γ射线和湮没辐射γ光子在内的所有次级辐射都在探测器灵敏体积内发生相互作用，而逃不出探测器的表面。
对常见的γ射线能量，这种情况就意味着要有数十厘米量级大的探测器，这么大的探测器对于多数实际情况说来是不现实的。
然而，这种情况有助于让我们了解如何通过增加探测器体积来大大地简化它的γ射线响应函数。
例如，假使初次相互作用是个康普顿散射事件，散射γ射线随后会在探测器内另外某个地点发生相互作用；这个第二次相互作用也可能是一个康普顿散射事件，在此情况下就，产生一个能量更低的散射光子。
最后，将发生光电吸收而在那里结束此历程。
中等大小探测器
在γ射线能谱测量中一般采用的实际探测器的尺寸即不“小”也不“大”。
对常用探测器的几何形状，γ射线是从外部入射到探测器表面，由于有些相互作用会在接近入射表面处进行，所以即使大体积探测器也是有限的。
因此常规探测器对γ射线的响应兼有上述两种情况的一些特性，以及与回收部分的次级γ射线能量有关的附加特性。
低能至中能的γ射线能谱(在此能区电子对产生并不明显)仍是由康普顿连续谱和光电峰组成。
然而，由于附加的多次作用事件投入光电峰，光电峰下的面积与康普顿连续谱下的面积之间的比值将远大于“小”探测器条件下的比值。
显然，入射γ射线能量愈低，康普顿散射光子的平均能量和相应的平均迁移距离也就愈小，这相当于中等尺寸的探测器好像变大了，光电峰下的相对面积随着入射光子能量降低而增加。
当能量很低时(比方说<100keV)，康普顿连续谱实际上可能消失了。
在中能区域，多次康普顿散射后产生的散射光子后，导致多次反冲电子的总能量在探测器中沉淀显然有可能大于单次散射的最大值。
因此，这些多次散射事件可能部分地填充在康普顿边缘和光电峰之间的空隙，并改变了“小”探测器模型中所预计的单次散射连续谱的形状。
