γ射线能谱分析试验报告
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γ射线能谱分析试验
一、预习报告
实验名称: γ射线能谱分析试验.
实验内容:1.学会Ｎa(TI)单晶Y闪烁谱仪整套装置的操作.调整和使用.
2.了解多道脉冲分析器在Ｎa(TI)单晶Y闪烁谱仪测量中的数据采集及其基本功能.
3.测量Ｎa(TI)单晶Y闪烁谱仪的能量和线性.
4.分析137CS单能Y射线谱仪.
5. 测量Na(TI)单晶Y闪烁探测器的计数率随工作电压变化的关系曲线.
实验目的:1.了解闪烁探测器的结构.原理.
2.掌握Ｎa(TI)单晶Y闪烁谱仪的几个性能指标和测量方法.
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.
4.测量Na(TI)单晶Y闪烁探测器的坪曲线,确定合适的工作电压;
实验仪器:Ｎa(TI)单晶Y闪烁探头;微机多道Y(X)谱仪装置;Y放射源137CS一个.
实验原理：
1. 射线与物质的相互作用 射线是原子核从激发态跃迁到低能态或基态时发射的波长很短的电磁辐射，研究射线的能谱对原子核的能级结构和放射性核素的应用等方面具有重要的意义。
射线与物质相互作用，可以有许多方式。当射线的能量在30MeV以下时，在所有相互作用方式中，最主要的三种，如图 1-1所示。
图1-1 γ射线与物质相互作用示意图
(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，光子本身消失而把束缚电子打出来形成光电子这个过程称为光电效应。由于束缚电子的电离能Ei一般远小于入射γ射线的能量Eγ，所以光电子的动能近似等于入射γ射线的能量，即：
E光电 = Eγ - Ei ≈
Eγ （1）
(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，散射与入射只能发生在一个平面内。设入射γ光子能量为hv，散射光子能量为hv′，康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为：
)cos1(1ahvvh
（2） 式中2cmhvae，即为入射γ射线能量与电子静止质量me所对应的能量之比。由式（2）可知，当θ=0时hv′= hv，这时Ee =0，即不发生散射；当θ=180º时，散射光子能量最小，它等于)21(ahv，这时康普顿电子的能量最大，为
)21(2maxaahvEe
（3）
(3)正、负电子对的产生：当γ射线能量超过2mec2（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,称为电子对效应。此时光子能量可表示为两个电子的动能，如Eγ= Ee+ + Ee- +2mec2，其中，2mec2=1.022MeV。
除了上述三种主要相互作用方式外，还有相干散射、光致核反应和核共振反应等，因这些的作用截面很小，通常，可以忽略不计。
2.放射源137Cs和60Co的主要特性
放射源有很多性质，主要有：①半衰期；②放出射线的种类，如α、β、γ；③每种射线对应的能量分布；④射线的放射强度(专业名词叫活度)。
例如：137Cs的半衰期T1/2=30.174年，它放出5.3%的β粒子（Emax=1.173Mev），94.7%的β粒子（Emax=0.511Mev），然后从激发态放出Eγ=0.661 MeV的γ射线后到达基态。60Co是放出能量是0.31Mev的β粒子后，先后放出能量是1.17Mev和1.33Mev的γ射线。
3. NaI（Tl）单晶γ闪烁谱仪装置图
NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪由NaI(Tl)闪烁晶体，光电倍增管和电子仪器三部分组成。NaI(Tl)单晶γ谱仪记录γ光子的过程。
1）γ光子在闪烁体中产生次电子；
2）次电子在闪烁体中损失能量引起闪烁发光，放出许多荧光光子；
3）荧光光子经过闪烁体的包装及光导(有机玻璃)进入光电倍增管；
4）荧光光子打在光电倍增管的光阴极上产生电子，电子在管内各个联极(又称打拿极)上放大，最后在阳极上收集到经过放大后的电子流；
5）阳极收集电子，在输出回路上产生电压脉冲；
6）电压脉冲经射极输出器输出送给放大器，放大后的脉冲由多道分析器采集获取数据。
4.基本组成部分
（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Tl（铊）的NaI晶体作γ射线的探测器。
（2）光电倍增管: 光电倍增管的结构如图1-2。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 1-2光电倍增管原理示意图
（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。
（5）多道脉冲幅度分析器：
多道脉冲分析器的功能是把线性脉冲放大器的输出脉冲按高度分类，若线性脉冲放大器的输出是0-10V，如果把它按脉冲高度分成4096级（或称4096道）则每道宽度大约为0.002v,也就是输出脉冲的高度按0.002v的级差来分类。在实际测量时，我们保持道宽∆v不变，逐点增加V0，这样就可以测出增个谱形。
NaI(Tl)分析谱仪的方框示意图见图1-3
5.射线能谱图
由137Cs的衰变可知137Cs只放出单一能量的γ射线（Er=0.662MeV）。因此能量小于正、负电子对的产生阈1.022MeV，所以137Cs的γ射线与NaI(Tl)晶体的相互作用只有光电效应和康普顿散射两个过程，其形状如图 1-4。
NaI(Tl)探头 电荷灵敏
前置放大器 高压
主放大器
精密脉冲产生器 多道微机 数据输出
图1-3 NaI(Tl)分析谱仪的方框示意图
图 1-4康普顿峰和单能光电峰
又由于γ谱仪存在一定的能量分辨率，实际测的能谱相对于图 1-4中单线存在一定的能量宽度，形状如图 1-5。
图 1-5 NaI(TI)单晶γ闪烁谱仪测量的137Csγ能谱图
A峰又称全能峰，这一幅度直接反映γ射线的能量0.662MeV。有时康普顿散射产生的散射光子hv′若未逸出晶体，仍然为NaI(Tl)晶体所吸收，也即通过光电效应把散射光子的能量hv′转换成光电子能量，而这个光电子也将对输出脉冲作贡献。由于上述整个过程是在很短时间内完成的，这个时间比探测器形成一个脉冲所需的时间短得多，所以先产生的康普顿电子和后产生的光电子，二者对输出脉冲的贡献是叠加在一起形成一个脉冲。这个脉冲幅度所对应的能量，是这两个电子的能量之和，即Ee+ hv′，也就是入射γ射线的能量hv。所以这一过程所形成的脉冲将叠加在光电峰1上使之增高。
平台状曲线B是康普顿效应的贡献，其特征是散射光子逃逸后留下一个能量从O到 的连续的电子谱。
峰C是反散射峰。由γ射线透过闪烁体射在光电倍增管的光阴极上发生康普顿反散射或γ射线在源及周围物质上发生康普顿反散射，而反散射光子进入闪烁体通过光电效应而被记录所致。这就构成反散射峰。返回的γ光子能量：其大小为：
峰D是X射线峰，它是由137Ba的K层特征X射线贡献的，137Cs的β衰变体137Ba的0.662MeV激发态在放出内转换电子后造成K空位，外层电子跃迁后产生此X光子。
实验步骤:
1.Ｎa(TI)单晶Y闪烁谱仪的调试:连接好实验仪器连线,高压为正极性,所用的高压电缆在插头处有红色橡皮套,一头接在探头后座,一头接在仪器盒后面的HVOUT输出.低压+12接在探头座的七芯插孔上,一头接在仪器盒后面的低压插孔,仪器连接以后,将放射源至于探头下方,打开高压电源,调节高压和放大倍数.
2.实验现象进行粗测判断适当的工作电压
3 测量Na(TI)单晶Y闪烁探测器的坪曲线,减小放大倍数至最低,开始测量:将电压调整到300v，随后每隔10v测量一次，一直到600v，设置测量时间为1min，点击开始按钮,观察全能峰的峰顶计数率,计数达到1000以上后,点击停止按钮,开始寻峰,并记录下来反散射峰与全能峰所对应的道数CH1,CH2. 、
4确定放大倍数使谱形在多道脉冲分析器上分布合理,工作状态稳定后,定时300秒，包括光电峰一段谱形的总计数,并算出这组数据的平均值.
实验数据表格设计:
电压v 300 310 320 330 340 350 360 ……… 600
计数
二、实验报告
实验名称:测量Ｎa(TI)单晶Y闪烁谱仪的能量分辨率和线性.
实验内容:1.学会Ｎa(TI)单晶Y闪烁谱仪整套装置的操作.调整和使用.
2.了解多道脉冲分析器在Ｎa(TI)单晶Y闪烁谱仪测量中的数据采集及其基本功能.
3.测量Ｎa(TI)单晶Y闪烁谱仪的能量和线性.
4.分析137CS单能Y射线谱仪.
5. 测量Na(TI)单晶Y闪烁探测器的计数率随工作电压变化的关系曲线.
实验目的:1.了解闪烁探测器的结构.原理.
2.掌握Ｎa(TI)单晶Y闪烁谱仪的几个性能指标和测量方法.
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.
4.测量Na(TI)单晶Y闪烁探测器的坪曲线,确定合适的工作电压;
实验仪器:Ｎa(TI)单晶Y闪烁探头;微机多道Y(X)谱仪装置;Y放射源137CS一个.
实验步骤:
1.Ｎa(TI)单晶Y闪烁谱仪的调试:连接好实验仪器连线,高压为正极性,所用的高压电缆在插头处有红色橡皮套,一头接在探
