γ能谱上康普顿平台

Nu c l ear E l ectro n i cs＆D etect i o n Tec hn o l ogy2012 年12 月D ec．2012 用于γ全谱基线扣除的改进算法研究S N I P王一鸣，魏义祥( 清华大学工程物理系粒子技术与辐射成像教育部重点实验室，北京100084)摘要:快速有效的全谱基线扣除是γ能谱分析的重要前提。

论文在研究基线形成本质与基线扣除算法关键要求的基础上，针对现有S N I P算法存在的不足提出修改，发展出一套新的改进S N I P方法。

方法借助能谱FWHM 刻度对S N I P滤波窗宽度进行自适应调整，解决固定窗宽在不同能量区间应用产生的矛盾;通过扩展计数的动态范围实现康普顿边缘等基线快速变化区域的准确估计。

方法在实际能谱分析的应用中获得了较为理想的处理结果，相对现有的多种S N I P算法，其准确性与高效性都具有一定优势。

关键词:γ能谱;基线扣除;统计敏感的非线性迭代剥峰算法;康普顿散射中图分类号:TL 817 + ．2文献标志码:文章编号:0258-0934(2012)12-1356-04Aγ能谱分析技术在科学研究、工业测控、环境监测、安全监测等诸多领域具有广泛应用。

全谱基线扣除作为γ能谱分析过程中重要的预处理步骤之一，其可信度与精确度对后续的定性、定量分析，如寻峰、峰面积计算等将产生直接影响。

在基线扣除方法的研究中，已发展出基于傅里叶变换、数字滤波器、迭代直线剥离、剥峰法以及一次、二次求导等多种方法［1］。

相比之下，统计敏感的非线性迭代剥峰算法(Stat i st i cs －se n s i t i ve N o n li n ear I terat i ve Peak －c li pp i n g，S N I P)被认为是其中最优化的选择，能够在正确区分γ峰区与非峰区的基础上进行有效的全谱基线估计，并在国外一些能处理系统中得到实际应用［2］。

然而，在原始S N I P算法基础上发展的系列方法仍旧存在一定的缺陷，本文针对目前方法的不足提出改进意见，改进后的S N I P算法在γ全谱基线扣除应用中的效果得到进一步的改善。

反散射峰康普顿沿逃逸峰
反散射峰和康普顿沿是在核物理中与测量γ射线能量谱有关的两个概念。

反散射峰是指当高能γ射线通过物质时，会与物质中的电子发生康普顿散射。

在这个过程中，一部分γ射线的能量被电子散射出去，而另一部分γ射线的能量仍被吸收。

当这些散射出去的γ射线再次进入探测器时，会形成一个新的尖峰，被称为反散射峰。

之所以称为反散射峰，是因为这个尖峰实际上是与原始γ射线散射过程中损失的能量相对应的。

康普顿沿是指在γ射线能量谱中的一个连续能谱区域，反映了γ射线与物质的康普顿散射过程。

当高能γ射线与物质中的电子发生康普顿散射时，散射出去的γ射线的能量会降低，形成一个连续的能量谱。

这个连续的能谱区域就被称为康普顿沿。

逃逸峰是指当γ射线在探测器中发生相对论性的电子湮灭或者光子对的产生时，在能谱中产生的一个尖峰。

逃逸峰通常比康普顿峰略低，因为在湮灭或形成光子对的过程中有一部分能量被耗散。

逃逸峰是γ射线能谱中的一种特征峰，可以用于测量γ射线的能量。

康普顿散射虚拟仿真实验记录数据处理报告电子对效应是高能γ射线与物质相互作用的一种过程。

当γ射线入射至物质时，其能量足够高，能够转化成正负电子对。

这些电子对在物质中相互作用，产生电离作用，并在物质中形成电子对径迹。

电子对径迹在物质中的长度与能量有关，能量越高，径迹越短。

2.康普顿散射实验原理康普顿散射实验是利用康普顿效应测量γ光子能量及微分截面与散射角的关系。

实验装置主要包括放射源、闪烁体探测器、多道分析器和电子学系统等。

放射源发出γ光子，射线与物质相互作用后发生康普顿散射，散射光子被闪烁体探测器探测，多道分析器对探测到的信号进行处理，得到γ能谱。

通过测量γ能谱中康普顿边缘的位置和形状，可以计算出散射光子的能量和微分截面与散射角的关系。

三、实验步骤1.实验前准备：检查实验装置是否正常，调整探测器位置，调节放射源距离探测器的距离，确保实验安全。

2.测量γ能谱：打开实验装置电源，打开多道分析器软件，进行能谱测量。

记录康普顿边缘的位置和形状，计算出散射光子的能量和微分截面与散射角的关系。

3.测量吸收系数：更换不同物质，测量不同能量γ射线在典型物质中的吸收系数，记录实验数据。

4.实验结束：关闭实验装置电源，整理实验数据和记录。

四、注意事项1.实验过程中要注意辐射安全，避免直接接触放射源。

2.实验装置应调整好位置，确保测量精度和安全性。

3.实验数据应认真记录和整理，避免误差产生。

4.实验结束后应及时清理实验装置，保持实验室环境整洁。

当高于1.022MeV的γ光子穿过原子核时，它会在原子核的库仑场作用下转变成一个电子和一个正电子。

其中一部分光子的能量会转变成正负电子的静止能量，而其余部分则会成为它们的动能。

被释放出的电子还能与介质产生激发、电离等作用。

而正电子在失去能量后，会与物质中的负电子相遇并相互湮灭，产生γ射线。

探测这种湮灭辐射是可靠地确定正电子产生的实验方法之一。

闪烁体探测器是一种广泛应用的电离辐射探测器，利用电离辐射在某些物质中产生的闪光来进行探测。

γ能谱的测量中山大学 2013级材料物理供参（吓）考（你），此报告真心累数据处理注：本实验所有数据来自文件“蝙蝠侠”一、改变高压，保持其他条件不变（通道数1024）观察137Cs能谱变化图1 改变高压，137Cs能谱变化曲线图分析：1.137Cs的γ能谱应该呈现三个峰和一个平台的连续分布，从通道低到高依次为X射线峰、反散射峰、康普顿效应贡献的平台以及反映γ能量的全能峰。

高压越大，统计越明显。

2.随着高压增大，全能峰向右移动，并且高度下降、宽度增大。

因为闪烁谱仪能量分辨率不变，高压增大，道址增大，∆V V又不变，则∆V大，故宽度变大，高道址的粒子数减少，高度下降。

二、改变通道数，保持其他条件不变（高压500V）观察137Cs能谱变化分析：（见图2）1.由于通道数1500后粒子数很少，能谱曲线趋于横轴，故横坐标只取到1500，方便观察。

2.道数越小，全能峰对应的道址越小，全能峰也越高、越瘦。

因为道数越小，则每个道址包含的能量间隔越大，统计的粒子个数就越多，从而使全能峰越高。

三、60Co的γ能谱曲线图（500V，通道数2014）图3 60Co的γ能谱曲线图分析：1.因为全能峰可以表示γ射线的能量，60Co两个峰对应的射线能量在图中标出，分别为1173keV、1333keV。

2.为探究能谱仪的效率曲线，需要知道每个核素测量所得能谱图的全能峰面积。

计算方法如下：全能峰面积即图中峰与底部线段所围成的面积，可用能谱曲线下的面积减去线段两端与横轴所围成的梯形面积，而能谱曲线下的面积可用线段之间所有道址对应的粒子数的加和来表示。

加和结果通过matlab进行求和而得。

虽然计算方式较为粗糙，但基本符合。

对于左侧全能峰：S(E)1=7287-(27+60)*(626-551)/2=3981对于右侧全能峰：S(E)2=5824-(27+13)*(726-626)/2=3824四、137Cs的γ能谱曲线图（500V，通道数2014）图4 137Cs的γ能谱曲线图分析：1.全能峰面积为：S(E)=9916-(13+2)*90/2=92412.137Cs的γ能谱呈现三个峰和一个平台的连续分布，A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产生的。

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。

（一）γ射线能谱的测量摘要：本实验将了解闪烁探测器谱仪的工作原理及其使用；学习分析实验测量的137Cs和60Coγ谱之谱形和γ射线能谱的刻度测定谱仪的能量分辨率,本实验的目的是了解NaI(Tl)闪烁谱仪的原理、特性与结构，掌握NaI(Tl)闪烁谱仪的使用方法和γ射线能谱的刻度。

关键词：γ射线Na(Tl)闪烁探测器能谱图单道脉冲幅度分析器引言：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测射线的仪器。

它的主要优点是：既能探测各种带电粒子，又能探测中性粒子；既能测量粒子强度，又能测量粒子能量；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测量中得到广泛的应用。

核物理的发展,不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据,新的核技术，如核磁共振、穆斯堡尔谱学、晶体的沟道效应和阻塞效应，以及扰动角关联技术等都迅速得到应用。

核技术的广泛应用已成为现代化科学技术的标志之正文：实验原理1.闪烁谱仪结构与工作原理ＮａＩ（Ｔｌ）闪烁谱仪结构如图。

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。

闪烁体发出的光子被闪烁体外的光反射层反射，会聚到光电倍增管的光电阴极上，打出光电子。

光阴极上打出的光电子在光电倍增管中倍增出大量电子，最后为阳极吸收形成电压脉冲。

每产生一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。

由于电压脉冲幅度与粒子在闪烁体内消耗的能量（产生的光强）成正比，所以根据脉冲幅度的大小可以确定入射粒子的能量。

利用脉冲幅度分析器可以测定入射射线的能谱。

闪烁γ能谱仪工作过程的实验设计刘超卓;孙立杰;牛法富【摘要】In the current course of modern physics experiments in universities, the integrated measurement apparatus is generally used for the measurement of gamma energy spectrum, which is difficult for the students to understand the principles of the gamma detection process. Here, an Nal crystal scintillation counter head, a pulse amplifier, single-channel pulse-amplitude analyzer and a counter are adopted to contracture a device for measuring energy spectrum that can be used to survey the process of gamma energy spectrum obtaining. The nature of electronics input and output signals can be observed with the oscillograph. Through statistical analysis of the amplitude of varying pulses, the energy spectrum can be obtained. In comparison with the manual result, the smooth energy spectrum is brought by using the multiple-channel pulse-amplitude analyzer. This management does help the students to understand the acquisition process of energy spectrum more clearly and visually.%目前高校近代物理实验中,对γ能谱的测量仅采用集成一体化的能谱测量仪,学生在实验过程中很难真正了解γ能谱测量的原理.针对此现象,采用NaI单晶闪烁探头、放大器、单道脉冲幅度分析器和定标器,搭建了能谱测量装置,进行γ能谱的获得过程的认知和研究.用示波器观察各电子设备的输入和输出端信号的变化特征,对不同幅度的脉冲进行统计分析获得能谱,并与现行多道分析器的光滑曲线结果进行了比较,这种安排使学生更清晰、直观地了解γ能谱的获得过程.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2012(029)010【总页数】5页(P76-80)【关键词】闪烁γ能谱仪;能谱测量;单道脉冲幅度分析仪【作者】刘超卓;孙立杰;牛法富【作者单位】中国石油大学(华东)理学院,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)理学院,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)理学院,山东青岛 266580【正文语种】中文【中图分类】O571.1Abstract：In the current course of modern physics experiments in universities，the integrated measurement apparatus is generally used for the measurement of gamma energy spectrum，which is difficult for the students to understand the principles of the gamma detectionprocess.Here，an NaI crystal scintillation counter head，apulse amplifier，singlechannel pulse-amplitude analyzer and a counter are adopted to contracture a device for measuring energy spectrum that can be used to survey the process of gamma energy spectrum obtaining.The nature of electronics input and output signals can be observed with the oscillograph.Through statistical analysis of the amplitude of varying pulses，the energy spectrum can be obtained.In comparison with the manual result，the smooth energy spectrum is brought by using the multiple-channel pulse-amplitude analyzer.This management does help the students to understand the acquisition process of energy spectrum more clearly and visually.Key words：scintillation gamma energy spectrometer；energy spectrum measurement；single-channel pulse-amplitude analyzerγ射线能谱测量是核辐射探测的一个重要内容，广泛用于核物理研究、放射性分析和其他与放射性同位素相关的各种核技术应用行业，是我国高校物理类近代物理实验中重要的实验项目之一［1-2］。

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137C S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137C S一个.实验原理：1. 射线与物质的相互作用γ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γ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。

γ射线与物质相互作用，可以有许多方式。

当γ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E i 一般远小于入射γ射线的能量E γ，所以光电子的动能近似等于入射γ射线的能量，即：E 光电 = E γ - E i ≈E γ （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：)cos 1(1θ-+='a hv v h（2）式中2c m hva e =，即为入射γ射线能量与电子静止质量m e所对应的能量之比。