伽玛射线能谱测量实验报告

伽马射线穿过物质时能谱的变化γ射线穿过物质时，会通过光电、康普顿、电子对效应与物质相互作用。

本实验通过测量γ射线穿过不同厚度、不同材料时能谱的变化，加深理解γ射线束穿过物质时强度的变化，通过分析γ光子与物质相互作用方式，解释γ射线通过不同厚度、不同材料时能谱的变化。

同时也验证了铅砖作为γ射线的屏蔽材料，是安全可行的。

标签：137Cs；γ射线；不同物质；能谱变化1 概述原子核能级间的跃迁产生γ射线，γ射线按强度的分布即γ射线能谱，简称γ能谱。

测量γ能谱一般使用闪烁γ能谱仪，其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（成为闪烁）的现象测量能谱。

γ射线通过光电效应，康普顿散射，（电子对效应）三种方式与物质进行相互作用。

探测γ射线通过物质时能量谱的变化，可以深入了解γ射线与物质相互作用。

2 实验2.1 实验原理光电效应：光电效应是物质在高于某一特定频率的电磁照射下放出光电子的现象，当能量为hv的入射γ光子与物质的原子中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，发射光电子的动能为：E=hv-Ei≈hv这是闪烁体探测器探测到的全能峰（光电峰）的来源。

2.2 实验仪器滨松闪烁体探测器；四川大学一体化能谱仪，137Cs放射源；若干铝片，铜片，铅片。

3 实验步骤3.1 仪器组装检查实验仪器的线路连接。

3.2 准直与调节将各个部分中心置于一条直线上，打开放射源屏蔽体开关，微调光电探测器的角度，直至计数率最高，即已准直。

固定设备开始测量。

3.3 测试与记录3.3.1 相同材料，不同厚度取同种材料薄片，多片叠加为不同厚度的等效屏蔽物质并进行测试。

3.3.2 相同厚度，不同材料考虑到实验室材料的实际情况，难以保证严格相同的厚度，因此使用上述测试结果中9mm左右和18mm左右两组数据直接进行对照。

3.3.3 无屏蔽测试取下所有屏蔽材料，令放射源直射探头，进行60s测试后记录数据。

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。

实验1.1.2γ辐射的能量和强度测量实验1.1.2 γ辐射的能量和强度测量一．实验目的1.了解NaI(T1)闪烁谱仪的组成，基本特性及使用方法。

2. 掌握测量γ射线的能量和强度的基本方法。

二．实验原理1.γ射线与物质的相互作用γ射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正负电子对产生三种过程(1)光电效应：入射γ光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1E 一般远小于入射γ射线能量γE ，所以光电子的动能近似等于入射γ射线的能量γγ光电E E E E ≈-=1（2）康普顿散射：设入射γ光子能量为νh ，散射光子能量为' νh ，则反冲康普顿电子的动能'ννh h 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'θανν-+=h h 2cm h e να= α为入射γ射线能量与电子静止质量之比。

易知ααν212*(max)+=h E e （3）正、负电子对产生：当γ射线能量超过22c m e （1.022MeV ）时，γ光子受原子核或电子的库仑场的作用可能转化为正、负电子对。

入射γ射线的能量越大，产生正、负电子对的几率也越大。

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，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。

2.闪烁谱仪结构与工作原理NaI(Tl)闪烁谱仪由探头，高压电源，线性放大器，多道脉冲幅度分析器及部分组成。

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。

带电粒子通过闪烁体时，将引起大量的分子或原子的激发或电离，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，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，汇聚到光电倍增管的光电阴极上，打出光电子。

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 cm 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。

本实验是用多道道址来统计不同能量的光电子数量。

伽马射线强度和能量的测量-副本伽马射线强度和能量的测量读书报告一．引言γ射线（包括X射线）的强度和能谱测量是核辐射探测器的一个重要方面。

在核物理的研究中，测量原子核激发态能级、研究核的衰变纲图、测定短的核寿命、进行核反应实验研究等都离不开对γ射线的测量。

在放射性分析、技术应用等方面都有应用。

二、γ射线测量的一般考虑γ射线的测量从获取信号的方式看可以分为两类：测量单个脉冲，从测量的大量脉冲事件中得到有关入射γ射线的信息；和测量累计电流，从平均输出电流中定出入射γ射线的强度。

前者使用更为普遍。

对其细分。

对于不同的实验目的可分为三种类型：1.测量γ射线的强度，常用的有G—M计数器、正比计数器、各种闪烁计数器等。

2.测量γ射线的能谱，典型的以NaI（Tl）闪烁谱仪与HPGe谱仪为代表。

3.测量时间信息常用有机闪烁探测器等。

对于探测的性能和指标，主要有能量分辨率、探测效率、峰总比和峰康比、能量线性、晶体形状和大小的选择。

三、γ射线能谱分析和能量刻度γ射线谱形的形成，主要为光电效应、康普顿效应和电子对效应，其输出能谱也比较复杂，在能谱中形成全能峰、康普顿坪、单逃逸峰和双逃逸峰等。

除了考虑以上三种效应外，在实际测量中情况更复杂，还需要考虑散射光子和反散射峰、湮没辐射峰、特征X射线、轫致辐射、累计效应、和峰效应、碘逃逸峰、边缘效应等。

归纳起来，可以分为（1）γ射线的能量和分支比；（2）放射源的特性；（3）探测器物理性质（4）实验条件和环境布置为了根据γ射线的能量确定所測谱的峰位(道址），或反过来,根据所测峰位确定γ射线的能量都需要预先对谱仪进行能量刻度。

能量刻度就是在谱仪所确定的条件下（包括谱仪的组成元件和使用参数，如高压、放大倍数、时间常数等），利用一组已知能量的γ源，測出对应能量的全能峰峰位,然后作出能量和峰位(道址）的关系曲线。

有了这样的能量刻度，那末測到了未知γ射线的峰位即可求出γ射线的能量。

根据能暈刻度结果还可以检验谱仪的线性范围和线性好坏。

γ射线能谱测量γ 射线能谱测量中的物质变化过程是：γ 射线（光子）→ 次级电子（三种相互作用）→ 荧光（光子，探头的闪烁体发出）→ 光电子（在打拿极上产生并倍增）→ 光电流打拿极上光电子激发更多次级电子，打拿极上所加电压对电子加速，使形成更多的电子，从而形成足够大的较稳定的可以被探测到的光电流。

电流与极间电压应该成正比关系，计数不能反映初始的电子产生数目，但能反映其统计规律，计数应该是由光电流的大小与单个电子的电量的比值所得到的。

示波器的幅度可以反映射线粒子的能量大小。

数据处理与结果○1 0(6.98，127.6) B (7.67，127.5) C (7.42，255.21)7.42 V U 0.69 V 0.69 W=100%8.97%7.67O A U U U =∆=∆⨯== ○20截距=-0.04473 G=斜率=0.1962线性方程 E(x )0.19620.04473p O p p E E Gx x ==+=- 实验分析○1 示波器上的波形有一波幅最大的曲线，下面的弥漫区域还有小的波形。

这是因为在闪烁体中发生了光电效应，康普顿效应，电子对效应，这三种效应中，光电效应最强，产生的次级电子最多，对应着波幅最大的波形，下面的小波形则是由康普顿效应造成的，其强度要弱于光电效应。

○2 γ射线是单能射线，其对应的能谱应该是单一的分立的，但是我们测得的能谱却是连续的。

这是因为三种效应激发出的电子的能量是不一样的，加上闪烁体分辨能力低,还有其它电子学的干扰存在，因此闪烁体谱仪测量单能射线不可能就一单能峰值。

○3实验中用示波器观察波形的时候，为什么要将光电峰置于8伏左右？我猜想是：示波器的波幅实际上是反应的电流的强弱，光电峰的强度应该是在8伏左右；电子在经过单道分析器的时候，是需经过选择的，只有能量介于某一道宽内的时候才能通过，在设置好道宽后，通过调节阈值就可以测得不同能量的电子了，表现出不同的光电流强度和计数率的变化，也可以解释为什么我们测得的是一条连续的曲线了。

伽马能谱法测量水中226Ra最短平衡时间的确定伽马能谱法是一种常用于测量放射性核素活度的方法。

该方法使用具有高能分辨率的伽马射线谱仪测量样品所发出的伽马射线的能量和数量，从而确定样品中放射性核素的活度。

因其非破坏性和高灵敏度的特点，该方法被广泛应用于不同领域，例如地质学、环境科学和核工业等。

在水环境中，放射性核素的污染成为了一种严重的环境问题。

铀系列中的226Ra是一种主要的放射性核素，其活度浓度及其变化对环境和人体健康产生严重影响。

因此，测量226Ra在水中的活度是非常重要的。

而226Ra在水中会发生一系列的核衰变，其核衰变链如下所示：226Ra → 222Rn → 218Po → 214Pb → 214Bi → 214Po → 210Pb其中，226Ra的半衰期为1600年，但其子体210Pb的半衰期为22.3年，这意味着226Ra和210Pb的活度可以被认为在水中达到平衡。

根据该平衡，可以通过测量210Pb的活度来确定226Ra的活度，同时也可以确定226Ra在水中的最短平衡时间。

确定226Ra在水中的最短平衡时间的方法如下：首先，收集水样，然后通过放射化学方法将样品中的所有放射性核素分离出来。

然后，用铋吸附树脂将Radon子体222Rn和218Po去除掉。

接着，用α、β计数法测量样品中的活度，同时还需要用伽马能谱法测量样品中的γ射线谱。

最后，通过标准公式计算各核素的活度和226Ra在水中的最短平衡时间。

具体来说，通过记录样品的谱图，可以确定226Ra和其子体的γ射线峰位和能量。

由于226Ra和214Pb的γ射线能量非常接近，因此需要使用非常高的能量分辨率来区分这两种γ射线。

然后，计算226Ra的活度和与其直接衰变的214Pb的活度，以及通过衰变链所测定的210Pb的活度。

由于210Pb和其母体226Ra之间在水中迅速达到平衡，因此可以使用210Pb的测量结果来确定226Ra的活度分布情况。

实验一γ能谱测量一．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．实验内容1．学会NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用，调试一台谱仪至正常工作状态。

2．测量137Cs、60Co的γ能谱，求出能量分辨率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形。

3．数据处理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等）。

三．原理1．N aI(Tl)闪烁探测器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。

首先简要介绍一下闪烁探测器的基本组成部分和工作过程。

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。

上图中探测器最前端是一个对射线灵敏并能产生闪烁光的闪烁体，当射线(如γ、 )进入闪烁体时，在某一地点产生次级电子，它使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子(一般光谱范围从可见光到紫外光，并且光子向四面八方发射出去)。

在闪烁体周围包以反射物质，使光子集中向光电倍增管方向射出去。

光电倍增管是一个电真空器件，由光阴极、若干个打拿极和阳极组成；通过高压电源和分压电阻使阳极、各打拿极和阴极间建立从高到低的电位分布。

当闪烁光子入射到光阴极上，由于光电效应就会产生光电子，这些光电子受极间电场加速和聚焦，在各级打拿极上发生倍增(一个光电子最终可产生104~109个电子)，最后被阳级收集。

大量电子会在阳极负载上建立起电信号，通常为电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆将信号传输到电子学仪器中去。

实用时常将闪烁体、光电倍增管、分压器及射极跟随器都安装在一个暗盒中，统称探头；探头中有时在光电倍增管周围包以起磁屏蔽作用的坡莫合金(如本实验装置)，以减弱环境中磁场的影响；电子仪器的组成单元则根据闪烁探测器的用途而异，常用的有高、低压电源，线性放大器，单道或多道脉冲分析器等。