1、近代物理实验（2）,陈羽 18038016667 办公室：实验楼S216,课程简介与安排,内容：（1）NaI(Tl)单晶闪烁谱仪；（2）射线的吸收与物质吸收系数的测定。上课地点实验楼(办公楼旁边，楼下有邮局的) S223室。讲义：电子版发给大家。重点：（1）核探测器的构造与工作原理；（2）射线与物质的相互作用；（3）核应用系统与核技术方法。,实验要求（参见讲义）,1. 预习报告需要包含“实验目的”、“实验内容”、“实验装置”和“实验步骤”等固定内容。“实验原理”部分可从讲义中的思考题中任选5题回答，作为实验原理部分。实验中采集到的数据、能谱图等需要保存在自己的数据文件夹中，并在实验报告中注明此
2、文件夹，以备查验。 2. 实验之后的完整实验报告需完整反映实验内容中的所有部分，包括步骤与数据（图表）。从其余的思考题中再选择5题作为实验报告的思考题。数据处理部分需要区分清楚测量数据、原始数据、计算过程、结果数据等。（问题最多） 3. 实验完成一周后交实验报告。,预 习,要求: 了解设备的连接过程、调整步骤与指标数据；提出对本次实验的知识疑点与准备解决的问题；列出数据处理的方法、步骤，设计并准备好有关实验数据的记录表格。上课前或上课中会对有关部分的知识点进行提问，结果将计入成绩。,背景知识,一、射线的来源 1.原子跃迁（x射线与电磁波） 2.原子核的激发/退激发以及内部核子的吸收与释放,行星
3、结构,分离光谱,电子跃迁（原子激发与退 激发，能量的量子化）、 能级与光子频率（光谱）， 能级图。,原子的跃迁,原子核由中子和质子构成。其能量状态仍然满足量子化，仍然存在激发与退激发，但机制要复杂得多。原子核的变化（一般是自发的衰变）常常会放出（氦原子核）、（电子）和射线（电磁波或光子）或 n（中子）。其中射线的能量也与能级跃迁有关。本次实验主要涉及射线。,原子核的变化,本次实验使用的放射源：Cs137与Co60 （也可写成137Cs与60Co ，数字表示原子核内包含的核子数）,Cs137：主要为0.661MeV 的射线,Co60：主要为1.17MeV和 1.33MeV的两个射线,二、放射源,
4、使用时注意： 1.不要将放射源出射口对准人员。 2.使用后要洗手。,放射源的性质：主要有：半衰期T1/2；放出射线的种类，如、n；每种射线对应的能量；射线的放射强度（专业名词叫活度）。 其他： 形态（气态、液体、固体、粉末）包装（密封、非密封）可溶性混合结构（数种放射源混合包装或形成链式反应）137Cs：511.6kev（94.6），1173.2kev（5.4）,x32.1936kev（3.69）661.661 kev（85.0）624.220 kev（7.79）655.672kev（1.44）30.170.05年。,60Co：318.3kev（99.89）1173.238 kev（99.87
5、），1332.513 kev（99.982）5.2700.003年。,三、射线与物质的相互作用常见的射线：（氦原子核）、（电子）、（光子）、中子。带电粒子与物质相互作用的描述（微观）：库仑散射，电离或激发，轫致辐射，电子对湮灭。射线与物质相互作用的描述（微观）：作用截面（几率），作用对象（束缚电子、自由电子、库仑场吸收、核子），效应（吸收、弹性散射、非弹性散射）。中子与物质相互作用的描述（微观）：不与库仑场作用，非弹性散射时原子核激发并放出光子退激发，原子核俘获发生衰变或裂变。,光电效应,康普顿散射,电子对效应,入射光子被 吸收，其能量 被电子接收， 并转为自由电 子。,入射光子与电 子发生散
6、射，损 失部分能量转移 给电子。,如果入射光子的 能量 1.02MeV （两个电子的静止 质量），就可能发 生光子转换为两个 电子的情况（正负 电子对）。,重点：射线的三种基本作用,射线在物质中的吸收规律（宏观）：I = I0 e x 线性吸收系数： = ph + c + p 其中：ph 光电效应； c 康普顿效应；p 电子对效应。 均与射线能量、物质的原子序数有关。,射线的生物效应或损伤机制：电离作用， 产生重带电粒子，产生放射性原子核。射线强度的描述：“居里”或“贝可勒” （1ci=3.7x1010Bq）。射线防护：中子轻物质射线重物质 带电粒子重物质,四、探测技术,二大类型的探测器：计数
7、型、径迹型。气体探测器（电离）、闪烁探测器（能量吸收）、 半导体探测器（载流子）、中子探测器（核反应）。闪烁探测器：能量吸收后，退激发再发光。可由有机体、无机体晶体构成闪烁体。探测器系统：探测器（计数输出、电荷输出、时间输出）处理（信号调理、放大、符合、信息提取）表达（能量谱、时间谱、其他）,一般的核应用系统,五、能谱的表达与意义,能谱：以能量为横坐标，以强度为纵坐标，描述射线在不同能量上的强度分布。,重点：根据射线与 物质的相互作用 来理解能谱。,Co60能谱图,一、NaI(Tl)单晶闪烁谱仪,1、目的： （1）了解闪烁探测器的结构、原理。 （2）掌握NaI(Tl)单晶闪烁谱仪的几个性能指标
8、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。,实验内容,NaI(Tl)单晶闪烁谱仪,2实验内容 学会NaI(Tl)单晶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。 测量Cs137、Co60的能谱，求出能量分辨率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形。 了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶谱测量中的数据采集及其基本功能。 数据处理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等）。,系统构成,系统构成,系统构成,系统构成,系统构成,NaI(TI)单晶闪烁谱仪,NaI(TI)探测器工作原理,系统构成： NaI(TI)无机晶体（吸收入射光子的能量，退激发 时
9、发出闪烁光）、光电倍增管（在闪烁光的作用下，其光阴极 发射电子，后面的倍增极将电流放大，在最后的阳极上输出电 脉冲）、放大器、多道分析器（对输入的电脉冲作幅度分析， 并在计算机上以能谱形式表现入射射线的能量分布与强度分 布）。,闪烁体发光与电子激发态,闪烁体晶体受到入射射线的激发， 电子退激发时发出闪烁光。但闪烁光 的波长由退激发时的能级差决定。也 就是说，闪烁光的波长（对应能量） 与入射射线的能量无关（这一点非常 重要）。问题：对闪烁体而言，入射的是光子，出射的是闪烁光。为什么需要“光光”的转换？闪烁探测器又是如何探测射线能量的？入射光的能量越大，被激发的电子越多，即闪烁光的强度越强。,光电倍增管（PMT）,光电转换电子倍增电荷收集（形成脉冲信号）,探测小结： 射线（来自放射源）闪烁体吸收能量放出闪烁光 光电转换（PMT光阴极）电子倍增电荷收集,启动测量系统,能谱测量系统,测量时间设置,测量时间（Cs137能谱，550秒）,Cs137能谱测量（26秒）,思考：测量时间对结果有什么影响？如何决定测量时间的长短？,高压600V，峰位302道,
