1、1NaI（Tl）闪烁谱仪系列实验实验原理1. 射线与物质的相互作用 射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程。（）光电效应。入射 粒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 1一般远小于入射 射线能量 ，所以光电子的动能近似等于入射 射线的能量 光电 1 （）康普顿散射。核外电子与入射 射线发生康普顿散射的示意图见图 1.2-1。设入射 光子能量为，散射光子能量为 ，则反冲康普顿电子的动能 e e 康普顿散射后散射光子能量与散射角 的关系为（1.2-1）式中 ，即为入射 射线能量与电子静止质量所对应的能量之比。由式
2、（1.2-1），当时 ，这时 Ee，即不发生散射；当 时，散射光子能量最小，它等于 （ ），这时康普顿电子的能量最大，为（1.2-2）所以康普顿电子能量在至 之间变化。（）正、负电子对产生。当 射线能量超过 0 2（1.022）时， 光子受原子核或电子的库仓场的作用可能转化成正、负电子对。入射 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 0.511的 光子。2. 闪烁谱仪结构与工作原理（）闪烁谱仪结构如图 1.2-2。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
3、源，线性放大器、多道脉冲幅度分析器几部分组成。射线通过2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 、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 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 1.02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
4、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。3. 谱仪组件性能一般介绍（）闪烁体。闪烁体是用来把射线能量转变为光能的。闪烁体分无机闪烁体和有机闪烁体两大类。实际运用中依据不同的探测对象和要求选择不同的闪烁体。本实验中采用含铊（l）的 NaI 晶体作 射线的探测器。（）光电倍增管。光电倍增管的结构如图 1.2-3。它由光阴极、收集电子的阳极与在阳极与光阴极之间十个左右能发射二次电子的次阴极（又称倍增极、打拿极或联极）构成，相邻的两个电极之间的电位差一般在 100左右。当闪烁体发出的光子打到光阴极时，它打出的光
5、电子被加速聚焦到第一倍增极 1上，平均每个光电子在 1上打出个次级电子，增殖的电子又为 1和 2之间的电场加速，打到第二个倍增极 2上，平均每个电子又打出个次级电子，这样经过级倍增后，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。（）能量分辨率。由于形成阳极电流脉冲之前的各种过程的统计性质，对应于某一定能量的粒子，光电倍增管的输出脉冲的幅度的大小仍有起伏（图 1.2-4）。通常把脉冲计数率随脉冲幅度分布的半宽度 与计数率最大值对应的脉冲幅度 0之比定义为能量分辨 。3由于粒子能量与脉冲幅度成正比，所以能量分辨率（1.2-3）影响能量分辨率的主要因素有：同一能量的粒子在闪烁体中产生的光子
6、数目不同。这是由于：a.闪烁体发光过程的统计涨落；b.闪烁体的非均性使不同点的发光效率不同；c.入射粒子穿过晶体的角度、位置不同所带来的在晶体内损失能量的不同。粒子的入射位置不同，闪烁体所发出的光能到达光阴极的收集效率也不同。光阴极表面的不均匀性，阴极的不同位置发射光电子的效率不同。光阴极发射光电子数和光电倍增管的倍增系数的统计涨落。光电倍增管的本底脉冲噪声将叠加在入射粒子的脉冲信号上使之发生涨落。NaI(Tl)晶体对 137的 0.662的 射线能量分辨率约为。4. 闪烁谱仪对 137单能 射线的响应由于 137只放出单一能量的 射线（ 0.662）。而此 射线能量小于正、负电子对的产生阈
7、1.02。所以的 射线与（）晶体的相互作用只有光电效应和康普顿散射两个过程。图 1.2-5 给出了用（）晶体 谱仪所测得的 137的 能谱，其中号峰相应于光电峰，号峰左面的平台相应于康普顿电子的贡献。如果康普顿散射产生的散射光子 未逸出晶体，仍然为（）晶体所吸收，也即通过光电效应把散射光子的能4量 转换成光电子能量，而这个光电子也将对输出脉冲做贡献。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 e ，即等于入射 射线的
8、能量。所以这一过程所形成的脉冲将叠加在光电峰之上使之增高。为了确切起见，号峰又称为全能峰。图 1.2-5 的康普顿电子平台上还出现一个号峰，它是由于入射 射线穿过晶体，打到光电倍增管上发生的康普顿散射，反散射的光子返回晶体，与晶体发生光电效应所形成的。返回散射光子能量 c（max） 0.184，所以号峰称为反散射峰。当然 射线在源衬底、源容器材料上的反散射也会对反散射峰有贡献。图 1.2-5 中能量最小的那个峰是因为 137的 衰变子体 137在退激时，可能不发生 射线，而是通过内转过程，把的电子打出。这一过程将导致发生的系射线，所以这个峰对应于的系射线的能量（左右）。137的 谱是比较典型的
9、，常用 137作为标准源，一方面用来检验 谱仪的能量分辨率，另一方面作为 射线能量测量的相对标准。5. 闪烁谱仪的能量线性关系利用闪烁谱仪作 射线能量测定时，最基本的要求是在入射 射线的能量和它产生的脉冲幅度（指全能峰的位置）之间有确定的关系；对于理想的闪烁谱仪，脉冲幅度与能量之间应呈线性关系；对于实际（）闪烁谱仪在较宽的能量范围内（00到00）是近似线性的。这是利用该谱仪进行射线能量分析与判断未知放射性核素的重要依据。通常，在实验上利用系列 标准源，测量相应全能量峰处的脉冲幅度，建立 射线能量及其对应峰位的关系曲线，这条曲线即能量刻度曲线。典型的能量刻度曲线为不通过原点的一条直线，即（1.2
10、-4）式中 xp为全能峰峰位； 0为直线截距；为增益（即单位脉冲幅度对应的能量）。能量刻度曲线可以选用标准源 137（0.662）和 60（1.17、1.33）来作，如图 1.2-6 所示。实验中欲得到较理想的线性，还要注意放大器和单道分析器甄别阈的线性，进行必要的检验与调整。此外，实验条件变化时应重新进行刻度。5（一） 核衰变的统计规律实验目的1.了解 NaI(TI)计数管的几个基本性能。2.学会正确使用 NaI(TI)闪烁谱仪的方法。3.了解并验证原子核衰变及放射性计数的统计性质。实验内容1.熟悉谱仪各组件正确使用方法，并把各组件正确无误地连接起来。2.按各部件操作规程，启动各部件（高压电
11、源最后启动） ，检查各部件工作是否正常。3.调节光电倍增管工作电压及放大器放大倍数，使放大器输出脉冲的脉冲幅度小于。4.测 137和 60的能谱。再调节线性放大器的放大倍数，使 137和 60的全能谱合理分布在适当的区间内，依次或同时测量这两个 源的能谱。用最小二乘法拟合直线方程计算增益和截距 0。5.从测量的计数脉冲幅度曲线，计算闪烁谱仪的能量分辨率 。6.验证核衰变规律。原子核衰变服从统计规律，因此多次测量同一时间间隔内的计数，应服从统计分布，如高斯分布或泊松分布。实验数据与处理61、放大器电压 590V 时 能谱和 能谱137Cs 60时刻 /s 峰道址 峰半高宽 能量分辨率 峰净面积1
12、37Cs 200.68 197.81 21.11 10.67% 980960 208.63 347.77 11.00 3.16% 62397.83 14.74 3.71% 562、放大器电压 600V 时 能谱和 能谱137Cs 60时刻 /s 峰道址 峰半高宽 能量分辨率 峰净面积137Cs 173.21 225.22 25.55 11.34% 831060 209.23 394.94 12.62 4.68%458.30 15.33 4.16%3、放大器电压 610V 时 能谱和 能谱137Cs 60时刻 /s 峰道址 峰半高宽 能量分辨率 峰净面积137Cs 151.31 254.37 2
13、9.13 11.45% 669260 200.43 447.57 19.51 4.36%519.71 21.22 4.08%4、闪烁谱仪的能量线性关系(定标)放大器电压/V峰道址137Cs（ ）0， =0.662峰 1 道址60（ ）1， =1.17峰 2 道址60（ ）2， =1.33590 197.81 347.77 397.83600 225.52 394.94 458.30610 254.37 447.57 519.717经过线性拟合可以得到 590V 时， G0=0.00335，E0=3.0334E-4经过线性拟合可以得到 600V 时， G1=0.0029，E0=0.012538经
14、过线性拟合可以得到 610V 时， G2=0.00254，E0=0.01939（三）快速电子的动量和动能之间的相对论关系实验目的1.验证快速电子的动量和动能之间的相对论关系2.掌握用 磁谱仪获得单一动量电子的方法和同时测量相应动能的方法。3.学会测量射线能谱实验内容1.标定（）闪烁谱仪的能量刻度曲线（参看实验1.2内容） 。2.在已抽真空的 磁谱仪上测定电子动量为 i对应的电子能量 ki，获得一组数据（P i， ki） ， （1，2，） ；探测器与 源的距离 应取9cm24cm 范围，这样可以获得动能在0.4-1.8范围的电子。3.数据处理和计算，计算中需考虑对 粒子动能的二项修正：(1)在1
15、膜中能量损失修正；(2)在有机塑料薄膜中能量损失修正。实验原理1.狭义相对论的动量与能量关系为 222=02（1.6-1）9式中 0 0c2为静止能量， 2为相对论定义的能量，为相对论定义的动量。（1.6-2）式中 ， 为光速。而动能与动量的关系为： =0=22+02402（1.6-3）当 150) 把大部分的能量( 接近于电子能量的最大值, 即康普顿边的能量) 都传递给了电子, 又返回到晶体中, 这时由于 C 射线能量较低, 产生光电效应的几率较高, 因此这部分 C 射线产生的光电效应打出的光电子的能量为 0. 662- 0. 477= 0. 184MeV。这就是我们在能谱图中看到的反散射峰
16、。由上面的分析可知反散射峰主要由打到光电倍增管上或晶体周围物质上后反散射回到晶体中的 C 射线产生。如果能想办法使这种反散射减少 , 就应该使能谱上的该峰减弱。放射源辐射 C 射线的方向具有一定的随机性 , 它在源衬底材料上的反散射无法控制。对于射向光电倍增管的射线也不能加以限制, 因为最终对能谱的测量和观察全靠光电倍增管将晶体中产生的光脉冲转换成电脉冲。因此只能限制射向晶体周围物质的射线。基于以上情况有两种实验方案。一种是通过加大探头和放射源之间的距离以加大射线对晶体周围物质的入射角并观察反散射峰和光电峰计数率的变化。结果距离改变较小时计数率的变化不明显, 而距离拉得太远又影响探头的探测效果。二是在放射源和探头之间加一个准直装置。在放射源和探头间距离不变的情况下通过改变两屏蔽铅砖间的距离 b 限制射向晶体周围物质的射线。【参考资料】1 复旦大学、清华大学、北京大学合编.原子核物理实验方法（上、下册） M.北京：原子能出版社，19812 王祝翔.核辐射探测器及其应用M. 北京：科学出版社， 19643 于桂英、李履平.辽宁教育学院学报.第 15 卷 第 5 期 1998 年 9 月
