近代物理实验2-2闪烁计数器及γ能谱测量.doc

闪烁计数器及能谱测量方啸（南开大学物理科学学院，天津 300071）【摘要】本文介绍了闪烁计数器的基本结构、工作原理，并阐述了闪烁谱仪测量能谱的原理和基本方法。之后作者通过设计实验和分析数据测量了137Cs和60Co的射线脉冲谱，并求出了谱仪的能量分辨率。【关键字】闪烁计数器 闪烁体 光电倍增管 射线 能量分辨率1. 引言闪烁计数器(scintillation counter)是一种射线（、射线等）探测器。它利用一些物质在射线作用下的发光效率对射线进行探测，这些发光物质称为闪烁体。闪烁计数器是1944年由Samuel Crowe Curran发明12。闪烁计数器优点是效率高，有很好的时间分辨率和空间分辨率，时间分辨率可达10-9秒，空间分辨率可达毫米量级本文第二个部分先介绍了闪烁计数器的结构组成，阐述了其重要部件闪烁体和光电倍增管的工作原理。第三部分分析了闪烁计数器的输出脉冲。第四部分阐述了射线在闪烁体中发生的三种吸收作用。第五部分说明了实际的脉冲分布情况，并计算了能量分辨率。第六部分是实验的具体设计。第七部分对实验获得的数据进行分析处理。实验成功测得了137Cs和60Co的射线脉冲谱，并求出了谱仪的能量分辨率。2. 闪烁计数器基本结构图1 闪烁计数器实验装置图闪烁计数器由闪烁体、光电倍增管和前置放大器三部分组成（如图1），共同装在不透光的外壳内。3图2 闪烁体的激发过程射线进入闪烁体，激发其中分子或结晶系统的电子，使处于激发态。一部分电子回复到基态时，退激发放出光，其余的激发能转为分子热运动或晶格振动能等（见图2）。若闪烁体吸收射线的能量为，闪烁体的发光效率为，闪烁体发光其每个光子平均能量为，则吸收的能量后闪烁体发出光子数为 (1)对闪烁体的性能有如下要求：对射线的阻止本领大；发光效率高，且不随吸收能量大小而变；发光延续时间短；透明度好；易于制造加工,性能稳定等。常用的闪烁体种类有无机晶体,有机晶体,有机溶剂,塑料,气体。光电倍增管内有光阴极，十个左右的倍增极和阳极，密封在真空管壳内 (见图3)。光电倍增管的基本原理是从光阴极发射光电子,光电子入射到后面的倍增极并从此倍增极发射出更多的次级电子，倍增极的增益g350(由入射电子能量决定)，总的增益。图3 光电倍增管3. 闪烁计数器输出脉冲闪烁体吸收一个能量为E入射粒子，在其激发下发射的光子数为N。这些光子打在光阴极上能打出PN个光电子(R闪烁体的发光衰减时间）,电压脉冲幅度为 (2)此脉冲经过放大倍数为A的线性放大器放大，最后得到脉冲幅度为 (3)4. 闪烁体的吸收闪烁体对射线的吸收有三种效应：光电效应，康普顿效应，电子对产生。各种效应产生电子对能量不同，产生的脉冲幅度也不同。（1） 光电效应产生的光电子动能与射线的能量之间的关系为 (4)其中为光电子原来所在电子壳层的结合能。输出脉冲与它们的总和也就是和对应。于是在发生光电效应时输出脉冲幅度为 (5)（2） 康普顿效应康普顿效应是射线被自由电子散射。散射角为时，散射光子的能量为 (6)其中是以电子静止质量0.51MeV为单位的射线能量。对应的康普顿反冲电子的能量为 (7)康普顿电子一般都能被闪烁体吸收，产生幅度为的脉冲，大小是从零到连续分布的。（3） 电子对产生当时，射线可能在原子或电子的场中转换成一对正负电子。能量关系为 (8)5. 能量分辨率因为闪烁体的发光，光阴极的光电子发射，倍增极的次电子发射等都服从统计规律，存在一定的统计涨落；闪烁体各部分的发光效率和光的收集效率不会完全一样，光阴极各部分的灵敏度也有差别。这样即使闪烁体吸收一束能量为E的带电粒子，得到的脉冲幅度不是都等于VE，而是以VE为中心有一定的分布 (见图4)图4 单能粒子的脉冲分布闪烁谱仪的结构图见图5。图5 闪烁谱仪方框图6. 实验设计（1）测60Co的射线脉冲谱（2）测137Cs的射线脉冲谱7. 数据分析实验（1）测量60Co的射线脉冲谱，固定道宽0.2V，幅度为0-10V，数据见表1的第二列，做出的脉冲谱见图6。实验（2） 测量137Cs的射线脉冲谱，幅度为0-10V，道宽分别为0.2V和0.3V,数据见表1的第三列和第四列，做出的脉冲谱见图7。表1阈值(V)60Co道宽0.2V137Cs道宽0.2V137Cs道宽0.3V0604175930.1461563630.2871928670.38979713420.4119115314090.514484110990.61263986470.71423815490.81493755710.911740555411333675571.11094025441.21153875591.31183895671.41124176161.51373826071.61043826291.71063916311.8984226071.91004326522874327102.1644947132.2705207652.3705258612.4695238352.5605157752.6555397522.7535207252.8654597012.9624206773724176363.1493755833.2603785433.3613775563.4453335393.5493284953.6732994653.7552974893.8593054563.9603004554492674344.1532994594.2622814314.3563204274.4562714074.5712914524.6552804294.7532734024.8612814144.9612904125572444205.1682544225.2522673985.3572714215.4612043575.5811713085.6571752495.7711322125.8751181805.96294159658971326.154791316.255781006.362901116.4671101476.5501091466.6531282046.7531602196.8471582746.9532463607662784077.1613765047.2614536727.3845818287.4836729777.57972910757.68486912217.77284413497.84986112447.95070910728445839538.1354337318.2462875178.3531663398.456741968.552481148.65123628.7333278.831478.92321912479.17379.25239.34239.41239.52239.62329.73259.81619.912210123图6 60Co的射线的脉冲谱图7 137Cs的射线的脉冲谱求能量分辨率：对图7中的0.3道宽的曲线估计，0.661MeV的脉冲峰值出现在7.9处，半高宽为1.6，能量分辨率为。思考1：根据图7可以得出道宽越大测量到的脉冲就越明显。思考2：同一个闪烁计数器的脉冲幅度V与吸收射线的能量E成正比，即，对于能量为1.17MeV和1.33MeV的射线由于之比为1.137使得高度也应该为1.137，而由图7可知此比值为1.147，相对误差为0.88%，故与理论符合程度较好。8. 结论本文讨论了闪烁计数器的结构和工作原理，并阐述了闪烁谱仪测量能谱的原理和基本方法。之后作者通过设计实验和分析数据成功测量了137Cs和60Co的射线脉冲谱，并估计了谱仪的能量分辨率。【参考文献】1. Curran, Samuel C. Counting tubes, theory and applications, , Academic Press (New York), 1949 (/b/OL17868379M/Counting_tubes)2. Oxford Dictionary of National Biography (/view/article/69524)3. 高立模. 近代物理实验, 南开大学出版社. 2006Scintillation Counter and Measurement of Energy Spectrum of -RayFang Xiao(Institute of Physics, Nankai University, Tianjin 300071, China)Abstract: In this paper, the fundamental structure and principles of scintillation counters are introduced and the principles and methods of measuring the energy spectrum using a scintillation spectrometer are elaborated. Then experiments are designed and execu