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NaI（Tl）闪烁谱仪器及射线能谱的测量 射线的吸收与物质吸收系数的测定学 院 数理与信息工程学院 班 级 姓 名 学 号 NaI（Tl）闪烁谱仪器及射线能谱的测量 摘要：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5g射线的仪器。本实验要利用NaI（Tl）闪烁探测仪来测定射线能谱分布规律。然后，通过分析结果，在得出结论,目的是了解NaI(T )闪烁谱仪原理，特性与结构。掌握NaI(T )闪烁谱仪的使用方法；鉴定谱仪的能量分辩率与线性；并通过对r射线能谱的测量，加深对r射线与物质相互作用的理解。关键词：闪烁谱仪 能谱 射线 NaI（Tl）引言：某些物质的原子核能发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线，核辐射主要有、三种射线。我们通过不同的实验仪器能够探测到这些肉眼无法看见的射线。本实验使用的是闪烁谱仪。闪烁谱仪内部含有闪烁体，可以把射线的能量转变成光能。实验中采用含TI（铊）的NaI晶体作射线的探测器。通过查阅相关资料，我了解了闪烁谱仪的基本工作原理以及整个的工作过程：NaI(TI)闪烁探测器的结构如下图所示。整个谱仪由探头（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等组成。闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子放大器件三个主要部分组成。（1）闪烁体: 闪烁体是用来把射线的能量转变成光能的。本实验中采用含TI（铊）的NaI晶体作射线的探测器。（2）光电倍增管: 光电倍增管的结构如图2。它由光阴极K、收集电子的阳极A和在光阴极与阳极之间十个左右能发射二次电子的次阴极D（又称倍增极、打拿极或联极）构成。在每个电极上加上正电压，相邻的两个电极之间的电位差一般在100V左右。当闪烁体放出的光子打到光阴极上时，发生光电效应，打出的光电子被加速聚集到第一倍增极D1上，平均每个光电子在D1上打出36个次电子，增值后的电子又为D1和D2之间的电场加速，打到第二倍增极D2上，平均每个电子又打出36个次级电子，这样经过n级倍增以后，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。（3）射极跟随器：光电倍增管输出负脉冲的幅度较小，内阻较高。一般在探头内部安置一级射极跟随器以减少外界干扰的影响，同时使之与线性放大器输入端实现阻抗匹配。（4）线性放大器：由于入射粒子的能量变化范围很大，线性放大器的放大倍数能在101000倍范围图 2 百叶窗式光电倍增管示意图内变化，对它的要求是稳定性高、线性好和噪声小。开启实验仪器工作时射线通过闪烁体，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比，即入射线的能量越大，在闪烁体内损失能量越多，闪烁体的发光强度也越大。当射线（如、）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，当闪烁光子入射到光阴极上，就会产生光电子，这些光电子受极间电场加速和聚集，在各级打拿极上发生倍增（一个光电子最终可产生104109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。由原子物理学中可知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，如图 3所示。 图 3 射线与物质相互作用示意图最终实现了能谱图样的输出如下：图中的横坐标CH表示道数，与能量成正比，纵坐标表示强度，也就是射线的密集程度，与计数成正比。显然多于实验产生了多个峰值，但是B/C/D这三个峰值的能量比较低，不适合我们记录，为了能够同时获得高能量以及大密集度的峰值我们选取最右端的峰值，也就是A峰。这个峰我们又把它称为全能峰。实验过程中要保证最终的峰值与图中A峰的CH（道数）尽量的接近，这样测得的结果才有实验价值。正文：实验设计方案： 实验所选用的仪器为相对论效应实验谱仪res-02型 出厂编号0441 放大器型号rs2321、打开实验仪器，打开计算机。取出放射源Cs和Co，开机预热二十分钟；把放射源放在先将放射源放入实验谱仪中适当的位置，调节放大倍数（大约是0.3），调节高压（700-900左右）。转动实验谱仪上的手柄，使闪烁体的位置对准放射源，使射线能够刚好入射进入闪烁体。注意，放射源放置时要紧靠通道，位置要正。2、打开软件，设置扫描时间为300s，将坐标定到160chn，若全能峰不在160上，清除数据调整电压，直到在160上。分别测的全能谱并分析谱形。利用多道数据处理软件对所测得的谱形进行数处理，寻峰，半宽度记录，净面积记录，能量刻度，能量分辨率等数据。3、把换成60Co，重复以上步骤；注意，扫描时间为500S，将坐标定到320chn.4、然后将实验所得图像保留并打印；5、关闭RS能偶仪的时候要先把仪器上的调节开关全部打到0档，并把数据调到0再关闭仪器的电源。射线的吸收与物质吸收系数的测定摘要：本实验研究的主要是窄束射线在金属物质中的吸收规律。测量射线在不同厚度的铅、铝中的吸收系数。通过对射线的吸收特性，分析与物质的吸收系数与物质的面密度，厚度等因素有关。根据已知一定放射源对一定材料的吸收系数来测量该材料的厚度。关键词：射线 吸收系数 60Co、137Cs放射源引言：射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继、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射线 。射线具有比X射线还要强的穿透能力。射线是处于激发态原子核损失能量的最显著方式，跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激发态、而原子序数Z和质数A均保持不变的退激发过程。射线是光子，光子会与被束缚在原子中的电子、自由电子、库伦场、核子等带电体发生相互作用。不同能量的射线与物质的相互作用效果不同，为了有效地屏蔽辐射，需要根据物质对射线的吸收规律来选择合适的材料及厚度，反之，利用物质对射线的吸收规律可以进行探伤及测厚等。因此研究不同物质对射线的吸收规律的现实意义非常巨大，如在核技术的应用与辐射防护设计和材料科学等许多领域都有应用。正文：1实验原理1.1 射线与带电体的作用原理射线与带电体的相互作用会导致三种效应中的一种。理论上讲，射线可能的吸收核散射有12种过程。这些效应所释放的能量在10KeV到10MeV之间的只有三种，也就是基本上每种相互作用都产生一种主要的和吸收散射过程。这三种主要过程是：1.1.1光电效应：低能光子所有的能量被一个束缚电子吸收，核电子将其能量的一部分用来克服原子对它的束缚，成为光电子；其余的能量则作为动能，发生光电效应。1.1.2 康普顿效应：光子还可以被原子或单个电子散射，当光子的能量（约在1MeV）大大超过电子的结合能时，光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子 ，使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向都发生了变化，发生康普顿效应。1.1.3 电子对效应：若入射光子的能量超过1.02MeV，光子在带电粒子的库仑场作用下则可能产生正、负电子对，产生的电子对总动能等于光子能量减去这两个电子的静止质量能(2mc2=1.022MeV) 1.2 三种射线与带电体发生相互作用的基础上，物质对射线的吸收规律如下：1.2.1作用特点：射线与物质原子间的相互作用只要发生一次碰撞就是一次大的能量转移；它不同于带电粒子穿过物质时，经过许多次小能量转移的碰撞来损失它的能量。带电粒子在物质中是逐渐损失能量，最后停止下来，有射程概念；射线穿过物质时，强度逐渐减弱，按指数规律衰减，不与物质发生相互作用的光子穿过吸收层，其能量保持不变，因而没有射程概念可言，但可用“半吸收厚度”来表示射线对物质的穿透情况。1.2.2吸收规律：本实验研究的主要是窄束射线在物质中的吸收规律。所谓窄束射线是指不包括散射成份的射线束，通过吸收片后的光子，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。“窄束”一词是实验上通过准直器得到细小的束而取名。这里所说的“窄束”并不是指几何学上的细小，而是指物理意义上的“窄束”，即使射线束有一定宽度，只要其中没有散射光子，就可称之为“窄束”。窄束射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度就会减弱，这种现象称为射线的吸收。射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即 （21）其中，I0、I分别是穿过物质前、后的射线强度，x是射线穿过的物质的厚度（单位cm），r是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，N是吸收物质单位体积中的原子数，是物质的线性吸收系数（=rN，单位为cm）。显然的大小反映了物质吸收射线能力的大小。需要说明的是，吸收系数是物质的原子序数Z和射线能量的函数，且：式中、分别为光电、康普顿、电子对效应的线性吸收系数；其中：、（Z为物质的原子序数）。射线与物质相互作用的三种效应的截面都是随入射射线的能量Eg和吸收物质的原子序数Z而改变。射线的线性吸收系数是三种效应的线性吸收系数之和。右图给出了铅对射线的线性吸收系数与射线能量的线性关系。实际工作中常用质量厚度Rm（g/cm2）来表示吸收体厚度，以消除密度的影响。因此（31）式可表达为 （22）由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率N总与该时刻的射线强度I成正比，又对（32）式取对数得： （23）由此可见，如果将吸收曲线在半对数坐标纸上作图，将得出一条直线，如右图所示。可以从这条直线的斜率求出，即 （24）除吸收系数外，物质对g射线的吸收能力也经常用“半吸收厚度”表示。所谓“半吸收厚度”就是使入射的g射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作： （25）2实验装置2.1实验器材放射源137Cs和60Co(强度1.5微居里)；200mmAl窗NaI(Tl)闪烁探头；高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器；Pb、Cu、Al吸收片若干；微机。2.2实验装置连接方式做射线吸收实验的一般做法可按如上图（a）所示，在源和探测器之间用中间有小圆孔的铅砖作准直器。吸收片放在准直器中间,前部分铅砖对源进行准直；后部分铅砖则滤去射线穿过吸收片时因发生康普顿散射而偏转一定角度的那一部分射线，从而确保射线为窄束射线。这样的装置体积比较大，且由于吸收片前后两个长准直器使放射源与探测器的距离较远，因此放射源的源强需在毫居里量级。但它的窄束性、单能性较好，因此只需闪烁计数器记录。本实验中，在源的源强约2微居里的情况下，由于专门设计了源准直孔（312mm），基本达到使射线垂直出射；而由于探测器前有留有一狭缝的挡板，更主要由于用多道脉冲分析器测能谱，就可起到去除射线与吸收片产生康普顿散射影响的作用。因此，实验装置就可如上图（b）所示，这样的实验装置在轻巧性、直观性及放射防护方面有前者无法比拟的优点，但它需要用多道分析器，在一般的情况下，显得有点大材小用，但在本实验中这样安排，可以说是充分利用现有的实验条件。3实验步骤1) 调整实验装置，使放射源、准直孔、闪烁探测器的中心位于一条直线上。2) 在闪烁探测器和放射源之间加上0、1、2 片已知质量厚度的吸收片（所加吸收片最后的总厚度要能吸收射线70%以上），进行定时测量（建议t=1200秒），并存下实验谱图。3) 计算所要研究的光电峰净面积Ai=Ag-Ab，这样求出的Ai就对应公式中的Ii、Ni。4) 分别用作图法和最小二乘法计算吸收片材料的质量吸收系数。5) 依照上述步骤测量Pb、Al对137Cs的射线（取0.661MeV光电峰）的质量吸收系数。6) 测量Pb、Al对60Co的射线（取1.17、1.33MeV光电峰或1.25MeV综合峰）的质量吸收系数（选做）。7) 利用Al对137Cs的射线（取0.661MeV光电峰）的质量吸收系数测Al片厚度。4数据处理4.1 137Cs与60Co为伽马放射源的全能谱见附件。4.2 以下是在以金属Al测试以137Cs为放射源的Al吸收系数的测定1）铝块对射线的吸收测量：参数设置，预置时间300s，高压电源667V，放大倍数0.3倍，全谱道数512道，扩展道数128道，位置40.5cm铝块数量R(g/c)计数总计数率峰位半高宽净面积分辨率一块2.4017698325th=163.251.73chn-1632251.06%两块2.40+2.441460770163.271.59chn-1369400.97%三块2.40+2.44+2.421230723163.111.34chn-1215110.82%四块2.40+2.44+2.42+2.43987687163.101.11chn-977930.68%2）铅块对射线的吸收测量：参数设置，预置时间300s，高压电源667V，放大倍数0.3倍，全谱道数512道，扩展道数128道，位置40.5cm铅块数量R(g/c)计数总计数率峰位半高宽净面积分辨率一块2.4016326834th=163.423.14chn-1501681.92%两块2.40+2.4413605654th=162.902.30chn-1298371.41%三块2.40+2.44+2.4210634673th=163.012.68chn-1013291.64%四块2.40+2.44+2.42+2.438763914th=163.112.34chn-804931.43%3）137Cs全能峰的测量：参数设置，预置时间300s，高压电源667V，放大倍数0.3倍，全谱道数512道，扩展道数128道，道数160道137Cs刻度（cm）总计数率峰位半高宽净面积分辨率位置一40.518232th=157.53chn14.90chn335829.46%位置二40.718642th=157.44chn15.17chn486449.63%位置三40.317512th=157.44chn14.95chn397149.5%4）60Co全能峰的测量参数设置，预置时间500s，高压电源668V，放大倍数0.3倍，全谱道数512道，扩展道数128道，道数320道60Co刻度（cm）总计数率峰位半高宽净面积分辨率位置一40.54125th=318.24chn15.69chn17584.93%位置二40.74244th=314.68chn18.20chn12985.78%位置三40.33825th=323.77chn16.56chn12645.12%5 数据分析运用公式2-4式对十组数据所得的进行求平均可以计算出Al对射线的吸收系数为:Pb对射线的吸收系数为:Al=0.0780cm-1，相对误差=59.8%Pb对射线的吸收系数为:Pb=0.8698cm-1，相对误差=28.3