γ射线的能量和强度测量

1、射线的能量和强度测量匡亚明学院理科强化部 姚路驰一、实验目的：了解 闪烁谱仪的组成，基本特性及使用方法。掌握测量 射线的能量和强度的基本方法。二、基本原理：1 闪烁谱仪的组成闪烁谱仪由探头，高压电源，线性放大器，微机多道分析器组成，如图（1）所示： 探头由 闪烁体、光电信增管、射极输出器组成。当 射线进入 闪烁体后，会与物质发生多种相互作用。当 射线的能量不太高时 ，作用过程主要有光电效应，康普顿散射效应和电子对效应三种，作用的结果，产生了具有一定动能的次级电子，而 射线被吸收或散射，这些次级电子获得的动能 与 射 光子的能量 的关系如表1所示表1 射线在 闪烁体中相互作用的基本过程基 本 过

2、 程次级电子获得能量 （1）光电效应+原子 原子激发或 离子激发+电子（ 为该层电子结合能）（2）康普顿散射+电子 （散射）+反冲电子按 ， 为散射角，从0至最大能量 连续分布，峰值在最大能量处。（3）电子对产生+原子 原子+ 电子对均分能量 次级电子在闪烁体中运动时，使闪烁体的原子激发而发射出荧光光子，光电倍增管的光阴极收集这些荧光光子后发射出光电子，光电子再经过倍增后由阳极收集，在阳极负载电阻上形成一个电压脉冲信号。这一信号经过射极输出器放大后再输出至线性放大器，因此，探头输出信号的电压脉冲幅度，与次级电子在闪烁体中损失的能量成正比，次级电子的能量来自于入射的 光子，所以信号脉冲的幅度也与

3、入射的 光子的能量有关，由表1可知，由于三种不同的相互作用，对相同能量 的入射 射线，也可以产生不同能量的次级电子。因此对于单能的 射线，所得到的信号脉冲幅度也有一个很宽的分布。当入射 射线的能量 时，光电效应占优势，随着 射线的能量增加，发生康普顿效应的几率也增加，当 ，才有可能出现电子对效应，并且随着 的增加，发生电子对效应的几率也显著上升。光电效应主要发生在原子的K壳层上， 光子击出K壳层的电子的同时，外层电子立即跃迁到K壳层上的空穴并发射出X射线，在晶体中X射线再次被吸收而产生一个新的次级电子，上述两个过程几乎是同时进行的。因此相应的输出信号是迭加在一起的。即光电效应产生的脉冲幅度直接

4、代表了 射线的能量，在 能谱上由光电效应产生的峰称作光电峰。通常也称为全能峰，康普顿效应中多次散射的累计效应和电子对效应中两个湮没光子被全吸收时，对全能峰也有贡献，但这一过程的比例很小，所以全能峰中的计数主要由光电效应所产生。图2给出了用 闪烁谱仪所测得的 源的 能谱。图中1号峰为全能峰，对应的 射线的能量为0.662Mev，1号峰左面的平台相应于康普顿散射产生的次级电子的贡献，根据康普顿散射的特性，次级电子的动能的值可以在0到最大值0. 478Mev之间连续分布。峰值在最大能量处，所以从0到E=0. 478Mev之间出现一个连续分布的平台，称为康普顿平台。2号峰为反散射峰，它是由能量 =0.

5、662Mev的 光子穿透 晶体后打到光电倍增管上，发生散射角为180的散射后返回到晶体中的 光子产生的，可以求得反散射的光子能量值 在源的衬底及周围物质上产生的反散射，对2号峰也有贡献。图中最左边的峰是 的子体 的K X射线峰，相应的 。闪烁谱仪的主要性能指标。（1）能量的线性关系能量线性是指测得的 能谱上全能峰的道址X与相应的 射线能量 之间的线性关系。可以用下式表示： （1）式中G， 为一常数，其值与探测器的性质及谱仪的工作条件有关，对于 闪烁谱仪在 到 的范围内， 与X有线性关系。测量能量的线性关系，即用实验方法确定（1）式中的参数G与 的值叫做能量刻度。具体是：测量标准源的能谱（例如

6、源 ， ），找出两个全能峰的道址 ， ，代入（1）式，即可求得G和 的值。若谱仪的工作状态发生改变（如高压值，放大倍数发生改变），G与 的值也将改变，此时必须重新进行能量刻度。（2）能量分辨率能量分辨率是表示闪烁 谱仪区分不同 射线能量的本领的物理量，NaI(Tl)闪烁谱仪的能量分辩率一般用所测得的 标准源的 能谱上的全能峰的半宽度来表示，如图2所示。设全能峰的道址为 ，对应于峰计数率一半的两个道址为 和 。则谱仪的能量分辩率 可以用下式表示： （2）的值越小，表示 谱仪分辩率不同能量的 射线的本领越强。影响谱仪分辩率的因素很多，主要有NaI(Tl)晶体的发光效率的非均匀性及统计性涨落，光电倍

7、增管的倍增系数的不稳定性，电子仪器的非线性等，此外，还与放射源的位置和性质有关，一般情况下， 的值为10%左右，最佳的数据为6%8%，对于能量相差太小的 射线，由于受分辩率的限制，NaI(Tl)闪烁谱仪无法区分，这时必须采用分辨本领更好的半导体 谱仪。（3）探测效率设 源的发射率为N， 谱仪的探测效率 可以用下式表示： （3）用这种方法定义的探测效率称作源峰探测效率，（3）式中的N为 射线发射强度， 为全能峰的总计数率由于N与源的活度成正比，如下式所示。全能峰的总计数可采用全能峰面积法来计算（TPA法）具体步骤如下： (4)式中A为活度，f为一常数道数图（3）1 选定所求的全能峰，在全能峰上选

8、定左，右两个边界道址 ， 一般选在峰两侧的峰谷处，如图3所示2 求得峰内各道计数的总和 3 计算本底计数 4 计算净计数 及统计误差。3微机多道分析器的工作原理及操作方法可参阅有关使用说明书三、实验内容与要求：（1）按图（1）检查实验装置，打开电源，微机执行UMS35软件，进入多道分析工作状态。（2）选择合适的高压和放大倍数，使测得的 标准源的两个全能峰道址在700到800之间。（3）测量 标准源的 能谱，并根据测量结果对 谱仪进行能量刻度，即求出（1）式中的常数G和 （4）测量 标准源的 能谱，根据测得的能谱，计算 谱仪的能量分辩率 及探测效率 （已知 标准源的活度A=53.3103Bq）（

9、5）测量 的 能谱，计算 射线的能量（6）测量待测 源的活度 及误差 （7）测量结束，先把高压降至0，再关机四、数据处理1.能谱仪能量分辨率由Cs-137标定：能谱仪探测效率由Cs-137标定：2.代入Cs-137和Co-60右峰数据可得代入Co-60左峰数据验证得 理论值3.测量待测Co-60源强：待测Co-60源强4.改变高度待测Co-60源强五、思考题（1） 的 能谱上有无电子对效应的贡献，为什么？答：由于康普顿效应中多次散射的累计效应和电子对效应中两个湮没光子被全吸收时，对全能峰也有贡献，但这一过程的比例很小，所以全能峰中的计数主要由光电效应所产生。电子对效应的贡献不体现在全能峰上。而且只有当E足够大时，才会有电子对效应。（2）测量 能谱