NaITl闪烁谱仪系列实验

1、nal (tl)闪烁谱仪系列实验张瑞 111120199一、实验原理1. 丫射线与物质的相互作用丫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。(1) 光电效应。入射丫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e i 般远小于入射丫射线能量e y,所以光电子的动 能近似等于入射丫射线的能量e 光电=e t e ie 丫(2) 康普顿散射。核外电子与入射丫射线发生康普 顿散射的示意图见图 1.2-1。设入射丫光子能量为h -, 散射光子能量为h ，则反冲康普顿电子的动能e ee e=h 丁 一h v康普顿散射后散射光

2、子能量与散射角0的关系为1 + cz(l-(1.2-1 )hva =式中,即为入射丫射线能量与电子静止质量所对应的能量之比。由式(1.2-1 ),当0 =0时h =h ，这时ee=0,即不发生散射；当0=180。时，散射光子能量最小，它等于h ：/(1 + 2 a ),这时康普顿电子的能量最大，为总 jyvi *2"亡皿如1晋(1.2-2 )hv 所以康普顿电子能量在0至1 -之间变化。(3) 正、负电子对产生。当丫射线能量超过2 m oc 2 ( 1.022 mev)时，丫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。入射丫射线的能量越大，产生正、负电子对的几率也越大。在

3、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 mev的丫光子。2闪烁谱仪结构与工作原理nal (t1 )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)，高压电源，线性放大器、多道脉冲幅度分析器几部分组成。射线通过闪烁体时，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a、 3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； 不带电的丫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e y> 1

4、.02 mev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子在闪烁体内消耗m l?-2凶烁谴垃相團的能量（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（1）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

5、象和要求选择不同的闪烁体。本实验中采用含铊（t i ）的nal晶体作丫射线的探测器。（2）光电倍增管。光电倍增管的结构如图1.2-3。它由光阴极k、收集电子的阳极a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 v左右。当闪烁体发出的光子打到光阴极时，它打出的光电子被加速聚焦到第一倍增极di上，平均每个光电子在d i上打出36个次级电子，增殖的电子又为d i和d2之间的电场加速，打到第二个倍增极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）能量

6、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 ）。通常把脉冲计数叫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uo之比定义为能量分辨* 1.24堰出脉冲幅度菲稱蚯由于粒子能量与脉冲幅度成正比，所以能量分辨率用如 a55 - "v-j (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

7、，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。nal(ti)晶体对137 cs的0.662 mev的丫射线能量分辨率约为6%8%。罔的了能谱4闪烁谱仪对137 cs单能丫射线的响应由于137 cs只放出单一能量的 丫射线(e 丫 = 0.662 mev)。而此丫射线能量小于正、 负电子对的产生阈1.02 mev。所以cs的 丫射线与nai(tl )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

8、用nal (t1 )晶体丫谱仪所测得的137cs的丫能谱，其中1号峰相应于光电峰，1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h ;未逸出晶体，仍然为nai(t1 )晶体所吸收，也即通过光电效应把散射光子的能量h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ee+h l = h l，即等于入射丫射线的能量。所以这一过程所形成的脉冲将叠加在光电峰

9、1之上使之增高。为了确切起见，1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2号峰，它是由于入射丫射线穿过nal晶体，打到光电倍增管上发生18 0°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hv'=e y e c (max) = 0.184 mev，所以2号峰称为反散射峰。当然丫射线在源衬底、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137cs的b衰变子体137ba在退激时，可能不发生丫射线，而是通过内转过程， 把ba的k电子打出。 这一过程将导致发生ba的k系x射 线，所以这个峰对应于b

10、a的k系射线的能量(3 2kev左右)。137cs的丫谱是比较典型的，常用137cs作为标准源，一方面用来检验丫谱仪的能量分 辨率，另一方面作为 丫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丫射线能量测定时，最基本的要求是在入射 丫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nal (t1)闪烁谱仪在较宽的能量范围内(1 00kev到1300kev)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 丫标准源，测量相应全能量峰处的脉冲幅度，建立

11、丫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(1.2-4 )式中xp为全能峰峰位；e 0为直线截距；g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137cs( 0.662 mev )和6°co( 1.17、1.33 mev)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。監电 盒$1- fl故种帕授（/（一）辐射的能量和强度测量1实验目的1. 了解nal（ti）闪烁谱仪的组成，基本特性及使用方法。2. 掌

12、握测量射线的能量和强度的基本方法。2、实验内容1. 检查实验装置，打开电源，进入躲到分析工作状态。2. 选择合适的高压和放大倍数。3. 测量137 cs和60c。标准源的 能谱，并根据测量结果对谱仪进行能量刻度。4测量137 cs标准源的 能谱，根据测得的能谱，计算谱仪的能量分辨率及探测效率5.测量结束，先把高压降至 0，再关机。3、实验数据与处理1放大器电压580v时 能谱时刻/s峰道址峰半高宽能量分辨率峰净面积310276.3231.6011.44%21607350276.5031.7711.49%25290410272.3132.3611.88%28709源强2、闪烁谱仪的能量线性关系（

13、定标）放大器电压/v峰1道址（， ）峰2道址（， ）5704244855804865645905586421.344 町 490500 5w 52063d540560660673经过线性拟合可以得到580v时，g=0.0021 , e0=0.017经过线性拟合可以得到590v时，g=0.0019 , e0=0.011可以得到g和电压的变化曲线(三)快速电子的动量和动能之间的相对论关系1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3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2、实验内容1. 标定nai(tl )闪烁谱仪的能量刻度曲线(参看实验1.2

14、内容)。2. 在已抽真空的3磁谱仪上测定电子动量为p i对应的电子能量e ki,获得一组数据(p,e ki) , (i= 1, 2,，n);探测器与3源的距离 ax应取9cm 24cm范围，这样 可以获得动能在0.4-1.8 mev范围的电子。3数据处理和计算，计算中需考虑对3粒子动能的二项修正：(1)在a 1膜中能量损失修正；(2)在有机塑料薄膜中能量损失修正。3、实验原理1.狭义相对论的动量与能量关系为(1.6-1 ) 式中e o=m oc2为静止能量，e = mc 2为相对论定义的能量，p为相对论定义的动量。(1.6-2 )式中 b=v/c,c为光速。而动能与动量的关系为:(1.6-3

15、)当3 <<1时，式（1. e j）可展开为(1.6-4 )禺=阴矿即是经典力学中的动量一能量关系，对于电子有本实验就是验证狭义相对论的动量与动能的关系式（1.6-3 ）。图（1.6-1 ）显示了经典力学中和狭义相对论中的e k- pc关系曲线。2.为了获得单一动量的电子，可以选用半圆聚焦3磁谱仪。3粒子将受到洛仑兹力作用放射源出射的 3-粒子经准直后垂直射入一均匀磁场中，而作圆周运动，该电子具有恒定动量值而仅仅是方向不断变化。电子的圆周运动方程为di式中e为电子电荷，v为电子速度，e为磁场强度。由式（1.6-2）可知p = mv，对某一确定的动量值p,其运动速率为一常数，所以质量

16、m是不变的，故有并且有所以得到p=e br（1.6-5 ）式中r为电子的运动轨道半径，为源与探测器间距的一半。从图（1.6-2 ）和式（1.6-5 ）可以看出能量探测器放在不同r值处就可获得不同动量的单一动量电子，该动量电子的动能可用实验1.2中的nai（tl ）闪烁谱仪经137cs和60co放射源标定过的能量刻度曲线获得，对应能量的电子束强度通过峰面积也能测定。3. 用放射源的3衰变获得快速电子进行测量是十分理想的，因为（1）3衰变在发射3粒子的同时还发射出一个反中微子，中微子是一个静止质量近似为0的中性粒子，衰变中释放出的衰变能q被3 -粒子，反中微子和反冲核三者分配，随发射角的不同，3

17、-粒子动能可以在零至q之间变化，形成一个连续谱，如图（1.6-3 ）所示。因此，我们可以获得不同动量的快速电子在不同r值处射出真空盒。(2) 从表1.6-13粒子能量与速度对照表可知，当能量1 mev时，其速度是光速的94.11 %，能量是2 mev，其速度已是光速的 97.91 %。显然，这样的3粒子已经是接近光速的快速电子了。表1.6-1 3粒子能量与速度对照表能量(mev)0.0500.1000.2000.5001.0002.000v/c0.14280.54830.69540.86290.94110.97914、实验数据注意寻峰时的左右确定，若肉眼可见严重偏移，可手动移动定标线至峰处，得

18、其横坐标 而代替寻峰。定标：放大器电压/v峰道址(, )峰1道址(, )峰2道址(, )6003526186971 4350400450500550600650700由图像得：g=0.0019, e0=-0.018。经过能量换算：初设电压600v标号距离（直径d）道址时间面积p*c冃匕量825.683930014762.4683521.5761722.7745.830078942.1887341.39902620.4646300123631.9669681.2094518.1545.6200276711.7452021.181401415.4439200319281.4848681.01864

19、313.1337.1200338191.2631020.62249对于1和2,太不精确忽略。得到e-p图像:3射线能谱如下图思考题137cs能谱中反散射峰的成因及抑制该峰的措施实验中常用的 c射线源是137cs,它的能谱如图一所示。图中除了 0.633mev的光电峰（图 中的1号峰）和能量较小的ba的x射线峰之外，最明显的峰位要数 0.184mev的反散射 峰了（图中的2号峰）。光电效应指入射 c粒子把能量几乎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，所以光电子的动能近似等于入射c射线的能量，即0.662mev。入射c射线与核外电子作用则产生康普顿散射。散射后散射光子的能量与散射角h有关。康普顿平台的左侧有一个明显的小峰（2号峰）就是反散射峰。该峰从能量上看在 0.184mev附近,显然不是放射源直接辐射的 c射线所造成的。而它与光电峰（0.662mev）的 能量之差恰好是康普顿边的能量 （0. 477mev）通过分析我们认识到该峰是由于入射c射线穿过nal晶体后打到光电倍增管上或晶体周围的物质上产生了一些大角度的康普顿散射（h> 150