近代物理实验用NaI单晶γ闪烁谱仪测γ能谱

1、实验用NaI ( Tl)单晶y闪烁能谱仪测Y能谱【实验目的】1、了解闪烁探测器的结构、工作原理。2、掌握NaI(Tl)单晶y闪烁能谱仪的几个性能指标和测试方法.4、了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。【实验原理】一、闪烁能谱仪测量Y能谱的原理1、闪烁体的发光机制纯粹的碘化钠晶体，其能带结构是在价带和导带之间有比较宽的禁带，如有带电粒子进 人到闪烁体中，将引起后者产生电离或激发过程，即可能有电子从价带激发到导带或激发到 激带，然后这些电子再退激到价带。退激的可能过程之一是发射光子，这种光子的能量还会 使晶体中其它原子产生激发或电离，也就是光子可能被晶体吸收而不能被探测到，为此要在

2、 晶体中掺入少量的杂质原子(激活原子)，如在碘化钠晶体中掺入铊原子，其关键作用是可 以在低于导带和激带的禁带中形成一些杂质能级。这些杂质原子会捕获一些自由电子或激子 到达杂质能级上，然后以发光的形式退激到价带，这就形成了闪烁过程的发光。2、y射线与物质的相互作用Y射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式，如图9-1-1所示。光电效应康普顿效应电子对效应光电效应康普顿效应电子对效应图9-1-1 y射线光子与物质原子相互作用二、NaI (Tl)单晶y闪烁能谱仪的结构与性能图9-1-2是NaI (Tl)单晶y闪烁能谱仪结构示意图。1、NaI (Tl)闪烁探测器闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管

3、和相应的电子仪器三个主要部分组成。图9-1-2 NaI (Tl)单晶y闪烁能谱仪结构示意图2、单道与多道脉冲幅度分析器上甄别域匕输出信号下甄别域输入信号图9-1-4单道脉冲幅度分析原理由于Y射线与物质相互作用机制的差异，从探测器出来的脉冲幅度有大有小，单道脉冲 幅度分析器就起从中“数出”某一幅度 脉冲数目的作用。单道脉冲幅度分析器 里有两个甄别电压V1 (此电压可以连 续调节)和V2，V1和V2也称下、上 甄别域，差值/V称为窗宽。这样， V1和V2就像一扇窗子，低于v1或高 于2的电压信号都被挡住，只有在v1 和V2之间的信号才能通过，形成输出 脉冲。进行测量时，按/ V连续改变 V上甄别域

4、匕输出信号下甄别域输入信号图9-1-4单道脉冲幅度分析原理3、NaI (Tl)单晶y闪烁能谱仪的 主要指标能量分辨率能量分辨率的定义是：(9-1-5)(9-1-5)x 100 %E由于脉冲幅度与能量有线性关系并且脉冲幅度与多道道数成正比，故又可以写为由于脉冲幅度与能量有线性关系(9-1-6)门=A CH x (9-1-6)CH为记数率极大值一半处的宽度(或称半宽度)，CH为记数率极大处所在道数。显然，能量分辨率的数值越小，仪器分辨不同能量的本领就越高。线性度与能量刻度能量的线性就是指输出的脉冲幅度与带电粒子的能量是否有线性关系，以及线性范围的 大小。为了检查谱仪的线性，必须用一组已知能量的Y射

5、线，在相同的实验条件下，分别测 量出它们的光电峰位，做出能量一一幅度曲线，称为能量刻度曲线(或能量校正曲线)。坪曲线与本底计数率坪曲线是入射粒子强度不变时，NaI (Tl)单晶y闪烁能谱仪的源(或全谱)计数率随 工作电压变化的曲线。本底 计数率是指不加放射源时 NaI (Tl)单晶y闪烁能谱仪 的全谱计数率。稳定性NaI (Tl)单晶y闪烁能 谱仪的能量分辨率、线性度 都与稳定性有关，因此在测 量过程中，要求其各组成部 分，如高压电源、放大器、 多道脉冲幅度分析器等，都 要具有较高的稳定性，并始 终能正常工作。材物2班姓名：宋永成学号：08132220材物2班图9-1-3能量刻度曲线三、Y射线

6、的能谱图9-1-5所示为i37Cs的Y能谱，纵轴代表单位时间内的脉冲数目，即射线强度，横轴道数 代表脉冲幅度，即反映粒子的能量。图9-1-5】37Cs的y能谱【实验仪器与材料】Y放射源60C。和137CS； NaI（Tl）单晶y闪烁能谱仪；计算机等。【实验内容】1、采用定时（200s）计数的方法，在600V850V之间，测绘坪曲线（用137Cs源），以 及本底计数率随电压变化的关系曲线，确定合适的工作电压。2、保持工作电压不变，改变线性放大器的放大倍数，观察137Cs的y能谱的光电峰位置 变化的规律。要求至少测量10组数据并作最小二乘法拟合，给出相关结果。3、用多道分析器观察137Cs的y能谱

7、的形状，识别其光电峰、反散射峰、X射线峰及康 普顿边界等；记录光电峰、反散射峰的峰位（道数）；绘制能谱图。4、测量60Co的y能谱，绘制能谱图，记录光电峰位（两个光电峰，能量分别为1.33MeV 和1.17MeV），结合137Cs的y能谱的光电峰（0.662MeV）和反散射峰（0.184MeV）位来标 定谱仪的能量刻度，绘制能量刻度曲线，作最小二乘法拟合，给出相关结果。【注意事项】1、仪器开机后，必须预热30分钟左右。2、在测绘能量刻度曲线中，为了减小计数统计涨落对测量的影响，应保证计数足够多。 一般做法是选择某个要观测的光电峰，使该峰位的计数达到1000以上。3、当工作指示灯亮时，切勿关闭仪

8、器。4、软件系统的操作按说明书进行。5、领用和归还放射源必须作好登记。【数据处理】1.采用定时（200s）计数的方法，在600V850V之间，测绘坪曲线（用137Cs源）， 以及本底计数率随电压变化的关系曲线，确定合适的工作电压。（1）测绘坪曲线（用137CS源），以及本底计数率随电压变化的关系曲线，确定合适的工作 电压。表一：有放射源和无放射源时计数率随工作电压对应关系工作电压/V650700750800850总计数率cps472544575600610由上表数据做得坪曲线如下:图1坪曲线650电数计总600电数计总系列系列1500450600 650 700 750 800 850 900

9、工作电压/V（2）本底计数率表2本底计数率与工作电压对应数据工作电压/V650700750800850总计数率cps811121212由上表数据可以做出本底计数率随工作电压变化的曲线图:图2本底计数率随工作电压变化曲线1313600650700750 800850900工作电压/V分析：工作电压应该选择源（或全谱）计数率随电压变化较小、本底计数率相对较低的 电压。由图1和图2可知：随着工作电压的增大，总计数率、本底计数率也会随之增加，但 是变化趋势都是趋于平稳，且在775V是最为平稳，因此选择775V作为实验电压。2、保持工作电压不变，改变线性放大器的放大倍数，观察13s的Y能谱的光电峰位 置

10、变化的规律。要求至少测量10组数据并作最小二乘法拟合，给出相关结果。表3放大倍数与光电峰位置对应数据放大倍数11.52.533.54.55.5677.5光电峰道数/CH109111117122124132140146157163由上表数据可得放大倍数与光电峰道数关系曲线图:图3放大倍数与光电峰道数关系曲线170C160170C160数150道140峰130电120光110100系列100. 11.22.33.44.55.66.77.855555555放大倍数用最小二乘法做线性拟合：设道数为y，放大倍数为x， 则 y=ax+b，y =(109+111+117+122+124+132+140+14

11、6+157+163)/10=132.2X=(1+1.5+2.5+3+3.5+4.5+5.5+6+7+7.5)/10=4.2 x * y =(109*1+111*1.5+117*2.5+122*3+124*3.5+132*4.5+140*5.5+146*6+157*7+163*7.5)/10=592.95x2 =(1*1+1.5*1.5+2.5*2.5+3*3+3.5*3.5+4.5*4.5+5.5*5.5+6*6+7*7=7.5*7.5)/10=22.25根据公式，b= x *中- U x2 = 97.84(x )2 一 x2a=*y = 8.18(x )2 x2则 y=8.18x+97.84

12、可以分析得：光电峰的道数与放大倍数近似为线性关系，随着放大倍数增大，光电峰所在道数增大。这与实验观察到的随放大倍数增大光电峰位置右移的现象一致。3、用多道分析器观察13Cs的Y能谱的形状，识别其光电峰、反散射峰、X射线峰及康普顿 边界等；记录光电峰、反散射峰的峰位(道数)；绘制能谱图。（2）反散射峰：道数43CH能谱图如图5所示:D127X次f、U.、,， . .0511（3）x射线峰：道数19CH,能谱图如图6所示5、测量60Co的y能谱，绘制能谱图，记录光电峰位（两个光电峰，能量分别为1.33MeV 和1.17MeV），结合 Ms的y能谱的光电峰（0.662MeV）和反散射峰（0.184M

13、eV）位来标 定谱仪的能量刻度，绘制能量刻度曲线，作最小二乘法拟合，给出相关结果。60Co的能谱图及两光电峰的位置图像如图8所示表4 绘制60Co能谱图，结合137CS能谱绘制能量刻度曲线，做最小二乘法拟合能量/MeV道数/CH137CS光电峰0.662136137CS反散射峰0.18443Mo光电峰11.1723460Co光电峰21.33267根据上表数据得到如图9-1-9所示能量刻度曲线:用最小二乘法进行线性拟合，设道数为y,能量为x则 y=ax+by =(136+43+234+267)/4=170；=(0.662+0.184+1.17+1.33) /4=0.8365.xX*y =(0.6

14、62*136+0.184*43+1.17*234+L33*267)/4=181.7085，=(0.6622+0.1842+1.172+1.332)/4=0.902475.根据公式，b=x * 中一 U x2 = 7.013074(x )2 一 x2a=x*y-x*y = 194.8865（x ）2 x2则y=194.8865x+7.013074（说明拟合效果很好）分析：由图9可知，定标曲线基本呈线形，由此能量刻度曲线可以得到任意道数时 粒子的能量。实验总结这个实验的实验过程并不复杂，我认为，实验的主要目的是了解实验仪器的工作 原理。实验原理中涉及很多以前学到的物理知识，比如光与物质作用的三种形式: 光电效应、康普顿效应、电子对效应。这些可以在测量结果的能谱上显示。另外， 从光与物质作用与电信号输出之间的过程是比较复杂的。涉及到原子的导带、禁 带，电子的激发、退激，光电倍增等。这个实验使我们接触到了一种新的测量方 法和思想，对我们以后的学习很有帮助。【思考与讨论】1、简单描述NaI（Tl）单品Y闪烁能谱仪的工作原理。答：闪烁能谱仪是利用某些荧光物质在带电粒子作用下被激发或电离后， 能发射荧光的现象来测量能谱的。当射线进入闪烁体后，会产生次级电子，它可 使闪烁体分子电离和激发。当闪烁体分子退激时发出大量光子。大量光子经过光 电倍增管后产生输出信号，通常为