近代物理实验(2)绪论

近代物理实验（2）陈公室：实验楼S216课程简介与安排内容：（1）NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪；（2）γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定。上课地点——实验楼(办公楼旁边，楼下有

邮局的)S223室。讲义：电子版发给大家。重点：（1）核探测器的构造与工作原理；（2）射线与物质的相互作用；（3）核应用系统与核技术方法。实验要求（参见讲义）1.预习报告需要包含“实验目的”、“实验内容”、“实验装置”和“实验步骤”等固定内容。“实验原理”部分可从讲义中的思考题中任选5题回答，作为实验原理部分。实验中采集到的数据、能谱图等需要保存在自己的数据文件夹中，并在实验报告中注明此文件夹，以备查验。2.实验之后的完整实验报告需完整反映实验内容中的所有部分，包括步骤与数据（图表）。从其余的思考题中再选择5题作为实验报告的思考题。数据处理部分需要区分清楚测量数据、原始数据、计算过程、结果数据等。（问题最多）3.实验完成一周后交实验报告。预习要求:

了解设备的连接过程、调整步骤与指标数据；提出对本次实验的知识疑点与准备解决的问题；列出数据处理的方法、步骤，设计并准备好有关实验数据的记录表格。上课前或上课中会对有关部分的知识点进行提问，结果将计入成绩。背景知识一、射线的来源1.原子跃迁（x射线与电磁波）2.原子核的激发/退激发以及内部核子的

吸收与释放行星结构分离光谱电子跃迁（原子激发与退激发，能量的量子化）、能级与光子频率（光谱），能级图。原子的跃迁原子核由中子和质子构成。其能量状态仍然满足量子化，仍然存在激发与退激发，但机制要复杂得多。原子核的变化（一般是自发的衰变）常常会放出α（氦原子核）、β（电子）和γ射线（电磁波或光子）或n（中子）。其中γ射线的能量也与能级跃迁有关。本次实验主要涉及γ射线。原子核的变化

本次实验使用的放射源：Cs137与Co60（也可写成137Cs与60Co，数字表示原子核内包含的核子数）Cs137：主要为0.661MeV的γ射线Co60：主要为1.17MeV和1.33MeV的两个γ射线二、放射源使用时注意：1.不要将放射源出射口对准人员。2.使用后要洗手。放射源的性质：主要有：①半衰期T1/2；

②放出射线的种类，如、、γ、n；

③每种射线对应的能量；

④射线的放射强度（专业名词叫活度）。其他：形态（气态、液体、固体、粉末）

包装（密封、非密封）

可溶性

混合结构（数种放射源混合包装或形成链式反应）

137Cs：β—511.6kev（94.6％），1173.2kev（5.4％）,x—32.1936kev（3.69％）

γ—661.661kev（85.0％）

624.220kev（7.79％）

655.672kev（1.44％）

30.17±0.05年。60Co：

β—318.3kev（99.89％）

γ—1173.238kev（99.87％），

1332.513kev（99.982％）

5.270±0.003年。三、射线与物质的相互作用

常见的射线：α（氦原子核）、β（电子）、γ（光子）、中子。带电粒子与物质相互作用的描述（微观）：库仑散射，电离或激发，轫致辐射，电子对湮灭。γ射线与物质相互作用的描述（微观）：作用截面（几率），作用对象（束缚电子、自由电子、库仑场吸收、核子），效应（吸收、弹性散射、非弹性散射）。中子与物质相互作用的描述（微观）：不与库仑场作用，非弹性散射时原子核激发并放出光子退激发，原子核俘获发生衰变或裂变。光电效应康普顿散射电子对效应

入射光子被吸收，其能量被电子接收，并转为自由电子。

入射光子与电子发生散射，损失部分能量转移给电子。

如果入射光子的能量>1.02MeV（两个电子的静止质量），就可能发生光子转换为两个电子的情况（正负电子对）。重点：γ射线的三种基本作用γ射线在物质中的吸收规律（宏观）：

I=I0e–μx线性吸收系数：μ=μph+μc+μp其中：μph——光电效应；

μc——康普顿效应；

μp——电子对效应。均与射线能量、物质的原子序数有关。

射线的生物效应或损伤机制：电离作用，产生重带电粒子，产生放射性原子核。射线强度的描述：“居里”或“贝可勒”（1ci=3.7x1010Bq）。射线防护：中子——轻物质

γ射线——重物质 带电粒子——重物质四、探测技术二大类型的探测器：计数型、径迹型。气体探测器（电离）、闪烁探测器（能量吸收）、半导体探测器（载流子）、中子探测器（核反应）。闪烁探测器：能量吸收后，退激发再发光。可由有机体、无机体晶体构成闪烁体。探测器系统：探测器（计数输出、电荷输出、时间输出）＋处理（信号调理、放大、符合、信息提取）＋表达（能量谱、时间谱、其他）一般的核应用系统五、能谱的表达与意义能谱：以能量为横坐标，以强度为纵坐标，描述射线

在不同能量上的强度分布。重点：根据射线与物质的相互作用来理解能谱。Co60能谱图一、NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪1、目的：（1）了解闪烁探测器的结构、原理。（2）掌握NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的几个性能指标和测试方法。（3）了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。实验内容NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪2．实验内容学会NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用，调试一台谱仪至正常工作状态。测量Cs137、Co60的γ能谱，求出能量分辨率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形。了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶γ谱测量中的数据采集及其基本功能。数据处理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等）。系统构成系统构成系统构成系统构成系统构成NaI(TI)单晶γ闪烁谱仪

NaI(TI)探测器工作原理系统构成：NaI(TI)无机晶体（吸收入射光子的能量，退激发时发出闪烁光）、光电倍增管（在闪烁光的作用下，其光阴极发射电子，后面的倍增极将电流放大，在最后的阳极上输出电脉冲）、放大器、多道分析器（对输入的电脉冲作幅度分析，并在计算机上以能谱形式表现入射γ射线的能量分布与强度分布）。闪烁体发光与电子激发态

闪烁体晶体受到入射射线的激发，电子退激发时发出闪烁光。但闪烁光的波长由退激发时的能级差决定。也就是说，闪烁光的波长（对应能量）与入射射线的能量无关（这一点非常重要）。问题：对闪烁体而言，入射的是γ光子，出射的是闪烁光。

为什么需要“光—>光”的转换？闪烁探测器又是如

何探测射线能量的？

入射光的能量越大，被激发的电子越多，即闪烁光的强度越强。光电倍增管（PMT）光电转换—>电子倍增—>电荷收集（形成脉冲信号）探测小结：γ射线（来自放射源）闪烁体吸收能量放出闪烁光光电转换（PMT光阴极）电子倍增电荷收集启动测量系统能谱测量系统测量时间设置测量时间（Cs137能谱，550秒）Cs137能谱测量（26秒）思考：测量时间对结果有什么影响？如何决定测量时间的长短？高压600V，峰位302道高压630V，峰位420道思考：高压对测量结果有什么影响？如何决定高压的数值？能谱的形成与多道分析器单道与多道单道是一种选择指定幅度脉冲的仪器方法。多道是模拟很多个单道的仪器方法。多道分析器

理论上，每一个入射的光子都会在PMT上产生一个输出的脉冲，其幅度的大小与能量相关。如果以横坐标为能量值，纵坐标为测量时间内的累计计数值，则可以反映出在测量时间内，入射射线中各种不同能量的光子在数量上的相对分布。这就是能谱图。也就是不同能量的入射射线在强度上的分布。多道谱仪采用ADC变换，将信号的幅度数字化。然后将相同幅度的信号累加计数，存放在一个存储单元内。存储单元的地址就是所谓的“道”。这样就可以用计算机来处理了。能谱表达能谱表达能量分辨率：尽管入射射线的能量单一，但由于系统的问题，信号的幅度表现为一定的涨落，在能谱上表现为一定的“展宽”，是一种“误差”，并影响到分辨相邻能量的能力。能量刻度：由于横坐标（能量）实际上是由信号脉冲幅度代表的，所以系统输出的信号幅度是否与实际的能量线性相关便十分重要。光电峰——入射光子能量全部沉积在晶体内，多次效应的总和。全能峰康普顿峰——散射光子逃逸，能谱上反映的是反冲电子能量。反散射峰——入射光子在晶体之外发生康普顿散射后再进入晶体（相当于另一个入射光子）。理想能谱与实际测量结果的差别Cs137：主要为0.661MeV的γ射线NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪谱形的分析光电峰：由于吸收了全部入射射线的能量，其位置与入射射线的能量对应。康普顿峰：由于是散射后的能量，所以一定是在光电峰的左边。反散射峰：是180°的散射结果，可以计算出它的能量值，用于能量刻度。注意反散射峰的形成机制。能谱（定量关系）光电效应康普顿散射效应电子对效应反冲电子：散射光子：NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪能量分辨率、峰康比、线性等各项指标二、γ射线的吸收与物质吸收

系数μ的测定一．实验目的了解γ射线与物质相互作用的特性。了解窄束γ射线在物质中的吸收规律，测量其在不同物质中的吸收系数。二．实验内容测量137Cs的γ射线（0.661MeV光电峰）在一组吸收片（铅、铝）中的吸收曲线，并计算线性吸收系数。根据测到的的吸收系数计算材料的厚度。光电效应康普顿散射电子对效应

入射光子被吸收，其能量被电子接收，并转为自由电子。

入射光子与电子发生散射，损失部分能量转移给电子。

如果入射光子的能量>1.02MeV（两个电子的静止质量），就可能发生光子转换为两个电子的情况（正负电子对）。γ射线的三种基本作用γ射线在物质中的吸收规律（宏观）：

I=I0e–μx线性吸收系数：μ=μph+μc+μp其中：μph——光电效应；

μc——康普顿效应；

μp——电子对效应。均与射线能量、