核物理实验报告

闪烁Y能谱测量实验报告张传奇2012012784一、实验目的加深对Y射线和物质相互作用的理解。掌握NaI（Tl）Y谱仪的原理及使用方法。学会测量分析Y能谱。学会测定Y谱仪的刻度曲线。二、 实验仪器FH1901NaI（Tl）闪烁谱仪、SR-28双踪示波器、i37Cs放射源、6oCo放射源三、 实验原理1、Y射线与物质相互作用Y射线与物质相互作用主要有光电效应、康普顿散射及电子对效应。在光电效应中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗与光电子脱离原子束缚所需的能量，另一部分就作为光电子的能量，所以，释放出来的光电子能量就是入射光子的能量和该束缚电子所处的电子的壳层的结合能B之差，因此E光电子=E*=Ey Y即光电子的动能近似等于Y射线的能量。值得注意的是，由于必须满足动量守恒定律，自耦电子不能吸收光子能量二成为光电子。光电效应的发生除入射光子和光电子之外，还需一个第三者参加，这个第三者就是发射光电子之后剩余下来的整个原子，它带走一些反冲能量，由于他的参加，动量和能量守恒才能满足。康普顿散射是Y光子与原子外层电子相互作用的结果。这是Y光子与物质中“自由”电子（包括束缚甚弱的电子）非弹性散射的过程，根据散射过程中的动量守恒和能量守恒定律可求得散射电子（又称康普顿电子）的动能为：、（/11-^（1-cosE=/ii/-hr=,—— —用。十内p（l—cos。）式中m0c2为电子静止能量，0为Y光子的散射角，v为散射光子频率。发生康普顿效应时，散射光子可以向各个方向散射。对于不同方向的散射光子，其对应的反冲电子的能量也不同。因而，即使入射丫光子的能量是单一的，反冲电子的能量的确实随散射角连续变化的。电子对效应时Y光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑力的作用下，Y光子转化为一个正电子和一个富电子的过程。根据能量守恒定律，只有当入射光子的能量hv大于m0C2，即大于1.02Mev时，才能发生电子对效应，与光电子效应相似，电子对效应除涉及入射光子和电子对意外，必须要有原子核参加。2、能谱分析Y射线与闪烁体发生光电效应时，Y射线产生的光电子动能为：Eft其中Bi为K、L、M等壳层中电子的结合能。在Y射线能区，光电效应主要发生在K壳层，此时K壳层留下的空穴将为外层电子所填补，跃迁时将放出X光子，其能量为Ex。这种X光子在闪烁晶体内很容易再产生一次新的光电效应，将能量又转移给光电子。上述两个过程几乎是同时发生的，因此闪烁体得到的能量将是两次光电效应产生的光电子能量和：所以，由光电效应形成的脉冲幅度就直接代表了Y射线的能量。在康普顿效应中，Y光子把部分能量传递给次级电子，自身则被散射。反冲电子(次级电子)动能为：E产一1+2£..(1-cos散射光子能量可近似写成：Ea1十2E,(1-ss研式中。为散射丫与入射Y射线的夹角(散射角)。当。=180°时，即光子向后散射，称为反散射光子；此时Ee*七1-F—4区I(Tl)谱仪测得CS137的Y能谱：如下图所示，测得的Y能谱有三个峰和一个平台。最右边的峰A称为全能峰，这一脉冲幅度直接反映丫射线的能量即0.661MeV；上面已经分析过，这个峰中包含光电效应及多次效应的贡献，本实验装置的闪烁探测器对0.661MeV的Y射线能量分辨率＜9%。平台状曲线B是康普顿效应的贡献，其特征是散射光子逃逸后留下一个能量从0至|的连续的电子谱。峰C是反散射峰。由Y射线透过闪烁体射在光电倍增管的光阴极上发生康普顿反散射或Y射线在源及周围物质上发生康普顿反散射，而反散射光子进入闪烁体通过光电效应而被记录所致。这就构成反散射峰。反射峰的能量为Eg败生互JU+IF4氏,均0市62/<]+4展,662)=0,184M砰3、谱仪的能量分辨率和能量刻度曲线闪烁单晶Y谱仪最主要的指标是能量分辨率和线性由于单能带电粒子在闪烁体内损失能量引起的闪烁发光所放出的荧光光子数有统计涨落；一定数量的荧光光子打在光电倍增管光阴极上产生的光电子数目有统计涨落。这就使同一能量的粒子产生的脉冲幅度不是同一大小而近似为高斯分布。能量分辨率的定义是：ajr一xioo%u△U是峰值一半处的宽度，通常叫半宽度；U峰值对应的幅度，即峰位。因为输出幅度可以变化为射线的能量，如果线性良好，可以直接变为AF呼=一X100%EW表示谱仪能区分的能量很靠近的两条蒲县的本领，或者说它代表了谱仪能够分辨的两种能量很相近的能量差的相对值的极限。显然，W越小越好，表示它能将靠的很近的谱线分开，对于一台谱仪来说，近似的有即谱仪的分辨率还与入射例子的能量有关。通常NaI(Tl)单晶Y闪烁谱仪的能量分辨率以Cs137的0.661MeV单能Y射线为准，它的值一般是10%左右，最好可达6%~7%。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。谱仪的能量分辨率，线性的正常与否与谱仪的稳定性有关。因此在测量过程中，要求谱仪始终能正常的工作，为避免电子仪器随温度变化的影响，在测量前仪器需预热十五分钟。四、实验步骤1、 按图连接好仪器，检查路线无误后开高电压电源，预热几分钟。注意不要接触探头，注意安全。把13KS放射源放到托盘上，加高压用脉冲示波器观察探头工作状态。观察到相反波形则表明探头已经工作，该波形幅度最大的部分有一明亮光带，这是光电效应引起的，而幅度较小的不断变化的弥漫区域是由康普顿电子形成的。高压调节合适则亮带窄而亮，且亮带与弥漫区之间明显可见一较暗带域出现。2、 调节放大器的放大倍数与时间常数，用示波器观察放大器的输出波形，使放大器输出脉冲幅度为8v左右，且使输出波形尽量与探头输出波形相似。3、 单道道宽设置为0.1v微积分开关置于微分位置。调节单道阀值，粗侧谱形，以确定光电峰在8v左右。4、精测137CS能谱，单道道宽置于0.1v不动，逐渐改变单道阀值，从9.9v开始每隔0.1v测一次计数，测量时间30s/次。在康普顿平台区可隔点测量，做出137CS的Y能谱并求出谱仪的能量分布。5、 放上60Co源，改变放大倍数，使60Co的1.33Mev的光电峰脉冲高度在8v左右，一次测出137CS和60CO的Y光电峰，作出谱仪的能量刻度曲线。实验数据处理1、精测137Cs的Y能谱，并求出谱仪的能量分辨率实验数据：阈值：9.9v—0.3v t=30sU/v NU/v NU/v NU/v N9.9117.75375.59332.411199.8137.63935.49382.310709.7177.53325.38782.210079.6127.42685.29282.19829.5167.32745.189829529.4147.226258701.99739.3147.12614.98491.88829.22672714.88441.79479.1316.92654.78841.69279.0566.83024.68061.59208.91666.72934.48651.49078.84006.63234.28181.310238.78916.535847181.211698.616756.44043.88401.113948.524946.34683.6883113038.433626.24983.49180.910358.337896.15483.29840.89558.236266644310340.79098.129375.97462.811010.6895821705.88622.711940.510217.914575.79042.611980.413167.89355.69322.511840.3845数据图像:

电压能量分辨率：U=8.3vAU=0.62vW=7.46%2、137Cs和60Co的Y光电峰，以及谱仪的能量刻度曲线实验数据：137CSU/vNU/vNU/vN542354.33823.67004.957944.24303.58144.853744.13963.411664.7342744833.314244.616563.95753.214234.58193.85863.114874.44983.76943139960COU/vNU/vNU/vN9.538.8228.1359.448.7558429.398.61097.9539.248.51447.81119.148.41277.714394