大尺寸NaI（Tl）闪烁晶体对伽马射线的能量响应研究 毕业论文.docx

大尺寸nai（tl）闪烁晶体对伽马射线的能量响应研究 摘要本论文主要通过用航空伽马能谱仪来探测137cs源和232th源。实现大尺寸nai（tl）闪烁探测器对伽马射线的能量响应研究。采用天然放射性元素钾作为特征峰稳谱，扣除了由于温度等因素带来的谱线漂移的影响。在稳谱情况下，分别施加137cs源和232th源，并等间距将放射源放置在晶体的四周，通过伽马能谱采集软件获得对应不同位置处的能谱曲线。最后编写了伽马能谱数据预处理软件实现谱线数据的提取，峰漂计算等工作，从而获知大尺寸nai（tl）对伽马射线的能量响应特征，从而为航空伽马能谱数据的非线性合成提供了研究基础。关键词：大尺寸nai晶体；航空伽马能谱测量、晶体能量响应、稳谱。large crystal nai (tl) scintillation gamma-ray energy response ofabstractin this thesis, by using airborne gamma spectrometer to detect the source 137cs source and 232th。achieve large crystal nai (tl) scintillation detector of gamma-ray energy response. from natural radioactive elements potassium as stable spectrum peaks, net of such factors as temperature drift caused by the impact of spectrum. spectrum in the stable case, 137cs source were applied, and 232 th source，and spaced radioactive sources placed in the crystal around acquisition software obtained through the gamma ray spectrum corresponding to different positions of the spectrum curves. the formulation of a gamma-ray spectrometry data pre-processing software line data extraction, peak drift calculation, thus informed of large nai (tl) gamma-ray energy response characteristics, so as to airborne gamma spectrometry data nonlinear synthesis provides a research base.keywords: large size nai crystal、airborne gamma-ray spectrometry survey、crystal energy response、steady spectrum.、目录摘要iabstractii目录iii第一章 引言11.1课题背景11.2选题意义31.3论文结构及主要内容安排5第二章 闪烁探测器62.1闪烁体探测器简介62.1.1概述62.1.2闪烁体82.1.3伽马射线与闪烁体的相互作用92.1.4光的收集与光导162.2电子倍增器件172.2.1光电倍增管172.3闪烁计数器192.3.1时间特性192.3.2能量分辨率212.3.3能量线性21第三章 航空伽马能谱仪对伽马射线的响应实验223.1航空伽马能谱仪对137cs源和232th源的伽马射线的响应223.1.1工作任务233.1.2设计要求233.1.3实验设计243.2实验结果处理303.2.1实验数据预处理303.2.2软件能谱成图及数据分析31第四章 实验分析414.1实验设计分析414.2实验过程分析414.3实验结果分析424.3.1伽马射线与闪烁体的相互作用过程424.3.2伽马能谱曲线分析434.4实验成果464.5实验设计研究意义46结论47致谢49参考文献50附录5260第一章 引言1.1课题背景过去几十年里,航空物探在区域地质调查、地质填图等基础地质研究中一直发挥重要的作用。近年来,航空物探应用领域也有了新的变化,航空物探技术不仅用于石油和矿产勘探,而且在环境和工程方面的应用也越来越广泛,如利用航空电磁法在浅层水资源调查、区分咸淡水界面、寻找古河床砂体淡水、了解海水侵入地下含水层的界限等方面是非常有效的,以航空电磁为主的航空物探技术也已经逐步应用到农业土壤土质问题的研究方面。航空综合物探和航空放射性测量在环保方面的应用也越来越广,如核电站的选址、核泄漏的监测等。另外,航空物探资料在寻找未爆炸物、沉船、潜艇、文物考古和寻找地下管线等方面都有不同程度的应用。航空物探还在海洋调查、地区规划、灾害地质等领域发挥着自己的技术优势。5目前,国外航空物探领域已经建立了完备的技术体系,具备了从信息采集、处理到解释与应用的综合实力,实用化和工程化程度较高,解决实际问题能力较强,但就目前的现状而言,其性能与人类的期望本身仍然存在相当的差距。这意味着,航空物探在技术发展上仍然有巨大的潜力,许多关键技术仍然亟待突破和发展。随着更多新技术的不断应用,航空物探的性能会越来越高,应用领域也会越来越广。我们应追踪国际航空物探发展动向,结合国情,发展具有自主知识产权的航空物探技术与方法,加强航空物探测量系统的研究开发工作,力争快速缩小同世界先进水平的差距。18 航空伽马能谱测量作为航空物探中的一种有效铀矿找矿方法,于1964年应用于地质领域。随着核电子学及计算机技术的发展,仪器制造技术及工艺水平的不断提高,该方法的应用领域不断扩大。航空伽马能谱测量除了直接用于铀矿区调普查外,还逐步用于非放射性矿产勘查、区域地质构造研究、环境监测和放射性生态学研究等方面。在各种地球物理方法中,航空伽马能谱测量是一种实用、可靠、高效的方法。20自20世纪20年代，苏联在油田上方发现放射性异常后，经多年的油气普查实践，放射性、磁找油方法已有很大发展。目前，虽说对油气藏上方多出现相对低值的放射性异常和弱小磁异常的成因机制还有争议，但对烃类和放射性物质借助水介质透过圈闭而垂直运移的理论及由此在近地表环境中，形成与深部碳氢化合物聚集有关的且空间位置相对应封闭的低值伽玛异常、高频磁异常等地球物理和地球化学现象，大都不再怀疑。我单位自80年代以来，开展了航空物探找油效果的研究，先后在胜利油田和柴达木盆地等地进行了工作，取得了一定进展。4航空伽马能谱测量谱仪其实就是闪烁探测器，区别在于其闪烁体是由五条大尺寸的nai晶体制作成的。上面一条，下面并排四条，编号1,2，3,4,5。图1.1为nai晶体条状。图1.1 无机闪烁体也有其他有机闪烁体（塑料闪烁体），这里略提，如图1.2图1.2 有机闪烁体（塑料闪烁体）闪烁探测器具有探测效率高和灵敏体积大等优点。其能量分辨率虽然不如半导体探测器好，但对环境的适应性较强。特别是有机闪烁体的定时性能，中子、分辨能力和液体闪烁的内计数本领均有其独具的优点。因此，它仍是广泛使用的辐射探测器。图1.3是由成都理工大学自主研制的agrs-863航空多道伽马能谱仪。也是本次论文所用的能谱仪。图1.3 本次试验所用的航空伽马能谱仪（成都理工大学研制）1.2选题意义 航空伽马能谱测量u、th、k计数率,可换算成u、th、k含量。它约1 s完成一个测点的测量,大面积区域测量的测点可以布置得相当密,如线距1km,点距3050 m。飞机飞行高度约100 m,探测器的张角在地面对应的范围很大, u、th、k含量的测量结果是该范围土壤、岩石中u、th、k含量的加权平均值,代表性比普通化探大得多。一般一个测区的测量是用一台仪器完成的,不存在同一地区使用多台仪器而导致的仪器一致性误差问题,且能避免采样,样品加工和样品分析过程中误差。航空伽马能谱的找矿潜力航空伽马能谱异常特征从前节叙述,可以得出航空伽马异常如下特点。(1) 异常类型繁多,有单一的铀钍比异常、平衡铀与铀钍比的复合异常和th、u、k复异常等等。(2) 许多异常强度高,连续性好,分布范围大,一个多金属远景区所对应的异常及某资源链的异常,都具有这些特点。(3) 有规律地分布在u、th、k分布特征带的结点上,面上成网,线上构成链。特点2和3表明这些异常都(或绝大多数)是真异常,根据化探找矿效果最好,可断定对它们进行地表工作和深部揭露,至少大多数能落实矿床。矿床形成机理离子成矿说和矿产地质调查评价五法则告诉我们,各矿种重要矿床形成机理相同,地壳内的自由成矿离子在受离子运动应力制约的电压作用下迁移,迁移过程中与围岩矿物中的原子碰撞,若两者酸碱匹配,成矿离子的动能又大于等于化合物的活化能，就发生化学反应,成矿离子沉淀富集;离子运动应力带结点内断裂、盆地基底、接触带的围岩中电压高,成矿离子迁移快,化学反应强烈,成矿离子沉淀迅速,经过漫长地质年代形成矿床。因此各矿种的重要矿床都分布在离子运动应力带的结点,构成资源网。u、th、k分布特征带的结点网与离子运动应力带的结点网相对应,空航伽马能谱查明的u、th、k分布特征带的结点网就是资源网,所以空航伽马能谱是各矿种共有的主要找矿手段。63航空伽马能谱的地质研究潜力对于不同区域他们的岩石构造与布展不同,它们的u、th、k分布特征的展布也不同,说明一个地区的机械运动应力体系和离子运动应力体系存在内在联系。武夷山东江成矿带南段地处中国版图“鸡肚子”部位,这一特殊的地理位置使该区的构造带, u、th、k分布特征带的展布也特殊。该区的北东部位nne向构造发育,南西部位nee向构造发育,两者交接部位发育圆形、椭圆形u、th、k分布特征带,如中坝平远低钾椭圆环 ,表明与海岸线对应的区域机械运动应力带的两侧发育着机械运动应力带与离子运动应力带组合。地质测量和遥感卫星能查明山脉、峡谷、河流、湖岸线、海岸线,断裂、褶皱,列岛群岛,海沟这些特征体,对这些特征体进行综合分析,就能认识机械运动应力带的分布特征和规律。同样,空航伽马能谱能查明u、th、k分布特征带,对其进行综合分析,就能认识离子运动应力带的分布特征和规律。对机械运动应力带和离子运动应力带的分布特征和规律进行综合归纳,对比分析,就能认识两者的内在联系和相互关系。在此基础上经过严密的推理论证,有可能创立有关地球内机械运动应力和离子运动应力的理论,我们对地球的认识就有量变到质变的飞跃。191.3论文结构及主要内容安排本论文主要通过用航空伽马能谱仪来探测137cs源和232th源。实现大晶体nai（tl）闪烁探测器对伽马射线的能量响应研究。文中论述了在航空伽马能谱仪的不同部位，分别放上137cs源和232th源时得到不同的能谱。用软件dars对其能谱进行分析，可以算出不同源在不同点的能量分辨率。第一章主要讲述课题背景、选题意义，简单的介绍了一下闪烁的基本知识。第二章主要讲述闪烁体探测器的工作原理，航空伽马能谱仪的工作原理。介绍了闪烁探测器中的，闪烁体、射线与物质相互作用、能量分辨率、时间特性等。用以巩固以前所学的知识，为后面写论文做点基础工作。第三章讲的是实验部分，实验设计要求，任务，数据处理分析等；软件成像、谱分析等。第四章实验总结，得出实验结论，以及对未来航空伽马能谱仪发展的展望。第二章 闪烁探测器2.1闪烁体探测器简介核辐射与某些透明物质相互作用，会使其电离、激发而发出荧光，闪烁探测器就是利用这一特性来工作的。射线引起物质发光的现象，人们很熟悉。例如，作x光透视时，人体器官的图像就是透过人体组织不同强度的x射线打在荧光屏上使之发光而形成的；将放射性物质和荧光粉混合后敷在钟表上，射线使荧光粉发光，这就是“夜光”钟表的原理。利用荧光物质的发光现象来记录核辐射很早就有了。历史上，原子核的发现也有闪烁探测器的一份贡献：1911年著名的大散射实验，导致卢瑟福的原子核式结构模型的建立。当时的探测器就是通过显微镜直接用肉眼直接观察粒子引起硫化锌荧光屏上微弱闪光的装置。到40年代中期，第一次将闪烁体配以光电倍增管，以后有发展了相应的电子学分析记录仪器，现代的闪烁探测器才获得了广泛的应用。经过几十年来的不断进步，现在，它已成为相当完善的一种探测技术。1航空伽马能谱仪实际则为一个大型的闪烁探测器，其工作原理相同。2.1.1概述 闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管、和相应的电子仪器三个主要部分组成、如图2.1所示，为固体闪烁探测器的示意图。左边的是一个对射线灵敏能产生闪烁光的闪烁体。当射线进入闪烁体时，在某点产生刺激电子，它使闪烁体分子电离激发，退激时发出大量光子。一般的光谱范围从可见光到紫外光，并且光子向四面八方发射出去。在经过闪烁体周围包裹的物质（可以反光的，通常用mgo）光子经过反射可以集中向光电倍增管方向射去。光电倍增管是一个真空器件。由光阴极、若干打拿极和一个阳极组成。闪烁光子进入到光电倍增管的光阴极上，有光电效应产生光电子，光电子经过电场加速聚焦，打在第一极上，产生36个二级电子，这些电子在经后面打拿极加速，到了阳极可接收104109个电子。形成电信号，通过对电信号分析就可以达到探测器射线的目的。1图2.1 闪烁探测器示意图射出去。在经过闪烁体周围包裹的物质（可以反光的，通常用mgo）光子经过反射可以集中向光电倍增管方向射去。光电倍增管是一个真空器件。由光阴极、若干打拿极和一个阳极组成。闪烁光子进入到光电倍增管的光阴极上，有光电效应产生光电子，光电子经过电场加速聚焦，打在第一极上，产生36个二级电子，这些电子在经后面打拿极加速，到了阳极可接收104109个电子。形成电信号，通过对电信号分析就可以达到探测器射线的目的。1归纳起来，闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程：（1） 射线进入到闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子而使原子、分子的电离激发；（2） 受激发的原子、分子退激时候发射出荧光光子；（3） 利用反射物质和光导将闪烁光子尽可能多的收集到广电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上打出光电子；（4） 光电子在光电倍增管中倍增，数量从一个增大到104109个，电子流在阳极负载上产生电信号；（5） 此信号由电子仪器记录和分析。2.1.2闪烁体 闪烁体按其化学性质可分为两大类：一类是无机晶体闪烁体。通常是含有少量杂质（称为“激活剂”）的无机盐晶体，常用的有单晶体nai（tl）、csi（tl）；多晶体如zns（ag）。另外一种是玻璃体，如lio22sio2（ce）.此外，今年来还开发了不少掺杂的纯晶体，如锗酸铋（bgo）；钨酸镉（cwo）和氟化钡（baf2）等。另外一类是有机闪烁体。他们是环碳氢化合物，又可分为三种：（1） 有机晶体闪烁体。例如蒽、芪（qi）、萘、对联三苯等有机晶体。（2） 有机液体闪烁体。在有机液体容易（如甲苯、二甲苯）中溶入少量发光物质（对联三苯），称第一发光物质，另外再溶入些光谱波长转换剂（如popop化合物）称为第二发光物质，组合成闪烁体性能的液体。（3） 塑料闪烁体。它是在有机液体苯乙烯中加入第一发光物质对联三本和第二发光物质popop后，聚合成的塑料。除了这两大类还有利用氩、氘等惰性气体作为气体闪烁体的，常记录为裂变产物和重离子的探测器。闪烁体的物理特性：1.发射光谱，闪烁体收核辐射后激发发射的光并不是单色的，而是一个连续带。了解不同的闪烁体发光光谱，主要是为了解决闪烁体与光电倍增管光谱响应的匹配问题。（后面会讨论到）2.发光率，是指闪烁体将所吸收的射线能量转变为光的比例。闪烁体将所吸收的核辐射能量转变为光的本领，实际测试场合中采用与标准闪烁体相比较的相对值（百分数）来表示。nai(tl)晶体的发光效率在所有与光电倍增管耦合的闪烁晶体中是最高的，故常将其作为100%。其余晶体的发光效率均以其相对于nai(tl)的百分数来表示，如csi(tl)的发光效率为45%, csi(na)的发光效率为85%。绝对光输出指晶体相对于1mev所发出光子的数目。由于历史原因，产生了许多定义的方法，一般有三个量来描述。（1）光能产额。它的定义为核辐射在闪烁体中损失的能量闪烁发射的光子数。（2）绝对闪烁效率。他就是能量转换效率，表示 在一次闪烁中，产生的闪烁光总能量与核辐射损耗在闪烁体中的能量之比：cnp=eph/e（4） 相对发光率。它是使用一种核辐射在不同闪烁体中损失相同的能量，测量它们的相对脉冲输出幅度或电流进行比较，一般以蒽作为标准，如对射线的蒽发光率为1则nai（tl）为2.3。3.发光时间和发光衰减时间，闪烁发光时间包括闪烁脉冲的上升时间和衰减时间两个部分。，前者时间相当短，可以忽略不计，后者一般也小于10-9s。132.1.3伽马射线与闪烁体的相互作用一、光电效应 作用机制。光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子（称为光电子），光子本身消失了。 + a a* + e- （光电子） 原子 a + x 射线光电效应的基本理论问题。光电效应应满足能量守恒。根据能量守恒，有： 表明：只用入射光子的能量必须大于壳层电子结合能，才能发生光电效应。光电效应应满足动量守恒。根据动量守恒要求：只有原子核参加反应，才能满足动量守恒。因此有推论：光子只能与原子的束缚电子（实际是整个原子）发生光电效应，而不能与自由电子发生光电效应。各壳层电子发生光电效应的几率之比。理论上靶原子各壳层的电子都可以吸收光子能量而发射出来成为光电子，但电子在原子中束缚得越紧，就越容易使原子核参加相互作用过程，发生光电效应的几率就越大。所以，k层电子发生光电效应几率最大、l层次之、m层更小。实际上，80的光电效应发生在与k层电子的作用上。k:l:m=100:10:1发射光电子后，靶原子由于内壳层出现电子空位而处于激发态。处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：1、辐射“特征x射线”。外层电子直接跃迁填充内层电子空位，使原子回复到较低的能量状态，跃迁过程中，放出电磁辐射，其能量等于两个电子壳层的结合能之差。电子跃迁过程中释放的电磁辐射是一种x射线。由于其能量取决于原子的结构，故对每一种元素来说，都是特征的，故称其为“特征x射线”。图2.2 辐射特征x射线的示意图2、发射俄歇电子。壳层电子在跃迁过程中不发射特征x射线，而是将激发能转移给一外壳层电子，使它从原子中发射出来。如果在l层电子向k层电子跃迁中不发射特征x射线，则，所发射的俄歇电子的能量等于：式中：e俄歇俄歇电子的能量； bk、bl靶原子k层与l层的结合能。光电子的能量。如果忽略原子核获得的反冲能，根据能量守恒原理，可以写出光电子的能量为：对于原子序数为z的原子，其各壳层的电子的结合能可以用以下的近似公式计算：（r=2.17910-18j =13.6ev里德伯能量）由于光子能量一般为mev级，远大于壳层电子结合能（例i的k层电子结合能为33kev）故：eebi 。光电效应截面。原子的光电截面：一个入射光子与电位面积上一个靶原子发生光电效应的几率。光电效应截面与入射光子能量核靶物质原子序数有关 ：a为原子与入射光子发生光电效应的几率； k为入射光子在k层发生光电效应的几率；光电效应中光电子的角分布。相对于光子的入射方向而言，不同角度光电子的产额是不一样的。可以用微分截面dn/d表示进入平均角度为方向的单位立体角w内的光电子数目n。实验和理论证明，光电子的角分布具有其明显的特点:1)与光子入射方向成0和180方向不会产生光电子，而在某一角度光电子出现几率最大。 2) 当入射光子能量很低时，光电子在垂直于入射射线方向上发射。 3) 当光子能量增加时，逐渐朝前向角发射。二、康普顿效应 概念。 光子与原子的外层电子发生碰撞，一部分能量传给电子使它脱离原子射出而成为“反冲电子”，同时光子损失能量并改变方向成为“散射光子”。康普顿效应与光电效应的不同之处主要有两点，一是康普顿效应中反冲电子只获得光子一部分能量，并且作用完后仍然存在散射光子。二是康普顿效应发生在外层电子上，而光电效应主要发生在最内层电子上。康普顿效应的能量。康普顿效应可以认为是入射光子与处于静止状态的“自由电子”之间的弹性碰撞，可以利用相对论的能量与动量守恒来计算反冲电子，散射光子及入射光子之间的能量、动量分配和角度等关系。设入射光子能量，动量为。散射光子能量为，动量为。反冲电子的动能为，总能量为e，动量为p。散射角，反冲角。则有下列关系式成立： 由以上3式可以得出如下结论 :1当散射角q =0o时，erer。这时散射光子能量最大，等于入射光子能量，而反冲电子能量。这表明，此时入射光子从电子旁掠过，未受到散射，光子能量未发生变化。2当散射角q =180o 时，入射光子与电子对心碰撞后，沿相反方向散射回来，而反冲电子则沿入射光子方向飞出。此时反冲电子能量最大而散射光子能量最小。散射光子和反冲电子的能量分别为：由散射光子的能量表达式可以看出，此关系式随er(hv)变化缓慢。实际测量表明，对不同入射光子的能量，180度反散射光子的能量变化不大，大约都在200kev左右。康普顿散射光子的角分布。在不同的散射角方向上，散射光子数为：低能条件下的散射截面（1）00，光子向前与向后的散射几率相等（2）=900时，光子散射几率最小（3）因为00，散射光子不损失能量，只改变方向。这种不损失能量的散射，称为“汤姆逊散射”，其微分截面为光子能量增加时的散射截面。随着入射光子能量增加，反散射几率减小。对某一较大能量的入射光子，随散射角增大，散射几率逐渐减小。这是散射光子角分布的一般规律。一个电子的康普顿散射截面。由上式对角度（01800）积分获得（克莱因仁科公式）当hm0c2，即0 1 得出结论：随入射光子能量增加，电子的康普顿散射截面逐渐减小。介质的康普顿散射截面。介质的康普顿散射截面为电子的康普顿散射截面乘以单位体积中的电子数。对于一般造岩元素，上式中 z/a=1/2，从而有上式表明，对于一定能量的射线而言，各种岩石的康普顿效应的散射截面都近似相等。由上式可以得出：（散射截面正比于介质密度）三、形成电子对效应当光子从原子核旁边经过时，在原子核的库伦场作用下，伽马光子转化为一个正负电子对，这个过程成为电子对效应。这种过程仅在入射光子的能量超过1.02 mev时才能够发生，光子在原子核附近被吸收，产生出正负电子对，作用后原子处于激发态。因此，整个过程满足动量和能量守恒：可以证明这两个条件是不能同时满足的，因此就需要附近有原子核存在。由于原子核带走了一些动量，所以它在反冲过程中同时也带走了一些能量。由狄拉克理论以及电子的相对论能量公式可知：正负电子同时存在是电子存在正负两种能量状态的结果：假设所有的负能态均被填满；根据泡利不相容原理，到达这些能态的跃迁是不能发生的，所以人们一般观察不到电子“海”的现象。当某个电子跃迁到一个正的能级上时，它就留下一个空穴（正电子），这个空穴与电子性质类似，只是电量为正而已，如图18.7所示。换句话说，就是处于负能态的空穴带有正电荷，而处于正能态的电子带有负电荷。空穴之所以是不稳定的，是因为当它损失掉大部分动能（即被热化）时，它就会重新与一个电子结合，发生所谓的正负电子对湮没。这个过程通常产生两个能量均为0.511mev而方向相反的光子（湮没辐射）。正电子与负电子还能够组成原子，人们通常把这种原子称为电子偶素。电子偶素的寿命通常在10-7到10-9秒之间，寿命长短与正负电子的自旋相对取向有关，自旋反平行的电子偶素的寿命较短。图2.3 （正电子是填满电子的负能态中所产生的空穴，而电子是未填满的正能态上的粒子。（摘自meyerhof）电子对的产生与轫致辐射过程密切相关。在轫致辐射过程中，电子从一个正能态跃迁到另外一个正能态，同时放出一个光子。事实上，用光子代替入射电子，并且选取合适的与放出正负电子对相关的态密度，我们就可以直接采用轫致辐射理论而得到跃迁概率。对于正电子，对能量的微分截面为其中上式只在玻恩近似下才成立，玻恩近似是高能条件下所使用的一种近似方法，不考虑屏蔽作用，这就要求满足。所谓屏蔽作用是指通过内层电子的屏蔽而部分地降低了核电荷数。玻恩近似下得到的截面对t+和t-有对称性，即交换这两个参量的值所得到的结果保持不变。由于受到屏蔽效应的影响，实际的截面值要有所降低。为了得到截面对能量的分布，将上式改写为：其中无量纲因子p是z和h的函数；图18.8给出了因子p的变化曲线。我们看到截面大小随着入射光子的能量增大而增大。由于al的p值比pb的稍大，所以截面值随着2z的变化要比随z值的变化更显著。在低能区，正负电子的截面随能量的分布近似相等；然而到高能区，正负电子的截面随能量的分布出现差异。从直观上可知，正电子的分布倾向于更高的能量，这是由于正电子与原子核之间有库仑斥力而电子与原子核之间有库仑引力。232.1.4光的收集与光导 光学收集系统包括反射层、耦合剂、光导等。它可以使闪烁体发射的光能够均匀、有效的收集在广电倍增管的光阴极上。在研究中我们发现，对于不同形状的闪烁体，根据它们不同的形状，收集效率会有很大改变，金属包装，镜面包装都会产生不同的结果，特别是某些不规则形状会造成随入射方向入射深度不同（即随入射粒子种类能量不同）收集效率有较大改变，很大程度上影响闪烁体探测器探测到能量谱的线性关系。我们发现方柱体的收集效果要好于圆柱，还好于棱台。通过模拟我们提出这样的方案,为了要保证探测器有较大的收集面积，同时兼顾光收集的线性关系，最佳的方法是将闪烁体探测器设计成阵列，其中每一个探测单元由长方柱体的闪烁体以及与之尺寸相匹配的一套光敏二极管或光电倍增管构成，多个探测单元拼装在一起组成闪烁体阵列，可以满足实验中对于较大探测立体角的要求。一、反射层反射层的作用是把闪烁体中向四周发射的光有效的收集到光阴极上。一般用作反射层的材料有：氧化铁、二氧化铁、铝箔、镀铝塑料薄膜、聚四氟乙烯带子等。二、光学耦合剂由于闪烁体与光阴极接触的界面中存在着空气，为了尽量减少光线在交界面上发生全反射，一利于将光子大部分收集到光阴极上去，需要在闪烁体与光电倍增管之间加上一层“耦合剂”，其作用是有效的把光传给光电倍增管的光阴极，减少光在闪烁体与光阴极界面的全反射。光学耦合剂的材料有硅油、硅脂、甘油、真空泵油等。使用耦合剂时必须注意普通的硅油对塑料闪烁体具有腐蚀性，最好使用甲基硅油。对经常要拆换的闪烁体，宜用稀一些的硅油，如果长期固定使用，可用较稠的硅油。加上光学耦合剂可以输出脉冲幅度比不佳时增加1/3到一倍。三、光导光导的作用是有效的把光传递给光电倍增管的光阴极。光导一般用于下述几种情况：（1） 当使用的闪烁体面积比光电倍增管大时，可以用光导作为中间过渡，使闪烁体发射出的光子较多的进入光阴极。（2） 在强电磁场中探测射线是，光电倍增管不能放置在强磁场中，可以用较长的光导将光引到光电倍增管的光阴极上。（3） 由于受到空间限制：如医学诊断中，有时只能把体积很小的闪烁体放在在体内，这是可用长的前卫光导将光引到光阴极上。（4） 当闪烁体的表面和光阴极表面形状不一致是，也需要用光导过渡。光导材料有聚乙烯基甲苯、聚苯乙烯塑料，有机玻璃、石英玻璃。有时，也可以采用“空气光导”，即空心金属圆筒。各种发光光导材料对光的透射率与吐舌光的波长、光导的长度有一定关系。因此，可以根据闪烁体的发光光谱和实际应用的情况来选择光导材料和长度。光导的形状和尺寸应根据用途而定，一般只有圆柱体、截顶圆锥、长条、长丝等形状。122.2电子倍增器件 2.2.1光电倍增管1 概述光电子应用技术是一门新兴的高新技术，当前还处于发展阶段。相信它在21 世纪必将有重大创新并迅速崛起。光电子技术产业也必将发展成为一种新兴的知识经济，从而在新兴技术领域形成巨大的生产力。光电倍增管（pmt）是光子技术器件中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。2 光电倍增管的一般结构光电倍增管是一种真空器件。它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。图1 所示为端窗型光电倍增管的剖面结构图。其主要工作过程如下：图2.4 光电倍增管示意图当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。3 使用注意事项在使用光电倍增管时，应特别注意以下几点：（1） 光电倍增管的工作电压可能造成电击，在仪器设计中应适当地设置保护装置。（2） 由于光电倍增管的封装尾管易受外力或振动而损伤，故应尽量保证其安全。特别是对带有过渡封装的合成石英外壳的光电倍增管，应特别注意外力的冲击和机械振动等影响。（3） 不要用手触光电倍增管，面板上的光土和手印会影响光信号的穿透率，受到污染的管基会产生低压漏光。光电倍增管受到污染后，可用酒精擦试干净。（4） 当阳光或其他强光照射到光电倍增管时，会损伤管中的光阴极。所以光电倍增管存放时，不应暴露在强光中。（5） 玻璃管基（芯柱）光电倍增管比塑料管基更缺乏缓冲保护，所以对玻璃管基的管子应更加保护，例如，在管座上焊接分压电阻时，应将光电倍增管先插入管座中。（6） 在使用中需要冷却光电倍增管时，应经常将光电倍增管的相关部件也进行冷却。氦气会穿透石英管壳，从而使噪声值升高。因此，在使用和存放中避免将光电倍增管暴露在有氦气存在的环境中。212.3闪烁计数器 在本章第一节理已经介绍闪烁探测器的部分类容以及光电倍增管的工作原理。在两者耦合以后，再配以电学一起，就成为闪烁计数器。闪烁计数器在核辐射探测中是应用较为广泛的一种探测器，就其应用可以归纳为四类：1、能谱测量，2、强度测量。3、时间测量，4、剂量测量，其中，剂量测量是强度和能量测量的结合。接下来，我们主要讨论下，在实际测量中遇到的基本问题加以讨论：一是时间分辨，二是能量分辨；并讨论一个闪烁计数器应用中最为典型的例子碘化钠（铊）闪烁谱仪，以进一步了解闪烁计数器的性质。2.3.1时间特性 将闪烁探测器作为高强度放射性测量仪器，或者作为时间测量仪器，例如作为短寿命测量以及作用飞行时间的谱仪的探头时，时间特性是首要考虑的问题。它是由闪烁体、光电倍增管以及外电路等多方面因素决定的。从核辐射进入闪烁体的时刻算起，到光电倍增管阳极负载上脉冲输出，中间经历了一系列时间过程：（1） 核辐射使闪烁体院子、分子激发的时间。（2） 核辐射，或者由之引起的刺激带点例子在闪烁体中消耗能量所需要的时间。（3） 闪烁体发光衰减时间。（4） 闪烁光子从发光地点到达光阴极所需要的时间。（5） 光电子在光电倍增管中的渡越时间（存在分散值）。（6） 电荷在阳极粗在回路中建立脉冲电压的过程，其时间由电路的r、l、c决定。由于上述这些过程，光电倍增管阳极脉冲不仅在时间上对于核辐射进入闪烁体时刻有延迟，而且波形也将展宽。二其中主要的作用就是闪烁体发光衰减时间、光电倍增管的渡越时间机器分散外电路时间常数三个因素。我们已经讨论过用函数光源照射光阴极时光电倍增管的阳极输出脉冲的情况。在极限情况下，即当光阴极上只发射一个光电子时，在阳极得到的、由倍增管产生的大量电荷在时间上也有一个分部，其脉冲如下图2.5所示。图2.5 光电倍增管的时间特性及脉冲图阳极电流随时间的变化p（t）称为光电倍增管单电子时间响应函数，也即第一打拿极只接收到一个光子时阳极电流脉冲的波形。p（t）dt表示在tdt时间间隔内到达阳极的电荷量。显然： 0p（t）dt=gcme时间分辨本领反映谱仪的时间特性，它由闪烁体、光电倍增管等因素决定。从射线进入闪烁体的时刻起，到光电倍增管阳极负载上脉冲输出，中间经历了一系列过程。由于这些过程，光电倍增管阳极脉冲不仅在时间上相对于射线进入闪烁体时刻有所延迟，而且波形也将展宽。其中起主要作用的是闪烁体发光衰减时间、光电倍增管的渡越时间及其分散、外电路时间常数三个因素。一般nai(tl)闪烁探头的时间分辨本领为微秒量级。12.3.2能量分辨率 由于射线在闪烁体中产生的光子数具有一定的统计涨落，光电倍增管的光阴极光子收集效率的统计涨落，以及光电倍增管的光电转换效率和倍增系数的统计涨落，使得同一能量的射线产生的脉冲幅度有一分布（如图2-2-7）。由于射线的能量与脉冲幅度成正比，所以通常把这一分布曲线的半宽度v1/2与计数率最大值所对应的脉冲幅度vo之比定义为能量分辨率：nai(tl)闪烁谱仪的能量分辨率通常用137cs的0.662mev全能峰的分辨率来表征，一般在10%左右。在测量中可考虑下列一些因素，进行必要的调整，以期达到一台谱仪可能实现的最好的分辨率。（1） 闪烁体与光电倍增管光阴极之间保持良好的光学接触；（2） 参考光电倍增管高压推荐值，并作适当调整，使得在保持能量线性条件下，输出脉冲幅度最大；（3） 根据放射源的活度，选择合适的源与闪烁体之间的距离。12.3.3能量线性 能量线性是指谱仪对入射射线的能量和它产生的脉冲幅度（指全能峰的位置）之间的对应关系。理想情况下，脉冲幅度与能量之间应当成线性关系。一般nai(tl)闪烁谱仪在较宽的能量范围内（100kev1.3mev）是近似线性的。实验上对于能量线性关系的检验，通常是用已知能量的一组标准源，测量相应的全能峰处的脉冲幅度，建立射线能量与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直线，即e(xp)=gxp+e0式中xp为全能峰峰位，e0为直线截距，g为增益(即单位脉冲幅度对应的能量)。一般能量刻度可选用137cs(0.662mev，0.184mev)和60co(1.17mev，1.33mev)的四个能量点进行刻度。4第三章 航空伽马能谱仪对伽马射线的响应实验3.1航空伽马能谱仪对137cs源和232th源的伽马射线的响应137cs是-衰变纲图如下图3.1所示,。-衰变后形成的核子经常处于激发状态，原子核由激发态回到基态时发出伽马射线，所以-衰变往往伴随着放出伽马射线。有的核素衰变时能放出不同能量的-粒子，因而伴随着放出几种能量的伽马射线。与射线。衰变相比，-衰变放出的伽马射线的能注量率多，天然放射性核素的几组主要的伽马射线，几乎都是伴随-衰变的产生的。137cs的能量为0.61mev的单色伽马射线源，对应的封被称为光电峰。图3.1 137cs的衰变纲图 用已经达到放射性平衡的钍系来测量伽马的能谱，下图3.2所示图3.2 平衡铀、钍矿和钾盐模型上伽马射线仪器谱伽马射线谱主要为228ac和208tl，其次为212pb和212bi。228ac主要的能量为0.908mev/0.960mev/0.338mev/0.129mev的伽马射线，其中0.908mev的射线是钍系的主要射线之一。228ac的伽马辐射能量总和占整个钍系核素的伽马辐射能量的总和的26.2%。212pb放出能量为0.239mev的主要伽马射线，一次衰变产生的光子数平均达到0.47，是钍系低能谱段中的重要伽马射线。208tl是钍系的最重要的伽马辐射体，其伽马辐射能量总和占整个钍系核素的伽马辐射能量总和的61%，主要伽马射线有0.583mev、0.511mev、和2.62mev，其中2.62mev的伽马射线能量最高，辐射几率又大，是钍系中一条很重要的特征射线。3.1.1工作任务用航空伽马能谱仪来测量137cs源和232th源，采用峰进行稳谱，通过计算得出分辨施加137cs源和232th源时的能量分辨率以及峰位。对其谱线进行分析得出结论，分析谱线的软件为航空伽马能谱勘察系统软件。从而为航空伽马能谱数据的非线性合成提供了研究基础。3.1.2设计要求试验条件：必须是在稳谱情况下进行1.采用137cs源，源长为14cm，围绕着箱体进行测试，稳谱后每点测试300秒，采用钾峰稳谱。2.采用232th源，源长为10cm，围绕着箱体进行测试，稳谱后每点测试300秒，采用钾峰稳谱。3.1.3实验设计我们所采用的航空伽马能谱仪是有成都理工大学自主研制的grs863航空多道伽玛能谱仪，下图即是其能谱测量系统框图3.3图3.3航空数字能谱测量系统框图the schematic of digital airborne gamma-ray spectrometry19 航空伽马能谱仪每箱里面装的是5条大尺寸nai晶体，上面1条，下面并排4条。将放射源放在晶体的上面距离仪器即晶体20cm处测量，每10cm测量一个点，系统就记录下一个以dga为后缀名的谱线文件。从能谱仪的正上方的0cm点开始算起为原点，围绕晶体一周每递增10cm为一个点记录下一个谱线，得出响应的能量分辨率，和峰位。137cs源的响应测量示意图如下图3.4所示图3.4 137cs源在箱体正上方运动示意图（此图为正视）实验测量表格：表3-1 表3-2 232th源在不同位置得到的谱线文件距离起点的直线距离d（cm）基点数文件名字箱体正上方测量d=057420100328225615.dgad=1057020100328230744.dgad=2050020100328231753.dgad=3068320100328232640.dgad=4069120100328233846.dgad=5065520100328235048.dgad=6059820100329000259.dga箱体尾部d=7065320100329001448.dgad=8053620100329002807.dga箱体下部d=9050420100329003927.dgad=10054920100329004830.dgad=11055320100329005828.dgad=12045120100329010816.dgad=13043820100328235048.dga正上方：1、d=0cm文件名:20100328225615.dga 基点数：5742、d=10cm文件名:20100328230744.dga 基点数：5703、d=20cm文件名:20100328231753.dga 基点数：5004、d=30cm文件名:20100328232640.dga 基点数：6835、d=40cm文件名:20100328233846.dga 基点数：6916、d=50cm文件名:20100328235048.dga 基点数：655箱体尾部：图3.5 137cs在箱体尾部运动示意图7、文件名:20100329000259.dga 基点数：5988、文件名:20100329001448.dga 基点数：653箱体底部：图3.6 137cs源在箱体底部运动示意图9、文件名:20100329002807.dga 基点数：53610、文件名:20100329003927.dga 基点数：50411、文件名:20100329004830.dga 基点数：54912、文件名:20100329005828.dga 基点数：55313、文件名:201003290