NaI（Tl）单晶能谱的测量

1、NaI（Tl）单晶能谱的测量一、 实验目的1、 加深对 射线和物质相互作用的理解；2、 掌握NaI(Tl)谱仪的原理及使用方法；3、 学会测量分析能谱；4、 学会测定谱仪的能量分辨率、线性、探测效率曲线；5、 测定未知放射源的能量和活度。二、 实验原理1、 谱仪的组成图1 谱仪的组成框图NaI(Tl)闪烁谱仪由NaI(Tl)闪烁探头（包括闪烁体、光电倍增管、前置放大器）、高压电源以及谱仪放大器、多道分析器、计算机等设备组成。图1 为NaI(Tl)闪烁谱仪装置的示意图。此种谱仪既能对辐射强度进行测量又可作辐射能量的分析，同时具有对射线探测效率高（比G-M 计数器高几十倍）和分辨时间短的优点，是目

2、前广泛使用的一种辐射探测装置。2、 射线与闪烁体的相互作用 由能带理论，卤化碱晶体能带由价带、禁带和导带组成。能量最低的为价带，通常为晶体格子所束缚住的电子；中间的一层叫做禁带。就本征晶体而言，禁带中不存在电子。但若在价带中的电子获得了足够的能量，则可跃迁至导带，并在价带中产生一个空穴。在导带中的电子及在价带中的空穴均可以自由运动。同时导带中的电子可能会跃迁回到价带与空穴复合而发出光子。但是在本征晶体中，电子与空穴复合放出光子的机率是非常小的。何况，因为价带与导带之间的能隙的限制，在上述情况下发出的光子通常能量较高而不在可见光的范围内。若在无机闪烁器中加入少量杂质，在晶体中形成缺陷，改变了本征

3、晶体的能带结构，在禁带形成了一些新的能带。经由这些能态，导带中电子与空穴复合的机率大为增加。若选用适当的杂质，可以发出可见光。常用的无机晶体闪烁器有NaI(Tl)、CsI(Tl)、CsI(Na)及ZnS(Ag)等。当射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程：（1）光电效应；（2）康普顿散射；（3）电子对效应。前两种过程中产生电子，后一过程出现正、负电子对。这些次级电子获得动能(见表1 所示)，次级电子将能量消耗在闪烁体中，使闪烁体中原子电离、激发而后产生荧光。光电倍增管的光阴极将收集到的这些光子转换成电子，光电子再在光电倍增管中倍增，最后经过倍增的电子在管子阳极上收集起来，并通过阳极负载电

4、阻形成电压脉冲信号。射线与物质的三种作用所产生的次级电子能量各不相同，因此对于一条单能量的射线，闪烁探测器输出的次级电子脉冲幅度仍有一个很宽的分布，分布形状决定于三种相互作用的贡献。表1 g 射线在NaI(Tl)闪烁体中相互作用的基本过程根据射线在NaI(Tl)闪烁体中总吸收系数随射线能量变化的规律，射线能量E1.02MeV以后，则有出现电子对效应的可能性，并随着射线能量继续增加继续增加而变得更加显著。图2 为示波器上观察到的137Cs 0.662MeV 单能射线的脉冲波形，谱仪测得的能谱图。图3是137Cs、22Na 和60Co 放射源的能谱。图中标出的谱峰称为全能峰。在射线能区，光电效应主

5、要发生在K壳层。在击出K层电子的同时，外层电子填补K 层空穴而发射X光子。在闪烁体中，X光子很快地再次光电吸收，将其能量转移给光电子。上述两个过程是几乎同时产生的，因此它们相应的光输出必然是叠加在一起的，即由光电效应形成的脉冲幅度直接代表了射线的能量（而非E减去该层电子结合能）。3、 137Cs能谱分析137Cs在衰变过程中，它可发出能量为1.17MeV 的粒子，成为基态的137Ba；而主要的衰变过程是发出能量为0.514MeV的粒子，成为激发态的137Ba，再跃迁到基态发出能量为0.662MeV 的单能射线，其能谱是有三个峰和一个平台的连续分布。峰A称为全能峰，这一幅度的脉冲是0.662Me

6、V 的光子与闪烁体发生光电效应而产生的，它直接反映了射线的能量。平台B是康普照顿效应的贡献，它的特征是散射光子逃逸出晶体后留下的一个连续的电子谱。峰C是反散射峰，当 射线射向闪烁体时，总有一部分 射线没有被吸收而逃逸出，当它与闪烁体周围的物质发生康普顿散射时，反散射光子可能进入闪烁体发生光电效应，其脉冲就产生反散射峰。D峰是X射线峰。它是由137Ba的K 层特征X 射线贡献的。处于激发态的137Ba在放出内转换电子后，造成K壳层空位，外层电子向K壳层跃迁后产生X光子，由于137Cs发出的射线的能量为0.662MeV（小于1.02MeV）,所以它的闪烁体作用不会发生电子对效应。4、 闪烁谱仪的性

7、能a) 能量分辨率探测器输出脉冲幅度的形成过程中存在着统计涨落。即使是确定能量的粒子的脉冲幅度，也仍具有一定的分布，其分布示意图如图4 所示。通常把分布曲线极大值一半处的全宽度称半宽度即FWHM，有时也用E表示。半宽度反映了谱仪对相邻脉冲幅度或能量的分辨本领。因为有些涨落因素与能量有关，使用相对分辨本领即能量分辨率更为确切。一般谱仪在线性条件下工作，故也等于脉冲幅度分辨率，即=E/E=V/V （1）E(V )和E(V )分别为谱线的对应能量（幅度值）和谱线的半宽度（幅度分布的半宽度）。表示出谱仪能够区分能量很靠近的两条谱线的本领，或者说它代表了谱仪能够分辨开（两种能量很相近）的能量差的相对值的

8、极限。显然越小越好，表示它能将靠得很近的谱线分开。对于一台谱仪来说，近似地有1E即谱仪的分辨率还与入射粒子的能量有关。闪烁谱仪的能量分辨率取决于闪烁体、光电倍增管、电子学线路的选择与配合。由于现在电子学线路技术的提高，分辨率主要取决于闪烁体的分辨本领。对于单晶NaI（TI）谱仪来说，能量分辨率是以137Cs的0.662MeV 单能射线的光电峰为标准的，它的值一般在8-15%，最好可达6-7%。b) 能量线性刻度曲线能量线性指谱仪对入射射线的能量和它产生的脉冲幅度之间的对应关系。一般NaI（Tl）闪烁谱仪在较宽的能量范围内（100keV 到1300keV）是近似线性的。这是利用该谱仪进行射线能量

9、分析与判断未知放射性核素的重要依据。为检查谱仪的能量线性情况，必须利用一组已知能量的放射源，测出它们的射线在谱中相应的全能峰位置（或道址），然后，作出能量对脉冲幅度（或道址）的能量刻度曲线。这个线性关系可用线性方程表示，即Exp=Gxp+E0式中xp 为峰位，即道址；E0 为截距，即零道对应的能量；G 为斜率，即每道对应的能量间隔，又称增益。实验中用的核素能量列于表2 中。实验中欲得到较理想的刻度曲线，还需要注意到放大器及多道分析器的线性，进行必要的检查调整，进行未知能量的测量时，必须保持其测量条件与能量刻度时的相同。若测量条件有较大变化时，应重新进行刻度。典型的能量刻度曲线如图5 所示：c)

10、 效率刻度曲线当不同能量的射线入射探头时，谱仪的探测效率将随能量发生变化。探测效率的定义如下：E=S(E)TAbT 为测量时间；A 为放射源活度；b 表示能量为E 的射线的产额（也称为分支比）；S(E)表示能量为E 的射线所对应的全能峰面积（如图6）。通过对多种已知活度的源进行测量，可以计算出谱仪在不同能量处的效率，从而拟合得到探测效率随能量的变化规律。三、 实验仪器1. NaI（Tl）闪烁探头2. 高压电源3. 多道脉冲幅度分析器4. 计算机5. 示波器6. 放射源5 个，铅砖若干四、 实验内容及记录分析第一周实验内容：1. 检查线路确认无误后开低压电源，预热几分钟。熟悉多道脉冲幅度分析器数

11、据采集软件的使用；时间：2012/10/25 14:30-15:00 15:30-16:00实验记录:a) 实验使用的是高压及放大一体仪器，仪器前面板有放大倍数调节旋钮，高压调节旋钮。放大倍数从旋钮上读取，高压则可从数字面板上直接读出。b) 实验使用的多道脉冲幅度分析器数据采集软件可以根据道数，测量时间等参数设置自动进行测量记录，并最终输出txt文本本件。实验结果：基本掌握实验原理，方法，仪器及数据采集软件使用方法。2. 用示波器观察测量闪烁体探头输出信号。把放射源放在托盘上，将探头和放射源用铅砖屏蔽。加高压，用脉冲示波器观察探头工作状态。时间：2012/10/25 15:00-15:30实验

12、记录：此部分实验内容由老师讲解是进行演示，示波器上出现波形，该波形幅度最大的部分有一明亮光带，而幅度较小的不断变化的弥漫区域。亮带与弥漫区之间明显可见一较暗带域出现。3. 选择高压、放大倍数、测量道数等参数；（放射源选择137Cs，测量时间200s）时间：2012/10/25 16：00-17:30a) 把放射源放在托盘上。调节改变高压（350700V），保持其它条件不变，观察能谱曲线的变化，并记录数据；实验记录：i. 保持放大倍数4.78，道数1024不变。测量铯放射源在电压350V时的能谱。导出文本文件（桌面:123电压350放大4.78铯137）。ii. 条件同上，测量铯放射源在电压45

13、0V，550V，650V时的能谱。分别导出文本文件（桌面:123电压450放大4.78铯137）、（桌面:123电压550放大4.78铯137）、（桌面:123电压650放大4.78铯137）。实验分析与讨论：将实验所得的四个电压下的数据分别作图，如下：图7 电压350V 放大倍数4.78 道数1024图8 电压450V 放大倍数4.78 道数1024图9 电压550V 放大倍数4.78 道数1024图10 电压650V 放大倍数4.78 道数1024分析：i. 图7-图10可以发现，当所加电压较低的时候（如图7 350V情况），所有通道收集到的粒子数目均为0或者接近0。ii. 当电压升高（如

14、图8,9 450V和550V情况），则可以较全观察到铯137的能谱。而且对比之下，550V下所得图样更宽，能谱主要部分所在通道中收集到的粒子数更少，全能峰峰值下降更明显。iii. 当电压太高（如图10 650V情况），收集粒子数进一步减少，而且已经不能观察到全能峰，全能峰在所得能谱右方。总结：其他条件不变时，电压主要对应能谱所能测量的能量范围。测量范围与电压选取呈负相关。电压较低时，测量范围太广，以致能谱出现集中在开始的几个通道上，甚至无法测量。当逐渐提高电压，测量范围开始下降，能谱出现，但同时由于通道数不变，每个通道对应的能量范围亦减小，所以每个通道上采集到的粒子数减少，图形效果变差，对于能

15、量较集中粒子数较多的全能峰影响明显。当电压足够大，所得能谱不再完整。从原理上说，高压是作用在光电倍增管，高压使得光电倍增管灵敏度提高，降低其测量范围，提高测量精度。但同时，噪声也会被放大。b) 调节改变放大倍数，保持其它条件不变，观察能谱曲线的变化，并记录数据；实验记录：i. 保持电压550V，道数1024，测量时间200s不变，测量放大倍数为1.0时，放射源铯137的能谱并导出文本文件（桌面:123电压550放大1.0铯137）。ii. 条件不变，测量放大倍数为2.0,3,0,4.0,5.0时，放射源铯137的能谱并分别导出文本文件（桌面:123电压550放大2.0铯137）、（桌面:123

16、电压550放大3.0铯137）、（桌面:123电压550放大4.0铯137）、（桌面:123电压550放大5.0铯137）。实验分析与讨论：将实验所得的5个放大倍数下的数据分别作图，如下：图11 放大倍数1.0 电压550V 道数1024图12 放大倍数2.0 电压550V 道数1024图13 放大倍数3.0 电压550V 道数1024图14 放大倍数4.0 电压550V 道数1024图15 放大倍数5.0 电压550V 道数1024分析：i. 图11，图12放大倍数较小，能谱不明显，不作讨论。ii. 图13，14,15则可以明显看出，当其他条件不变时，放大倍数增大与电压一样，可以调节测量能谱

17、的能量范围。放大倍数同样与测量范围呈负相关。iii. 与（a）中电压调节类似，放大倍数增大，测量范围减少，每个通道对应的能量范围减少，收集到的粒子数减少。总结：其他条件不变时，放大倍数对能谱图的调节跟（a）中电压调节类似，增大放大倍数，测量范围下降，各通道粒子数减少。但从原理上，两者有本质区别。电压作用在光电倍增管，是为了从微弱的光信号中得出清晰的较强的电信号。而放大倍数则是调节放大器的放大倍数，从而对已得到的电信号再进行放大。电压调节与放大倍数调节效果对比：i. 原理上，电压调节作用于光电倍增管，增加二次电子发射个数，把微弱的光信号放大，提高测量灵敏度。因此，为了得到清楚波形需要用较高压。但

18、同时，背景噪声等影响因素也会被放大。增大从得到信号还原为原信号的难度，降低了精确性。所以不能一味加高压。ii. 放大倍数调节作用于光电倍增管得到的脉冲信号。倍数增大其脉冲幅值，可以将脉冲图样在通道上进行展开，但它不能改变接收到的脉冲个数，所以，一味增大放大倍数，会导致关键位置，如全能峰，所在通道接受脉冲个数过于分散，个数太少，而得不出较为理想的能谱。综上，要得到理想的能谱，必须调节得到合适的高压值与放大倍数。电压应限制在600V-700V以下，防止噪声过大，同时能提高灵敏度，增加个数。放大倍数则亦应该调节在适中的值，保证能谱清晰，各峰明显，且通道采集个数不能太少。c) 调节改变测量道数（256

19、、512、1024、2048、4096），保持其它条件不变，观察能谱曲线的变化，并记录数据；实验记录：i. 保持电压600V，放大倍数3.5不变，测量放射源铯137在通道数256下的能谱。并导出文本文件（桌面:123电压600放大3.5铯）。ii. 条件不变，分别测量放射源铯137在通道数512,1024,2048,4096下的能谱。并导出文本文件（桌面:123电压600放大3.5铯）、（桌面:123电压600放大3.5铯）、（ 桌面:123电压600放大3.5铯）、（桌面:123电压600放大3.5铯）。实验分析与讨论：将实验所得的5个道数的数据分别作图，如下：图16 256道 电压600V

20、 放大倍数3.5图17 512道 电压600V 放大倍数3.5图18 1024道 电压600V 放大倍数3.5图19 2048道 电压600V 放大倍数3.5图20 4096道 电压600V 放大倍数3.5分析：i. 观察图16-图20，不难看出，能谱中全能峰出现的位置大致相同，而道址则按倍数增长。ii. 道数越高，每个通道上采集到的粒子数越少。总结：道数不影响测量范围，道数是在已知测量范围内使用进行测量的通道数。道数越高，每个通道对应的能量越小，精度应该会有提高。但同样，由于粒子数一定，每个通道对应的能量范围较小，因此粒子数会变少，反而会降低能谱图的精度。因此应根据测量的能量范围选择道数，如

21、在0-1.5MeV范围可选择1024道。d) 把放射源60Co 放在托盘上，调节参数，使两个全能峰均能清楚看见，并使能谱的能量范围约在01.5MeV。实验记录：查表知，60Co全能峰对应的能量为1173keV和1333keV，选择1024道，调节电压570V与放大倍数4.0，两全能峰可见，使得能量较大的全能峰落在道址880附近。使得观测范围大约为0-1.5keV。导出数据文本文件（桌面:123新建文件夹Co 570 4 f）。作图如下：图21 60Co能谱e) 把放射源137Cs 放在托盘上，测量其能谱，解释能谱曲线形状，进一步理解 射线和物质相互作用过程。实验记录：选定1024道，调节电压5

22、70V和放大倍数4.0下137Cs能谱。导出数据文本文档（桌面:123新建文件夹CS 570 4 f）。作图如下：图22 137Cs能谱分析：137Cs在衰变过程中，它可发出能量为1.17MeV 的粒子，成为基态的137Ba；而主要的衰变过程是发出能量为0.514MeV的粒子，成为激发态的137Ba，再跃迁到基态发出能量为0.662MeV 的单能射线，能量小于1.02MeV，不会发生电子对效应。其能谱是有三个峰和一个平台的连续分布。图中可清晰看见反散射峰即道址约为140左右的峰，该峰是由于射线射向闪烁体，有一部分射线没有被吸收而逃逸出，与闪烁体周围物质发生康普顿散射，反散射光子可能进入闪烁体发

23、生光电效应，产生反散射峰。而出现在其后的是一个平台，由康普顿效应提供，反映了散射光子逃的一个连续的电子谱。而在平台后出现的，道址约为450的峰即为全能峰，是0.662MeV 的单能射线与闪烁体光电效应产生的。而图中最左端应有一个X射线峰，由137Ba外层电子跃迁进入K层空位产生，但由于其能量较低，所以接收不完全。第二周实验：能量刻度、活度测量及未知源的确定，分析处理实验数据。4. 开机后预热20 分钟，固定NaI(Tl)闪烁探头位置，注意更换放射源时也要保持放射源与探头的相对位置不变；5. 测量能谱数据：a) 确定实验条件。把放射源60Co 放在托盘上，调节参数，测量道数设置为1024，使两个

24、全能峰均能清楚看见，并使整个能谱的能量范围约为01.5MeV。时间：2012/11/1 14:30-15:00实验记录：实验过程发现，实验环境噪声较大，放射源粒子产生速度较低，活度较低，将能谱范围调节为0-1.5MeV会使各通道采集到粒子数太少。故经调节，能谱范围大约在0-2.0MeV。此时电压530V，放大倍数4.2。测量时间200s。b) 测量本底、60Co、137Cs、133Ba、22Na 未知放射源分别放入时的能谱；时间：2012/11/1 15:00-16:30实验记录：保持a）所得条件不变，分别测量本底、60Co、137Cs、133Ba、22Na 未知放射源分别放入时的能谱。分别导

25、出数据文本文档（桌面:123新建文件夹123BD）、（桌面:123新建文件夹123CO 530 4.2）、（桌面:123新建文件夹123CS 530 4.2）（、桌面:123新建文件夹123BA 530 4.2）、（桌面:123新建文件夹123NA）、（桌面:123新建文件夹123UNKONWN 530 4.2）。数据分析：本底和已知放射源扣除本底影响后能谱曲线分别作图如下：图23 本底能谱曲线图24 扣除本底后60Co能谱曲线图25 扣除本底后137Cs能谱曲线图26 扣除本底后133Ba能谱曲线图27 扣除本底后22Na能谱曲线6. 数据分析：a) 根据测量的能谱曲线确定各峰对应的射线能量

26、；由上面已知源的能谱可以得出已知放射源全能峰道址，查阅放射纲图，查得各峰对应能量（已在图上标明）。有下表：表3 已知源全能峰道址与对应能量关系表放射源60Co137Cs133Ba22Na道址n535613313158239能量/keV11731333662356.0511.1275b) 分析各峰的峰参数，得出 谱仪的能量分辨率，作出能量刻度曲线，分析其线性；能量刻度线对表3数据进行先行拟合，得图28图28 E-N线性拟合图可知，拟合关系为：E=-3.85+2.182*N (keV)由线性相关系数R=0.998可知，能量E和道数N有强线性相关性，考察每个点的偏离程度有下图图29测得的点的偏差与道

27、数没有明显关系，但低能部分偏差较大，说明是由于实验过程引起的。分析原因应为测量时间只有200s，误差较大。能量较低部分，谱仪分辨率较低。外界不稳定干扰对低能量部分影响较大，减去本底值不一定能完全去除干扰。谱仪的能量分辨率：已知对于单晶NaI（TI）谱仪来说，能量分辨率是以137Cs的0.662MeV 单能射线的光电峰为标准的，它的值一般在8-15%，最好可达6-7%。故以137Cs来检验所使用仪器。如下图：图30 137Cs能谱曲线由图30可知，Cs的全能峰对应的道址为313。半峰高度对应的道址分别为N1=294，N2=330。因此谱线半宽度为：N=N2-N1=330-294=36 （道）根据

28、之间所得E-N关系可知，能量与道址成线性关系，可将能量分辨率的能量与能量宽度分别改写成道址数和道址跨度：=EE=NN=36313*100%=11.5%计算得出的能量分辨率为11.5%，落在一般NaI（TI）能谱仪的分辨率范围：8%-15%内，但与较好的6-7%仍有一定差距，这与仪器老旧，发射源活度较低都有一定关系。为验证能谱分辨率与能量的关系，可以同理计算出其他已知源对应全能峰测出的能量分辨率，结果如下表4表4 不同放射源对应的全能峰计算得的能量分辨率放射源60Co137Cs133Ba22Na全能峰对应道数N535613313158239半宽度N5845363022能量分辨率10.8%7.4%

29、11.5%19.0%9.2%可见，排除22Na，其他点大致满足：1E两者相关系数R=0.87，有强线性相关性。c) 计算出当前已知源的活度，结合衰变纲图数据，从而得到9.2探测效率曲线；计算活度：已知放射源活度表如下： 表5 已知放射源活度表（测试时间为1991年7月1日）放射性元素按照指数规律进行衰变：N=N0e-tN0表示未发生衰变时的原子数目，N表示当前未衰变原子数目，为衰变常数，与放射源种类有关。半衰期定义为N0=N/2所经历时间。已知元素半衰期可以推算出衰变常数：=ln2/而放射源活度与剩余粒子数成正比。故可以计算出实验时即与上次测量相距21.17年的放射源活度：表6 已知放射源活度

30、表（计算得出，2012年11月1日）放射源60Co137Cs133Ba22Na原活度A0/kBq71.848.0127.040.2半衰期/y5.2730.1710.592.60衰变常数/y-10.1320.0230.0650.267现活度A/kBq4.4329.5131.770.14探测效率曲线不同能量的射线入射探头时，谱仪的探测效率将随能量发生变化。探测效率的定义如下：E=S(E)TAbT 为测量时间；A 为放射源活度；b 表示能量为E 的射线的产额（也称为分支比）；S(E)表示能量为E 的射线所对应的全能峰面积。以 137Cs为例，计算探测效率。实验测量时间为T=200s；放射源活度从表6

31、可得A=28.17kBq；查衰变纲图得分支比为0.851。下面计算S(E)。根据E-N关系，做出137Cs粒子数与能量之间关系，并对峰进行积分求得峰面积。如图31：图31图中baseline与能谱包围部分即为峰面积，用origin对其进行积分得：图32 Integration Report把积分值SE=81987.7代入得：E=S(E)TAb=2951085.1%100%=1.64%同理，可以计算出其他源探测效率记入下表。表7 已知源对应全能峰能量探测效率放射源60Co137Cs133Ba22Na全能峰能量/keV1173013330662.0356.0511.1275测量时间/s200200

32、200200200活度A/kBq4.434.4329.5131.770.14分支比9.9810-011.008.5110-016.2010-019.9910-01全能峰面积S（E）5506.639103662.4探测效率（E）0.62%0.44%1.74%2.50%2.37%根据其分布，尝试进行线性拟合和选用指数函数与幂函数进行非线性拟合，得指数函数拟合相关系数R=0.96，幂函数拟合相关系数R=0.82，线性拟合相关系数R=0.97，取相关系数较高的线性拟合拟合结果，得下图：图33曲线方程：E=3.34634-0.00225*E实验结果可信度值得商榷，放射源活度较低的情况下，测量受外界干扰比较明显，不能清晰选取一个峰进行峰面积计算，如测得的22Na的能谱曲线，全能峰出现很多扰动，对baseline选取影响很大。而且不能找到单一的突出的峰值。暂认为其可信，并进行后续分析。d) 根据