闪烁谱仪及射线能谱的测量

1、 闪烁谱仪及射线能谱的测量 鲁斌 物理082班 08180219 fgg摘要 本文介绍了闪烁谱仪的工作原理及射线能谱的测量的基本方法，并详细阐述了单道脉冲幅度分析器和g多道脉冲幅度分析器的工作原理。本实验要求我们通过实验学会NaI（Tl）单晶体闪烁体整套装置的操作、调整和使用，并测量137Cs、60Co的能谱并求出能量的分辨率、峰康比、线性等各项指标，并做出谱仪的能量刻度曲线。关键词 闪烁谱仪 射线能谱 脉冲幅度分析器引言 放射性物质含有许多不稳定原子。这些原子在核衰变时辐射出、射线和中子流等，并且具有一定的能量。射线是原子核从激发态跃迁到低能态或基态时所产生的一种辐射。 在放射性测量工作中,

2、对射线的测量是一个非常重要的组成部分,对射线的测量通常有强度测量和能谱测量两种方式。 闪烁谱仪是一种常用的对射线进行能谱测量的谱仪,它与高纯锗谱仪相比具有探测效率高, 晶体便于加工成各种形状,价格便宜等特点,因而在环境测量、工业在线检测以及监测等方面有着广泛的应用。正文一、Na I ( Tl) 闪烁谱仪系统 典型的Na I ( Tl) 闪烁谱仪由Na I ( Tl) 闪烁探头、放大器、高压电源、低压电源、多道脉冲幅度分析器、计算机等部分组成,其中Na I ( Tl) 闪烁探头包括Na I ( Tl) 闪烁晶体、光电倍增管、分压器、电压灵敏前置放大器(如图1 所示) .仪器示意图如图二所示。 当

3、 射线与Na I ( Tl) 闪烁晶体作用后,Na I ( Tl) 闪烁晶体发出光子,光子入射到光电倍增管的光阴极后打出光电子,光电子经聚集后射向倍增极,经各个倍增极倍增后的电子到阳极收集而形成电压脉冲,该电压脉冲经过放大器放大送入多道脉冲幅度分析器分析,再经过一个多道接口板与计算机连接. 计算机通过专用多道软件可以实现把所测量的谱数据进行谱数据输入、谱数据处理、谱数据输出等操作.图2 NaI（Tl）闪烁谱仪器示意图 二、闪烁能谱仪原理 闪烁能谱仪是利用射线与物质的相互作用时，产生的闪烁荧光现象来测量能谱，依据能谱曲线推算射线能量。1.射线与物质相互作用 射线与物质的相互作用主要有三种：光电效

4、应、康普顿散射和电子对效应。 光电效应：入射粒子把能量全部转移给原子中的束缚电子，光子本身消失而把束缚电子打出来形成光电子这个过程称为光电效应。这个光电子的动能为：其中为逸出功，远小于光子能量（）。因此光电子的动能近似认为等于光子能量。康普顿散射：核外自由电子与入射射线发生康普顿散射。根据动量守恒的要求，散射与入射只能发生在一个平面内。设入射光子能量为，散射光子能量为，康普顿散射后散射光子能量与散射角的关系为：式中，即为入射射线能量与电子静止质量所对应的能量之比。当时，这时，即不发生散射；当时，散射光子能量最小为，这时康普顿电子的能量最大为。  正、负电子对效应  当射线能

5、量超过以后，光子受原子核或电子的库仑场的作用可能转化成正、负电子对,称为电子对效应。此时光子能量可表示为两个电子的动能，如其中，。转化几率随光子的能量的增加而增大。但是当光子的能量小于时，闪烁晶体中产生正负电子对的几率非常小。2. 射线能谱图 由的衰变可知只放出单一能量的射线（）。因此能量小于正、负电子对的产生阈，所以的射线与NaI(TI)晶体的相互作用只有光电效应和康普顿散射两个过程。又由于谱仪存在一定的能量分辨率，实际测的能谱相对于图 4中单线存在一定的能量宽度，形状如图。 NaI(TI)单晶闪烁谱仪测量的137Cs能谱图 A峰又称光电峰，这一幅度直接反映射线的能量0.662MeV。有时康

6、普顿散射产生的散射光子若未逸出晶体，仍然为NaI(Tl)晶体所吸收，也即通过光电效应把散射光子的能量转换成光电子能量，而这个光电子也将对输出脉冲作贡献。由于上述整个过程是在很短时间内完成的，这个时间比探测器形成一个脉冲所需的时间短得多，所以先产生的康普顿电子和后产生的光电子，二者对输出脉冲的贡献是叠加在一起形成一个脉冲。这个脉冲幅度所对应的能量，是这两个电子的能量之和，即，也就是入射射线的能量。所以这一过程所形成的脉冲将叠加在光电峰1上使之增高。 平台状曲线B是康普顿效应的贡献，称为康普顿平台，其特征是散射光子逃逸后留下一个能量从O到的连续的电子谱。 峰C是反散射峰。由射线透过闪烁体射在光电倍

7、增管的光阴极上发生康普顿反散射或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。返回的光子能量峰D是X射线峰，它是由137Ba的K层特征X射线贡献的，137Cs的衰变体137Ba的0.662MeV激发态在放出内转换电子后造成K空位，外层电子跃迁后产生此X光子。闪烁能谱仪的结构 闪烁探头，包括闪烁晶体NaI（Tl），光电倍增管，前置放大器。 （1）闪烁晶体：它是用来将射线在其中损失的能量成比列地转换成荧光光子的元件。本实验室采用无机盐（NaI）晶体，激活剂为（Tl）。 （2）光电倍增管：将微弱荧光信号放大并转化成电压脉冲信号。光电倍增管的结

8、构如图。它由光阴极K、收集电子的阳极A和在光阴极与阳极之间十个左右能发射二次电子的次阴极D（又称倍增极、打拿极或联极）构成。在每个电极上加上正电压，相邻的两个电极之间的电位差一般在100V左右。当闪烁体放出的光子打到光阴极上时，发生光电效应，打出的光电子被加速聚集到第一倍增极D1上，平均每个光电子在D1上打出36个次电子，增值后的电子又为D1和D2之间的电场加速，打到第二倍增极D2上，平均每个电子又打出36个次级电子，这样经过n级倍增以后，在阳极上就收集到大量的电子，在负载上形成一个电压脉冲。 （3）前置放大器：由入射极，跟随电路和放大电路组成，主要功能是在光电管和脉冲幅度之间起隔离和阻抗作用

9、，并对输入脉冲进行适当整形或者放大。2. 单道脉冲幅度分析器：由线性放大器、上下甄别器，反符合电路组成。（1）线性放大器：将“探头”输送来的脉冲不失真地加以放大。（2）上下甄别器宇上下反符合电路配合，可将放大后的脉冲信号按其幅值高低加以甄别，选择性让脉冲通过，并输送至定标器计数。定标器测得的计数率是单位时间的幅值落在区间中，输送到分析器的脉冲数目。倘若逐点改变上下甄别器的阈值（保持通道宽不变），测量的就是前面所示的分布曲线。3. 能谱仪的特性1. 能量分辨率。由于闪烁晶体的发光效率、闪烁体与光电倍增管相应匹配，光电本征管的性能指标等因素都具有统计涨落，对应于单一能量的粒子在闪烁探头汇总所形成的

10、脉冲信号仍有一定的分布范围。通常利用的谱曲线的光电峰来测定能谱仪的分辨率其中式中是指计数率为峰值计数率一半处的光电峰宽度。如果能谱仪有良好的线性关系，即有，则可写为分辨率表示能谱仪区分能量很靠近的两个光电峰的本领。显然越小越好。对于单晶NaI（Tl）作为探测器的能谱仪来说能谱仪来说，的一般在815%，最好的达到67%。2、 线性 反映输出脉冲信号的幅度与入射粒子之间是否有良好的线性关系，Na（Tl）单晶能谱仪对能量为150KeV到6MeV的次级高能电子都具有良好的线性关系相应。3）谱仪的稳定性： 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，如

11、高压电源，放大器的放大倍数，和单道脉冲分析器的甑别阈和道宽。如果谱仪不稳定则会使光电峰的位置变化或峰形畸变。在测量过程中经常要对137Cs的峰位，以验证测量数据的可靠性。为避免电子仪器随温度变化的影响，在测量前仪器必须预热半小时。归结起来，闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程：1) 射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发；2) 受激原子、分子退激时发射荧光光子；3) 利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；4) 光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104109个，电子流在阳极负载

12、上产生电信号；5) 此信号由电子仪器记录和分析。三、单道脉冲幅度分析器和多道脉冲幅度分析器的工作原理单道脉冲幅度分析器（简称“单道”）是分析射线能谱的一种仪器。所谓射线的能谱，是指各种不同能量粒子的相对强度分布；把它画到以能量E为横坐标，单位时间内测到的射线粒子数为纵坐标的图上是一条曲线。根据这条曲线，我们可以清楚地看到此种射线中各种能量的粒子所占的百分比。这一任务可以用单道或多道脉冲幅度分析器来完成。那么，单道是如何测出能谱的？我们知道闪烁探测器可将入射粒子的能量转换为电压脉冲信号，而信号幅度大小与入射粒子能量成正比。因此只要测到不同幅度的脉冲数目，也就得到了不同能量的粒子数目。由于射线与物

13、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，单道就起到从中“数出”某一幅度脉冲数目的作用。单道里有一个甄别电压V0（此电压可以连续调节），称为阈值，它就象一道屏障一样，将所有低于V0的信号都挡住了，只有大于V0的信号才能通过。但这样只解决了一半问题，因为在通过的信号中实验者只知道它们都比V0高，具体的幅度还是不能确定。因此在单道中还有一个窗宽DV，使幅度大于V0+DV的脉冲亦被挡住，只让幅度为的信号通过（有的单道是）；当我们把DV取得很小时，所通过的脉冲数目就可以看成是幅度为V0的脉冲数目。简单地说，单道脉冲分析器的功能是把线性脉冲放大器的输出脉冲按高度分类：若线性脉冲放大器的输出是

14、010V，如果把它按脉冲高度分成500级，或称为500道，则每道宽度为0.02V，也就是输出脉冲的高度按0.02V的级差来分类。在实际测量能谱时，我们保持道宽DV不变（道宽的选择必须恰当，过大会使谱畸变，分辨率变坏，能谱曲线上实验点过少；道宽过小则使每道的计数减小，统计涨落增大，或者使测量时间相应增加），逐点增加V0，这样就可以测出整个谱形。上面所描述的情况可以称之为单道工作在微分状态下；当单道工作在积分状态下时，只要脉冲高度大于阈值电压单道就输出一个脉冲，即记录大于某一高度的所有脉冲数目。单道是逐点改变甄别电压进行计数，测量不太方便而且费时，因而在本实验装置中采用了多道脉冲分析器。多道脉冲分

15、析器的作用相当于数百个单道分析器与定标器，它主要由010V的A/D转换器和存储器组成，脉冲经过A/D转换器后即按高度大小转换成与脉高成正比的数字输出，因此可以同时对不同幅度的脉冲进行计数，一次测量可得到整个能谱曲线，既可靠方便又省时。4、 实验内容1、 用示波器观察探头及线性放大器的工作状态。2、 测定的能谱 （1）首先选择光电倍增管的工作电压,应选择适当，过低会影响谱仪的能量分辨率，过高会影响谱仪的线性。实验中，取700V左右为宜。此时用示波器观察探头的输出信号，可看到稳定的输出脉冲信号的包络。 （2）调节线性放大器的放大倍数K，使放大后的脉冲幅度小于10V,以便与单道配合。 （3）调节单道

16、分析器。先将开关拨到积分位置，从定标器中读出积分计数率，然后将开关拨到微分位置，调节单道的甄别阈和道宽以及线性放大器的放大倍数K，反复多次进行这个过程，直到找到光电峰。（4）用已知源（0.662MeV，0.184MeV）和（1.17MeV，1.33MeV）对谱仪进行能量刻度校准，分别测出、的谱。（5）作图定出相应的光电峰位置和能量分辨率，做出谱仪的能量刻度曲线。3、从测量到的的能谱图，计算康普顿边和反散射峰的能量值，并与理论值作比较，对所得的结果进行讨论。4、以的光电峰和的两个光电峰作为已知能量值，测定的射线能量。五、实验基本步骤1、连接好实验仪器线路，经老师检查同意后接通电源。2、开机预热后，选择合适的工作电压使探头的分辨率和线性都有较好。3、把放射源或放在探测器前，调节放大倍数为0.3，调节高压使或能谱的最大脉冲幅度尽量大而