近代物理实验(2)绪论

1、近代物理实验（近代物理实验（2 2）陈公室：实验楼S216课程简介与安排课程简介与安排内容：（内容：（1 1）NaI(Tl)NaI(Tl)单晶单晶闪烁谱仪；闪烁谱仪； （2 2）射线的吸收与物质吸收系数射线的吸收与物质吸收系数的测定。的测定。上课地点上课地点实验楼实验楼( (办公楼旁边，楼下有办公楼旁边，楼下有 邮局的邮局的) S223) S223室。室。讲义：电子版发给大家。讲义：电子版发给大家。重点：（重点：（1 1）核探测器的构造与工作原理；）核探测器的构造与工作原理； （2 2）射线与物质的相互作用；）射线与物质的相互作用； （3 3）核应用系统与核技术方法。

2、）核应用系统与核技术方法。实验要求实验要求（参见讲义）（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。预预 习习要求要求: : 了解设备的连接

3、过程、调整步骤与指标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。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。进行提问，结果将计入成绩。背景知识一、射线的来源1.1.原子跃迁（原子跃迁（x x射线与电磁波）射线与电磁波）2.2.原子核的激发原子核的激发/ /退激发以及内部核子的退激发以及内部核子的 吸收与释放吸收与释放行星结构行星结构分离

4、光谱分离光谱电子跃迁（原子激发与退电子跃迁（原子激发与退激发，能量的量子化）、激发，能量的量子化）、能级与光子频率（光谱），能级与光子频率（光谱），能级图。能级图。原子的跃迁 原子核由中子和质子构成。其能量状态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，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。但机制要复杂得多。 原子核的变化（一般是自发的衰变）常原子核的变化（一般是自发的衰变）常常会放出常会放出（氦原子核）、（氦原子核）、（电子）和（电子）和射线（电磁波或光子）或射线（电磁波或光子）或 n n（中子）（中子）。其中。其中射线的能量也与能级跃迁有关。射

5、线的能量也与能级跃迁有关。 本次实验主要涉及本次实验主要涉及射线。射线。原子核的变化 本次实验使用的放射源：本次实验使用的放射源：Cs137Cs137与与Co60Co60（也可写成（也可写成137137CsCs与与6060Co Co ，数字表示，数字表示 原子核内包含的核子数）原子核内包含的核子数）Cs137Cs137：主要为：主要为0.661MeV0.661MeV的的射线射线Co60Co60：主要为：主要为1.17MeV1.17MeV和和1.33MeV1.33MeV的两个的两个射线射线二、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：放射源的性质：主要有

6、：半衰期主要有：半衰期T T1/21/2； 放出射线的种类，如放出射线的种类，如 、 、n n； 每种射线对应的能量；每种射线对应的能量； 射线的放射强度（专业名词叫活度）。射线的放射强度（专业名词叫活度）。其他：其他： 形态（气态、液体、固体、粉末）形态（气态、液体、固体、粉末） 包装（密封、非密封）包装（密封、非密封） 可溶性可溶性 混合结构（数种放射源混合包装或形成链式反应）混合结构（数种放射源混合包装或形成链式反应） 137Cs137Cs：511.6kev511.6kev（94.694.6），），1173.2kev1173.2kev（5.45.4）, , x32.1936kev x32

7、.1936kev（3.693.69） 661.661 kev661.661 kev（85.085.0） 624.220 kev624.220 kev（7.797.79） 655.672kev655.672kev（1.441.44） 30.1730.170.050.05年。年。6060CoCo：318.3kev318.3kev（99.8999.89） 1173.238 kev1173.238 kev（99.8799.87），）， 1332.513 kev1332.513 kev（99.98299.982） 5.2705.2700.0030.003年。年。三、射线与物质的相互作用三、射线与物质的相

8、互作用 常见的射线：常见的射线： （氦原子核）、（氦原子核）、（电子）、（电子）、（光子）、中子。（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。激发，轫致辐射，电子对湮灭。射线与物质相互作用的描述（微观）：作用截面（几率），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）。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

9、用，非弹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。变或裂变。 光电效应光电效应康普顿散射康普顿散射电子对效应电子对效应 入射光子被入射光子被吸收，其能量吸收，其能量被电子接收，被电子接收，并转为自由电并转为自由电子。子。 入射光子与电入射光子与电子发生散射，损子发生散射，损失部分能量转移失部分能量转移给电子。给电子。 如果入射光子的如果入射光子的能量能量 1.02MeV（两个电子的静止（两个电子的静止质量），就可能发质量），就可能发生光子转换为两个生光子转换为两个电子的

10、情况（正负电子的情况（正负电子对）。电子对）。重点：重点：射线的三种基本作用射线的三种基本作用射线在物质中的吸收规律（宏观）：射线在物质中的吸收规律（宏观）： I = II = I0 0 e e xx线性吸收系数：线性吸收系数： = = phph + + c c + + p p其中：其中：phph 光电效应；光电效应； c c 康普顿效应；康普顿效应； p p 电子对效应。电子对效应。均与射线能量、物质的原子序数有关。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，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。产生重带电粒子，产生放射性原子核。

11、射线强度的描述：射线强度的描述：“居里居里”或或“贝可勒贝可勒” ” （1ci=3.7x101ci=3.7x101010BqBq）。）。 射线防护：中子射线防护：中子轻物质轻物质 射线射线重物质重物质 带电粒子带电粒子重物质重物质四、探测技术二大类型的探测器：计数型、径迹型。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）、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）。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

12、烁体。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）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）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能谱图能谱图一、NaI(Tl)单晶闪烁谱仪1 1、目的：、目的：（1 1）了解闪烁探测器的结构、原理。）了解闪烁探测器的结构、原理。（2 2）掌握）掌握N

13、aI(Tl)NaI(Tl)单晶单晶闪烁谱仪的几个性闪烁谱仪的几个性能指标和测试方法。能指标和测试方法。（3 3）了解核电子学仪器的数据采集、记录方）了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。法和数据处理原理。实验内容NaI(Tl)NaI(Tl)单晶单晶闪烁谱仪闪烁谱仪2 2实验内容实验内容 学会学会NaI(Tl)NaI(Tl)单晶单晶闪烁谱仪整套装置的操作、调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。整和使用，调试一台谱仪至正常工作状态。 测量测量Cs137Cs137、Co60Co60的的能谱，求出能量分辨率、峰能谱，求出能量分辨率、峰康比、线性等各项指标，并分

14、析谱形。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了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)NaI(Tl)单晶单晶谱测量谱测量中的数据采集及其基本功能。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，曲线拟合数据处理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等）。等）。系统构成系统构成系统构成系统构成系统构成NaI(TI)NaI(TI)单晶单晶闪烁谱仪闪烁谱仪 NaI(TI)NaI(TI)探测器工作原理探测器工作原理系统构成：系统构成： NaI(TI)NaI(TI)无机晶体（吸收入射光子的能量，退激发无机晶体（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

15、光的作用下，其光阴极时发出闪烁光）、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，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并在计算机上以能谱形式表现入射射线的能量分布与强度分射线的能量分布与强度分布）。布）。闪烁体发光与电子闪烁体发光与电子激发态激发态 闪烁体晶体受到入射射线的激发，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

16、决定。也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）就是说，闪烁光的波长（对应能量）与入射射线的能量无关（这一点非常与入射射线的能量无关（这一点非常重要）。重要）。问题：问题：对闪烁体而言，入射的是对闪烁体而言，入射的是光子，出射的是闪烁光。光子，出射的是闪烁光。 为什么需要为什么需要“光光光光”的转换？闪烁探测器又是如的转换？闪烁探测器又是如 何探测射线能量的？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。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：射线（来自放

17、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。多道分析器多道分析器 理论上，每一个入射的光子理论上，每一个入射的光子都会在都会在PMTPMT上产生一个输出的脉上产生一个输出的脉冲，其幅度的大小与能量相关。冲，其幅

18、度的大小与能量相关。如果以横坐标为能量值，纵坐标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。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。也就是不同能量的入射射线在强度上的分布。 多道谱仪采用多道谱仪采用ADCADC变换，将信号的幅度数字化。然后将相同变换，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。存储单元的地幅度的信号累加计数，存放在一个存储单元内。存储单元的

19、地址就是所谓的址就是所谓的“道道”。这样就可以用计算机来处理了。这样就可以用计算机来处理了。能谱表达能谱表达能谱表达能谱表达 0000001001100100ECHCHEE能量分辨率：尽管入射射线的能能量分辨率：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，在号的幅度表现为一定的涨落，在能谱上表现为一定的能谱上表现为一定的“展宽展宽”，是，是一种一种“误差误差”，并影响到分辨相邻，并影响到分辨相邻能量的能力。能量的能力。能量刻度：由于横坐标能量刻度：由于横坐标（能量）实际上是由信（能量）实际上是由信号脉冲幅度代表的，所号脉冲幅度代表的，所以系

20、统输出的信号幅度以系统输出的信号幅度是否与实际的能量线性是否与实际的能量线性相关便十分重要。相关便十分重要。 光电峰光电峰入射光子能量全部沉积在晶体内，多次效应的总入射光子能量全部沉积在晶体内，多次效应的总和。全能峰和。全能峰康普顿峰康普顿峰散射光子逃逸，能谱上反映的是反冲电子能量。散射光子逃逸，能谱上反映的是反冲电子能量。反散射峰反散射峰入射光子在晶体之外发生康普顿散射后再进入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）。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Cs137Cs137：主要为：主要为0.661MeV0.661MeV的的射线射线NaI(

21、Tl)NaI(Tl)单晶单晶闪烁谱仪闪烁谱仪谱形的分析谱形的分析 光电峰：由于吸收了全部入光电峰：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，其位置与入射射线的能量对应。射射线的能量对应。康普顿峰：由于是散射后的康普顿峰：由于是散射后的能量，所以一定是在光电峰的左边。能量，所以一定是在光电峰的左边。反散射峰：是反散射峰：是180的散射结果，可以计算出它的能量值，的散射结果，可以计算出它的能量值，用于能量刻度。用于能量刻度。注意反散射峰的形成机制。注意反散射峰的形成机制。能谱（定量关系）能谱（定量关系） 光电效应光电效应康普顿散射效应康普顿散射效应电子对效应电子对效应EEEEEXBe)

22、()cos1 (211EEEeEEEe411)180(0max)cos1 (21EEEEEE41)180(0MevE511. 02反冲电子：反冲电子：散射光子：散射光子：NaI(Tl)NaI(Tl)单晶单晶闪烁谱仪闪烁谱仪能量分辨率、峰康比、线性等各项指标能量分辨率、峰康比、线性等各项指标 0000100100CHCHEE二、二、射线的吸收与物质吸收射线的吸收与物质吸收 系数系数的测定的测定一实验目的一实验目的了解了解射线与物质相互作用的特性。射线与物质相互作用的特性。了解窄束了解窄束射线在物质中的吸收规律，测量其在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。不同物质中的吸收系数。二实验内容二实验内容测量测量137Cs137Cs的的射线（射线（0.661MeV0.661MeV光电峰）在一组吸光电峰）在一组吸收片（铅、铝）中的吸收曲线，并计算线性吸收收片（铅、铝）中的吸收曲线，并计算线性吸收系数。系数。根据测到的的吸收系数计