实验四闪烁探测器及r能谱的单道测量

1、云南大学物理实验教学中心 实验报告云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称：普通物理实验 实验项目：实验四 闪烁探测器及r能谱的单道测量 学生姓名：马晓娇 学号：20131050137 物理科学技术 学院 物理 系 2013 级 天文菁英班 专业成绩指导老师：张远宪 试验时间：2015 年 11月 6 日 13 时 00 分至 15 时 00 分实验地点：物理科学技术学院实验类型：教学 (演示 验证 综合 设计) 学生科研 课外开放 测试 其它11一、实验目的1、了解 射线与物质相互作用的基本原理;2、掌握闪烁探测器的工作原理及使用方法；3、掌握能谱仪基本性能的确定;4、掌握简单放射源的能谱测

2、量。二、实验原理 原子核由高能级向低能级跃迁时会辐射射线，它是一种波长极短的电磁波，其能量由原子核跃迁前后的能级差来表示即：射线与物质发生相互作用则产生次级电子或能量较低的射线，将射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到辐射强度按能量的分布，即为“能谱”。测量能谱的装置称为“能谱仪”。（一）射线与物质相互作用射线与物质相互作用是射线能量测量的基础。射线与物质相互作用主要有三种效应，即光电效应、康普顿散射和电子对效应。1、射线与物质相互作用。当射线的能量在30MeV以下时，最主要的相互作用方式有三种：（1） 光电效应。射线的全部能量转移给原子中的束缚电子，使这些电子从原于中发射出来，光

3、子本身消失。（2）康普顿散射。入射光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向都发生了变化。（3） 电子对效应。 光子与靶物质原子的原子核库仑场作用，光子转化为正-负电子对。 在光电效应中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能，另一部分就作为光电子的动能。所以，释放出来的光电子的能量就是入射光子能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能B之差。虽然有一部分能量被原子的反冲核所吸收，但这部分反冲能量与射线能量、光电子的能量相比可以忽略。因此，E光电子 (1)即光电子动能近似等于射线能量。值得注意的是，由于必

4、须满足动量守恒定律，自由电子（非束缚电子）则不能吸收光子能量而成为光电子。光电效应的发生除入射光子和光电子外，还需要有一个第三者参加，这第三者就是发射光子之后剩余下来的整个原子。它带走一些反冲能量，但该能量十分小。由于它的参加，动量和能量守恒才能满足。而且，电子在原子中被束缚得越紧（即越靠近原子核），越容易使原子核参加上述过程。所以在K壳层上发生光电效应的概率最大。图1是能量为h，的入射光子发生康普顿散射的示意图，h为散射光子的能量；为散射光子与入射光子方向间的夹角，称散射角；为反冲电子的反冲角。康普顿散射与光电效应不同。光电效应中光子本身消失，能量完全转移给电子；康普顿散射中光子只是损失掉一

5、部分能量。光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上；康普顿散射则总是发生在束缚得最松的外层电子上。我们可以分析一下散射光子和反冲电子的能量与反射角的关系。入射光子能量为,动量为碰撞后，散射光子的能量为，动量为，反冲电子的动能为Ee ，总能量为E，动量为 P，见图 1，它们之间有下列关系式： (2) (3)相对论能量和动量关系为 (4)式中，v为反冲电子速度，mo 是电子静止质量，m是电子以速度v运动时具有的质量。根据能量和动量守恒定律，有下列关系式： (5) (6) (7)由此可以得到 或者因此，散射光子的能量 (8)康普顿反冲电子的动能即 (9) (10)从（8）、（9） 和 （10）式可以看出

6、：（1） 当散射角 时，散射光子能量，达到最大值。这时反冲电子的能量Ee0。这就是说，在这种情况下入射光子从电子近旁掠过，未受到散射，所以光于能量没有损失。 （2） 当时，入射光子与电子对心碰撞后，沿相反方向散射出来，而反冲电子沿着入射光子方向飞出 ，这种情况称反散射。这时散射光子能量最小，即由此式可以推断出，即使入射光子的能量很大，反散射光子的能量也都在200keV左右。这也是能谱上容易辨认反散射峰的一个原因。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，其对应的反冲电子能量也不同。因而即使入射光子的能量是单一的，反冲电子的能量却是随散射角连续变化的。理论计算和实验都

7、表明，入射光子的康普顿反冲电子能谱如图2所示。电子对效应是光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子的过程。根据能量守恒定律，只有当入射光子能量，即1.02 MeV 时，才能发生电子对效应。与光电效应相似，电子对效应除涉及入射光电子和电子对以外，必须有一个第三者原子核参加。2、NaI（Tl）能谱仪介绍。 图3是NaI（Tl）闪烁能谱仪的方框图。 当放射源发出的射线进入闪烁体时，光子即与闪烁体中的原子、分子及晶体系统发生相互作用（如光电效应，康普顿散射和电子对效应等）。相互作用的结果产生次级电子，光子的能量转化为次级电子的动能。探头的闪烁体是荧光物质，它被次级

8、电子激发而发出荧光，这些光子射向光电倍增管的光阴极。由于光电效应，在光阴极上打出光电子，每个光电子在光电倍增管中的打拿极（倍增极）上打出多个电子，这些电子又打在其他级的打拿极上，打出更多的电子，经过多次倍增，最后有大量电子射向管子的阳极，转变成电信号输出。以上光电转换过程之间能够保持良好的线性关系，从而使光电倍增管输出的脉冲幅度，正比于光子在闪烁体内由各种效应面产生的次级电子的能量。通常，光电倍增管输出的脉冲幅度不超过1V，所以必须经过线性冲放大器放大后，再输入到单道（或多道）脉冲幅度分析器中，对不同幅度的脉冲强度进行分析。单道脉冲幅度分析器主要由上、下两个甄别器和一个反符合电路组成，如图4（

9、a）所示。上甄别器有较高的阈电压VV，下甄别器有较低阈电压V，V称为道宽，如图4（b）所示。反符合电路的作用是，仅当一个输入端有信号输入时才有信号输出。这样，脉冲A不能通过上、下甄别器，脉冲C都能通过上、下甄别器，这两种情况均不能使反符合电路有信号输出。只有介于上、下甄别阈之间的脉冲B才能触发反符合电路使单道分析器有脉冲输出 ，送到定标器进行计数。我们通过不断改变甄别阈V，就可能得到脉冲计数率按其幅度分布的曲线，叫作“脉冲谱”。由于脉冲幅度正比于射线的能量，所以“脉冲谱”既是射线的能谱曲线。以上是单道分析器作“微分”测量的情形。当作“积分”测量时，上甄别器不输出脉冲到反符合电路，故只要幅度高于

10、下甄别阈的脉冲均能通过分析器得计数。我们可根据不同的需要作“微分”或“积分”测量。多道分析器相当于多个单遒分析器。它把分析器的分析范围（5伏或10伏）按不同的测量平均分成256道、 512道、1024道、 2048道等。各道能同时测量，可测出介于各窄小道宽内的脉冲强度，既可在幕上同时显示各道的计数，也可由打印机打印出来，因此能便捷地测量能谱。3、137Cs 能谱分析。图5是137Cs的衰变纲图。它可发出能量为1.176MeV的粒子，成为基态的137Ba；而主要的衰变过程是发出能量为0.517MeV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

11、峰和一个坪台的连续分布，如图6 所示。图中的峰A称为全能峰，这一幅度的脉冲是 0.662MeV 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。平台状曲线B是康普顿效应的贡献，它的特征是散射光子逃逸出晶体后留下一个连续的电子谱。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，其电脉冲就形成反散射峰。峰D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 发出的射线能量为

12、0.662MeV（小于1.02MeV），所以它与闪烁体作用不会发生电子对效应。4、谱仪的性能指标 一台闪烁谱仪的性能指标，包括能量分辨率、线性及稳定性等。探测器输出脉冲幅度的过程中存在着统计涨落，即使是有确定能量的粒子的脉冲幅度，仍具有一定的分布。通常把分布曲线极大值一半处的全宽度称为半高宽，即图6中的 E，有时也用 FWHM表示，它反映了谱仪对相邻的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，故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，因此 也等于脉冲幅度分辨即（11） 标准源137Cs 的全能峰最为明显和典型，用 NaI（Tl）闪烁体的谱仪测量其 0.662

13、MeV的射线，能量分辨率一般为 810，理想的能量分辨率为 7.8。因此，常用137Cs的射线的能量分辨率来检验与比较谱仪性能优劣。能量线性指谱仪对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（约lO0keV 到1300keV）是近似线性的。通常，在实验中用系列标准源，在相同的条件下分别测量它们的能谱，用其全能峰峰位（阈电压值）与已知的射线能量作关系图，称为能量刻度曲线。理想的能量刻度曲线是不通过原点的一条直线，即。 (12)式中x为全能峰位，G为增益（每伏对应的能量），E0为截矩。利用这条能量刻度曲线还可以测量未知源的射线能量。显然，确定未知7射线

14、能量的准确度取决于全能峰位的准确性。这将与谱仪的稳定性、能量刻度线的原点及增益漂移有关。因此，一台好的谱仪必须具有长时间的稳定性。（二）闪烁探测器能谱仪一般由闪烁体、光电倍增管、线性脉冲放大器、脉冲分析器组成。（1） 闪烁体：是一类能吸收能量，并能在大约一微秒或更短时间内把所吸收的一部分能量以光的形式再发射出来的物质。闪烁体按其化学性质可分为两大类：无机闪烁体和有机闪烁体，无机闪烁体大都是一些固体的无机晶体。有机闪烁体都是苯环碳氢化合物，可分为晶体、液体和塑料三种。对闪烁体的主要要求：对射线有较大的组织本领，即对射线有高的吸收率，以达到高的探测效率；发光率高，并且不随射线的能量而变化，满足后条

15、件才能使输出的脉冲强度于射线能量成正比；发光延续时间短，即保证有较高的时间分辨率；发光光谱能与光电倍增管的光谱响应度相匹配。（2） 光电倍增管和线性脉冲放大器：光电倍增管的作用是将闪烁体发出的微弱闪光信号装换成电脉冲信号。光电倍增管由光阴极、倍增电极、阳极板等部分组成。（3） 脉冲幅度分析器：是测量电脉冲信号幅度分布的仪器。它把脉冲信号按幅度的大小划分区间，并记录每个区间里的电脉冲数目。（三） 和 能谱分析 发出能量为 的 粒子,成为基态的 (约占总核数的);而主要的衰变过程是发出能量为 的 粒子,成为激发态的,再跃迁到基态发出能量为 的单能射线(约占总核数的).其能谱是三个峰和一个平台的连续

16、分布.（四）能谱仪的性能指标 一台能谱仪的性能指标，包括能量分辨率、线性及稳定性等。对于多道脉冲分析器其技术指标还有：道数、道宽、道宽的误差、道宽的稳定性、分析零点的误差、分析零点的稳定性、微分直线性、积分直线性、死时间和可测的最大脉冲计数率等。 探测器输出脉冲的过程中存在着统计涨落，即使是有同一能量的粒子所产生的脉冲，其幅度任具有一定的分布。通常把分布曲线极大值一半处的全宽度称为半高度。三、 实验装置 NaI(Tl)闪烁探测头/单道分析器FH1220型/多道分析器BH1324/示波器/计算机/标准源 , 各一个,未知源一个。四实验内容1、按图连接单道能谱仪,用示波器观察的脉冲波形,调节线性放

17、大器的放大倍数使我们看到的波形满足下面两个条件:(1)使幅度最大的脉冲刚好小于10v,而又不能太低(2)由高度相近的脉冲闪烁形成的亮带要窄.2、调节单道分析器的道宽为0.1v,从小到大改变阈值,依次测量电压区间,其间隔为0.1v,直到阈值上限.测量本地谱,以阈值为横坐标,计数率为纵坐标描图并计算能量分辨率 .五、实验数据(一) 电压计数电压计数电压计数电压计数0.1882.6655.1337.6390.2852.7825.2527.7300.3672.8635.3457.8280.4722.9685.4487.9220.5693715.5518410.6693.1555.6488.1360.7

18、683.2605.7438.2270.8693.3775.8558.3350.9653.4635.9518.4381643.5596518.5341.1703.6696.1508.6351.2853.7536.2438.7401.3693.8686.3478.8381.4613.9576.4358.9251.5714496.5369331.6724.1546.6459.1251.7814.2576.7489.2311.8684.3496.8379.3281.9834.4656.9449.4212594.5627349.5302.1764.6597.1409.6272.2684.7507.239

19、9.7302.3604.8527.3279.8232.4714.9387.4509.9272.5725517.54110272）电压计数电压计数电压计数电压计数0.11372.61355.11177.61000.21382.71345.2997.7830.31392.81285.3957.8820.41352.91155.41167.9790.511931295.51018970.61483.11435.61088.1890.71133.21035.7918.2790.81313.31475.81048.3780.91243.4945.9898.48811213.511561108.5751.

20、11513.61196.11038.6801.21403.71116.2258.7881.31293.81126.3888.8791.41383.91116.4818.9721.51364966.5939801.61144.11026.6869.1761.71344.21236.7869.2761.81064.31106.8929.3831.91344.41066.91009.49521334.512071129.5712.11244.61117.1859.6802.21414.71167.2749.7872.31394.81067.3779.8542.41174.91147.4899.984

21、2.59551027.5771059实验指导老师签名学生签名实验指导老师填写1、实验记录是否完整准确 2、有无涂改抄袭现象六、数据处理(一) 的 能谱1、Gaussian7阶拟合得到当道数在4.0960时取得 0.6620（2）的 能谱1、Gaussian7阶拟合得到当道数在1.991时取得1.3300当道数在2.928时取得 1.1700（三）使用最小二乘法作出能量刻度曲线七、思考与讨论1、用闪烁能谱仪测量单能7射线的能谱，为什么呈连续的分布？ 由于单能射线所产生的这三种次级电子能量各不相同，甚至对康普顿效应是连续的，因此相应一种单能射线，闪烁探头输出的脉冲幅度谱也是连续的。2、反散射峰是怎

22、样形成的？如何从实验上减小这一效应？ 反散射峰主要由打到光电倍增管上或晶体周围物质上后反散射回到晶体中的射线产生。射线在源衬底材料上的反散射也会对反散射峰有贡献。放射源辐射射线的方向具有一定的随机性,它在源衬底材料上的反散射我们无法加以控制。对于射向光电倍增管的射线我们也不能加以限制,因为最终对能谱的测量和观察全靠光电倍增管将晶体中产生的光脉冲转换成电脉冲。因此我们只能限制射向晶体周围物质的射线，这有以下两种方式：（1）通过加大探头和放射源之间的距离以加大射线对晶体周围物质的入射角并观察反散射峰和光电峰计数率的变化。距离改变较小时计数率的变化不明显,而距离拉得太远又影响探头的探测效果。（2）在

23、放射源和探头之间加一个准直装置。3、如何从示波器上观察到的脉冲波形图，判断谱仪能量分辨率的好坏？谱仪的工作条件（放大倍数、高压等）对能量分辨率有何影响？因为输出幅度可以变换为射线的能量，如果线性良好，可以直接变为 W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极限。显然W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 即谱仪的分辨率还与入射粒子的能量有关。谱仪的稳定性在本实验中是很重要的，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。