NaI(TI)闪烁谱仪系列实验

__NaI(TI)闪耀谱仪试验一、引言闪耀探测器是利用某些物质在射线作用下受激发光的特性来探测射线的仪NaI(TI)闪耀谱仪的原NaI(TI)闪耀谱仪的使用方法和—射线能谱的刻度，学会NaI(TI)闪耀谱仪的应用。二、试验原理1、射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生三种过程。光电效应：入射粒子把能量全部转移给原子中的束缚电子，而把束缚电E1一般远小于入射E，所以光电子的动能近似等于入射射线的能量E=E光电

EE1 光子能量为h，散射光子能量为h”，则反冲康普顿电子的动能Err康普顿散射后散射光子能量与散射角的关系为

1

h1cos hmc2e为入射射线能量与电子静止质量之比。由上式可得，当0h”h。Ee

180

h ，12这时康普顿电子的能量最大，为Eemax

212所以康普顿电子能量在0至h 2 之间变化。12正、负电子对产生：当射线能量超过2m0

c2(1.022MeV时，光子受原子射线的能量越大，产0.511MeV的光子。2、核衰变的统计规律〔例如放射源的半衰误差等，每次的测量结果并不完全一样，而是围围着其平均值上下涨落，有时甚至有较大的差异。这种现象就叫做放射性计数的统计性。t=0的总数是N

0tt内衰变的概率为p1et，不衰变的概率为q1pet。是该放射性原子核的衰变常数。利用二项式分布可以得到在t时间内有n个核发生衰变的概率pn为0pn N0

t

n

t

NnN n!n!0在t时间内，衰变掉的粒子平均数为0 0其相应的均方根差为Npq0m(1p) Npq0m(1p) me t 2假设t 1，即时间t远比半衰期小，这时可以简化为mmN总是一个很大的数目而且假设满足t 1则二项式分布可以简化为泊0N100p0.010泊松分布能很好的近似于二项式分布，此时pn

mnemn!在泊松分布中，n〔3四周时，p(n)m；m趋近于对称。当m20时，泊松分布一般就可用正态〔高斯〕分布来代替：pn

1 nm22e 22式中2m，pn是在n处的概率密度值。M及均方根差这两个参数，它N=M，见图。对于M0，1,这种分布成为标准正态分布。一般的概率统计书上给出的正态分布数值表都是对应于标准正态分布的。N~NdN内的概率为 1

NM22p N dN2

e 2 dN为了计算便利，需作如下的变量置换〔称标准化，令NM z 则 1

2

1 z222p N dN e22d e 2222e d2而2e d20

z2 称为正态分布概率积分。假设我们对某一放射源进展屡次重复测量，得到一组数据，其平均值为N，N那么计数值落在N〔即N 范围内的概率为NN

dN

NN

1 NN22e 22 dN2N NNzNN

来置换之，并查表，上式即为11

1 12ez22 2ez2这就是说，在某试验条件下进展单次测量，假设计数值为NN1N

〔来自一个正态分布总体N1

68.3%；或者反过N来说，在N 范围内包含真值的概率是68.3%。实质上，从正态分布的特点NN1来看，由于消灭概率较大的计数值与平均值N的偏差较小，可以用N1

来代替N，对于单次测量值NN1

1

范围内包含真值的概率N168.3%，这样用单次测量值就大体上确定了真值所在的范围，这种由于放射N1N所以用均方根差〔也称标准偏差〕 来表示。当承受标准偏差表示表示放N射性的单次测量值N1

时，则可以表示为N1

N1

NN1N

。用数理统N1〔NN2N3时，相应的置信概率分别为95.599.7%。N13、闪耀谱仪构造与工作原理NaI(TI〔射极跟随器，高压电源，线性放大器、多道脉冲幅度分析器几局部组成。射线射线现在闪耀体内产生光电子、康普顿电子及正、负电子对〔V，然后这些电子使闪耀体内的分〔产冲幅度分析器可以测定入射射线的能谱。4、谱仪组件性能一般介绍闪耀体：闪耀体时用来把射线能量转变为光能的。闪耀体分无机闪耀和有试验中承受含铊〔TI〕NaI晶体做射线的探测器。K、收集电子的阳A〔又称倍增极、打拿极或者联极〕构成，相邻的两个电极之间的电位差一般在100VD1上，D13~6D1和D2之D23~5，……这样经过n电压脉冲。能量区分率：由于形成阳极电流脉冲之前的各种过程的统计性质，对应于计数率随脉冲幅度分布的半宽度U 与计数率最大值对应的脉冲幅度U 之比1/2 0定义为能量区分。由于粒子能量与脉冲幅度成正比，所以能量区分率U 1/2U0

EE影响能量区分率的主要因素有：①同一能量的粒子在闪耀体中产生的光子数目不同。这是由于闪耀体发光过程的统计涨落；闪耀体的非均性使不同点的发光效率不同；入射粒子穿过晶体的角度、位置不同所带来的在晶体内损失能量的不同。②粒子的入射位置不同，闪耀体所发出的光能到达光阴极的收集效率也不同。③光阴极外表的不均匀性，阴极的不同位置放射光电子的效率不同。④光阴极放射光电子数和光电倍增管的倍增系数的统计涨落。NaI(TI)晶体对137Cs0.662MeV的6%~8%。5、闪耀谱仪对137Cs单能射线的响应。13Cs只放出单一能量的〔EV1.02MeVCs的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，图给出了用NaI(TI)晶体谱仪所测得的137Cs的11假设康普顿散射产生的散射光子hNaI(TI即通过光电效应把散射光子的能量h转换成光电子能量，而这个光电子也将对Ehh射线的能量。11号峰又称为全能峰。2NaI180°的康普顿散射，反散射的光子返回晶体，与晶体发生光电效应所形成的。返回散射光子能量hE

E

2反散射峰有奉献。图中能量最小的那个峰是应为137Cs的衰变子体137Ba在退激时，可能不发生BaK电子打出，这一过程将导致发生BaKXBaK〔32KeV。137Cs的谱是比较典型的，常用137Cs作为标准源，一方面用来检验谱仪的能量区分率，另一方面作为射线能量测量的相对标准。6、闪耀谱仪的能量线性关系利用闪耀谱仪做射线能量测定时，最根本的要求是在入射射线的能量和〔指全能峰的位置NaI(TI)闪耀谱仪在较宽的能量范围内〔100keV1300keV〕是近似线性的。这是利用该谱仪进展射线能量分析与推断未知放射性核素的重要依据。通常，在试验上利用系列标准源，测量相应全能量峰处的脉冲幅度，建立射线能量及其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一条直线，即ExpGxp0xp为全能峰位〔峰道址E0G为增益〔即单位脉冲幅度对应的能量137C〔V和60C〔V，1.33MeV〕来作，如下图。试验中欲得到较抱负的线性，还要留意放大器和进展刻度。7、探测效率设S谱仪的探测效率为，可以用下式表示：nS〔1.1-15〕S射线放射强度，n义的探测效率称作源峰探测效率，nnNtN，tNl，r侧的峰谷处，如下图。②求得峰内各道计数的总和Iii1

B1I2l

Irl1rN=T-B2T1rl3BN 28、辐射强度测量N和待测样的全能峰面积N，0 x设标准源的强度为S，待测样的强度为S，则有0 xNS xSx N 001辐射的能量和强度测量一、试验目的NaTl闪耀谱仪的组成，根本特性及使用方法。把握测量射线的能量和强度的根本方法。二、试验内容及步骤UMS。选择适宜的高压和放大倍数，测量137Cs标准源在三组不同测量时间下的能〔本试验取测量时间分别为t300s,400s,500s〕测量60Co标准源的能谱，并依据测量结果对谱仪进展能量刻度，求出式ExGxE中的常数G和E 。p p 0 00，再关机。三、数据记录及处理137Cs在不同测量时间下的能谱依据得到的试验数据，得到t300s,400s,500s下137Cs的能谱如下。图1 s下s的γ能谱图2 t=400s下137Cs的γ能谱图3 t=500s下137Cs的γ能谱不同测量时间下的峰位信息如下表所示测量时间t/s峰位半高宽净面积/%300255.2330.362148511.90400252.1530.132763211.95500250.7230.723565312.28表1不同测量时间下从峰位信息中可以得到如下几个结论：①峰的位置根本不变。这种状况简洁理解，由于峰的位置对应的就是粒子的能量，而放射源放出的粒子能量是肯定的，所以峰的位置也根本不变。粒子是原子核能级跃迁产生的，而原子核能级有肯定宽度，所以跃迁产生的粒子能量也有肯定差异，显示在峰不变。t变产生的粒子数的平均值为mNpN1et0 0在t 1时，

mN1etNt0 0即测量时间越长，衰变产生的粒子数越多，由于全能峰的面积反映的就是粒子数，所以峰面积也就越大。能量刻度曲线首先，得到60Co的能谱如以下图图4 能谱中两个峰的峰位分别为x 450.34和x 501.00对应粒子的能量p p分别是1.17MeV和1.33MeV，结合t=300s下137Cs的能谱x 255.23，pE0.662MeV，可得到能量刻度曲线上的三个点255.23450.34501.000.6621.171.33xpExpE/MeV作出能量刻度曲线如图5能量刻度曲线

Exp

0.00269xp

0.02632(MeV)所以能量刻度曲线中两个参数的值分别为G0.00269MeV。E0.02632MeV0四、思考题射线与物质有哪三种主要作用，各有什么特点？答：射线与物质的三种主要作用是：光电效应，康普顿散射和正负电子对的产生。康普顿散射过程中，光子通过碰撞作用将一局部动能传递给电子，电子获获得肯定动能，满足动量守恒定律。正负电子对产生过程中，光子自身转化为正负电子对，电子动能为光子能并且满足动量守恒定律。答：有两方面的奉献。一是光电效应形成的光电子，其能量为h。e二是康普顿散射过程中被散射的光子在闪耀体中发生光电作用产生的光电子e生奉献。

h”h，二者加在一起的脉冲对全能峰产因此，全能峰的能量正