浙师大物理实验预习报告-NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪γ射线能谱测量.doc

浙师大近代物理实验预习报告NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪及γ射线能谱的测量γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定任希 物理081 08180123摘要：在了解了γ射线与物质相互作用的基本特性与多道脉冲幅度分析器在NaI（T1）单晶γ谱测量中的数据采集及其基本功能之后，我们将通过使用NaI（T1）γ闪烁谱仪，测量和的γ能谱，并求出各项指标，分析谱形并且进一步了解窄束γ射线在物质中的吸收规律，并通过仪器测量了γ射线在不同物质中的吸收系数，通过对比不同物质的吸收系数，了解γ射线的性质关键词：NaI（T1）γ闪烁谱仪 、γ能谱 吸收系数引 言γ射线是原子核能级跃迁的辐射，它是一种不含任何带点微粒、不受电场影响，并且穿透本领很强的特殊电磁波波长短于0.2埃的电磁波原子核由高能级向低能级跃迁时会放出γ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γ射线我们将γ射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到γ辐射强度按能量的分布，即所谓“能谱”测量能谱的装置称为“能谱仪”本实验中主要应用NaIγ闪烁谱仪来测量γ射线的能谱。

正文：以下是本实验使用到的仪器：1.闪烁探测器 闪烁探测器有闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成归结起来，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).利用反射物和光导体将闪烁光子尽可能多地收集到光电增管的光阴极上，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104~109个．电子流在阳极负载上产生电信号；(5).此电信号由电子仪器记录和分析2.多道脉冲幅度分析器 所谓射线的能谱，是指各种不同能量粒子的相对强度分布；它反映在以能量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测量曲线，我们可以清楚地看到射线中不同能量的粒子所占的百分比多道脉冲幅度分析器可以用来测量射线的能谱 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出具有不同幅度的脉冲的数目，就能得到不同能量的粒子数目多道正是按脉冲幅度大小统计出在不同幅度范围内脉冲的数目。

多道里的每一道有一个甄别电压Vi，称为阈值，只有脉冲幅度大于Vi的信号才能被计数；同时，在每一道还需有一个道宽ΔV，以便只让幅度在Vi+ΔV范围内的信号才被计数；当我们把ΔV取得很小时，统计得到的脉冲数目就可以看成是幅度为Vi的脉冲数目 简单地说，多道脉冲分析器的功能是把线性脉冲放大器的输出脉冲按幅度大小统计.多道脉冲分析器主要由A/D转换器、用于数据采集的单片机和发送系统等组成，一次测量就可得到整个能谱曲线，既可靠、方便又省时以下是这些仪器的一些原理说明：I(Tl)谱仪测得的137Cs的γ能谱：如下页图所示，测得的γ能谱有三个峰和一个平台最右边的峰A称为全能峰，这一脉冲幅度直接反映γ射线的能量即0.661MeV；上面已经分析过，这个峰中包含光电效应及多次效应的贡献，本实验装置的闪烁探测器对0.661MeV的γ射线能量分辨率< 9%平台状曲线B是康普顿效应的贡献，其特征是散射光子逃逸后留下一个能量从0到的连续的电子谱峰C是反散射峰由γ射线透过闪烁体射在光电倍增管的光阴极上发生康普顿反散射或γ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。

可以根据式(1-9)算出反散射峰能量为峰D是X射线峰，它是由 137Ba 的K层特征X射线贡献的137Cs的 β 衰变体 137Ba 的0.661MeV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γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定：在γ射线（光子）与物质之间（被束缚在原子中的电子；自由电子（单个电子)；库仑场(核或电子的)；核子(单个核子或整个核)）的相互之间的作用可以分成3类：（1）低能时以光电效应为主一个光子把它所有的能量给予一个束缚电子；核电子用其能量的一部分来克服原子对它的束缚，其余的能量则作为动能；（2）光子可以被原子或单个电子散射到另一方向，其能量可损失也可不损失当光子的能量大大超过电子的结合能时，光子与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，即所谓的康普顿效应，光子能量在1MeV左右时，这是主要的相互作用方式；（3）若入射光子的能量超过1.02MeV，则电子对的生成成为可能在带电粒子的库仑场中，产生的电子对总动能等于光子能量减去这两个电子的静止质量能(2mc2=1.022MeV) 光电效应 康普顿效应 电子对效应 从上述图中我们可以看出，当γ光子穿过物质时，不是完全转化成了电子的能量，就是偏离了原来入射时的方向。

与其他物质不同的是，γ光子与物质之间的相互作用只要发生一次碰撞就会有大量的能量发生转移；而其他带点粒子转过物质时，经过许多次小能量转移碰撞来损失它的能量本实验中我们主要研究的是窄束γ射线在物质中的吸收规律所谓窄束γ射线是指不包括散射成份的射线束，通过吸收片后的γ光子，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成射线束有一定宽度，只要其中没有散射光子，就可称之为“窄束”窄束γ射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度就会减弱，这种现象称为γ射线的吸收γ射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即 其中，I0、I分别是穿过物质前、后的γ射线强度，x是γ射线穿过的物质的厚度（单位cm），σr是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，N是吸收物质单位体积中的原子数，μ是物质的线性吸收系数（μ=σrN，单位为cm）显然μ的大小反映了物质吸收γ射线能力的大小式中分别为光电、康普顿、电子对效应的线性吸收系数；其中：（Z为物质的原子序数）γ射线与物质相互作用的三种效应的截面都是随入射γ射线的能量和吸收物质的原子序数Z而改变γ射线的线性吸收系数μ是三种效应的线性吸收系数之和 实际工作中常用质量厚度Rm（g/cm2）来表示吸收体厚度，以消除密度的影响。

所以得： 由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率N总与该时刻的射线强度I成正比，且通过计算可得: 通过图形描述的：γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定的一般实验装置如上图（a）所示，在源和探测器之间用中间有小圆孔的铅砖作准直器吸收片放在准直器中间,前部分铅砖对源进行准直；后部分铅砖则滤去γ射线穿过吸收片时因发生康普顿散射而偏转一定角度的那一部分射线这样的装置体积比较大，且由于吸收片前后两个长准直器使放射源与探测器的距离较远，因此放射源的源强需在毫居里量级但它的窄束性、单能性较好，因此只需闪烁计数器记录本实验装置是在一般的基础上通过改进得到的，如上图(b)所示，即为RES-02型相对论效应实验谱仪在γ源的源强约1.6微居里的情况下，由于专门设计了源准直孔（），基本达到使γ射线垂直出射；而由于探测器前有留有一狭缝的挡板，更主要由于用多道脉冲分析器测γ能谱，就可起到去除γ射线与吸收片产生康普顿散射影响的作用以下是一些资料所提供的操作步骤：1. 连接好实验仪器线路，经教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较好3. 把γ放射源137Cs或60Co放在探测器前，调节高压和放大倍数，使60Co能谱的最大脉冲幅度尽量大而又不超过多道脉冲分析器的分析范围。

4. 分别测137Cs和60Co的全能谱并分析谱形，指明光电峰、康普顿平台和反散射峰5. 利用多道数据处理软件对所测得的谱形进行数据处理，分别进行光滑化、寻峰、半宽度记录、峰面积计算、能量刻度等工作并求出各光电峰的能量分辨率记下数据6. 调整实验装置，使放射源、准直孔、闪烁探测器的中心位于一条直线上7. 在闪烁探测器和放射源之间加上0、1、2 LL片已知质量厚度的吸收片（所加吸收片最后的总厚度要能吸收γ射线70%以上），进行定时测量（建议t=1200秒），并存下实验谱图8. 计算所要研究的光电峰净面积Ai=Ag-Ab，这样求出的Ai就对应公式中的Ii、Ni9. 分别用作图法和最小二乘法计算吸收片材料的质量吸收系数 4、 数据分析4.1 在3个不同的位置对137Cs全能峰的测量：预置时间： 高压电压： 放大系数： 全谱道数： 扩展谱道数： 道数： 137Cs第1个位置第2个位置第3个位置位置刻度（cm）总计数率净面积A峰位半高宽分辨率4.2 在3个不同的位置对60Co全能峰的测量：预置时间： 高压电压： 放大系数 全谱道数： 扩展谱道数： 道数：60Co第1个位置第2个位置第3个位置位置刻度（cm）总计数率净面积A峰位半高宽分辨率以下能谱图，为我们所选的最佳位置所测得的137Cs和60Co的全能谱。

4.3 Al对γ射线的吸收系数的测定：铝密度： 预置时间： 高压电压： 放大系数： 全谱道数： 扩展谱道数： 道数：铝片个数01234净面积A质量厚度 g/cm2其中质量厚度的数据表示加上去的那块材料的Rm根据吸收系数计算公式： 得到吸收系数为：单位（cm-1）4.4 Pb对γ射线的吸收系数的测定：铅密度： 预置时间： 高压电压： 放大系数： 全谱道数： 扩展谱道数： 道数：铅片个数01234净面积A质量厚度 g/cm2其中质量厚度的数据表示加上去的那块材料的Rm根据计算公式得到吸收系数为：单位（cm-1）.--。