实验四 闪烁探测器及r能谱的多道测量..

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能谱的多道测量

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

指导老师：张远宪

试验时间：2015 年 10月 30 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□

一、实验目的

1、了解γ 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γ放射源的γ能谱测量。

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）γ射线与物质相互作用

γ射线与物质相互作用是γ射线能量测量的基础。γ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、γ射线与物质相互作用。当γ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。γ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，γ光子本身消失。

（2）康普顿散射。入射γ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。 γ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 γ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γ射线能量、光电子的能量相比可以忽略。因此，

E 光电子γγE B E i ≈-= (1)

即光电子动能近似等于γ射线能量。值得注意的是，由于必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hν，的入射光子发生康普顿散射

的示意图，h ν'为散射光子的能量；θ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νγh E =,动量为c h /ν碰撞后，散射光子的能量为νγ'='h E ，动量为c h /ν'，反冲电子的动能为E e ，总能量为E ，动量为 P ，见图 1，它们之间有下列关系式：

20220202201c m c m c m mc c m E E e --=

-=-=β (2) 201β-==v

m mv P (3)

相对论能量和动量关系为

22420c P c m E += (4)

式中c v /=β，v 为反冲电子速度，m o 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：

e E h h +'=νν (5)

?θννcos cos P c

h c h +'= (6) ?θνsin sin P c

h =' (7) 由此可以得到

202)()c o s 1(c m h h h ννθνν'-=-'

或者

20)()cos 1(c m E E E E γγγγθ''-=-

因此，散射光子的能量

)

cos 1(120θγγγ-+

=

'c m E E E (8) 康普顿反冲电子的动能 γγνν'-='-=E E h h E e

即

)cos 1()

cos 1(202θθγγ-+-=E c m E E e (9)

之间的关系为和φθ

2)1(20θφγ

tg c m E ctg += (10)

从（8）、（9） 和 （10）式可以看出：