ORTEC低本底伽马谱仪及其调试
ORTEC低本底伽马谱仪及其调试
2.1 ORTEC低本底高纯锗伽马谱仪简介
本实验的能谱测量是用美国ORTEC公司GMX系列高纯锗探测器来进行的。探测器为p型同轴，探测的能量范围下限约为40keV。探测器的锗晶体的生产是在橡树岭实验室进行的，晶体的外层有由于锂接触扩散形成的死层，内层则有由于硼接触扩散形成的死层。该类型探测器有如下特点：1、其相对探测效率在10%到100%或者可以更高；2、拥有优良的能量分辨率和峰形状；3、良好的偏压选择；4、低本底碳纤维包层选择；5、超快速率应用的脉冲前置放大器选择；6、具有良好的配置灵活性。其探测器示意图如图2.1所示，锗晶体的示意图如图2.2所示。[9]
高纯锗探测器作为半导体探测器的一种，相对于气体探测器在半导体介质中，电离辐射产生电子-空穴对所需的能量很低所以能够产生大量的电子空穴对从而使统计涨落小很多，从而提高了能量分辨率。同时所形成的电离密度要比气体探测器高大约三个量级[10]，从而探测器的尺寸要小很多，可以制成高空间分辨和快时间相应的探测器，同时线性范围也比较宽。
图2.1 锗晶体示意图
图2.2 ORTEC GMX系列高纯锗伽马谱仪
详细的ORTEC高纯锗伽马谱仪剖面图及其尺寸见图2.3和图2.4所示。对于高纯度的锗晶体为形成PN结的空间电荷区需要内部的硼接触扩散以形成P型的高纯锗晶体，外层在施以N型的锂接触从而形成空间电荷区满足探测需要。这样就会形成内外两层死层。对于下图所示的生产商给出的几何机构及其尺寸也不一定完全精确，有些参数可能会出现一些偏差。尤其值得注意的是高纯锗探测器的死层厚度会随着时间的变化而慢慢变厚，这样不仅使死层的厚度增大同时也减小了有效的锗晶体的长度，在模拟的时候就会产生较大的误差。
图2.3 ORTEC伽马谱仪剖面图
图2.4 伽马谱仪几何尺寸表
高纯锗晶体由于纯度很高所以体积可以做得很大可以满足低于10MeV能谱
测量的要求。虽然高纯锗晶体经过内外接触处理，但是其内部电场并不是完全均匀的，在一些角落里电场较低，载流子的收集效率相应降低，因此晶体的前表面棱角应该尽量避免，作的圆滑一些[9]。
2.2 效率计算
在本次实验中我们主要是对高纯锗伽马谱仪的绝对全能峰效率进行刻度，效率刻度方法主要有三种[10]：
（1）若有某一放射源发射特定能量的γ射线，测得HPGe 的峰面积和76mm*76mmNaI （Tl ）的峰面积作比较，则可得到Ge 相对NaI 的相对效率。此时知道NaI （Tl ）的绝对效率，就自然得到HPGe 的绝对效率。
（2）若有一套能量和强度都已知的标准源就可直接标定。
（3）先进行相对效率刻度，后转化为绝对效率。
其中前两种方法需要一系列能量不同的标准源，在实际中是难以达成的。所以第三种方法较为可行，下面简单说明刻度方法：
①相对效率刻度。需要放射源有多种能量射线，并且各种能量的射线相对强度已知，射线的前度可以未知。现假设放射源的第i 个射线的能量为E i 相对强度是k i ，测量得到全能峰计数率为n pi ，则有：
i SPi pi Ak n ε= （2.1） 即
A
k n i pi SPi 1?=ε （2.2） 因此对于同一个放射源绝对效率与全能峰计数率成正比，与第i 个射线的相对强度成反比。所以只要做出n pi /k i 与能量E i 的关系曲线就得到了相对效率。若有不同的放射源则需要考虑先进行归一化处理。
②用一标准源测定相应能量的绝对效率。此时源的活度必须已知，并且能量最好单一以避免相对强度的误差传递。
③由以上得出的绝对效率则可将相对效率换算成绝对效率：
00
0SPi )/(SP p i i k n k n εε= （2.3） 在本实验中使用的放射源活度都是已知的所以只需直接计算效率即可。但是各个标准源不是单能的所以还需要用到放射源的各个能量的相对强度信息。
2.3 HPGe伽马谱仪的调试
为确保HPGe伽马谱仪在良好的状态下实验，必须前期进行谱仪的调试工作。调试包括系统组装、低温恒温系统和电子学参数调节三个部分。
谱仪系统的组装包括探测器封装类型、Ge晶体效率及规格确定、窗及前向包装材料、前置放大器、高压滤波装置和电子学线路的封装。在探测器中这些项目可以改变相应的材料和类型等[9]。当然在购买仪器的时候厂家会根据客户要求进行组装封装好，客户直接使用即可。
低温恒温系统是HPGe探测器的重要组成部分。首先探测器在低温下工作可以减小电子学器件的反向电流，从而减小噪声引起的谱线展宽。其次，在室温下锗的禁带宽度很小，若温度过高，当温度高达100~120K时，HPGe的漏电流和噪声便开始增加，从而显著影响能量分辨率。所以，HPGe工作在液氮温度下（77K）是合适的。最后，由于产生电子空穴对所需能量与工作温度直接相关，每K的变化为2.53*10-4如果温度不稳定，就会造成峰位的漂移，使分辨率变差[10]。所以一般高纯锗探测器的锗晶体中央会有一个半径不大的孔，以便能够使铜棒穿过，而铜棒的另一边则和液氮接触这样通过温度传递保持锗晶体的温度在液氮温度下。
图2.5 高纯锗探测器详细组装示意图
电子学参数调节主要是调节放大器的放大倍数以使能谱通过多道分析器显示出良好的峰形并且能够合理利用多道的道址；调节多道阈值以降低电子学噪声的影响；调节放大器偏压以使放大器处于合理的工作线性范围内等。现在放大器多道等各个部分都已经集成在一起，很多参数都已经出现在使用手册上，大大简化了调试过程。
多道γ能谱分析软件中寻峰算法比较总结
自动寻峰由于谱结构的复杂和统计涨落的影响，从谱中正确地找到全部存在的峰是比较困难的。 尤其是找到位于很高本底上的弱峰，分辨出相互靠得很近的重峰更为困难。谱分析对寻峰方法的基本要求如下： (1) 比较高的重峰分辨能力。能确定相互距离很近的峰的峰位。 (2) 能识别弱峰，特别是位于高本底上的弱峰。 (3) 假峰出现的几率要小。 (4) 不仅能计算出峰位的整数道址，还能计算出峰位的精确值，某些情况下要求峰位的误差小于0.2 道。 很多作者对寻峰方法进行了研究，提出了很多有效的寻峰方法。 目的： 判断有没有峰存在 确定峰位(高斯分布的数学期望) ，以便把峰位对应的道址，转换成能量确定峰边界——为计算峰面积服务(峰边界道的确定，直接影响峰面积的计算) 分为两个步骤：谱变换和峰判定 要求：支持手动/自动寻峰，参数输入，同时计算并显示峰半高宽、精确峰位、峰宽等信息，能够区分康普顿边沿和假峰 感兴区内寻峰 人工设置感兴趣大小，然后在感兴区内采用简单方法寻峰重点研究：对感兴区内的弱峰寻峰、重峰的分解对于一个单峰区，当峰形在峰位两侧比较对称时，可以由峰的FWHM 计算峰区的左、 右边界道址。峰区的宽度取为3FWHM ，FWHM 的值可以根据峰位m p 由测量系统的FWHM 刻度公式计算。由于峰形对称，左、右边界道和峰位的距离都是 1.5FWHNM mi L INT(m p 1.5FWHM 0.5) m R INT(m p1.5FWHM 0.5)
式中m p是峰位，INT的含义是取整数。 对于存在有低能尾部的峰，其峰形函数描述(参见图)。 y m HEXP[ (m m p)2/2 2] , m> mp_ j y m HEXP[J(2m 2m p J)/2 2] , m< mp_ J 式中H为峰高，mp为峰位，是高斯函数的标准偏差，J为接点的道址和峰位之间的距离。在峰位的左侧，有一个接点，其道址为mp-J。在接点的右侧，峰函数是高斯函数。在接点的左侧，峰函数用指数曲线来描述。这时峰区的左、右边界道址为 m L INT(m p1.12FWHM 2/ J 0.5J 0.5) m R INT(m p 1.5FWHM 0.5) 全谱自动寻峰 基于核素库法：能量刻度完成后，根据核素库中的能量计算对应的道址，在各个道址附近(左右10道附近)采用简单的寻峰方法(导数法) 方法： 根据仪器选择开发 IF函数法/简单比较法(适于寻找强单峰，速度快)
NaI(Tl) 闪烁晶体γ能谱测量
NaI(Tl) 闪烁晶体γ能谱测量 实验人：吴家燕学号：15346036 一、实验目的 1、加深对γ射线和物质相互作用的理解； 2、掌握NaI(Tl) γ谱仪的原理及使用方法； 3、学会测量分析γ能谱； 4、学会测定γ谱仪的能量分辨率、线性、探测效率曲线； 5、测定未知放射源的能量和活度。 二、实验原理 1、γ谱仪的组成 NaI(Tl)闪烁谱仪由NaI(Tl)闪烁探头（包括闪烁体、光电倍增管、前置放大器）、高压电源以及谱仪放大器、多道分析器、计算机等设备组成。图1 为NaI(Tl)闪烁谱仪装置的示意图。 2、射线与闪烁体的相互作用 当γ射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程：（1）光电效应；（2）
康普顿散射；（3）电子对效应。 图2 为示波器上观察到的单能γ射线的脉冲波形，谱仪测得的能谱图。图3 是137Cs、22Na 和60Co 放射源的γ能谱。图中标出的谱峰称为全能峰。在γ射 线能区，光电效应主要发生在K 壳层。在击出K 层电子的同时，外层电子填补K 层 空穴而发射X 光子。在闪烁体中，X 光子很快地再次光电吸收，将其能量转移给光 电子。上述两个过程是几乎同时产生的，因此它们相应的光输出必然是叠加在一起的，即由光电效应形成的脉冲幅度直接代表了γ射线的能量（而非减去该层电 子结合能）。 3、137Cs 能谱分析 4、闪烁谱仪的性能 能量分辨率
探测器输出脉冲幅度的形成过程中存在着统计涨落。即使是确定能量的粒子的脉冲幅度，也仍具有一定的分布，其分布示意图如图4 所示。通常把分布曲线极大值一半处的全宽度称半宽度即 FWHM，有时也用表示。半宽度反映了谱仪对相邻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，使用相对分辨本领即能量分辨率η更为确切。一般谱仪在线性条件下工作，故η也等于脉冲幅度分辨率，即 对于一台谱仪来说，近似地有 对于单晶谱仪来说，能量分辨率是以137Cs 的0.662MeV 单能γ射线的光电峰为标准的，它的值一般在8-15%，最好可达6-7%。 能量线性刻度曲线 为检查谱仪的能量线性情况，必须利用一组已知能量的γ放射源，测出它们的γ射线在谱中相应的全能峰位置（或道址），然后，作出γ能量对脉冲幅度（或道址）的能量刻度曲线。这个线性关系可用线性方程表示，即 式中x p 为峰位，即道址；E0 为截距，即零道对应的能量；G 为斜率，即每道对应的能量间隔，又称增益。实验中用的γ核素能量列于表2 中。典型的能量刻度曲线如图5 所示。
NaI(Tl)闪烁谱仪r能谱
NaI （Tl ）闪烁谱仪测量γ能谱 实验目的 1. 掌握NaI(Tl) γ闪烁谱仪的结构、原理和工作过程 2. 掌握NaI(Tl)γ闪烁谱仪的性能指标和测试方法。 3. 了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。 实验内容 1. 学会NaI(Tl) 单晶γ闪烁谱仪装置的使用操作方法 2. 掌握调整谱仪参数，选择最佳测量工作条件的方法 3. 测量谱仪的能量分辨率、刻度能量线性。 4. 了解数据处理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等）。 一．γ射线与物质的相互作用 γ射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式，如图1所示。 图1 γ射线光子与物质原子相互作用 （1）光电效应 当能量为E γ的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失。发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应。发射光电子的动能为 i e B E E -=γ B i 为束缚电子所在壳层的结合能。原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X 射线。这种X 射线在闪烁体内很容易再产生一次新的光电效应，将能量又转移给光电子，所以闪烁体得到的能量是两次光电效应产生的光电子能量之和。 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）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之外，还需有一个第三者参加，这第三者就是发射光电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（即越靠近原子核的电子），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。 （2）康普顿效应 γ光子与自由静止的电子发生碰撞，将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，γ光子被散射，改变了原来的能量和方向。反冲电子的动能为 ()θγγ cos 112 0-+=E c m E E e （
用闪烁谱仪测γ射线能谱
实验题目: 用闪烁谱仪测γ射线能谱 实验原理: 1.γ能谱的形状 闪烁γ能谱仪可测得γ能谱的形状，下图所示是典型Cs 137的γ射线能谱图。图的纵轴代表单位时间内的脉冲数目即射线强度，横轴代表脉冲幅度即反映粒子的能量值。 从能谱图上看，有几个较为明显的峰，光电峰e E ，又称全能峰，其能量就对应γ射线的能量γE 。这是由于γ射线进入闪烁体后，由于光电效应产生光电子，能量关系见式（1），如果闪烁体大小合适，光电子停留在其中，可使光电子的全部能量被闪烁体吸收。光电子逸出原子会留下空位，必然有外壳层上的电子跃入填充，同时放出能量i z B E =的X 射线，一般来说，闪烁体对低能Ｘ射线有很强的吸收作用，这样闪烁体就吸收了z e E E +的全部能量，所以光电峰的能量就代表γ射线的能量，对Cs 137，此能量为0.661Ｍe Ｖ。 C E 即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。 背散射峰b E 是由射线与闪烁体屏蔽层等物质发生反向散射后进入闪烁体内，形成的光电峰，一般峰很小。 2．谱仪的能量刻度和分辨率
（1）谱仪的能量刻度 闪烁谱仪测得的γ射线能谱的形状及其各峰对应的能量值由核素的蜕变纲图所决定，是各核素的特征反映。但测得的光电峰所对应的脉冲幅度（即峰值在横轴上所处的位置）是与工作条件有关系的。如光电倍增管高压改变、线性放大器放大倍数不同等，都会改变各峰位在横轴上的位置，也即改变了能量轴的刻度。因此，应用γ谱仪测定未知射线能谱时，必须先用已知能量的核素能谱来标定谱仪的能量刻度，即给出每道所对应的能量增值Ｅ。例如选择 Cs 137 的光电峰γE ＝0.661Ｍe Ｖ和Co 60的光电峰 M e V E 17.11=γ、MeV E 33.12=γ等能量值，先分别测量两核素的γ能谱，得到光电峰所对应的多道分 析器上的道址（若不用多道分析器，可给出各峰位所为应的单道分析器上的阈值）。可以认为能量与峰值脉冲的幅度是线性的，因此根据已知能量值，就可以计算出多道分析器的能量刻度值Ｅ。如果对应 MeV E 661.01=的光电峰位于Ａ道，对应MeV E 17.12=的光电峰位于Ｂ道，则有能量刻度 MeV A B e --= 661 .017.1 （1） 测得未知光电峰对应的道址再乘以e 值即为其能量值。 （2）谱仪分辨率 γ能谱仪的一个重要指标是能量分辨率。由于闪烁谱仪测量粒子能量过程中，伴随着一系列统计涨落因素，如γ光子进入闪烁体内损失能量、产生荧光光子、荧光光子进入光电倍增管后，在阴极上打出光电子、光电子在倍增极上逐级打出光电子而使数目倍增，最后在阳极上形成电流脉冲等，脉冲的高度是服从统计规律而有一定分布的。光电峰的宽窄反映着谱仪对能量分辨的能力。如图2.2.1-7中所示的光电峰的描绘，定义谱仪能量分辨率η为 %100??=?= V V E E 光电峰脉冲幅度半高度η （2） η表示闪烁谱仪在测量能量时能够分辨两条靠近的谱线的本领。目前一般的闪烁谱仪分辨率在10%左
NaI(Tl)闪烁谱仪实验报告材料
实验5：NaI(Tl)闪烁谱仪 实验目的 1． 了解谱仪的工作原理及其使用。 2． 学习分析实验测得的137Cs γ谱之谱形。 3． 测定谱仪的能量分辨率及线性。 容 1． 调整谱仪参量，选择并固定最佳工作条件。 2． 测量137Cs 、65Zn 、60Co 等标准源之γ能谱，确定谱仪的能量分辨率、刻度 能量线性并对137Cs γ谱进行谱形分析。 3． 测量未知γ源的能谱，并确定各条γ射线的能量。 原理 )1(T NaI 闪烁谱仪由)1(T NaI 闪烁体、 光电倍增管、射极输出器和高压电源以及线性脉冲放大器、单道脉冲幅度分析器（或多道分析器）、定标器等电子学设备组成。图1为)1(T NaI 闪烁谱仪装置的示意图。此种谱仪既能对辐射强度进行测量又可作辐射能量的分析，同时具有对 γ射线探测效率高（比G-M 计数器高几十倍）和分辨时 间短的优点，是目前广泛使用的一种辐射探测装置。
当γ射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程，见表1第一行所示：（1）光电效应；（2）康普顿散射；（3）电子对效应。前两种过程中产生电子，后一过程出现正、负电子对。这些次级电子获得动能见表1第二行所示，次级电子将能量消耗在闪烁体中，使闪烁体中原子电离、激发而后产生荧光。光电倍增管的光阴极将收集到的这些光子转换成光电子，光电子再在光电倍增管中倍增，最后经过倍增的电子在管子阳极上收集起来，并通过阳极负载电阻形成电压脉冲信号。γ射线与物质的三种作用所产生的次级电子能量各不相同，因此对于一条单能量的γ射线，闪烁探测器输出的次级电子脉冲幅度仍有一个很宽的分布。分布形状决定于三种相互作用的贡献。 表1 γ射线在NaI（Tl）闪烁体中相互作用的基本过程
低本底多道r能谱仪操作规程1
全自动低本底多道r能谱仪操作规程 JNPQ-3- 一、开机顺序： 1、打开稳压电源开关； 2、打开电脑开关； 3、点击桌面上“UMS”工作站快捷键，进入数据采集工作站界面； 4、打开高压电源开关至显示电压为486V，预热30min。 二、样品采集： 1、预热完成后，打开铅盖，将已预处理并称量好的样品（准确至0.1g）放入铅室中央，合上铅室盖。 2、点击“F1采集”键和“F10定时”键，设置预置时间10000s，按回车键。 3、再点击F1启动。 4、待数据采集结束时，点击两次“Esc”键，两次按“F2输入/输出”，出现文件保存画面，将文件命名为“样品名称每个字的前两个字母”+“序号”＋“月份日期”的形式保存，按回车键。 5、按Esc键及“Y”键，退出数据采集程序界面。 三、样品自动分析程序： 1、关闭样品采集程序后，点击桌面上“WinNaI简”图标，进入样品分析程序。 2、选择“文件”下拉菜单，打开所要分析样品的谱图， 3、点击“分析”按钮，在出现的对话框内输入样品重量，点击“认可”。 4、选择“打印报告”，在出现的记事本内完善各项信息。 5、选择“文件”下拉菜单，点击“打印”。 四、标准谱库的建立： 1、按照样品测定的程序，采集本底、Th23 2、Ra226、K40标准源的谱图，并保存。 2、进入样品分析程序，点击界面右上角的“设置”键，设置分析区间为“2”道到“1022”道， 扣除本底方式为“自动扣除”，平滑点数“13”点，采用方法为“最小二乘法3-……”，输入公司名称。点击“确定”键。 3、点击“打开”下拉菜单，打开Th232标准源的谱图，点击“寻峰”，记录峰值最高的颜色对应 的道数和能量。 4、按照上述步骤，依次记录226Ra、40K标准源的最高峰对应的道数和能量。 5、打开UMS工作站快捷方式，点击“设置”键，设置分析区间（40～1022），平滑点数（13）。 6、点击“打开”键，打开保存的232Th的标准图谱，点击“寻峰”键，记录峰值最大的峰对应的颜色的峰位和比活度。 7、依次记录226Ra、40K的峰位和比活度。 8、点击“刻度”下拉菜单，点击“能量刻度”键，输入232Th、226Ra、40K的道数和能量，按“认可”键。 9、出现一条曲线，如它呈线性说明测量准确，将其保存。 三、样品中放射性核素的检测程序： 1、预热完成后，打开铅盖，将已预处理并称量好样品（准确至0.1g）放入铅室中央，合上铅室盖。 2、点击“F1采集”键和“F10定时”键，设置预置时间10000s，按回车键。 3、再点击F1启动。 4、待数据采集结束时，点击两次“Esc”键，按“F2输入/输出”键，出现文件保存画面，将文件命名为“样品名称每个字的前一个字母”＋“月份日期”的形式保存，按回车键。 5、按Esc键及“Y”键，退出数据采集程序界面。 四、关机顺序 1、先关闭电脑； 2、关闭放大器开关； 3、最后关闭稳压电源开关。 编制：审核：批准： 编制时间：实施时间：设备编号：
伽马能谱与相对论验证
伽马能谱与相对论验证 【摘要】 本实验先通过γ能谱对多道分析仪进行定标，再通过测量β-粒子动量的磁谱仪和测量β-粒子动能的能谱仪，记录多道分析仪所在峰值道数和探测器与源之间间距2R ，根据公式p=eBR 得到粒子动量。再根据公式 2042 0220c m c m p c E E E k -+=-=得到粒子动能。画出动量-动能关系图，并与 相对论理论值和经典理论值进行比对，对相对论进行验证。 【关键词】 β-粒子 多道分析仪 磁谱仪 能谱仪 相对论 【引言】 爱因斯坦狭义相对论揭示了高速运动物体的运动规律，创立了全新的时空观，给出了质量对速度的依赖关系，能量与质量的普遍联系等一系列重要结果。本实验的目的是通过同时测量速度接近光速的β-粒子的动量和动能，证明牛顿力学只适合于低速运动物体，当物体的运动接近光速时，必须使用相对论力学，同时学习带电粒子特别是β-粒子与物质的相互作用，学习β磁谱仪和β闪烁仪的测量原理和使用以及其他核物理的实验方法。 【实验原理】 一、γ闪烁能谱 1、γ光子及其与物质的相互作用 通过核衰变或核反应形成的原子核，往往处于不稳定的高激发态。处于高激发态能级上的原子核E2，在不改变原子核组成的情况下，跌回到较 低的激发态E1，原子核发出γ涉嫌或内转换电子。因此γ射线的能量为 E γ=E2-E1。放射性原子核放出的γ射线的能量通常在几千电子伏与几兆电子伏之间。γ射线由不在店的γ光子组成，静止质量为零。γ光子和物质相互作用主要有三种效应：光电效应、康普顿效应、电子对效应。 （1）光电效应 入射的γ光子把全部能量转移给原子中的束缚电子，而把束缚电子打 出来形成光电子，这就是光电效应 K i E E E γ=- (1) γ射线产生光电效应的几率随着物质原子序数的增大而增大，随着γ射线能量 增大而减小 （2）康普顿效应 入射的γ光子与院子的外层电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电 子，使它脱离院子成为反冲粒子，同时γ光子被散射，这种过程称为康普顿散射效应 '1(1cos )E E γ γαθ= +- （2-1）
闪烁谱仪测γ射线能谱(252)
用闪烁谱仪测γ射线能谱4+ PB04210252 刘贤焯 第26组10号 和原子的能级间跃迁产生原子光谱类似，原子核的能级间跃产生γ射线谱。测量γ射线强度按能量的分布即γ射线能谱，简称γ能谱。研究γ能谱可确定原子核激发态的能级，研究核蜕变纲图等，对放射性分析、同位素应用及鉴定核素等方面都有重要的意义。测量γ射线能谱最常用的仪器是闪烁γ能谱仪，该谱仪在核物理、高能粒子物理和空间辐射物理的探测中都占有重要地位，而且用量很大。 本实验的目的是学习用闪烁谱仪测量γ射线能谱的方法，要求掌握闪烁谱仪的工作原理和实验方法，学会谱仪的能量标定方法，并测量γ射线的能谱。 实验原理 根据原子核结构理论，原子核的能量状态是不连续的，存在着分立能级。处在能量较高的激发态能级2E 上的核，当它跃迁到低能级1E 上时，就发射γ射线（即波长约在1nm ~ 0.1nm 间的电磁波）。放出的γ射线的光量子能量12E E hv -=，此处h 为普朗克常数，ν为γ光子的频率。由此看出原子核放出的γ射线的能量反映了核激发态间的能级差。因此测量γ射线的能量就可以了解原子核的能级结构。测量γ射线能谱就是测量核素发射的γ射线强度按能量的分布。 1． 闪烁谱仪测量γ射线能谱的原理 闪烁能谱仪是利用某些荧光物质，在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射荧光（称为闪烁）的现象来测量能谱的。这种荧光物质常称为闪烁体。 （1） 闪烁体的发光机制 闪烁体的种类很多，按其化学性质不同可分为无机晶体闪烁体和有机晶体闪烁体。有机闪烁体包括有机晶体闪烁体、有机液体闪烁体和有机塑料闪烁体等。此处仅对常用的无机晶体闪烁体的发光机
制作简单介绍。 最常用的无机晶体是铊激活的碘化钠单晶闪烁体，常写为NaI (T1)，属离子型晶体，是绝缘体，按固体物理的概念，其能带结构是在价带和导带之间有比较宽的禁带。如有带电粒子进入到闪烁体中，引起后者产生电离或激发过程，即可能有电子从价带激发到导带或激发到激带，然后这些电子再退激到价带的可能过程之一是发射光子。这种光子的能量还会使晶体中其他原子产生激发或电离过程，也就是光子可能被晶体吸收而不能被探测到。为此在晶体中掺入少量的杂质原子称为激活原子，如在碘化钠晶体中掺入铊原子，其关键作用是可以在低于导带和激带的禁带中形成一些杂质能级，见图2.2.1-1示意图。这些杂质原子会捕获一些自由电子或激子到达杂质能级上，然后以发光的形式退激发到价带，这就形成了闪烁过程的发光，而这种光因能量小于禁带宽度而不再被晶体吸收，不再会产生激发或电离。这说明只有加入少量激活杂质的晶体才能成为实用的闪烁体。对于无机晶体NaI (T1)而言，其发射光谱最强的波长是415nm的蓝紫光，其强度反映了进入闪烁体内的带电粒子能量的大小。应选择适当大小的闪烁体，可使这些光子一射出闪烁体就被探测到。（2）γ射线与物质的相互作用 γ射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式： １）光电效应 当能量 E的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某
多道γ能谱分析软件中寻峰算法比较总结
自动寻峰 由于谱结构的复杂和统计涨落的影响，从谱中正确地找到全部存在的峰是比较困难的。尤其是找到位于很高本底上的弱峰，分辨出相互靠得很近的重峰更为困难。 谱分析对寻峰方法的基本要求如下： (1) 比较高的重峰分辨能力。能确定相互距离很近的峰的峰位。 (2) 能识别弱峰，特别是位于高本底上的弱峰。 (3) 假峰出现的几率要小。 (4) 不仅能计算出峰位的整数道址，还能计算出峰位的精确值，某些情况下要求峰位的误差小于0.2道。 很多作者对寻峰方法进行了研究，提出了很多有效的寻峰方法。 目的： 判断有没有峰存在 确定峰位（高斯分布的数学期望），以便把峰位对应的道址，转换成能量 确定峰边界——为计算峰面积服务（峰边界道的确定，直接影响峰面积的计算） 分为两个步骤：谱变换和峰判定 要求：支持手动/自动寻峰，参数输入，同时计算并显示峰半高宽、精确峰位、峰宽等信息，能够区分康普顿边沿和假峰 感兴区内寻峰 人工设置感兴趣大小，然后在感兴区内采用简单方法寻峰 重点研究：对感兴区内的弱峰寻峰、重峰的分解 对于一个单峰区，当峰形在峰位两侧比较对称时，可以由峰的FWHM计算峰区的左、右边界道址。峰区的宽度取为3FWHM，FWHM的值可以根据峰位m p由测量系统的FWHM刻度公式
计算。由于峰形对称，左、右边界道和峰位的距离都是1.5FWHNM 。 )5.0FWHM 5.1(INT p L +-=m m ) 5.0FWHM 5.1(INT p R ++=m m 式中m p 是峰位，INT 的含义是取整数。 对于存在有低能尾部的峰，其峰形函数描述（参见图）。 ] 2/)([H 22p m σ--=m m EXP y ，m ≥mp －J ] 2/)22([HEXP 2p m σ+-=J m m J y ，m ≤mp －J 式中H 为峰高，mp 为峰位，σ是高斯函数的标准偏差，J 为接点的道址和峰位之间的距离。在峰位的左侧，有一个接点，其道址为mp －J 。在接点的右侧，峰函数是高斯函数。在接点的左侧，峰函数用指数曲线来描述。这时峰区的左、右边界道址为 ) 5.05.0/FWHM 12.1(INT 2p L +--=J J m m ) 5.0FWHM 5.1(INT p R ++=m m 带有低能尾部的峰函数的图形 全谱自动寻峰 基于核素库法：能量刻度完成后，根据核素库中的能量计算对应的道址，在各个道址附近（左右10道附近）采用简单的寻峰方法（导数法） 方法： 根据仪器选择开发 IF 函数法/简单比较法(适于寻找强单峰，速度快)
r射线能谱实验报告
实验报告 系 级 姓名 日期 No. 评分： 实验题目：γ能谱及γ射线的吸收 实验目的： 学习闪烁γ谱仪的工作原理和实验方法，研究吸收片对γ射线的吸收规律 实验原理： 1.γ能谱的形状 闪烁γ能谱仪可测得γ能谱的形状，下图所示是典型 Cs 137 的γ射线能谱图。图的纵轴代表单位时间内的脉 冲数目即射线强度，横轴代表脉冲幅度即反映粒子的能量值。 从能谱图上看，有几个较为明显的峰，光电峰e E ，又称全能峰，其能量就对应γ射线的能量γE 。这是由于γ射线进入闪烁体后，由于光电效应产生光电子，能量关系见式（1），如果闪烁体大小合适，光电子停留在其中，可使光电子的全部能量被闪烁体吸收。光电子逸出原子会留下空位，必然有外壳层上的电子跃入填充，同时放出能量i z B E =的X 射线，一般来说，闪烁体对低能Ｘ射线有很强的吸收作用，这样闪烁体就吸收了z e E E +的全 部能量，所以光电峰的能量就代表γ射线的能量，对 Cs 137 ，此能量为0.661Ｍe Ｖ。 C E 即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。 背散射峰b E 是由射线与闪烁体屏蔽层等物质发生反向散射后进入闪烁体内，形成的光电峰，一般峰很小。 2．谱仪的能量刻度和分辨率 （1）谱仪的能量刻度 闪烁谱仪测得的γ射线能谱的形状及其各峰对应的能量值由核素的蜕变纲图所决定，是各核素的特征反映。但测得的光电峰所对应的脉冲幅度（即峰值在横轴上所处的位置）是与工作条件有关系的。如光电倍增管高压改
变、线性放大器放大倍数不同等，都会改变各峰位在横轴上的位置，也即改变了能量轴的刻度。因此，应用γ谱仪测定未知射线能谱时，必须先用已知能量的核素能谱来标定谱仪的能量刻度，即给出每道所对应的能量增值Ｅ。例如选择 Cs 137 的光电峰γE ＝0.661Ｍe Ｖ和Co 60的光电峰MeV E 17.11=γ、MeV E 33.12=γ等能量值，先 分别测量两核素的γ能谱，得到光电峰所对应的多道分析器上的道址（若不用多道分析器，可给出各峰位所为应的单道分析器上的阈值）。可以认为能量与峰值脉冲的幅度是线性的，因此根据已知能量值，就可以计算出多道分析器的能量刻度值Ｅ。如果对应MeV E 661.01=的光电峰位于Ａ道，对应MeV E 17.12=的光电峰位于Ｂ 道，则有能量刻度 MeV A B e --= 661 .017.1 （1） 测得未知光电峰对应的道址再乘以e 值即为其能量值。 （2）谱仪分辨率 γ能谱仪的一个重要指标是能量分辨率。由于闪烁谱仪测量粒子能量过程中，伴随着一系列统计涨落因素，如γ光子进入闪烁体内损失能量、产生荧光光子、荧光光子进入光电倍增管后，在阴极上打出光电子、光电子在倍增极上逐级打出光电子而使数目倍增，最后在阳极上形成电流脉冲等，脉冲的高度是服从统计规律而有一定分布的。光电峰的宽窄反映着谱仪对能量分辨的能力。如图2.2.1-7中所示的光电峰的描绘，定义谱仪能量分辨率η为 %100??=?= V V E E 光电峰脉冲幅度半高度η （2） η表示闪烁谱仪在测量能量时能够分辨两条靠近的谱线的本领。目前一般的闪烁谱仪分辨率在10%左右。对η的影响因素很多，如闪烁体、光电倍增管等等。 (3)物质对γ射线的吸收 当γ射线穿过物质时，一旦与物质中的原子发生三种相互作用，原来的光子就消失或通过散射改变入射方向。通常把通过物质且未经相互作用的光子所组成的射线称为窄束γ射线（或良好几何条件下的射线束）。实验表明，单能窄束γ射线的衰减遵循指数规律： （8）
闪烁谱仪测γ射线能谱(牛雷)
实验题目: 用闪烁谱仪测γ射线能谱 4+ 实验目的: 本实验的目的是学习用闪烁谱仪测量 γ射线能谱的方法，要求掌握闪烁谱仪 的工作原理和实验方法，学会谱仪的能量标定方法，并测量γ射线的能谱。 实验原理: 根据原子核结构理论，原子核的能量状态是不连续的，存在着分立能级。处 在能量较高的激发态能级2E 上的核，当它跃迁到低能级1E 上时，就发射γ射线（即波长约在1nm ~ 0.1nm 间的电磁波）。放出的γ射线的光量子能量 12E E hv -=，此处h 为普朗克常数，ν为γ光子的频率。由此看出原子核放 出的γ射线的能量反映了核激发态间的能级差。因此测量γ射线的能量就可以了解原子核的能级结构。测量γ射线能谱就是测量核素发射的γ射线强度按能量的分布。 闪烁能谱仪是利用某些荧光物质，在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射 荧光（称为闪烁）的现象来测量能谱的。这种荧光物质常称为闪烁体。 闪烁γ能谱仪可测得γ能谱的形状，图2.2.1-6所示是典型 Cs 137 的γ射线能谱 图。图的纵轴代表单位时间内的脉冲数目即射线强度，横轴代表脉冲幅度即反映粒子的能量值。 从能谱图上看，有几个较为明显的峰，光电峰e E ，又称全能峰，其能量就对
应γ射线的能量γE 。这是由于γ射线进入闪烁体后，由于光电效应产生光电子，能量关系见式（1），如果闪烁体大小合适，光电子停留在其中，可使光电子的全部能量被闪烁体吸收。光电子逸出原子会留下空位，必然有外壳层上的电子跃入填充，同时放出能量i z B E =的X 射线，一般来说，闪烁体对低能Ｘ射线有很强的吸收作用，这样闪烁体就吸收了z e E E +的全部能量，所以光电峰的能量就代表γ射线的能量，对 Cs 137 ，此能量为0.661Ｍe Ｖ。C E 即为康普 顿边界，对应反冲电子的最大能量。 数据处理: 1)测量Cs 137的γ能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间的关系 Y A x i s T i t l e X Axis Title X:放大倍数 Y:道址 由图知 Cs 137 的γ能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间有线性关系,斜率为9.77333 2) 测量 Cs 137 和Co 60放射源的γ射线能谱，用已知的光电峰能量值来标定谱仪的 能量刻度，然后计算未知光电峰的能量值。
低本底多道γ能谱仪操作规程
PGS-6000低本底多道γ能谱仪操作规程 一、制样 制样按照GB6566-2010进行抽样、制样，最终测试时样品细度需 ≤0.16mm。抽样的目的是使样品的物理特性与标准物质的物理特性基本一致，以保证相对测量结果据有可比较性，因此，制样过程对测量结果影响甚大，应严格按照标准的方法及质量要求进行。 二、预热 指让仪器运行30分钟，但此时不论测量或其他行为均不能作为报告结论引入，需废弃。其目的是让仪器更好的运行在稳定状态。 三、样品测量 1、将仪器进行预热操作； 2、放样：将样品放置与探测器上面，要求样品与探测器在同心圆上； 3、点击桌面上“∑Y”图标，进入分析程序后，使用“文件”→“新建测试”正确设定控制方法及控制量，一般测定样品选择1024道，点击“OK”生成一个空白测试文档，点击文档右上角图标““全屏显示空白测试文档。 4、使用“编辑”→“样品信息”设定样品信息。 5、确认设备连接运行正常，点击“取谱”→“开始”或点击工具栏上方的“开始”图标，开始测量。 6、测量结束后，点击“取谱”→“暂停”，或点击工具栏上方的“暂停”图标，保存能谱操作数据，设定分析敏感区域、使用“工具”→“样品分析”，或点击工具栏上方的“M+”设定分析敏感区域，再点击工具栏上方的“soil”进行样品分析。 7、使用“工具”→“拟合显示”确认分析结果。 8、预览并打印报告。 四、仪器的最佳使用条件 本仪器禁止在0℃以下，50℃以上工作。建议用户在23±2℃，湿度50%±10%，温度波动2℃的环境下使用。这也是仪器出厂刻度时的测试环境。如果用户在室温下使用，则需在室温下进行刻度，即保证测试时的环境条件和刻度时的环境条件相一致。
HD-2001使用说明书
一、简介 HD-2001型低本底多道γ能谱仪符合国标GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》、国标GB50325-2001《民用建筑工程室内环境污染控制规范》和行标《放射性矿产地质分析测试实验室质量保证规范》的要求。HD-2001型低本底多道γ能谱仪（以下简称γ能谱仪）是国内目前最新一代微机多道谱仪系统，技术独有，国内领先。 本仪器采用核工业北京地质研究院具有自主知识产权的新一代数字化全波高速采集系统，最大数据通过率达700Kcps，避免了以往环境γ谱仪在测量中、高含量样品时对采集信号的漏记，不需死时间修正即可实现了仪器量程的宽范围。仪器的软件包括测量部分和分析部分，其特点在于采用全波采集、全谱测量，全谱参加计算机数据处理，这是目前国内外低本底碘化钠多道γ能谱仪中最先进的谱数据处理技术。仪器采用中英文界面进行人机对话，操作方便，测量数据准确可靠。 仪器的主要用途及特点： 1、常规测量：检测粉末样品中天然放射性核素铀（238U）、镭（226Ra）、钍（232Th）、钾（40K）的比活度和含量。 2、无损检测：检测石材样品中天然放射性核素镭（226Ra）、钍（232Th）、钾（40K）的比活度，同时给出被测样品的内、外照射指数I Ra、Ir。能充分发挥核辐射测量的优势——非破坏性、快速、方便和成本低等优点的现场无损检测。 3、室内环境氡浓度检测：采用活性炭盒自然吸附法测量室内空气中的氡浓度。 4、活性炭盒法测量土壤中气体的氡浓度：采用活性炭盒主动吸附取样分析法测量土壤中气体的氡浓度。 此外还可以广泛用于核物理、核化学、冶金、地质、海洋、石油、医疗卫生、环保、天文学、考古学、土壤学、生物学等领域。 二、系统功能及主要技术指标 1、ADC（模数转换器） （1）道数： 4096、2048、1024、512 道，本系统固定采用2048道； （2）积分非线性：±0.1%；
伽马γ能谱测量分析近代物理实验报告
γ能谱的测量 中山大学 2013级材料物理 供参（吓）考（你），此报告真心累
数据处理 注：本实验所有数据来自文件“蝙蝠侠” 一、改变高压，保持其他条件不变（通道数1024）观察137Cs能谱变化 图1 改变高压，137Cs能谱变化曲线图 分析： 1.137Cs的γ能谱应该呈现三个峰和一个平台的连续分布，从通道低到高依次为X射 线峰、反散射峰、康普顿效应贡献的平台以及反映γ能量的全能峰。高压越大，统计越明显。 2.随着高压增大，全能峰向右移动，并且高度下降、宽度增大。因为闪烁谱仪能量 分辨率不变，高压增大，道址增大，?V V又不变，则?V大，故宽度变大，高道址的粒子数减少，高度下降。 二、改变通道数，保持其他条件不变（高压500V）观察137Cs能谱变化 分析：（见图2） 1.由于通道数1500后粒子数很少，能谱曲线趋于横轴，故横坐标只取到1500， 方便观察。 2.道数越小，全能峰对应的道址越小，全能峰也越高、越瘦。因为道数越小，则 每个道址包含的能量间隔越大，统计的粒子个数就越多，从而使全能峰越高。
三、60Co的γ能谱曲线图（500V，通道数2014） 图3 60Co的γ能谱曲线图
分析： 1.因为全能峰可以表示γ射线的能量，60Co两个峰对应的射线能量在图中标出，分别为 1173keV、1333keV。 2.为探究能谱仪的效率曲线，需要知道每个核素测量所得能谱图的全能峰面积。 计算方法如下： 全能峰面积即图中峰与底部线段所围成的面积，可用能谱曲线下的面积减去线段两端与横轴所围成的梯形面积，而能谱曲线下的面积可用线段之间所有道址对应的粒子数的加和来表示。加和结果通过matlab进行求和而得。虽然计算方式较为粗糙，但基本符合。 对于左侧全能峰：S(E)1=7287-(27+60)*(626-551)/2=3981 对于右侧全能峰：S(E)2=5824-(27+13)*(726-626)/2=3824 四、137Cs的γ能谱曲线图（500V，通道数2014） 图4 137Cs的γ能谱曲线图 分析： 1.全能峰面积为：S(E)=9916-(13+2)*90/2=9241 2.137Cs的γ能谱呈现三个峰和一个平台的连续分布，A为全能峰，这一幅度的脉冲是
NaI(T1)闪烁谱仪测定γ射线的能谱
NaI （T1）闪烁谱仪测定γ射线的能谱 09904047 周宁 [实验装置] NaI （T1）闪烁谱仪（FH1901型）一套，脉冲示波器（SBT-5型）一台，Cs 137 γ源 和Co 60 γ源各一个。 [实验原理] 一、γ射线与物质的相互作用 1．光电效应 入射γ粒子把能量全部转移给原子中的束缚电子，而把束缚电子打 出来形成光电子。由于束缚电子的电离能i E 一般小于γ射线的能量γE 。所以： γγE E E E i ≈-=光电 光电效应的截面光电σ随入射γ射线能量的增加而减小。 2．康普顿散射 核外自由电子与入射γ射线发生康普顿散射。根据动量守恒的要 求，散射和入射只能发生在一个平面内。反冲康普顿电子的动能e E 为： 'hv hv E e -= 康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为： )cos 1(1'θα-+= hv hv 其中2 0c m hv =α 康普顿电子的能量在0至α α 212+hv 之间变化。 3．正、负电子对的产生 当γ射线能量超过2 02c m （1.022MeV ）以后，γ光子受 原子核或电子的库仑场的作用可能转化成正、负电子对。入射γ射线的能量越大，产生正、负电子对的截面也越大。在物质中正电子的寿命是很短的，当它在物质中消耗尽自己的动能时，便同物质原子中的轨道电子发生湮没反应而变成一对能量各为0.511MeV 的γ光子。 二、仪器结构与工作原理
1 反射层 2 闪烁体 3 硅油4光电倍增管 5 射极跟随器 6 高压电源 7 线性放大器 8 单道分析器 9 定标器10 示波器 带电粒子通过闪烁体时，将引起大量的分子或原子的激发和电离，这些受激的分子或原子由激发台回到基态时就放出光子；不带电的γ射线先在闪烁体内产生光电子、康普顿电子及正、负电子对，然后这些电子使闪烁体内的分子或原子激发和电离而发光。中子的探测，则是利用中子引起的核反应所产生的带电粒子，或中子与核碰撞时产生的反冲核，这些带电粒子和反冲核在闪烁体内引起发光。光阴极上打出的电子在光电倍增管中倍增出大量电子，最后为阳极所接收形成电压脉冲。每产生一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。由于电压脉冲幅度的大小与粒子在闪烁体内消耗掉的能量及产生的光强成正比，所以根据脉冲幅度可以确定入射粒子的能量。利用脉冲幅度分析器和定标器可以测定入射射线的能谱。 三、仪器性能 1.闪烁体 a.对入射粒子的阻止本领10% b.光能输出额 c.发光的衰减时间 d.响应匹配 2.光电倍增管 a.光阴极的光谱响应 b.阳极灵敏度 c.暗电流与本底脉冲 d.光电倍增管的时间特性 3.能量分辨率 4.时间分辨本领 137单能γ射线的响应 四、闪烁探测器对Cs 137的γ谱的全能峰是比较典型和突出的，因此通常用它作为标准源，一方面Cs 用来检验γ谱仪的能量分辨率，另一方面作为粒子能量测量的相对标准。 五、NaI（T1）闪烁谱仪的能量线性关系及其检验 对于理想的闪烁谱仪，脉冲幅度与能量之间应当呈线性关系。对于实际的NaI（T1）闪烁谱仪，γ射线能量在100keV到1.3MeV区域内是近似线性的，只是在γ射线
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
NaITl)闪烁谱仪系列实验
NaI（Tl）闪烁谱仪系列实验 实验原理 1. γ射线与物质的相互作用 γ射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程。 （１）光电效应。入射γ粒子把能量全部转移给原子中的束缚电子，而把束缚电子打出来形成光电子。由于束缚电子的电离能Ｅ1一般远小于入射γ射线能量Ｅγ，所以光电子的动能近似等于入射γ射线的能量 Ｅ光电＝Ｅγ－Ｅ1≈Ｅγ （２）康普顿散射。核外电子与入射γ射线发生康普 顿散射的示意图见图1.2-1。设入射γ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Ｅe Ｅe＝ｈ－ｈ 康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为 （1.2-1） 式中，即为入射γ射线能量与电子静止质量所对应的能量之比。由式（1.2-1），当 θ＝０时ｈ＝ｈ，这时E e＝０，即不发生散射；当θ＝１８０°时，散射光子能量最小，它等于ｈ／（１＋２α），这时康普顿电子的能量最大，为 （1.2-2） 所以康普顿电子能量在０至之间变化。 （３）正、负电子对产生。当γ射线能量超过２ｍ0ｃ2（1.022ＭｅＶ）时，γ光子受原子核或电子的库仓场的作用可能转化成正、负电子对。入射γ射线的能量越大，产生正、负电子对的几率也越大。在物质中正电子的寿命是很短的，当它在物质中消耗尽自己的动能，便同物质原子中的轨道电子发生湮没反应而变成一对能量各为0.511ＭｅＶ的γ光子。 2. 闪烁谱仪结构与工作原理 ＮａＩ（Ｔｌ）闪烁谱仪结构如图1.2-2。整个仪器由探头（包括闪烁体、光电倍增管、射极跟随器），高压电源，线性放大器、多道脉冲幅度分析器几部分组成。射线通过闪烁体时，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比。带电粒子（如α、β粒子）通过闪烁体时，将引起大量的分子或原子的激发和电离，这些受激的分子或原子由激发态回到
γ能谱实验1
近代物理仿真实验 —γ能谱实验
γ能谱实验 和原子的能级间跃迁产生原子光谱类似，原子核的能级间产生γ射线谱。测量γ射线强度按能量的分布即γ射线谱，简称γ能谱，研究γ能谱可确定原子核激发态的能级，研究核蜕变纲图等，对放射性分析，同位素应用及鉴定核素等方面都有重要的意义。在科研、生产、医疗和环境保护各方面，用γ射线的能谱测量技术，可以分析活化以后的物质各种微量元素的含量。测量γ射线的能谱最常用的仪器是闪烁谱仪，该谱仪在核物理、高能离子物理和空间辐射物理的控测中都占有重要地位，而且用量很大。 本实验的目的是学习用闪烁谱仪测量γ射线能谱的方法，要求掌握闪烁谱仪的工作原理和实验方法，学会谱仪的能量标定方法，并测量γ射线的能谱。 一实验目的 （1）学习用闪烁谱仪测量γ射线能谱的方法 （2）要求掌握闪烁谱仪的工作原理和实验方法， （3）学会谱仪的能量标定方法，并测量γ射线的能谱 二实验原理 根据原子核结构理论，原子核的能量状态时不连续的，存在分立能级。处在 能量较高的激发态能级E 2上的核，当它跃迁到低能级E 1 上时，就发射γ射线（即 波长约在1nm-0.1nm间的电磁波）。放出的γ射线的光量子能量hγ= E 2 - E 1 ， 此处h为普朗克常熟，γ为γ光子的频率。由此看出原子核放出的γ射线的能量反映了核激发态间的能级差。因此测量γ射线的能量就可以了解原子核的能级结构。测量γ射线能谱就是测量核素发射的γ射线按能量的分布。
闪烁谱仪是利用某些荧光物质，在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射荧光（称为闪烁）的现象来测量能谱。这种荧光物质常称为闪烁体 1. 闪烁体的发光机制 闪烁体的种类很多，按其化学性质不同可分为无机晶体闪烁体和有机闪烁体。有机闪烁体包括有机晶体闪烁体，有机液体闪烁体和有机塑料闪烁体等。对于无机晶体NaI(Tl)而言，其发射光谱最强的波长是415nm的蓝紫光，其强度反映了进入闪烁体内的带电粒子能量的大小。应选择适当大小的闪烁体，可使这些光子一射出闪烁体就被探测到。 2. γ射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式： 1）光电效应 当能量为Eγ的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以 把全部能连转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失，发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应。发射出光电子的动能 E e=E r?B i B i为束缚电子所在可层的结合能。原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X射线。例如L层电子跃迁到 K层，放出该原子的K系特征X射线。 2）康普顿效应 γ光子与自由静止的电子发生碰撞，而将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，γ光子被散射改变了原来的能量和方向，计算给出反冲电子的动能为