NaI(Tl)单晶闪烁谱仪
实验一 NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪
一．实验目的
1.了解闪烁探测器的结构、原理。
2.掌握NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的几个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。
二．实验内容
1.学会NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用，调试一台谱仪至正常工作状
态。
2.测量137Cs、60Co的γ能谱，求出能量分辨率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形。
3.了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶γ谱测量中的数据采集及其基本功能。
4.数据处理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等）。
三．原理
1NaI(Tl)闪烁探测器
①概述
核辐射与某些物质相互作用会使其电离、激发而发射荧光，闪烁探测器就是利用这一特性来工作的。下图是闪烁探测器组成的示意图。
首先简要介绍一下闪烁探测器的基本组成部分和工作过程。
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。上图中探测器最前端是一个对射线灵敏并能产生闪烁光的闪烁体，当射线(如γ、 )进入闪烁体时，在某一地点产生次级电子，它使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子(一般光谱范围从可见光到紫外光，并且光子向四面八方发射出去)。在闪烁体周围包以反射物质，使光子集中向光电倍增管方向射出去。光电倍增管是一个电真空器件，由光阴极、若干个打拿极和阳极组成；通过高压电源和分压电阻使阳极、各打拿极和阴极间建立从高到低的电位分布。当闪烁光子入射到光阴极上，由于光电效应就会产生光电子，这些光电子受极间电场加速和聚焦，在各级打拿极上发生倍增(一个光电子最终可产生104~109个电子)，最后被阳极收集。大量电子会在阳极负载上建立起电信号，通常为电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗匹配作
用的射极跟随器，由电缆将信号传输到电子学仪器中去。
实用时常将闪烁体、光电倍增管、分压器及射极跟随器安装在一个暗盒中，统称探头；探头中有时在光电倍增管周围包以起磁屏蔽作用的屏蔽筒(如本实验装置)，以减弱环境中磁场的影响；电子仪器的组成单元则根据闪烁探测器的用途而异，常用的有高、低压电源，线性放大器，单道或多道脉冲分析器等。
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) 利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，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) 此信号由电子仪器记录和分析。
②NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的主要指标：
1) 能量分辨率：
由于单能带电粒子在闪烁体内损失能量引起的闪烁发光所放出的荧光光子数有统计涨落；一定数量的荧光光子打在光电倍增管光阴极上产生的光电子数目有统计涨落。这就使同一能量的粒子产生的脉冲幅度不是同一大小而近似为高斯分布。能量分辨率的定义是：
%100?E ?E =η （1—1）
由于脉冲幅度与能量有线性关系,并且脉冲幅度与多道道数成正比，故又可以写为
%100??=CH CH η （1—2）
ΔCH 为记数率极大值一半处的宽度（或称半宽度），记作FWHM （Full Width at half maximum ）。CH 为记数率极大处的脉冲幅度。
显然谱仪能量分辨率的数值越小，仪器分辨不同的能量的本领就越高。而且可以证明能量分辨率和入射粒子能量有关。
%
1001
?E =η （1—3）
通常NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的能量分辨率以137C S 的0.661MeV 单能Υ射线为标准，它的值一般是10%左右，最好可达6~7%。
2）线性
能量的线性就是指输出的脉冲幅度与带电粒子的能量是否有线性关系，以及线性范围的大小。
NaI(Tl)单晶的荧光输出在150KeV 3）谱仪的稳定性： 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。如果谱仪不稳定则会使光电峰的位置变化或峰形畸变。在测量过程中经常要对137C s的峰位，以验证测量数据的可靠性。为避免电子仪器随温度变化的影响，在测量前仪器必须预热半小时。 2．单道脉冲幅度分析器和多道脉冲幅度分析器的工作原理 单道脉冲幅度分析器（简称“单道”）是分析射线能谱的一种仪器。 所谓射线的能谱，是指各种不同能量粒子的相对强度分布；把它画到以能量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。根据这条曲线，我们可以清楚地看到此种射线中各种能量的粒子所占的百分比。这一任务可以用单道或多道脉冲幅度分析器来完成。 那么，单道是如何测出能谱的？ 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。因此只要测到不同幅度的脉冲数目，也就得到了不同能量的粒子数目。由于γ射线与物质相互作用机制的差异，从探测器出来的脉冲幅度有大有小，单道就起到从中“数出”某一幅度脉冲数目的作用。 单道里有一个甄别电压V0（此电压可以连续调节），称为阈值，它就象一道屏障一样，将所有低于V0的信号都挡住了，只有大于V0的信号才能通过。但这样只解决了一半问题， 因为在通过的信号中实验者只知道它们都比V 0高，具体的幅度还是不能确定。因此在单道中还有一个窗宽?V ，使幅度大于V 0+?V 的脉冲亦被挡住，只让幅度为V V V ?+00~的信号通过（有的单道是2/~2/00V V V V ?+?-）；当我们把?V 取得很小时，所通过的脉冲数目就可以看成是幅度为V 0的脉冲数目。 简单地说，单道脉冲分析器的功能是把线性脉冲放大器的输出脉冲按高度分类：若线性脉冲放大器的输出是0~10V ，如果把它按脉冲高度分成500级，或称为500道，则每道宽度为0.02V ，也就是输出脉冲的高度按0.02V 的级差来分类。在实际测量能谱时，我们保持道宽?V 不变（道宽的选择必须恰当，过大会使谱畸变，分辨率变坏，能谱曲线上实验点过少；道宽过小则使每道的计数减小，统计涨落增大，或者使测量时间相应增加），逐点增加V 0，这样就可以测出整个谱形。 上面所描述的情况可以称之为单道工作在微分状态下；当单道工作在积分状态下时，只要脉冲高度大于阈值电压单道就输出一个脉冲，即记录大于某一高度的所有脉冲数目。 单道是逐点改变甄别电压进行计数，测量不太方便而且费时，因而在本实验装置中采用了多道脉冲分析器。多道脉冲分析器的作用相当于数百个单道分析器与定标器，它主要由0~10V 的A/D 转换器和存储器组成，脉冲经过A/D 转换器后即按高度大小转换成与脉高成正比的数字输出，因此可以同时对不同幅度的脉冲进行计数，一次测量可得到整个能谱曲线，既可靠方便又省时。 3．γ全能谱图分析 当核辐射的能量全部耗尽在闪烁体内时，探测器输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比，因此可以根据对脉冲幅度谱的分析来测定核粒子的能谱。NaI(Tl)单晶γ谱仪既能对辐射强度进行测量，又可作辐射能量分析，同时具有对γ射线探测效率高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。在工业、医学的应用领域及核物理实验中，NaI(Tl)单晶γ能谱仪有相当广泛的用途。 NaI(Tl)单晶γ能谱仪由以下单元组成：闪烁探头(包括NaI(Tl)晶体和光电倍增管)，高压电源，线性放大器，脉冲幅度分析器(分为单道分析器和多道分析器)。 ①响应问题 下面介绍NaI(Tl)闪烁γ射线能谱仪对137Cs 的单能γ射线(E γ=0.661MeV)的响应问题，即对测得的脉冲幅度谱的形状进行分析。 γ射线与物质相互作用时可能产生三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应，这三种效应产生的次级电子在NaI(Tl)晶体中产生闪烁发光；如下图所示。 表1列出了这些相互作用的基本过程。 光电效应 康普顿效应 电子对效应 表1 γ射线在NaI(Tl)闪烁体中相互作用的基本过程 由于单能γ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γ射线，闪烁探头输出的脉冲幅度谱也是连续的。 γ射线与闪烁体发生光电效应时，γ射线产生的光电子动能为： i e B E E -=γ （1—4） 其中B I 为K 、L 、M 等壳层中电子的结合能。在γ射线能区，光电效应主要发生在K 壳层，此时K 壳层留下的空穴将为外层电子所填补，跃迁时将放出X 光子，其能量为E x 。这种X 光子在闪烁晶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。上述两个过程几乎是同时发生的，因此闪烁体得到的能量将是两次光电效应产生的光电子能量和： γγE E B E E x i =+-=)( （1—5） 所以，由光电效应形成的脉冲幅度就直接代表了γ射线的能量。 在康普顿效应中，γ光子把部分能量传递给次级电子，自身则被散射。反冲电子(次级电子)动能为： )cos 1(211θγγ -+≈E E E e （1—6） 散射光子能量可近似写成： )cos 1(21θγγ γ-+≈'E E E （1—7） 式（1—6）、（1—7）中θ为散射γ与入射γ射线的夹角（散射角）。 当θ=180?时，即光子向后散射，称为反散射光子；此时 γγE E E e 411m a x +≈ （1—8）； γγγθE E E 41)180(+≈=' （1—9） ②NaI(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射线能量分辨率为7.5%。 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)4/11/(γγE E +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(3—6)算出反散射峰能量为 M eV E E E 184.0)662.041/(662.0)41/()180(=?+=+≈='γγγθ 。 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。 四．实验装置 实验器材包括：①γ放射源137Cs 和60Co(强度≈1.5微居里)；②200μmAl 窗NaI(Tl)闪烁探头；③高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器。 五．实验步骤 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、感兴趣区处理等工作并求出各光电峰的能量分辨率。 6. 根据实验测的相对于0.661MeV 、1.17MeV 、1.33MeV 的光电峰位置，作E —CH 能量定标 曲线（0.184MeV 的137Cs 反散射峰也可记录在内）。 7. 对上一步骤所得结果进行最小二乘拟合，求出回归系数，并判断闪烁探测器的线性。 8. 定标曲线的应用：测量137Cs 谱形，积累一定计数（0.661MeV 峰顶计数达到3000以上）后 寻找反散射峰和康普顿峰，分别记下道数，并找出康普顿峰计数一半处的道位（对应θ=1800的compton 反散射能量），利用上一步得到的能量定标曲线求出反散射光子的能量和反冲电子能量并与理论值相比较，计算百分误差，可以用公式（1—6）、（1—9）计算理论值。 9. 选取137Cs 的0.661MeV 光电峰的一段谱形，试根据光滑化和寻峰的基本原理编制程序进行 数据处理，对该段谱形光滑若干次后计算峰位。（选做） 六．数据处理 1. 求定标曲线方程E a b CH =+? 根据最小二乘原理用线性拟合的方法可以得出： ])([12∑∑∑∑??-??=i i i i i i i i i E CH CH E CH a ])([1∑∑∑?-??=i i i i i i i E CH E CH n b ?=-∑∑n CH CH i i i i 22 () 详细的推导过程见后面的附录。 2. 可以采用二次五点法的光滑公式对谱形进行光滑处理，采用逐道比较法求峰位，详细的 推导过程亦见后面的附录。 七．思考题 1 简单描述NaI(Tl)闪烁探测器的工作原理。 2 反散射峰是如何形成的？ 3 若只有137Cs 源，能否对闪烁探测器进行大致的能量刻度？ 4 Na(Tl)单晶γ闪烁谱仪的能量分辨率定义是什么？如何测量？能量分辨率与哪些量有 关？能量分辨率的好坏有何意义？ 5 为什么要测量Na(Tl)单晶γ闪烁谱仪的线性？谱仪线性主要与哪些量有关？线性指标有 何意义？ 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。 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） 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 （ 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 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 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 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 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） 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。 伽马能谱实验报告 篇一：闪烁伽马能谱测量实验报告 实验题目：《闪烁γ能谱测量》 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谱仪的刻度曲线.。 二、实验仪器 Cs放射源 Co放射源 FH1901型NaI闪烁谱仪 SR-28双踪示波器 三、实验原理 1. γ射线与物质相互作用 γ射线与物质相互作用主要有光电效应、康普顿散射及电子对效应。 1）光电效应：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，释放出来的光电子能量和 该束缚电子所处的电子壳层的结合能B?之差。因此， E光电子=E??Bi?E? （需要原子核参加） 2）康普顿散射：康普顿散射是γ光子与原子外层电子相互作用的结果。反冲电子的动能 为： Ee? E?2(1?cos?)m0c2?E?(1?cos?) 即使入射γ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。 3）电子对效应：电子对效应是γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库伦场作用下，γ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，只有当入射光子的能量 hν大于2m0c2 ，即 hν〉1.02MeV时，才能发生电子对效应。（与光电效应相似，需要 原子核参加） 2． NaI（Tl）γ能谱仪介绍 1）闪烁谱仪装置示意图2）闪烁谱仪的工作原理 Γ射线次级电子荧光Γ放射源 与闪烁体发闪烁体受光阴极吸收 生三种作用激辐射 光电子 电脉冲定标器记录分析器分析各打拿极逐级放大3)能谱分析（以137Cs为例） 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 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 数字化多道伽马能谱仪 技术要求 一、设备名称：数字化多道伽马能谱仪，数量：1套 二、交货期：合同生效后1个月内 交货地点：北京1套 三、主要用途： 应用领域：放射性矿产勘查、地质找矿、工程地质及水文地质研究、评估、放射性地质调查；辐射环境评价及核应急中放射性监测；建材、装饰材料、岩矿、岩芯样品中放射性元素含量的定量分析。 使用专业方向：野外地质勘察、室内样品分析； 解决的问题：大幅提高地质勘查工作的管理水平，提高勘查密度，每天可勘查测试数百个勘查点，现场决策，一般测试时间为50to200s；可现场检测U、Th、K等放射性元素含量及辐射总量。 四、技术指标： 1、仪器配置： 1.1主机； 1.2主机充电器； 1.3智能手机 1.4伽马能谱仪控制分析软件 1.5 智能手机充电器； 1.6 数据线； 1.7 防震手提箱； 2、主要技术参数： 2.1探测器:φ75×75㎜3 NaI(Tl)+PMT； 2.2测量范围：30～3000 keV全谱+总道； 2.3脉冲处理器：数字化多道分析器(可选1024/512/256道模式)； 2.4系统分辨率：FWHM≤8.0％@662keV； 2.5非线性：积分≤0.05%；微分＜0.1%； 2.6极限敏度(最低检出限)： U：0.2ppm (或226Ra：0.2Bq/kg)； Th：0.5ppm (或232Th：0.2Bq/kg)； K：0.2% (或40K：0.5Bq/kg)； 2.6系统稳定性：谱漂<0.1%/八小时； 2.7无放射源：仪器自动稳谱，无需放射源稳谱，避免放射性污染 2.8功耗：≤1.9W(电池连续供电≥15h)； 2.9体积：φ10×50㎝3 3.0量:3.5 kg； 3.1 使用环境：-10～+50℃(≤95％RH)。 五、配置要求： 1.1主机； 1.2主机充电器； 1.3智能手机 1.4伽马能谱仪控制分析软件 1.5 智能手机充电器； 1.6 数据线； 1.7 U盘（附仪器资料）； 1.8 说明书； 1.9 防震手提箱； 六、服务要求 1、拟提供售后服务的项目； 1.1 整机保修，免费保修年限：1年； 1.2 软件终身免费维护、升级。 3、售后服务响应及到达现场的时间； 卖方承诺在买方电话报修后，3小时内给出电话服务支持或技术响应，48小时内免费上门维修。维修人员须由合同签署公司提供或选派，维修人员必须有此类设备丰富的维修经验，并具备从业资格。 4、维修技术人员及设备方面的保证措施及收费标准； 售后服务由卖方负责，并通过公司及技术服务中心在保修期内执行免费保修。 新机器的开机调试及人员培训由卖方负责，其中培训目标为：使用户指定受训人员能独立操作此仪器。 卖方提供免费的技术咨询、技术培训以及软件升级服务。 用户拥有该软件的使用及升级的权利。 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 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 低本底多道伽马能谱仪，伽马能谱，能谱分析仪仪器基本原理： 2.1理论依据 伽玛能谱测量能定量测定岩石（矿物、建材）中铀、钍、钾的含量是基于这三种核素的原始γ谱的差异性。γ仪器的高能区（大于500KeV）能够明显区分原始γ射线主要特征峰（全能峰）。不同的放射性核素衰变产生的Y射线有不同的特征能量，如钾为1.461MeV,钍为2.614MeV,镭为1.764MeV。因此可以利用铀（镭）、钍、钾的Y射线强度，通过计算出铀、钍、钾的含量。 2.2采用Nal（T1）+光电倍增管组合探测器实现的γ射线能谱测量 由Nal（T1）+光电倍增管组合的闪烁探测器具有分辨时间短，对γ射线的探测效率和能测射线的能量等优点，是目前应用最广泛的探测器。闪烁探测器是利用γ射线和Nal（T1）作用时产生荧光效应的原理来探测γ射线的。Nal （T1）晶体是一种发光效率很高的闪烁体其发光强度与光子的能量在很大范围内呈很好的线性关系。因此，根据光高或根据光电倍增管输出的电压脉冲幅度和脉冲数目，可以确定γ射线的能量和γ射线的强度。 低本底多道伽马能谱仪，伽马能谱，能谱分析仪Nal（T1）实现了γ射线到高效能光子的转换过程，要实现光子的探测，特别是微光的探测，比较理想的探测器是光电倍增管，由光电倍增管实现光子到脉冲电信号的转换。然后再由特殊的核电子学线路将脉冲电信号放大、成型、脉冲幅度分析、最后形成射线的谱线（按不同的能量分布记录射线的强度，横坐标为能量，纵坐标为射线的强度）。 由于采用Nal（T1）+光电倍增管组合探测器实现的γ射线能谱仪价格性价比高、操作维护比较简单、探测效率高（测量时间短），能够满足一般的测量要求，已经广泛应用于工业生产、质量检查、地质填图、矿产勘探、水文地质和工程地质、建筑材料和环境监测等工作中。 实验3 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。 实验内容 1. 调整谱仪参数，选择并固定最佳工作条件。 2. 测量137Cs、65Zn、60Co等标准源的γ能谱，确定谱仪的能量分辨率、刻度能量线性 并对137Cs γ能谱进行谱型分析。 3. 测量未知γ源的能谱，并确定各条γ射线的能量。 原理 NaI(Tl)闪烁谱仪由NaI(Tl)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。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计数管高几十倍）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。下图为NaI（Tl）闪烁谱仪装置的示意图。 当γ射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程，即光电效应、康普顿散射和电子对效应。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的阳极上收集起来，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。 根据γ射线在NaI（Tl）闪烁体中总吸收系数随γ射线能量变化的规律，γ射线能量 Eγ<0.3MeV时，光电效应占优势，随着γ 射线能量升高，康普顿散射几率增加；在 Eγ>1.02MeV以后，则有出现电子对效应 的可能性，并随着γ射线能量继续增加而 变得更加显著。图2为示波器荧光屏上观 察到的137Cs 0.662MeV单能γ射线的脉冲 波形和谱仪测得的能谱图。（a）为示波器 荧光屏上观察到的波形，（b）为谱仪测量 137Cs γ能谱。 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光子很快的再次光电吸收，将其能 量转移给光电子。上述两个过程是几乎同 时发生的，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Eγ 减去该层电子结合能）。谱峰称为全能峰。 一台闪烁谱仪的基本性能由能量分辨 率、线性及稳定性来衡量。探测器输出脉 冲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，也仍然具有 一定的分布，如图3所示。通常把分布曲 线极大值一半处的全宽度称半宽度 图2 FWHM, 有时也用ΔΕ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： 高纯锗能谱仪认识实验报告 一、实验目的 1、了解半导体γ谱仪及相应数据采集软件的一般操作使用方法； 2、了解天然放射性核素铀、镭、钍、钾和人工放射性核素137Cs、60Co等的特征γ射线谱； 3、了解能量刻度方法； 4、理解低本底相对法γ谱定量分析原理。 二、实验内容 认识137Cs单能源的仪器谱（复杂谱） 学习用152Eu放射源进行探头能量刻度的方法； 采集并观测226Ra的γ射线谱，认识镭组γ射线谱的主要成份，学习伽马谱定性分析原理；采集混合体标准源谱线，了解伽马谱定量分析原理。 三、实验仪器 高纯锗伽马能谱仪组成：探测器（HPGe)探头(晶体＋前置放大器＋低温装置)；多道脉冲幅度分析器（MCA) (一般大于4000道，现在一般都带有数字稳谱功能)；计算机(谱解析软件及定量分析软件) 示意图： 探测器（HPGe)探头(晶体＋前置放大器＋低温装置) 1、探测器结构：高纯锗伽马能谱仪探测器分为N型和P型。所有高纯锗探测器本质上就是一个大的反转二极管。为了放大信号，需要连接二极管和进行信号处理的电子学线路，在晶体上做出两个接触极。晶体上的电接触具有两极：较厚的锂扩散极，即N+接触极（几百微米）；较薄的离子注入极，即P+极（几百纳米）。锂接触极较厚，因为此极是金属锂扩散到晶体中所形成的，厚度可控制在几百微米的量级，晶体能够被切割成任意形状。然而，晶体（二极管）内部的电场分布很重要，这点使得具有实用价值的晶体形状被限制成带有中心圆孔的圆盘状或圆柱体状。圆柱体探测器的一端是封闭的，又称为同轴探测器；而圆盘状的探测器一般称为平面探测器。 根据所用材料类型的不同(N型或者P型)，接触极是不同的。对于P型探测器，较厚的锂扩散极在探测器的外表面而薄的离子注入极在内表面。对于N型探测器，接触极和P型恰好NaI(Tl) 闪烁晶体γ能谱测量
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