实验9-1 用NaI(Tl)单晶闪烁谱仪测能谱

实验9-1 用NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪测γ能谱

原子核的能级间的跃迁产生γ射线，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能谱最常用的仪器是闪烁γ能谱仪，在核物理、高能粒子物理和空间辐射物理的探测中应用非常广泛。

【实验目的】

1、了解闪烁探测器的结构、工作原理。

2、掌握NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪的几个性能指标和测试方法．

3、观测及分析γ全能谱。

4、了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。

【实验原理】

一、闪烁能谱仪测量γ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。

最常用的无机晶体是铊激活的碘化钠单晶闪烁体，常记为NaI（Tl），属离子型晶体。纯粹的碘化钠晶体，其能带结构是在价带和导带之间有比较宽的禁带，如有带电粒子进人到闪烁体中，将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。退激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它原子产生激发或电离，也就是光子可能被晶体吸收而不能被探测到，为此要在晶体中掺入少量的杂质原子（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。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NaI（Tl）单晶闪烁体而言，其发射光谱最强的波长是415 nm的蓝紫光，其强度反映了进人闪烁体内的带电粒子能量的大小，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，如图9-1-1所示。

图9-1-1 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 （9-1-1）

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。

（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

()

θγγcos 1120-+=

E c m E E e （9-1-2）

式中20c m 为电子静止能量，约为0.5MeV ；角度θ是散射光子的散射角。当0180=θ时（即

光子向后散射，又称为反散射），反冲电子的动能有最大值，此时

γγE c

m E E 2120max +=

（9-1-3）

这说明康普顿效应产生的反冲电子的能量有一上限最大值，称为康普顿边界。

（3）电子对效应

当γ光子能量大于22

0c m 时，γ光子从原子核旁经过并受到核的库仑场作用，可能转化

为一个正电子和一个负电子，称为电子对效应。此时光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和

202c m E E E e e ++=-+γ （9-1-4） 综上所述，γ光子与物质相遇时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应或电子对效应而损失能量，其结果是产生次级带电粒子，如光电子、反冲电子或正负电子对。次级带电粒子的能量与入射γ光子的能量直接相关，因此，可通过测量次级带电粒子的能量求得γ光子的能量。闪烁γ能谱仪正是利用γ光子与闪烁体相互作用时产生次级带电粒子，进而由次级带电粒子引起闪烁体发射荧光光子，通过这些荧光光子的数目来推出次级带电粒子的能量，再推出γ光子的能量，以达到测量γ射线能谱的目的。

二、NaI （Tl ）单晶γ闪烁能谱仪的结构与性能

图9-1-2是NaI （Tl ）单晶γ闪烁能谱仪结构示意图。

1、NaI （Tl ）闪烁探测器

闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。探测器最前端是NaI （Tl ）闪烁体，当射线（如γ和β）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。在闪烁体周围包以反射物质，使光子集中向光电倍增管（具体内容参阅附录3-2-1）方向射出去。经过光电倍增管产生输出信号，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检测仪器中去。

图9-1-2 NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪结构示意图

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。电子检测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、单道或多道脉冲幅度分析器等。

2、单道与多道脉冲幅度分析器

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，单道脉冲幅度分析器就起从中“数

出”某一幅度脉冲数目的作用。

单道脉冲幅度分析器里有两个甄

别电压V1（此电压可以连续调节）和

V2，如图9-1-4所示。V1 和V2也称下、

上甄别域，差值⊿V称为窗宽。为保证

足够的分辨率，以及减小统计涨落的影

响，窗宽的选择不能过大，也不能太小。

图9-1-4 单道脉冲幅度分析原理

这样，V1和V2就像一扇窗子，低于

V1或高于V2的电压信号都被挡住，只

有在V1和V2之间的信号才能通过，形成输出脉冲。进行测量时，按⊿V连续改变V1值，就可获得全部能谱。

显然，使用单道脉冲幅度分析器进行测量，既不方便也费时，因此，现在多使用多道脉冲幅度分析器。多道脉冲幅度分析器的作用相当于几百个单道脉冲幅度分析器，一次测量可获得整个能谱，非常方便，在本实验中就采用这种方式。

3、NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪的主要指标

（1）能量分辨率

由于单能带电粒子在闪烁体内激发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（正态）分布。能量分辨率的定义是：

%100??=E

E

η （9-1-5） 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 （9-1-6）

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 为记数率极大处所在道数。

显然，能量分辨率的数值越小，仪器分辨不同能量的本领就越高，而且可以证明能量 分辨率和入射粒子能量有关：

%1001

?=E η （9-1-7）

通常NaI （Tl ）单晶γ闪烁能谱仪的能量分辨率以137Cs 的0.662 MeV 单能γ射线为标准，它的值一般是10%左右，最好可达6～7%。

（2）线性度与能量刻度

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 ＜E γ＜6MeV 的范围内和射线能量是成正比的。但是NaI （Tl ）单晶γ闪烁能谱仪的线性好坏还取决于闪烁能谱仪的工作状况。例如当射线能量较高时，由于光电倍增管

后几个联极的空间电荷的影

响，会使线性变坏。另外，

脉冲放大器线性程度也将影

响谱仪的线性。为了检查谱

仪的线性，必须用一组已知

能量的γ射线，在相同的实

验条件下，分别测量出它们

的光电峰位，做出能量——

幅度曲线，称为能量刻度曲

线（或能量校正曲线）。如图

9-1-3所示。用最小二乘法进

行线性拟合，线性度一般在

0.99以上。对未知能量的放

射源，由谱仪测出脉冲幅度

后，利用这种曲线就可以求

出射线的能量。 （3）坪曲线与本底计数率

坪曲线是入射粒子强度不变时，NaI （Tl ）单晶γ闪烁能谱仪的源（或全谱）计数率随工作电压变化的曲线。本底计数率是指不加放射源时NaI （Tl ）单晶γ闪烁能谱仪的全谱计数率，主要由光电倍增管的暗电流、电子学噪声、宇宙射线及环境辐射产生，其也随工作电压的变化而变化。在使用NaI （Tl ）单晶γ闪烁能谱仪时，应首先测量坪曲线和本底计数率，

图9-1-3 能量刻度曲线

然后选择源（或全谱）计数率随电压变化较小、本底计数率相对较低的工作电压。

（4）稳定性

NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪的能量分辨率、线性度都与稳定性有关，因此在测量过程中，要求其各组成部分，如高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器等，都要具有较高的稳定性，并始终能正常工作。

三、γ射线的能谱

图9-1-5所示为137Cs的γ能谱，纵轴代表单位时间内的脉冲数目，即射线强度，横轴道数代表脉冲幅度，即反映粒子的能量。谱线包括三个峰和一个平台。峰A是光电峰，也称为全能峰，这一脉冲幅度直接反映γ射线的能量，即0.662MeV。闪烁探测器对0.662MeV 的γ射线能量分辨率为7.5%。

图9-1-5 137Cs的γ能谱

平台状曲线B是康普顿效应的贡献，其待征是散射光子逃逸后留下一个能量从0到E的连续的电子谱。

max

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反散射，或γ射线在源及周围物质上发生反散射，而反散射光子进入闪烁体通过光电效应而被记录所致。反散射峰对应的γ射线的能量为0.184MeV。

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0.662MeV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。

【实验仪器与材料】

γ放射源60Co和137Cs；NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪；计算机等。

【实验内容】

1、详细阅读说明书，熟悉仪器及软件的使用方法。

2、采用定时（200s）计数的方法，在600V~850V之间，测绘坪曲线（用137Cs源），以及本底计数率随电压变化的关系曲线，确定合适的工作电压。

3、保持工作电压不变，改变线性放大器的放大倍数，观察137Cs的γ能谱的光电峰位置变化的规律。要求至少测量10组数据并作最小二乘法拟合，给出相关结果。

4、用多道分析器观察137Cs的γ能谱的形状，识别其光电峰、反散射峰、X射线峰及康普顿边界等；记录光电峰、反散射峰的峰位（道数）；绘制能谱图。

5、测量60Co的γ能谱，绘制能谱图，记录光电峰位（两个光电峰，能量分别为1.33MeV 和1.17MeV），结合137Cs的γ能谱的光电峰（0.662MeV）和反散射峰（0.184MeV）位来标定谱仪的能量刻度，绘制能量刻度曲线，作最小二乘法拟合，给出相关结果。

【注意事项】

1、仪器开机后，必须预热30分钟左右。

2、在测绘能量刻度曲线中，为了减小计数统计涨落对测量的影响，应保证计数足够多。一般做法是选择某个要观测的光电峰，使该峰位的计数达到1000以上。

3、当工作指示灯亮时，切勿关闭仪器。

4、软件系统的操作按说明书进行。

5、领用和归还放射源必须作好登记。

【思考题】

1、简单描述NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪的工作原理。

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？

【参考资料】

1、黄昆，固体物理学，人民教育出版社，1966

2、褚圣鳞，原子物理学，高等教育出版社，1979

3、复旦大学等，原子核物理实验方法（下册），原子能出版社，1982

4、吴泳华等，近代物理实验，安徽教育出版社，1987

5、北京大学等，核物理实验，原子能出版社，1984