NaI(Tl)闪烁谱仪实验报告

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。 137 2． 学习分析实验测得的 Cs 谱之谱形。 3． 测定谱仪的能量分辨率及线性。
内容
1． 调整谱仪参量，选择并固定最佳工作条件。 137 65 60 2． 测量 Cs、 Zn、 Co 等标准源之 能谱，确定谱仪的能量分辨率、刻度能量 137 线性并对 Cs 谱进行谱形分析。 3． 测量未知 源的能谱，并确定各条 射线的能量。
能量定标曲线 Linear model Poly1: f(x) = p1*x + p2 Coefficients (with 95% confidence bounds): p1 = 0.001159 (0.0009563, 0.001361) p2 = 0.3218 (0.1845, 0.459) Goodness of fit: SSE: 4.6e-005 R-square: 0.9998 Adjusted R-square: 0.9996 RMSE: 0.006782 全能峰对应的能量 MeV 1.17 1.33 137Cs 未知源133Ba 0.662 0.3632 全能峰对应的道址 736.6 866.6 292.6 35.76
137 137 eneral model Gauss1: f(x) = a1*exp(-((x-b1)/c1)^2) Coefficients (with 95% confidence bounds): a1 = 1020 (977, 1062) b1 = 736.6 (734.3, 738.9) c1 = 55.15 (50.99, 59.3) Goodness of fit: SSE: 1.05e+004 R-square: 0.9831 Adjusted R-square: 0.9789 RMSE: 36.22 2 号峰 General model Gauss1: f(x) = a1*exp(-((x-b1)/c1)^2) Coefficients (with 95% confidence bounds): a1 = 700.7 (662.8, 738.6) b1 = 866.6 (864, 869.2) c1 = 58.63 (54.64, 62.62) Goodness of fit: SSE: 3.11e+004 R-square: 0.9783 Adjusted R-square: 0.9761 RMSE: 39.43 全能峰 1 道址： 736.6， 全能峰 2 道址： 866.6
Cs 源高斯拟合 General model Gauss1: f(x) = a1*exp(-((x-b1)/c1)^2) Coefficients (with 95% confidence bounds): a1 = 4245 (4090, 4400) b1 = 292.6 (291.7, 293.6) c1 = 32.54 (31.16, 33.91) Goodness of fit: SSE: 1.008e+006 R-square: 0.987 Adjusted R-square: 0.9861 RMSE: 177.4 全能峰道址：292.6
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Cs 0.662MeV 单能 射线的脉冲
在 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 射线的能量（而非 E r 减去该层 电子结合能） 。 谱峰称为全能峰。 为便于分析 射线在闪烁体中可能发生的各种事件对 脉冲谱的贡献，及具体实验装置和其周围物质可能产生的对谱形的影响。表 2 列举了 十二种情况供参考。 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 冲幅度的形成过程中存在着统计涨落。既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 3 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 E 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 更为确切。一 般谱仪在线性条件下工作，故 也等于脉冲幅度分辨率，即
原理
光电倍增管、 射极输出器和高压电源以及 NaI (T1) 闪烁谱仪由 NaI (T1) 闪烁体、 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 NaI (T 1) 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 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 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。 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 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。
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1.将探测器信号输入到示波器中，出现脉冲，脉冲越宽，能量分辨率越差。 2.找到一个源与 137Cs 全能峰能量相差 6%，两个源一起测能谱，看能否区分开 这两个全能峰，若能说明，6%可靠。
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得到。
装置
实验装置方块图见图 1。 NaI（Tl）闪烁谱仪，FH1901，1 套； 多道分析器，FH419G1，1 台； 脉冲示波器，SBM-10，1 台； 137 65 60 标准 源， Cs、 Zn、 Co，各一个； 未知 源，1 个。
步骤
1． 按图 1 连接仪器。用示波器观察 Cs 及 Co 的脉冲波形，调节并固定光电倍 增管的高压。 137 2． 调节放大器的放大倍数， 使 Cs 0.662MeV 的 射线的全能峰落在合适的甄别 阈位置上，例如 8V。选择并固定单道分析器道宽，例如 0.1V，测量 Cs 全 能谱及本底谱。 137 65 60 3． 改变放大器放大倍数，使 Cs、 Zn、 Co 之全能峰合理地分布在单道分析器 阈值范围内。依次测量这三个 源的能谱。 4． 在步骤 3 实验条件下，测量未知 源能谱。 137 5． 实验结束前，再重复测量 Cs 0.662MeV 的 射线的全能峰，以此检验谱仪的 稳定性。
60Co
六．实验结果误差分析 此次实验得到的能量定标曲线还是不错的，线性相关系数达到 0.9998.说明道址 和能量的线性相关性比较好，得出未知源是 Ba 的可信度比较高。但是没有观察 到 X 射线峰和反散射峰可能是因为阈值比较高。 七．实验思考题
1． 如何从示波器上观察到的 Cs 脉冲波形图，判断谱仪能量分辨率的好坏？ 137 2． 某同学实验结果得到 Cs 能量分辨率为 6%， 试述怎样用实验来判断这一分辨 率之真假？ 3． 若有一单能 源，能量为 2MeV，试预言其谱形。 137 65 60 4． 试根据你测量 Cs、 Zn、 Co 能谱，求出相应于 0.662、1.11 和 1.33MeV 射线全能峰的半宽度，并讨论半宽度随 射线能量变化的规律。 60 5． 试述 Co 1.17MeV 这条 射线相应的能量分辨率，能否直接从其全能峰半宽 度求出，为什么？ 137 6． 在你测得的 Cs 0662MeV 射线全能峰峰位处，作一垂线为对称轴，将会发 现对称轴低能边计数明显地多于相应的高能边的计数，试参照表 2 分析全能 峰不完全对称的原因。
未知源高斯拟合 General model Gauss1: f(x) = a1*exp(-((x-b1)/c1)^2) Coefficients (with 95% confidence bounds): a1 = 422.9 (400.4, 445.4) b1 = 35.76 (34.32, 37.2) c1 = 32.32 (30.1, 34.54) Goodness of fit: SSE: 3.348e+004 R-square: 0.9493 Adjusted R-square: 0.9461 RMSE: 32.34 全能峰道址：35.76 半高宽点 m1=36.592，m2=34.928.，能量分辨率 4.65%
表 1 射线在 NaI（Tl）闪烁体中相互作用的基本过程
根据 射线在 NaI (T 1) 闪烁体中总吸收系数随 射线能量变化规律， 射线能 量 E 0.3MeV 时，光电效应占优势，随着 射线能量升高康普顿散射几率增加； 在 E 1.02MeV 以后，则有出现电子对效应的可能性，并随着 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测到的 波形及谱仪测得的能谱图。
E( x p ) Gxp E0
（ 2 ）
式中 x p 为全能峰位； E0 为直线截矩；G 为增益即每伏（或每道）相应的能量。 能量刻度亦可选用标准源 Cs（0.662）MeV)和 Co(1.17、1.33MeV)来作。实验中欲 得到较理想的线性，还需要注意到放大器及单道分析器甄别阈的线性，进行必要的检 验与调整。此外，实验条件变化时，应重新进行刻度。 显然，确定未知 射线能量的正确性取决于全能峰位的正确性。这将与谱仪的稳 定性、能量刻度线的原点及增益漂移有关。事实上，未知源总是和标准源非同时测量 的，因此很可能他们的能量对应了不同的不同的原点及增益。当确定能量精度要求较 高时，需用电子计算机处理，调整统一零点及增益，才能得到真正的能量与全能峰峰 位的对应关系。至于全能峰峰位的确定，本实验可在记录足够数目的计数后由图解法