γ射线能谱测量
γ射线的能谱测量和吸收测定_实验报告
γ射线能谱的测量【摘要】某些物质的原子核能够发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线，γ射线产生的原因正是由于原子核的能级跃迁。
我们通过测量γ射线的能量分布，可确定原子核激发态的能级，这对于放射性分析，同位素应用及鉴定核素等都有重要意义。
因此本实验通过使用γ闪烁谱仪测定不同的放射源的γ射线能谱。
同时学习和掌握γ射线与物质相互作用的特性,并且测定窄束γ射线在不同物质中的吸收系数μ。
【关键词】γ射线能谱γ闪烁谱仪【引言】从1896年的法国科学家贝可勒尔发现放射性现象开始，经过居里夫人等一系列科学家对一些新放射性元素的发现及其性质进行研究的杰出工作后，人类便进入了对原子核能研究、利用的时代。
而原子核衰变能放出α、β、γ三种射线，这些射线可以通过仪器精确测量。
本次实验主要研究γ射线，通过对γ射线谱的研究可了解核的能级结构。
γ射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。
人体受到γ射线照射时，γ射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生电离作用，电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子，如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主要成份，一旦它们遭到破坏，就会导致人体内的正常化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡。
因此本次实验研究了不同材料对于γ射线的吸收情况这是非常具有实际意义的，比如在居民区制造防空洞的时候可以使用一定厚度的抗辐射材料确保安全，而且在核电站、军事防护地以及放射源存放处等地方我们都有必要使用防辐射材料。
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，如下图所示。
本实验主要研究的是窄束γ射线在物质中的吸收规律。
所谓窄束γ射线是指不包括散射成份的射线束，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。
窄束γ射线再穿过物质时，由于上述三种效应，其强度就会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。
γ射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律。
本次实验仪器如下：NaI 闪烁谱仪，γ射线源137Cs 和60Co ，高压电源放大器，Pb,Al 吸收片各四片，计算机NaI(TI)闪烁探测器的结构如下图所示。
伽马能谱测定法
伽马能谱测定法
伽马能谱测定法是一种用于测量材料或样品中伽马射线的能量和强度分布的方法。
它基于伽马射线的特性，通过测量伽马能量和强度的变化，可以获取关于材料组成、放射性衰变过程或伽马辐射源的信息。
伽马能谱测定通常包括以下步骤：
1. 辐射源：产生伽马射线的放射性材料或伽马辐射源。
2. 探测器：使用载能探测器（如闪烁体探测器或半导体探测器）来测量伽马射线的能量和强度。
当伽马射线进入探测器时，会与探测器中的物质相互作用，产生能量沉积，生成电荷或光信号。
3. 数据采集系统：通过数据采集系统捕获和记录探测器产生的信号。
这些信号通常被转换为能谱图，能谱图展示了不同能量的伽马射线的相对强度。
4. 分析和解释：通过对能谱图的分析，可以确定伽马射线的能量和强度分布。
通过比对已知的能量和强度特征，可以确定材料的成分或伽马射线源的特征，如放射性同位素的种类和浓度。
伽马能谱测定法在核物理、射线防护、材料分析和辐射监测等领域具有广泛的应用，可以用于识别和测量各种放射性物质，以及对射线辐射的评估和监测。
闪烁谱仪测量γ射线能谱
实验名称：闪烁谱仪测γ射线能谱实验目的：1. 把握闪烁频谱仪的工作原理和利用方式；2. 学会谱仪的能量标定方式；3. 测量137Cs 和60Co 的γ射线能谱。
实验原理：（以下原理部份摘自教学资源实验讲义，详见手写预习报告）依照原子核结构理论，原子核的能量状态是不持续的，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 ~ 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射线的能量就能够够了解原子核的能级结构。
测量γ射线能谱确实是测量核素发射的γ射线强度按能量的散布。
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。
i. 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。
此处仅对经常使用的无机晶体闪烁体的发光机制作简单介绍。
最经常使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，引发后者产生电离或激发进程，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进程之一是发射光子。
这种光子的能量还会使晶体中其他原子产生激发或电离进程，也确实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，其关键作用是能够在低于导带和激带的禁带中形成一些杂质能级，见图-1示用意。
这些杂质原子会捕捉一些自由电子或激子抵达杂质能级上，然后以发光的形式退激发到价带，这就形成了闪烁进程的发光，而这种光因能量小于禁带宽度而再也不被晶体吸收，再也可不能产生激发或电离。
γ射线能谱测量
感想体会： 1. 通过本实验,我们了解了γ射线能谱图的特点,学习了γ射线闪烁探测器的 使用. 2.特别感谢唐老师对我们的指导.
长. <2>.放大器电压对放大器的影响是非线性的,但接近于线性.放大器电压
越大,能谱图越长. 故该放大器可以看作线性放大器.
结果讨论： 从原子核中发射出来的γ射线本身就是有不同的能量的，当我们用探测器去
测量时，因为有上述三种的效应存在，特别是康普顿效应的发射电子能量是连续 的，所以即使是单能的γ射线，我们从探测器中得到的信号也是连续的，应此γ 射线能谱有三个峰和一个平台，最右边的峰为全能峰，是由于光电效应贡献的， 平台是康普顿效应贡献的，1 号峰为反散射峰，是γ射线发生康普顿散射产生的， 为 X 射线峰。
下面我们利用上面的原理简单的来讨论一下γ射线能谱的特点，因为从原子 核中发射出来的γ射线本身就是有不同的能量的，当我们用探测器去测量时，因 为有上述三种的效应存在，特别是康普顿效应的发射电子能量是连续的，所以即 使是单能的γ射线，我们从探测器中得到的信号也是连续的，就如上图所示，γ 射线能谱有三个峰和一个平台，最右边的１号峰为全能峰，是由于光电效应贡献 的，２号平台区域是康普顿效应贡献的，３号峰为反散射峰，是γ射线发生康普 顿散射产生的，４号峰为为 X 射线峰。
γ射线能谱测量
0802 班，程道辉，U200710222 0802 班，安志强，U200710210
前言： γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现的，γ射线是光子，是由原子核
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=92412.137Cs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0.662MeV的γ光子与闪烁体发生光电效应产生的。
γ射线能谱测量
γ射线能谱测量γ 射线能谱测量中的物质变化过程是：γ 射线（光子）→ 次级电子（三种相互作用）→ 荧光（光子，探头的闪烁体发出）→ 光电子（在打拿极上产生并倍增）→ 光电流打拿极上光电子激发更多次级电子，打拿极上所加电压对电子加速，使形成更多的电子，从而形成足够大的较稳定的可以被探测到的光电流。
电流与极间电压应该成正比关系，计数不能反映初始的电子产生数目，但能反映其统计规律，计数应该是由光电流的大小与单个电子的电量的比值所得到的。
示波器的幅度可以反映射线粒子的能量大小。
数据处理与结果○1 0(6.98，127.6) B (7.67，127.5) C (7.42，255.21)7.42 V U 0.69 V 0.69 W=100%8.97%7.67O A U U U =∆=∆⨯== ○20截距=-0.04473 G=斜率=0.1962线性方程 E(x )0.19620.04473p O p p E E Gx x ==+=- 实验分析○1 示波器上的波形有一波幅最大的曲线，下面的弥漫区域还有小的波形。
这是因为在闪烁体中发生了光电效应，康普顿效应，电子对效应，这三种效应中，光电效应最强，产生的次级电子最多，对应着波幅最大的波形，下面的小波形则是由康普顿效应造成的，其强度要弱于光电效应。
○2 γ射线是单能射线，其对应的能谱应该是单一的分立的，但是我们测得的能谱却是连续的。
这是因为三种效应激发出的电子的能量是不一样的，加上闪烁体分辨能力低,还有其它电子学的干扰存在，因此闪烁体谱仪测量单能射线不可能就一单能峰值。
○3实验中用示波器观察波形的时候，为什么要将光电峰置于8伏左右？我猜想是：示波器的波幅实际上是反应的电流的强弱，光电峰的强度应该是在8伏左右；电子在经过单道分析器的时候，是需经过选择的，只有能量介于某一道宽内的时候才能通过，在设置好道宽后，通过调节阈值就可以测得不同能量的电子了，表现出不同的光电流强度和计数率的变化，也可以解释为什么我们测得的是一条连续的曲线了。
γ能谱法 标准
γ能谱法标准γ能谱法是一种通过测量γ射线的能量分布来分析物质成分和结构的方法。
它具有高灵敏度、高分辨率和高准确性的特点，被广泛应用于环境监测、材料科学、核物理等领域。
为了确保γ能谱法测量的准确性和可靠性，需要制定相应的标准来规范实验操作和数据处理。
一、实验设备标准探测器：选择具有高探测效率、低本底噪声和稳定性能的探测器，如高纯锗探测器、闪烁计数器等。
屏蔽材料：采用适当的屏蔽材料，如铅、铜等，以减少外部γ射线和宇宙射线的干扰。
校准源：使用已知活度和能量的校准源，对探测器进行能量和效率校准，确保测量结果的准确性。
二、实验操作标准样品制备：根据实验需求，选择合适的样品制备方法，如研磨、压片等，以获得均匀的样品。
测量时间：根据样品的活度和探测器的性能，确定合适的测量时间，以确保足够的计数统计量。
背景测量：在没有样品的情况下进行背景测量，以扣除探测器本底和环境干扰对测量结果的影响。
数据记录：详细记录实验过程中的各种参数，如测量时间、源到探测器的距离、探测器的温度和电压等，以便后续的数据处理和分析。
三、数据处理标准能谱分析：利用专业的能谱分析软件，对测量得到的γ能谱进行平滑、去噪和寻峰处理，以获得准确的峰位和峰面积信息。
效率校正：根据探测器的能量响应和效率曲线，对测量结果进行效率校正，以消除探测器对不同能量γ射线的探测效率差异。
放射性核素识别：通过比对已知核素的γ射线能量和强度信息，识别样品中的放射性核素种类。
活度计算：根据识别出的核素种类和其对应的γ射线强度，结合相应的半衰期信息，计算样品中各核素的活度。
四、质量控制标准定期校准：定期对探测器和能谱分析系统进行校准，以确保其性能和测量结果的稳定性。
重复测量：对同一样品进行多次重复测量，以评估测量结果的稳定性和可靠性。
结果比对：将不同实验室或不同方法获得的测量结果进行比较和分析，以验证γ能谱法的准确性和适用性。
通过以上标准的制定和执行，可以确保γ能谱法测量的准确性和可靠性，为相关领域的研究和应用提供有力的技术支持。
γ射线能谱测量实验报告(共12页)
γ射线能谱测量实验报告篇一：γ射线能谱的测量及γ射线的吸收γ射线能谱的测量及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定【摘要】原子核从激发态跃迁到较低能级或基态跃迁能产生γ射线，实验，将γ射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到γ辐射强度按能量的分布。
并通过测量γ射线在不同物质中的吸收系数，了解γ射线在不同物质中的吸收规律。
【关键字】γ闪烁谱仪γ射线能谱物质吸收系数当今的世界，以对核技术进行了相当广泛的运用。
从1896年法国科学家A.H.Becquerel发现放射性现象开始，经过M.Curie一些新放射性元素的发现及其性质进行研究后，人类便进入了原子核科学时代。
在原子核发生衰变时，会发出α、β、γ射线，核反应时会产生各种粒子。
人们根据射线粒子与物质相互作用的规律，研制了各种各样的探测器。
这些探测器大致可以分为“信号型”和“径迹型”两大类。
径迹型探测器能给出粒子运动的径迹，有的还能测出粒子的速度、性质等，如核乳胶、固体径迹探测器、威尔逊云室、气泡室、多丝正比室等。
而信号型探测器根据工作物质和原理的不同，又可分为气体探测器、半导体探测器、闪烁探测器。
其中闪烁探测器的工作物质是有机或无机的晶体闪烁体，射线与闪烁体相互作用，会使其电离激发而发射荧光。
从闪烁体出来的光子与光电倍增管的光阴极发生光电效应而击出光电子，光电子在管中倍增，形成电子流，并在阳极负载上产生电信号。
如NaI(TI)单晶γ探测器。
γ射线是由原子核的衰变产生的，当原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时，就有可能辐射出不同能量的γ射线。
人们已经对γ射线进行了很多研究，并在很多方面加以运用。
像利用γ射线杀菌，γ探伤仪等。
然而不恰当的使用γ射线也会对人类产生一定的危害。
γ射线的穿透力非常强，如果在使用过程中没有有效的防护，长时间被放射性元素照射的话可能发生细胞癌变。
在对γ射线进行了大量的研究后发现，按能量的不同，可以对其进行强度测量，从而得到γ辐射强度按能量的分布（能谱）。
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γ射线能谱测量
——物理0805 乔英杰u200810200
王振宇u200810256
实验背景：19世纪下半叶，物理学家对X射线和阴极射线进行了大量的研究，导致了放射性、电子以及α、β、γ射线的发现，这些射线的发现同时也为原子科学的发展奠定了基础。
自20世纪进入原子能时代，科学家对射线进行了更进一步的研究，射线在科学技术中开始渗透，根据γ射线具有波长短、能量高、穿透能力强和对细胞有很强的杀伤力的特性，γ射线的应用也成了一门新兴产业，现在它已经应用到了国民经济和社会生活的各个领域，特别是在工农业、医疗卫生和生物学方面取得了巨大的成果和效益，为科学技术和人类历史的进程起了巨大而深刻的影响。
目前γ射线的应用正在蓬勃快速的发展，应用领域仍在不断拓宽，它以低能耗、无污染、无残留、安全卫生等优点，深受众多行业的青睐，可是，其危害性也不容忽视。
我们需要对γ射线深入了解，才能在降低其危害性的同时让其更好的为我们服务。
本实验采用闪烁探测器和多道脉冲幅度分析器对γ射线的能量分布谱进行测量，以便我们了解用闪烁探测器测量γ射线的方法，学会分析能谱的特征及其影响因素。
实验原理：
1、闪烁探测器工作原理：闪烁探测器探测γ射线时，γ光子与物质作用不直接产生电离，而是发生光电效应、康普顿效应、电子对效应，闪烁体的原子、分子、电离或激发的作用来自三种效应所产生的次级电子。
这样，我们就得到了对应于γ射线能量强度的电信号。
之后，光电倍增管将所得电信号放大（倍增管阴极与阳极之间有十余个打那级，每个打那级均发生电子的倍增现象），其阳极最后收集电子的电极，与射级跟随器电路相连，使收集到的电子流以电压脉冲的方式输出。
2、γ闪烁能谱仪的工作原理：如下图（1）所示，整个仪器的信号传递大致是：由γ射线放射源放出的γ射线被闪烁探测器接受并转换为电压脉冲，前置放大器和脉冲放大器对探测器输出的电压脉冲进行放大，最后这些脉冲被多道分析器采集、处理。
多道分析器的到是指在分析器中存在的记录不同高度脉冲的位置。
我们在试验中采用的是1024道分析器，即将脉冲电压范围分成1024份，然后计算机记录探测器输出的脉冲落在每份范围上的数目。
3、 给谱仪的道址进行能量标定：我们已知Cs 137的光电峰为0.662MeV 的γ光子所产生，其反射峰对应的能量为0.184MeV 。
在谱仪的各种参数固定的情况下，我们观察Cs 137的光电峰和反射峰分别落在那两道，然后用两个特定能量的差值去除以对应的两个道址的差，所得的结果就是每道所对应的能量值。
实验仪器：Cs 137放射源，γ闪烁探测器，高压电源，放大器，微机多道分析器。
实验内容：
1、测量系统准备：检查测量系统的所有信号连接线路，确认正确后开启微机电源和高压电源，使之预热20分钟左右；
2、开始测量，先尝试收集一个能谱，看谱曲线在多道中的什么位置，如果全部收集到的脉冲能没有占据全部道址的前90%左右，就调节放大器的增益使谱曲线移动（高压值也可以小范围调节，但不能太大）。
调节合适后，设置一定的时间，等待信号收集完毕；
3、信号采集完毕好，对所得的能谱曲线进行平滑处理，而后找到光电峰和反射峰，记下它们各自对应的道址，用作谱仪的能量标定；
4、在Cs 137能谱曲线的光电峰附近找到其左右两边半高所对应的道址，根据道址能量对应关系，由公式00100*)/E r r E ∆=（ε即可计算出谱仪的能量分辨率。
实验结果处理及分析：
1、下图为我们所测得的Cs 137能谱曲线（平滑前）：
2、我们将两道光标移到光电峰的两侧近似对称的位置，读出光电峰所对应的道址为687.3，见下图：
3、我们将两道光标移到反射峰的两侧近似对称的位置，读出光电峰所对应的道址为224.4，见下图：
4、对道址进行能量标定：
137能谱曲线的光电峰对应的能量为0.662MeV，反射峰对应的能量为Cs
0.184MeV
所以，每道包含的能量范围为：
662
.0
.0KeV
（
184
）
-
=
-
03
(
)
.1
)4.
687
3.
224
/(
第n道所对应的能量为：
W KeV
n
=
)
.1
03
(
*
5、求谱仪能量分辨率：
如图所示，我们找到Cs 137的γ能谱曲线光电峰左半高时对应的道址近似为640，右半高时对应的道址近似为735，所以：
左半高时对应的能量值为：
)M (659.0640*03.1W eV ≈=左
右半高时对应的能量值为：
)M (757.0735*03.1eV W ≈=右
谱仪的能量分辨率为：
0000008.14100*662.0/)659.0757.0(100*)/E ≈-=∆=r r E （ε
问题讨论：
对比我们实验时所测得的Cs 137的γ能谱曲线与实验教程上所绘的能谱曲线，我们很容易就发现这样一个问题：两者不太相符，存在两点比较大的差异。
首先，我们实验所测得的能谱曲线的光电峰的高度不够，明显比教程上所绘的低了不少，不是整条曲线的最高值；其次，实验所测得的能谱曲线的内转换峰之前明显还有一个峰，而这是教程中所没有的。
这些是什么原因造成的？
答：我们在实验中做了不止一组能谱曲线的测量，都出现了同样的问题，后来又参考了其他组的数据，同样是这样，这就排除了我们实验误差的可能性。
下来后，我们经过查资料和相互讨论，觉得第一个差异很大程度上是这个原因造成的：我们所用的Cs 137放射源已经放置的太久，放射了太长时间，导致其中的
Cs 137大部分早已衰变成了B a 137，相应的，增强了内转换过程，削弱了光电效应，于
是光电峰的高度下降，内转换峰的高度上升。
而第二个差异则很可能是由于暗电流和噪声引起的，我们所用仪器为公用仪器，使用频繁，且大多数使用者对它的使用都不够规范，使得仪器老化较快，光电管的灵敏度急剧下降，于是，实验中的暗电流和噪声不可避免的就非常大了。
感想体会：
乔英杰：这次的实验进一步锻炼了自己独立思考问题、解决问题的能力。
实验中调节放大器的增益的时候，最开始我不知道正在测量的时候调节增益很难看到谱曲线的移动，在尝试收集能谱时很大范围的转动旋钮，但显示屏上的曲线很难看到在移动，我来来回回试了几次，都不成功，一度以为是仪器坏了，准备询问老师，后来经同伴提醒，自己分析整个实验的原理，终于明白增益的调节应该在尝
试收集完一个能谱之后，然后我们再重新收集一个能谱，才能更直观的看到调节后的效果。
另外，个人还有一个建议，希望院里能定期维修或更新实验设备，我们所做的那个实验，微机用的还是98的系统，而且收集能谱的软件还多次出现问题，一会不能启动，一会自动死掉，让我们刚测的数据丢失，不得不再次重做。
王振宇：这个实验我们做的过程主要是操作计算机采集和整理数据，我们需要在采集的过程中理解其中的不变量和变量，才能更好的将实验进行下去。
但是我们觉得操作软件实在是比较古朴，有些操作不知如何实现，能否改变其操作方法才是我们应该想想的。
参考文献：
《近代物理实验》华中科技大学唐超群赵美蓉刘莉
《原子物理学》高等教育出版社褚圣麟
《γ射线及其在现代技术中的应用》/Physics。