用闪烁谱仪测γ射线能谱
Nal(Tl) γ闪烁谱仪及γ射线能谱的测量
近代物理实验报告学院数理与信息工程学院班级物理092姓名艾合买提江学号09180218时间 2011年9月26日Nal(Tl) γ闪烁谱仪及γ射线能谱的测量摘要：放射性物质含有许多不稳定的原子。
这些源自在核衰变时辐射出α，β，γ射线和中子流等，并且都具有一定的能量。
γ射线是原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时所产生的一种辐射。
它是一种波长极短的电磁波，其辐射能量标示为Εr=Εi-Εf=hv,其中Εi和Εf分别为原子核所处的未态和初态的能量。
V是γ射线光子的频率。
本实验将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，即所谓能谱关键字：Υ射线能谱物质吸收系数μ光电效应康普顿效应电子对效应引言：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”。
闪烁探测器是利用带电粒子或非带电粒子与某些物质的相互作用下转化成为带电粒子对物质原子的激发，从而会产生发光效应的特性来测量射线的仪器。
它的主要优点是即能测量各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子；即能测量粒子强度，又能测量粒子能量；并且探测效率高。
γ射线，又称γ粒子流，是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，是波长短于0.2埃的电磁波。
首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。
原子核衰变和核反应均可产生γ射线。
γ射线的波长比X射线要短，所以γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。
当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。
原子核释放出的γ光子与核外电子相碰时，会把全部能量交给电子，使电子电离成为光电子，此即光电效应。
由于核外电子壳层出现空位，将产生内层电子的跃迁并发射X射线标识谱。
γ射线γ闪烁谱仪与γ射线能谱的测量
γ闪烁谱仪与γ射线能谱的测量【摘要】原子核的能级跃迁能产生γ射线，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。
谱仪（把射线的能量转变成光能）测定不同的放射源的射线能谱，本实验对Cs 137和Co 60两种元素的γ射线能谱进行测量，通过对核技术探测仪器的使用方法和能谱的测量与分析让我们对核技术有更深一步的认识。
【关键词】能谱 测量【正文】γ闪烁谱仪的基本工作原理以及整个的工作过程：整个谱仪由探头（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等组成。
闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子放大器件三个主要部分组成。
（1）闪烁体: 闪烁体是用来把射线的能量转变成光能的。
本实验中采用含TI （铊）的NaI 晶体作射线的探测器。
（2）光电倍增管: 光电倍增管的结构如图2。
它由光阴极K 、收集电子的阳极A 和在光阴极与阳极之间十个左右能发射二次电子的次阴极D （又称倍增极、打拿极或联极）构成。
在每个电极上加上正电压，相邻的两个电极之间的电位差一般在100V 左右。
当闪烁体放出的光子打到光阴极上时，发生光电效应，打出的光电子被加速聚集到第一倍增极D1上，平均每个光电子在D1上打出3～6个次电子，增值后的电子又为D1和D2之间的电场加速，打到第二倍增极D2上，平均每个电子又打出3～6个次级电子，……这样经过n 级倍增以后，在阳极上就收集到大量的电子，在负载上形成一个电压脉冲。
图 2 百叶窗式光电倍增管示意图（3）射极跟随器：光电倍增管输出负脉冲的幅度较小，内阻较高。
一般在探头内部安置一级射极跟随器以减少外界干扰的影响，同时使之与线性放大器输入端实现阻抗匹配。
（4）线性放大器：由于入射粒子的能量变化范围很大，线性放大器的放大倍数能在10～1000倍范围内变化，对它的要求是稳定性高、线性好和噪声小。
开启实验仪器工作时射线通过闪烁体，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比，即入射线的能量越大，在闪烁体内损失能量越多，闪烁体的发光强度也越大。
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。
用闪烁晶体测量γ射线能谱
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。
实验原理
γ射线是原子核能级跃迁的辐射。
对γ射线的能谱测量能了解原子核的结构，获得原子核内部运动的信息。
闪烁谱仪的结构如下图所示
其工作过程是当γ射线射入探头内的NaI（Tl）闪烁晶体时在晶体内部产生电离，把能量交给次级电子，在闪烁体内引起的荧光，照射支光电倍增管的光阴是，打出光电子，再经光电倍增管次阴级多次倍增所被阳极收集，在光电倍增管阴极负载上输出电压脉冲，此脉冲幅度大小与被测的γ射线能量成正比。
脉冲信号通过放大器放大后进入多道分析器，从而获得γ射线的能谱。
铯137的γ射线能谱如下所示
E b为背散射峰，一般很小，E c为康普顿散射边界，E e为光电峰，又称全能峰，对于137Cs此能量为0.661Mev。
能量分辨率是γ能谱仪的重要参数。
其意义如下图
定义能量分辨率η为
△V为半高宽度，V为光电峰脉冲幅度。
思考题
用闪烁谱仪测量γ射线能谱时，要求在多道分析器的道址范围内能同时测量出137Cs和60Co光电峰，应如何选择合适的工作条件，在测量过程中该条件可否改变？
为满足光电峰处计数率相对误差小于2%的要求，怎样从实验中确定计数所用的时间？。
闪烁谱仪伽马能谱
60Co的衰变纲图
137Cs的衰变纲图
60Co（τ＝5.27a）
137Cs（τ＝30a）
β ～0.309MeV
β
2.50MeV
γ1
1.33MeV
γ2
γ 137Ba
0.662MeV 0
0 60Ni
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NaI（Tl）单晶 γ 闪烁谱仪与 γ 能谱测量
闪烁谱仪的工作原理--射线与物质
的相互作用
电子
光电效应
NaI（Tl）单晶 γ 闪烁谱仪与 γ 能谱测量
闪烁谱仪的性能指标
整个谱仪的性能
能量分辨率
各峰的能量分辨率 E 100% CH 100%
E
CH
通常NaI闪烁谱仪的能量分辨率以137Cs的单能 射线峰为标准。
线性
稳定性
返回
实验步骤
NaI（Tl）单晶 γ 闪烁谱仪与 γ 能谱测量
入射光子
康普顿散射
光电子(EkE γ)
散射光子
θ
正负电子对产生
康普顿电子 电子
负电子 返回
NaI（Tl）单晶 γ 闪烁谱仪与 γ 能谱测量
闪烁谱仪的工作原理—考虑此脉
冲的幅度和哪些因素有关？
入射到光电倍增管阴极上的光子数量即 入射能量 光电倍增管的工作电压 线性放大器的放大倍数
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预习要求：
1. 闪烁谱仪的结构组成有哪些（要点） 2. 简述闪烁谱仪的工作原理（要点） 3. 闪烁谱仪的性能指标有哪些（包括闪
烁体、光电倍增管和整个谱仪的性能） （要点）
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NaI（Tl）单晶 γ 闪烁谱仪与 γ 能谱测量
闪烁谱仪的结构组成
包括探头（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 分析器等
用闪烁谱仪测γ射线能谱
用闪烁谱仪测γ射线能谱PB05210153 蒋琪实验原理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。
闪烁谱仪及射线能谱的测量
γ)(TI NaI 闪烁谱仪及γ射线能谱的测量鲁斌 物理082班 08180219 fgg摘要 本文介绍了γ)(TI NaI 闪烁谱仪的工作原理及γ射线能谱的测量的基本方法，并详细阐述了单道脉冲幅度分析器和g 多道脉冲幅度分析器的工作原理。
本实验要求我们通过实验学会NaI （Tl ）γ单晶体闪烁体整套装置的操作、调整和使用，并测量137Cs 、60Co 的γ能谱并求出能量的分辨率、峰康比、线性等各项指标，并做出谱仪的能量刻度曲线。
关键词 γ)(TI NaI 闪烁谱仪 γ射线能谱 脉冲幅度分析器引言放射性物质含有许多不稳定原子。
这些原子在核衰变时辐射出α、β、γ射线和中子流等，并且具有一定的能量。
γ射线是原子核从激发态跃迁到低能态或基态时所产生的一种辐射。
在放射性测量工作中,对γ射线的测量是一个非常重要的组成部分,对γ射线的测量通常有强度测量和能谱测量两种方式。
γ)(TI NaI 闪烁谱仪是一种常用的对γ射线进行能谱测量的谱仪,它与高纯锗γ谱仪相比具有探测效率高,γ)(TI NaI 晶体便于加工成各种形状,价格便宜等特点,因而在环境测量、工业在线检测以及监测等方面有着广泛的应用。
正文一、Na I ( Tl) 闪烁谱仪系统典型的Na I ( Tl) 闪烁谱仪由Na I ( Tl) 闪烁探头、放大器、高压电源、低压电源、多道脉冲幅度分析器、计算机等部分组成,其中Na I ( Tl) 闪烁探头包括Na I ( Tl) 闪烁晶体、光电倍增管、分压器、电压灵敏前置放大器(如图1 所示) .仪器示意图如图二所示。
当γ 射线与Na I ( Tl) 闪烁晶体作用后,Na I ( Tl) 闪烁晶体发出光子,光子入射到光电倍增管的光阴极后打出光电子,光电子经聚集后射向倍增极,经各个倍增极倍增后的电子到阳极收集而形成电压脉冲,该电压脉冲经过放大器放大送入多道脉冲幅度分析器分析,再经过一个多道接口板与计算机连接. 计算机通过专用多道软件可以实现把所测量的谱数据进行谱数据输入、谱数据处理、谱数据输出等操作.二、γ闪烁能谱仪原理γ闪烁能谱仪是利用γ射线与物质的相互作用时，产生的闪烁荧光现象来测量能谱，依据能谱曲线推算γ射线能量。
闪烁γ能谱测量实验报告
学号：
γ 射线能谱测量实验系统框图
闪烁晶体主要使用 NaI(Tl)晶体，它的密度大（ρ = 3.67 g /cm），而且高原子序数 的碘（Z=53）占重量的 85%，所以对 γ 射线探测效率特别高，相对发光效率大，它 的光谱最强波长为 415nm 左右，能与光电倍增管的光谱响应较好的匹配，晶体的透明 性也好。测量 γ 射线时能量分辨率也是闪烁晶体中较好的一种。但是 NaI(Tl)晶体容 易潮解，吸收空气中水分会变质失效，所以一般 NaI(Tl)晶体使用时都是装在密封的金 属盒中。 γ射线与 NaI(Tl)晶体相互作用，会使其电离、激发而发射荧光，从闪烁体出来的光 子通过光导射向光电倍增管的光阴极，由于光电效应，在光阴极上打出电子。光电子经 过各级之间的电压加速、聚焦后射向打拿极。每个光电子在打拿极上击出几个电子，这 些电子射向后续的打拿极。所以，最后射向阳极的电子数目是很多的。阳极把这些电子 收集起来，转变成电信号并输出。
( Ek ) max
2(h ) 2 m0 c 2 h 2
可看出康普顿电子的动能可以从 0 到 ( EK ) max 连续分布。 电子对效应：当γ射线的能量超过 2 倍电子静止能量（ 2m0 c 2 1.023Mev ）时， γ光子在核场作用下，有可能转化为一对正、负电子，其几率随γ光子的能量增加而增 大。但是，当γ光子能量小于 1.5 Mev ，在 NaI(T1)闪烁晶体中产生正、负电子对的几 率甚小。 由此可见，γ光子与物质相互作用的特点是产生次级电子。这些次级电子的能量又 与γ光子所损失的能量相当，两者之间有确定的关系。通过对次级电子的数量和能量的 测定。也就可以确定γ光子的强度和能量。
1651 1216 868 809 714 722 709 754 791 924 91 5 4.9 4.8 4.7 4.6 4.5 4.4 4.3 4.2 4.1 4
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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
右。
对 的影响因素很多，如闪烁体、光电倍增管等等。
实验内容:
1) 熟悉各仪器的使用方法。
用多道分析器观察
Cs 137
的能γ谱的形状，识别其光电峰及康普顿边界等。
改变线性放大器的放大倍数，观察光电峰位置变化的规律。
2) 调节线性放大器放大倍率，使20s 内Cs 137
的γ能谱光电峰位置计数超过10000。
3) 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。
4) 绘出
Cs 137
和Co 60源的γ能谱图，给出谱仪的能量标定并计算Co 60源的γ射线能量。
5) 测量铜板的半衰减厚度。
实验数据：
137，能量分辨率的测量
Cs
观察
Cs 137
的光电峰并测量对应道址
观察Co 60
的光电峰并测量其左峰能量
数据处理:
1.测定Co 的左峰能量
由上面的图像，可得Cs 的光电峰及Co 的右光电峰的道址风别为398及840，它们对应的能量分别为0.661MeV 及1.33MeV ，故31.330.661
1.513610840398
e MeV --=
=⨯-
故()10.661732398 1.167E e MeV γ=+⨯-= 2.测定谱仪对Cs 的分辨率 可直接读出137,38.4
9.6%398
Cs V V γ
η∆=
== 3.测量铜的半衰减厚度
利用实验数据在Microsoft Office Excel 中作出图像，并用指数曲线拟合（最小二乘法）：
可见其却是服从指数规律衰减0t I I e
μ
-=
易得，
1
0.06116.39ln 211.36halt mm t mm μμ====
思考题
用闪烁谱仪测量γ射线能谱时，要求在多道分析器的道址范围内能同时测量出Cs 137
和Co 60的光电峰，应
如何选择合适的工作条件？在测量过程中该工作条件可否改变？
答：应首先先观测Co 60
的右光电峰（此为所观测的能量中最高的），并调节线性放大器，使其的道指在1000
左右（1024为实验中所使用的闪烁谱仪的量程），试验中不能改变，否则会改变每道址所代表的能量。