放射性核素γ射线谱的认识与测定 2011要点
实验报告γ射线能谱测定及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定
实验报告γ射线能谱测定及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定γ射线能谱测定以及γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定实验报告摘要原子核的能级跃迁可以产生伽马射线，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。
同时通过学习了解伽马射线与物质相互作用的特性,测定窄束γ射线在不同物质中的吸收系数μ。
本实验通过使用伽马闪烁谱仪测定不同的放射源的γ射线能谱；根据当γ光子穿过吸收物质时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量。
闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子，闪烁光子入射到光阴极上，光电效应产生光电子，电子会在阳极负载上建立起电信号等原理，对γ射线进行研究。
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，波长短于0.2埃的电磁波，具有很强的穿透性。
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，通过电子学仪器得到它的能谱图。
实验中使用NaI单晶γ闪烁谱仪对γ的能谱进行测定。
最后得到γ射线在160道数及320道数位置的一些相关数据。
在这些位置它的数量和能量的值都比较合适，有一定数量，又有一定的穿透能力。
实验中将了解NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪是如何测量γ射线的能谱，NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的结构、原理与特性；掌握NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用方法。
并通过对137Cs和60Co 放射源γ能谱的测量，加深对γ射线与物质相互作用的理解以及通过该实验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。
在第一个实验的基础上，采用NaI闪烁谱仪测全能峰的方法测量137Cs的γ射线在铅、铝材料中的吸收系数。
并且通过实验对核试验安全防护的重要性有初步的认识。
关键词γ射线吸收系数μ60Co、137Cs放射源能谱NaI单晶γ闪烁谱仪多道分析器引言γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，γ射线是光子，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γ射线。
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。
γ射线能谱的测量
（一）γ射线能谱的测量摘要：本实验将了解闪烁探测器谱仪的工作原理及其使用；学习分析实验测量的137Cs和60Coγ谱之谱形和γ射线能谱的刻度测定谱仪的能量分辨率,本实验的目的是了解NaI(Tl)闪烁谱仪的原理、特性与结构，掌握NaI(Tl)闪烁谱仪的使用方法和γ射线能谱的刻度。
关键词：γ射线Na(Tl)闪烁探测器能谱图单道脉冲幅度分析器引言：闪烁探测器是利用某些物质在射线作用下会发光的特性来探测射线的仪器。
它的主要优点是：既能探测各种带电粒子，又能探测中性粒子；既能测量粒子强度，又能测量粒子能量；且探测效率高，分辨时间短。
它在核物理研究和放射性同位素测量中得到广泛的应用。
核物理的发展,不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据,新的核技术，如核磁共振、穆斯堡尔谱学、晶体的沟道效应和阻塞效应，以及扰动角关联技术等都迅速得到应用。
核技术的广泛应用已成为现代化科学技术的标志之正文：实验原理1.闪烁谱仪结构与工作原理ＮａＩ（Ｔｌ）闪烁谱仪结构如图。
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（当Ｅγ＞1.02ＭｅＶ时），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。
闪烁体发出的光子被闪烁体外的光反射层反射，会聚到光电倍增管的光电阴极上，打出光电子。
光阴极上打出的光电子在光电倍增管中倍增出大量电子，最后为阳极吸收形成电压脉冲。
每产生一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。
由于电压脉冲幅度与粒子在闪烁体内消耗的能量（产生的光强）成正比，所以根据脉冲幅度的大小可以确定入射粒子的能量。
利用脉冲幅度分析器可以测定入射射线的能谱。
γ射线能谱的测量
正文：
一、实验目的 1、 了解闪烁探测器的结构、原理。 2、 掌握 Nal（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、实验原理 Υ 射线能谱的测量
1、NaI(Tl)单晶Υ 闪烁探测器介绍：
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
4 9
100 %
（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 △CH η = CH ×100% （2） Δ CH 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。 η = 1 ×100% E （3） 通常 NaI(Tl)单晶γ 闪烁谱仪的能量分辨率以 137CS 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。
γ放射性测量与分析课件
γ谱仪的主要技术指标
峰康比
➢ 峰康比是指峰中心道最大计数与康普顿坪内平 均计数之比。它说明了若一个峰落在另一个谱 线的康普顿坪上，是否能清晰的表现出来，即 存在高能强峰时探测低能弱峰的能力。峰康比 越大，峰越便于观察和分析
➢ 影响峰康比的因素主要是分辨率和峰总比，峰 总比是指全能峰内的脉冲数与全谱下的脉冲数 之比，它与射线能量、晶体大小、射线束是否 准直以及晶体包装物质和厚度等因素有关。
➢ 对煤、粉煤灰、建筑材料、矿物质及初加工产 品等一般分析的是天然放射性，这类样品采集 后凉干，磨碎，过筛（一般100目左右）后， 用聚乙烯塑料样品盒封装
➢ 对土壤、沉积物的采集有特定的方法
γ样品的采集与制备
➢ 土壤样品的采集与制备
❖ 土壤的采样和分析是测定沉积到地面的气载 和水载放射性累积量的有效方法。
175-325 175-225
面包
225-325
谱仪的刻度
➢ 体刻度源的制备
❖ γ体源的基体物质必须满足以下要求：
a. 与样品的主要化学成分相同或相近； b. 与样品的物理形态，如固态、液态、颗粒度、密度或比重 等相同或相近； c. 与样品相比，本身的放射性活度可以忽略； d. 与加入的标准放射性物质易于均匀混合； e. 物理、化学性质稳定。
➢ 能量分辨率与射线能量有关
对NaI(Tl)谱仪，通常给出的是对137Cs的 662keV全能峰的相对半宽度，一般可达 10%左右，好的可达6-7%。对Geγ谱仪， 分辨率通常用对60Co的1.33MeV全能峰的 半宽度表示，典型数据是： FWHM=1.9keV。
➢ 为了说明峰的形状，通常还定义峰的十 分之一宽度 TWHM。
放射性地球物理第5章 伽玛能谱测量-文档资料-PPT精品文档
3 1 2 C , C , C U Th K
Ni各道 净计数
一、铀、钍、钾含量及其比值的计算
一、铀、钍、钾含量及其比值的计算
3、铀、钍、钾测量道的选择
• 镭道一般选1.76MeV为其中间位置。对于钍系 元素，其主要全能峰为2.62MeV,选此峰为其中 间位置作为钍道。钾道一般都选为 1.46MeV全 能峰为其中间位置。 • 道宽的大小，应选择适当，既要考虑上述原则， 又应使被测全能峰整个包括在内，而相邻峰又 被排除在外为原则。一般应使道宽略大于所选 全能峰的能量与探测器能量分辨率的乘积（取 该乘积的整数）。
一、铀、钍、钾含量及其比值的计算
3、铀、钍、钾测量道的选择
• 能谱仪器测量道宽选择示例：两台能谱仪器， 其对137Cs的能量分辨率分别是15％和10％，其 对测量道宽选择结果如下。 铀、钍、钾测量道的选择
国外著名测井公司伽玛能谱能 窗选择方案
二、换算系数的测定
岩石上实测铀系、钍系和钾的γ 射线能谱图
• 对于同时含有铀、钍、钾的岩石，采用能谱仪， 设置测定1.76、2.62、1.46MeV的三个能窗进行测 量，各能窗测量的计数可以表征为：
IU a 1w U b 1w Th c 1w K ITh a2w U b 2w Th c 2w K IK a3w U b 3w Th c 3w K
Cu b C N 1 a 1 1 Th b 2C Th N2 a2Cu
b 2 N 1 b1 N 2 CU a 1b 2 a 2 b1 a1N 2 a 2 N 1 C Th a 1b 2 a 2 b1 C Th a1N 2 a 2 N 1 CU b 2 N 1 b1 N 2
γ射线能谱的测量
（一）γ射线能谱的测量摘要：本实验将了解闪烁探测器谱仪的工作原理及其使用；学习分析实验测量的137Cs和60Coγ谱之谱形和γ射线能谱的刻度测定谱仪的能量分辨率,本实验的目的是了解NaI(Tl)闪烁谱仪的原理、特性与结构，掌握NaI(Tl)闪烁谱仪的使用方法和γ射线能谱的刻度。
关键词：γ射线Na(Tl)闪烁探测器能谱图单道脉冲幅度分析器引言：闪烁探测器是利用某些物质在射线作用下会发光的特性来探测射线的仪器。
它的主要优点是：既能探测各种带电粒子，又能探测中性粒子；既能测量粒子强度，又能测量粒子能量；且探测效率高，分辨时间短。
它在核物理研究和放射性同位素测量中得到广泛的应用。
核物理的发展,不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据,新的核技术，如核磁共振、穆斯堡尔谱学、晶体的沟道效应和阻塞效应，以及扰动角关联技术等都迅速得到应用。
核技术的广泛应用已成为现代化科学技术的标志之正文：实验原理1.闪烁谱仪结构与工作原理ＮａＩ（Ｔｌ）闪烁谱仪结构如图。
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（当Ｅγ＞1.02ＭｅＶ时），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。
闪烁体发出的光子被闪烁体外的光反射层反射，会聚到光电倍增管的光电阴极上，打出光电子。
光阴极上打出的光电子在光电倍增管中倍增出大量电子，最后为阳极吸收形成电压脉冲。
每产生一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。
由于电压脉冲幅度与粒子在闪烁体内消耗的能量（产生的光强）成正比，所以根据脉冲幅度的大小可以确定入射粒子的能量。
利用脉冲幅度分析器可以测定入射射线的能谱。
水中放射性核素的γ能谱分析方法
水中放射性核素的γ能谱分析方法放射性核素的γ能谱分析方法是利用各种传感器或仪器，检测水体中放射性核素的γ射线来分析水中放射性核素含量的方法，是测量水体放射能污染的主要手段之一。
通过研究和实践，该方法已成为可靠的检测技术，可以在一定范围内准确地测量水体中放射性核素的含量。
一、放射性核素的γ能谱测量原理首先，γ能谱分析是检测放射性核素的重要手段，其原理是通过放射性核素中γ射线的能量和数量特征，来确定放射性核素的含量。
其次，γ射线的能量受到放射性核素的原子结构、能级和电荷等参数的影响，因此每种放射性核素在γ射线能量上具有独特的特征。
最后，放射性核素的γ能谱总是由多条线构成，以及每条线的相对数量，可以使用其能谱指纹，判断水体中存在的放射性核素种类及其含量。
二、放射性核素的γ能谱测量技术放射性核素的γ能谱分析需要运用特殊的传感器和仪器，其目的是通过检测放射性核素中γ射线的能量和数量，从而分析水体中存在的放射性核素种类及其含量。
传感器和仪器中常用的有：（1）多普勒谱仪。
多普勒谱仪是一种可以对水体中放射性核素和其他辐射源进行非破坏性检测的仪器，其原理是利用γ射线的特性和谐振效应，从而使水体中放射性核素的能量得到分辨，以及放射性核素的数量得到评估。
（2）γ波谱计。
它是一种非破坏性检测放射性核素的仪器，利用多种探测元件对水体中放射性核素的γ射线进行能谱分析，从而获得准确的能谱结果，从而确定其中放射性核素的种类及其含量。
（3）γ计数器。
它是一种可以检测和测量放射性核素的仪器，它的原理是通过检测放射性核素中的γ射线来确定水体中放射性核素的含量，而通过设置有效的放射事故报警系统，从而可以对异常的γ射线能谱结果作出有效的预警措施。
三、放射性核素的γ能谱测量结果分析在实际操作中，放射性核素的γ能谱测量结果以曲线图的形式表示，以提供给使用者准确的研究结果。
研究人员可以通过综合分析放射性核素的γ能谱曲线图，从而获得水体中放射性核素的种类和含量，从而为水体污染物的识别和控制提供重要的参考依据。
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1万六千道，采用８１９２道，两道作为一道 输出
四、实验步骤
开机并稳定半小时以上； 测量１３７Cs标准源； 测量１52Ｅu标准源，进行能量刻度； 测量镀镭指南针； 测量样品的特征γ射线谱。
基本概念
全能吸收峰：光子的能量都阻止在 晶体（耗尽层）里，形成的脉冲峰
感兴趣区域 ROI （region of interested）
本底 毛面积 Gross area 净面积 Net area
毛面积Ag（ Gross area）
由全能峰（ROI）覆盖的所有道的计数 的总和为总面积计数
h
Ag
Ci
il
净面积An（ net area）
全能峰的净面积就是可变总面 积减去可变计算的本底
RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY
实验三
放射性核素γ射线谱的认识及 活度测定
——HPGe数字化γ谱仪
地球物理与信息技术学院
一、实验目的
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；
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；
了解能量刻度方法； 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。
多道脉冲幅度分析器（MCA)
多道脉冲幅度分析器，脉冲信号幅度分布的 仪器。它把脉冲信号按幅度的大小进行分类 并记录每类信号的数目。
主要由模数转换（ADC）、地址编码器和存 储器构成；探测器将不同能量的伽马射线换 成幅度与能量成正比的脉冲信号，输入到 ADC，转化成数字表示，进入编有地址的存 储器中
思考题
如果某一个核素放出几种不同能量的γ 射线，γ谱分析时用一种能量还是用几 种能量 ?
用γ谱分析方法测定样品中镭含量时， 样品为什么要密封30天以上？
定性: 识别放射性核素(利用特征伽玛射 线谱)
定量: 相对比较法 效率刻度法
相对比较法
分别计算出标准源和样品中各特征峰的 全能峰面积,按以下公式计算出标准源 的刻度系数
标准源中第j种核素中第i个特征峰的刻度系 数为
C j,i
标准源种第j种核素的活度（Bq） A ji标 A jib
Aji标为标准源谱线中第j种核素的第i个特征峰的全能峰净 面积（cps）； Ajib为本底谱线中第j种核素的第i个特征峰的全能峰净面 积（cps），若本底谱线中不含有第j种核素，则该值为0 ；
能量刻度
• 用60Co、137Cs、及发射多种γ射线的152Eu等能 量刻度源刻度γ谱仪系统的能量响应，将道数与 能量一一对应起来,能量刻度首先要识别核素，再 确定MCA道数与能量的关系
N
E
AnC n
n0
C是能量为E的γ射线全能峰峰位道址，无量纲， An为拟合参数，单位为keV
伽玛能谱分析的原理
半导体探测器中的电子－空穴对称为探 测器的信息载流子，3eV(半导体探测 器)。
HPGe探测器工作原理
Q E q W
Q V
CF
Er-伽玛射线能量 q-电子电荷
W-产生电子-空穴电离能 Q-输出电荷 V-脉冲幅度 CF-反馈电容
1－0.8mm不锈钢丝；2 －玻璃钢支柱；3－活性 炭；4－内胆；5－镀铝 涤纶薄膜；6－真空室外 套；7－多孔套管；8－ 活性炭；9－导冷棒；10 －外壳；11－定位器和 套卡；12－前置电极； 13－导线螺钉；14－晶 体台；15－电极支架； 16－下电极；17－晶体； 18－屏蔽罩；19－真空 罩；20－氟橡胶密封圈； 21－真空室外壳；22－ 液氮注入管道；23－内 胆颈管；24－液氮。
三、仪器—高纯锗伽马能谱仪
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)
仪器探测器结构
HPGe探测器工作原理
探测的射线进入灵敏区，产生电离，生 成大量的电子-空穴对，在外加电场作 用下，电子和空穴分别迅速向正负两极 漂移、被收集，在输出电路中形成脉冲 电信号
被测样品中的第j种核素的比活度为
Qj
C ji ( Aji Ajib ) WD j
Aji为被测样品第j种核素的第i个特征峰的全能峰净面积 （cps）： W为被测样品的净干重（kg）； Dj为第j种核素校正到采样时的衰变校正系数。
实验报告
绘制能量刻度曲（线性拟合） 简述伽玛能谱定量分析的原理及方法；