闪烁谱仪测γ射线能谱(牛雷)
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。
Nal(Tl)γ闪烁谱仪及γ射线的吸收和物质吸收系数μ的测定实验报告
N al(Tl)γ闪烁谱仪及γ射线的吸收和物质吸收系数μ的测定实验报告物理072 07180217 陈焕摘要：介绍了Nal(Tl)γ闪烁谱仪，以及进行γ射线能谱的测量和物质吸收系数μ的测定实验内容以及所涉及的实验原理。
关键字：Nal(Tl)γ闪烁谱仪γ射线物质吸收系数μ引言：γ射线由法国科学家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。
γ射线是因核能级间的跃迁而产生，原子核衰变和核反应均可产生γ射线。
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。
实验内容：本实验使用的仪器为RES-02型相对论效应实验仪，也就是Nal(Tl)γ闪烁谱仪。
1、γ射线能谱的测量Nal(Tl)γ闪烁谱仪实际是记录射线强度和能量。
强度通过转变为电压信号的幅值来反映，而能量通过道数来反映，能量与道数成正比，这样就可以得到最终的曲线图。
进行γ射线能谱实验，放入放射源，要分别对放射源137Cs、60Co源进行能谱分析。
点开软件，设置参数。
137Cs源的测量时间为300s，60Co源的测量时间为500s，道数都为512。
调节电压到700V附近，再进行细调，使137Cs源的全能峰的峰值对应的道数为160，60Co 源的全能峰的峰值对应的道数为320。
然后进行测量。
因为γ射线的接受器不可能精确对准放射源的小孔，所以要选取三个位置测量，选取计数率最大的，作为最佳位置。
图像见附录。
2、物质吸收系数μ当γ光子穿过吸收物质时，通过与物质原γ子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量；γ射线一旦与吸收物质原子发生这三种相互作用，原来能量为h ν的光子就消失，或散射后能量改变、并偏离原来的入射方向；总之，一旦发生相互作用，就从原来的入射γ束中移去。
γ射线穿过物质时，射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，公式为00r N xxI I eI eσμ--==。
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。
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射线能量
用闪烁谱仪测γ射线能量——PB04210251 敖欢欢一、 实验目的：1、学习用闪烁谱仪测量γ射线能谱的方法；2、要求掌握闪烁谱仪的工作原理和实验方法；3、学会谱仪的能量标定方法并测量γ射线的能谱。
二、实验原理：根据原子核结构理论，原子核阶跃放出的γ射线的光量子能量12E E hv -=。
1、γ射线与物质的相互作用 １） 光电效应 光电子的动能i e B E E -=γ （1）i B 为束缚电子所在壳层的结合能，γE 是入射γ光子的能量。
２） 康普顿效应γ光子与自由静止的电子发生碰撞，而将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子。
反冲电子的动能e E 有最大值，此时γγE c m E E 2120max +=（4）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E C 。
闪烁γ能谱仪是利用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。
2、γ能谱的形状闪烁γ能谱仪可测得γ能谱的形状，图2.2.1-6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，1)光电峰e E ，又称全能峰，其能量就对应γ射线的能量γE 。
对Cs 137，此能量为0.661Ｍe Ｖ。
2)C E 即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。
3、谱仪的能量刻度和分辨率 （1）谱仪的能量刻度如果对应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 AB e --=661.017.1 （6）测得未知光电峰对应的道址再乘以e 值即为其能量值。
三、数据处理：1、 测量Cs 137的γ能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间的关系：400450500550600650700峰道址放大倍数[2006-4-2 20:06 "/Graph1" (2453827)] Linear Regression for Data1_B: Y = A + B * XParameterValueError------------------------------------------------------------ A 252.689093.7388B86.07273 1.05141------------------------------------------------------------ RSD NP------------------------------------------------------------ 0.9994 2.86498 10 <0.0001由以上分析很容易看出放大倍数与峰道址是成线性关系 R=0。
浙师大物理实验报告-NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪及γ射线能谱的测量
浙师大近代物理实验报告NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪及γ射线能谱的测量γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定任希物理081 08180123摘要：在了解了γ射线与物质相互作用的基本特性与多道脉冲幅度分析器在NaI（T1）单晶γ谱测量中的数据采集及其基本功能之后，我们通过使用NaI（T1）γ闪烁谱仪，测量137Cs 和60Co的γ能谱，并求出各项指标，分析谱形。
并且进一步了解窄束γ射线在物质中的吸收规律，并通过仪器测量了γ射线在不同物质中的吸收系数，通过对比不同物质的吸收系数，了解γ射线的性质。
关键词：NaI（T1）γ闪烁谱仪137Cs、60Coγ能谱吸收系数引言1896年法国物理学家H．贝可勒尔发现铀的放射性，以及1898年M．居里和P．居里发现钋和镭以后，人们开始认识到一类元素具有放射性，并陆续发现了其他放射性元素。
随着科技的不断进步发展，放射性元素最早应用的领域是医学和钟表工业。
后来放射性元素的应用更深入到人类物质生活的各个领域，例如核电站和核舰艇使用的核燃料，工业、农业和医学中使用的放射性标记化合物，工业探伤、测井（石油）、食品加工和肿瘤治疗所使用的某些放射源等。
由此可见放射性元素的价值所在。
在科研、工农业生产、医疗和环境保护等方面，应用γ射线的能谱测量技术，可以分析活化以后的物质中各种微量元素的含量。
但直接测量γ射线的强度是很困难的。
闪烁探测器是利用带电粒子转化成带电粒子对物质原子的激发，从而产生发光效应来探测射线的，它还能测量粒子强度和能量，由于具有探测效率高和分辨时间短等优点得到广泛应用。
正文：1.γ射线能谱的测量实验室所提供的仪器为NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪，其余素材包括Co和Cs两种放射源，还有Pb和Al两种测量吸收系数时所用的材料。
根据所提供的实验素材，首先我们需要测量Cs和Co的全能峰，即利用电脑软件画出以上两种元素的能谱图，全能峰的测量具有一定的意义，在能谱图左侧的高峰虽然有一定的量子数，但是其包含的能量太低，中间的峰虽然有一定的能量，但量子数太低，只有最右侧的全能峰具有一定的量子数和一定的能量，有研究的价值。
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实验题目: 用闪烁谱仪测γ射线能谱 4+ 实验目的: 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。
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。
闪烁γ能谱仪可测得γ能谱的形状，图2.2.1-6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。
数据处理:
1)测量Cs 137的γ能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间的关系
Y A x i s T i t l e
X Axis Title
X:放大倍数 Y:道址
由图知
Cs 137
的γ能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间有线性关系,斜率为9.77333 2) 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。
Cs 0.184Mev
Cs 0.661Mev
由上两图数据知
0.6610.184
453.4118.2
e MeV
-
=
-
=0.001423MeV
则此道址对应能量为E=816.0e=816.0×0.001423MeV=1.161MeV
则此道址对应能量为E=929.4e=929.4×0.001423MeV=1.323MeV
实验结论:
137的γ能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间成线性关系
1. Cs
60源的γ射线能量分别为1.161MeV和1.323MeV
2. Co
思考题:
137和用闪烁谱仪测量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 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？
Co
60的光电峰不会逸出道址范围,能充答:选择电压561.0V,增益1.80为工作条件,这样Co
分利用多道址分析器的道址而保证能量分辨率.
在测量过程中工作条件绝对不能改变,改变后道址与能量的线性关系就不一样了,即能
量刻度e不同,这样根据Cs测出的e就不能用来与Co比较了.
PB04210263
牛雷
实验内容不全
实验报告题目下面要署名。