原子核物理实验方法Chapter4
原子核物理实验方法Chapter0
核成像技术 离子束分析 检测用核技术 辐射工艺 等
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同位素示踪技术成为生物、化工、医学 和地矿领域中必不可少的强有力的工具。
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0.1课程简介
课程类型：核技术专业本科生的专业课 学时学分：56学时（=48学时教学+8学时实验），3学分 先修要求：数理统计、原子核物理、原子物理学
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作业提交：每一章讲完之后一周内，统一由学委提交授课老师 基本目的：1. 学习原子核物理实验的实验基础 2. 学习探测器原理及应用 3. 学习核辐射测量及粒子鉴别技术 内容提要：1.放射测量中的统计学 2.射线与物质的相互作用 3.核探测器核实验测量方法 4.核参数测量 5.中子探测 6.粒子鉴别
课程名称：《原子核物理实验方法》
第０章 绪论
张清民 副教授 zhangqingmin@ 核科学与技术学院 能源与动力工程学院 西安交通大学
核科学与技术学院 School of Nuclear Science and Technology
目录
0.1 0.2 0.3 0.4 课程简介 教材及参考书 本课程的考查 原子核物理实验发展简史
0.3 本课程的考查
总成绩构成：
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平时10%：平时作业判分，按比例折算计入总成绩。 实验15%： ① 低本底NaI闪烁体γ谱仪应用实验 ② 时间-幅度变换器(TAC)的测试 ③ 模数变换器(ADC)的特性测试 课堂出勤及表现5% 课堂出勤抽查，缺勤一次扣1分，直到扣完为止。 期末考试70% 期末考试题目重在考查理解水平和对基础知识的掌握能力， 过于复杂的公式不考，如果考的话会给出来。特别注重对原理 性和影响使用因素的考查。
(完整版)原子核物理及辐射探测学1-4章答案
第一章 习题答案1-1 当电子的速度为18105.2-⨯ms 时，它的动能和总能量各为多少？答：总能量 ()MeV ....c v c m mc E e 924003521511012222=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-==；动能 ()MeV c v c m T e 413.011122=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--= 1-2.将α粒子的速度加速至光速的0.95时，α粒子的质量为多少？答：α粒子的静止质量()()()u M m M m e 0026.44940.9314,244,224,20=∆+=≈-= α粒子的质量 g u m m 2322010128.28186.1295.010026.41-⨯==-=-=βα1-4 kg 1的水从C 00升高到C 0100，质量增加了多少？答：kg 1的水从C 00升高到C 0100需做功为J t cm E 510184.41001184.4⨯=⨯⨯=∆=∆。
()kg c E m 1228521065.4100.310184.4-⨯=⨯⨯=∆=∆ 1-5 已知：()();054325239;050786238239238u .U M u .U M ==()()u .U M ;u .U M 045582236043944235236235==试计算U-239,U-236最后一个中子的结合能。
答：最后一个中子的结合能()()()[]MeV .uc .c ,M m ,M ,B n n 774845126023992238922399222==⋅-+=()()()[]MeV .uc .c ,M m ,M ,B n n 54556007027023692235922369222==⋅-+= 也可用书中的质量剩余()A ,Z ∆：()()()()MeV ....,n ,,B n 806457250071830747239922389223992=-+=∆-∆+∆= ()()()()MeV ....,n ,,B n 545644242071891640236922359223692=-+=∆-∆+∆=其差别是由于数据的新旧和给出的精度不同而引起的。
原子核物理4
22.101 应用核物理（2004年秋）第2讲（9/13/04）薛定谔波动方程参考文献：Eisberg, Fundamentals of Modern Physics (Wiley & Sons, New York, 1961). R. L. Liboff, Introductory Quantum Mechanics (Holden Day, New York, 1980)._____________________________________________________________________在这一讲，我们将对原子核进行量子力学的描述。
核的某些性质只能用量子力学才能进行恰当的描述，其中最容易想到的是核的能级以及能级之间的跃迁。
其它的例子包括各种各样的核辐射；在这些例子中，我们有时将辐射当作波看待，有时又当作粒子来处理。
论述量子力学本身并不是本讲的目标。
然而，为了正确理解核的有关概念以及辐射相互作用，我们没有理由回避使用量子力学。
事实上，认真学习这门课的读者在决定是否学习量子力学这个问题上几乎别无选择。
这是因为量子力学的概念和术语已经是核物理的一个不可分割的组成部分了，以至于量子力学的一些知识已成为全面掌握核物理所必须的了。
整个这学期我们的原则是学习足够的量子力学来理解核物理的基本概念，并且让每个有兴趣的学生学得更深入。
这意味着我们并不总是要推导所使用的基本表达式和方程，学生可以把这些方程作为假设来使用（正如通常情况一样，同学有权力去独立钻研背景材料）。
波与粒子先回顾一下波的基本性质和波粒二象性的概念。
在经典力学里，一维周期性扰动),(t x ξ的方程是：22222xc t ∂∂=∂∂ξξ （2.1） 这个方程有如下的通解：)(0),(t kx i e t x ωξξ−= (2.2)其中πνω2=是圆频率，ν是频率，k 是波数，与波长λ的关系为πλ2=k 。
如果(2.2)式要成为(2.1)式的一个解，则和k ω必须满足如下的关系ck =ω (2.3) 因此我们得到的解是相速度等于c 的行波的形式，用ph ν代表这个速度。
原子核物理实验方法-兰北
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎰min max 20422042ln π4π4max min b b v m e NZz b db v m e NZz dx dE b b ion NB v m e z dx dE ion 2042π4=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=2222201ln 2ln c v c v I v m Z B 一、 射线与物质的相互作用1、 带电粒子与靶物质原子的碰撞载能带电粒子在靶物质的慢化过程，完全是由带电粒子与靶物质原子中的电子和靶原子核发生各种相互作用的结果，可归纳为1) 与核外电子发生非弹性碰撞；2) 与原子核发生弹性碰撞；3) 与原子核发生非弹性碰撞；4) 与核外电子发生弹性碰撞；与核外电子发生非弹性碰撞：当带电粒子从靶物质近旁掠过时，入射粒子与靶原子核外电子的库仑相互作用使电子获得一部分能量。
称为电子阻止。
如果电子获得的能量足以使电子脱离原子核的束缚成为自由电子，这个过程就叫做电离；如果传递给电子的能量较小，只能使电子从低能级状态跃迁到高能级状态，这个过程就叫做激发。
这是带电粒子穿过物质时损失动能的主要方式。
与靶原子核的非弹性碰撞：入射带电粒子靠近靶原子核时，会受到原子核的库仑力作用，使入射粒子的速度和方向发生改变。
这种运动状态的改变，伴随着发射电磁辐射，并使入射粒子能量损失较大。
对于α粒子和β粒子，由于二者质量相差较大，因此与靶原子核的非弹性碰撞α粒子运动状态改变不大，而β粒子运动状态改变显著。
与原子核发生弹性碰撞：满足动能守恒和动量守恒，入射带电粒子被反弹，靶原子核被反冲。
从靶物质对原子核的阻止看，称为核阻止。
与核外电子发生弹性碰撞：满足动能守恒和动量守恒。
极低能量的β粒子入射才需考虑。
2、重带电粒子与物质的相互作用（如质子和α粒子）重带电粒子与物质相互作用主要分为两部分：与核外电子发生非弹性碰撞(电子阻止)和与原子核发生弹性碰撞(核阻止)。
原子核物理实验方法
原子核物理实验方法
1 原子核物理实验方法
原子核物理实验方法是研究物质原子或核结构和行为的实验方法，是应用物理学原理探索原子或核现象的关键手段。
是研究物质原子、
核及其相互作用的核物理实验。
1.1 同步辐射实验
同步辐射实验是以同步辐射装置(同步加速器)释出的电子束，经
入射腔、反射腔、放大器和调谐器等设备，同步循环传输，使电子束
获得加速而得到高能时，在探测器前斩断，将电子束转换成强烈辐射，以此来研究核素和电子及其间的相互作用，以达到研究目的。
1.2 核共振吸收实验
核共振吸收实验本质上是一种射频和脉冲NMR实验，通常是由核
磁共振物理光源和一个反应器组成的一种物理实验。
利用反应系统加
以调节，可以使反应系统具有可控的射频和脉冲原子核吸收，以及核
磁共振应用研究原子核，进行分子计算和模拟，并在实验室里实现核
磁共振成像。
1.3 核内应力装置实验
核内应力装置实验是为探究原子核素中子体系结构和中子质量分布，用各种辐射粒子，如电子、中子、轻微子、突变线等，向样品放
射，测定反应后产物能位分布，并从能位结构中推断核内形态，用以
研究界面特性和结构、研究半衰期及分布等的原子核物理实验。
原子核物理实验是物质原子或核结构和行为的实验方法，也是用
物理学研究原子和核现象的关键手段，目前常用的实验方法主要有同
步辐射实验、核共振吸收实验和核内应力装置实验。
由于它们使得我
们能够更好地了解物质组成，因此在科学研究中起着非常重要的作用。
原子核物理实验方法Chapter1
1.1核衰变数和计数的统计分布
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放射性计数的统计涨落： 在放射性测量中，即使所有实验条 件都是稳定的， 在相同时间内对同 在相同时间内对同一对象进行多次测量，每 对象进行多次测量，每 次测到的计数并不完全相同，而是围绕某个平均值上下涨落。 1. 不是观测者的主观因素造成的 2. 不是测量条件变化引起的。 3. 而是微观粒子运动过程中的一种规律现象，是放射性原子 核衰变的随机性引起的。 在放射性核衰变中，N0个原子核在某个时间间隔内衰变的 数目n是不确定，但是n服从统计分布规律。 另一方面，原子 核衰变发出的粒子能否被探测器所接收并引起计数，也有统 计涨落问题 即探测效率的随机性问题 计涨落问题，即探测效率的随机性问题。 基于此，下面我们根据数理统计的理论分别讨论其规律性。
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系统误差影响系统的准确度，偶然误差影响系统的精 确度。 在核辐射测量中，偶然误差是一项主要的误差，产生的 原因有两个： 一是核事件的随机性产生的统计误差； 二是测量仪器在正常工作条件下的测量误差。
统计误差是一种特殊的偶然误差，是由微观世界的 随机性所决定的。
注意：在二项式分布与泊松分布中，n是离散随机变量，只能 取整数值 但对高斯分布来说 是连续型随机变数 所以f(x) 取整数值。但对高斯分布来说，是连续型随机变数，所以 理解为在x处的概率密度函数。此时， P(n)可以写成
n 0.5
P ( n)
n 0.5
f ( x)dx f (n)
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N0
2
N 0 pq m 1 p
核物理与原子核实验教学教案
● 06
第六章 总结与展望
核物理与原子核 实验教学的总结
在核物理与原子核实 验教学中，我们常常 遇到一些问题，例如 实验设备不足、学生 理论基础薄弱等。为 了提高教学效果，我 们需要定期进行教学 效果评估，及时调整 教学方案。在教学中 积累经验，分享给其 他教师也是非常有益 的。
未来发展方向
核聚变能量产生实验
聚变反应器 的设计
设计合理的反应 器结构
实验结果分 析
对实验数据进行 深入分析
实验装置
选择和搭建合适 的装置
核聚变能量产生 实验
核聚变是一种高效的 能量产生方式，通过 合并轻元素产生更稳 定的重元素释放能量。 实验中需要精确设计 反应器结构，确保能 量产生的稳定性。
放射性同位素的应用实验
可以研究核能级与核结构 之间的关系 为核反应实验提供基础理 论支持
反应堆堆芯检测实验
01 实验原理
通过测量反应堆堆芯中的辐射情况，分析反 应堆工作状态
02 实验装置
包括辐射探测器、测量仪器等设备
03 实验步骤
准备、测量、分析堆芯中辐射源的情况
总结
核反应实验是核物理领域的重要实践教学内容， 通过裂变、聚变、中子激发等实验，可以更好地 了解核反应过程及相关原理。同时，反应堆堆芯 检测实验可以帮助监测核反应堆的运行状态，确 保安全可靠。在实验中要严格控制各项参数，保 证实验结果准确性。
β衰变实验
实验目的
研究β衰变现象
实验结果分 析
通过测量β粒子 的能谱分析衰变
过程
实验装置
包括探测器和放 射性样品
γ射线探测实验
探测器原理
探测γ射线的工作原理
实验步骤
设置探测器 射线源照射
原子核物理实验方法
原子核物理实验方法
原子核物理实验是研究原子核的性质、结构和相互作用的一种方法。
原子核物理实验方法可以通过各种技术手段对原子核进行探测和研究。
下面是原子核物理实验的几种常见方法：
1. 能量谱测量法：原子核在放射性衰变或者其他核反应中发射出的粒子，如α粒子、β粒子、伽马射线等，其能量分布具有一定的规律性。
通过测量这些粒子的能谱，可以获得关于原子核结构和反应过程的信息。
2. 核共振荧光法：这种方法通过激发原子核的自旋磁矩，使其跃迁到高能级，然后再自发辐射回到基态时发射出特定的荧光。
通过测量这些荧光的特性，可以获得原子核的结构信息。
3. 转动能谱法：这种方法是通过测量气态或液态核自由转动时发射的微波辐射谱线的形状和频率，来研究原子核的结构和旋转动力学行为。
4. 放射性示踪法：这种方法是利用放射性核素的衰变特性，在试验物体中引入放射性核素，通过测量其在试验物体中的运动和分布情况，来研究物质在原子核层面的相互作用和运动规律。
总的来说，原子核物理实验方法是多种多样的，具体的实验方法会根据研究目的和样品的不同而有所不同。
在实验过程中，需要用到各种高精度的检测设备和分析方法，例如：核反应堆、加速器、探测器、电子学、计算机模拟等等。
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原子退激而发出波长在可见光波段的荧光。
(2) 荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通
过光电效应打出光电子。 (3) 电子运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号。 (4）电子学仪器记录分析。
闪烁探测器可测量粒子的数目，也测量入射粒子的 能量。既可以探测带电粒子，也可以探测中性粒子
3) 气体闪烁体：
惰性气体 如Ar、Xe等。
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二、闪烁体的物理特性 Page 8
1) 发射光谱
特点：发射光谱为连续谱。各种闪烁体都存在 一个最强波长；
要注意发射光谱与光电倍增管光阴极的光谱响应是 否匹配。
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三、常用闪烁体
1. NaI Tl
Z,高，适宜于射线探测
发光效率高 易潮解，须仔细封装
2. CsI Tl
密度和平均原子序数更高，对光子探测效率更高。 但发光效率低所以能量分辨率稍差。 不潮解，但价贵。 北京谱仪III的量能器上采用。
荧光 光子 光电倍增管 反射层 窗 (打拿极) 分压器
前置放大器
多道或单道 高压
闪烁体
光电子
光阴极
阳极
管座
暗盒
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HXMT主探测器系统
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闪烁探测器的工作过程： Page 6
（中子，光子等）。具有时间快，效率高的优点。
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4.2闪烁体
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一、闪烁体的分类
1) 无机闪烁体： 掺有激活剂的无机盐晶体
NaITl, CsITl, ZnSAg
2) 有机闪烁体： 液体闪烁体和塑料闪烁体.
由溶剂聚苯乙烯、甲苯等，透明性好。+ 溶质（发光物 质）组成（也可能有第二溶质做波长位移剂） ）
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3. ZnS Ag
透明度差 测α和其他重粒子，粉末加1%有机玻璃粉末溶于有 机溶剂涂于有机玻璃板上，薄层。
4.有机液体闪烁体
溶剂(二甲苯)+发光物质(PPO)+移波剂(POPOP)。放于玻璃
x
N(x) N0e
其中λ为常数，称为衰减长度，表示光子数（光 强）衰减到1/e的长度。表明闪烁体的光学透明 程度，越大越好，
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School of Nuclear Science and Technology来自一些常用无机闪烁体的分辨率
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光电子数
vs?
分辨率
这样的趋 势反映了 射线测量 过程中的 什么特性？
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目录
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4.1 概述 4.2 闪烁体 4.3 光电子倍增器件 4.4 闪烁探测器
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4.1 概述
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闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射 的探测器。
X光透射 人体器官的图像就是透过人体组织不同强度的X射线打在荧
光屏上使之发光而形成的； “夜光”钟表 放射性物质和荧光粉混合之后涂在钟表的数字和指针上。
1911年卢瑟福散射实验， 当时是用显微镜肉眼观察 α 粒子在ZnS荧光屏的荧光。
20世纪40年代中期，第一次将闪烁体配以光电倍增 管，随着电子学的发展，逐渐成为完善的探测器技术 。
2) 发光效率
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指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。
发光效率：Cnp
E ph E
100%
Eph闪烁体发射光子的总能量；
E入射粒子损耗在闪烁体中的能量。
对同一种闪烁体，发光效率因粒子种类不同而异，有
时可以用这一点做粒子鉴别。
以NaI(Tl)为例：
对β粒子 Cnp 13% ；对α粒子Cnp 2.6%
相对发光效率？
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3) 光能产额
光能产额：
Y ph
n ph E
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光子数 MeV
nph为产生的闪烁光子总数。
另外，发光效率:闪烁体将所吸收的射线能量转化为 光的比例。但平时使用较少。
以NaI(Tl)为例
对1MeV的β粒子，发射光子平均能量 h 3eV
或石英杯中。 大亚湾中微子实验采用LAB+PPO+ bis-MSB
5. 塑料闪烁体
苯乙烯(单体)+ PPO + POPOP，聚合成塑料。
Y ph
0.13 3eV
4.3 104
光子数
MeV
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4) 发光衰减时间 受激过程大约
109 1011 Sec
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退激过程即闪烁体发光过程按指数规律
nt n0e t
τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所需时间。
课程名称：《原子核物理实验方法》
第4章 闪烁探测器
张清民 副教授 zhangqingmin@
核科学与技术学院 能源与动力工程学院
西安交通大学
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核辐射与某些透明物质相互作用，会使其电离、 激发而发射荧光，闪烁探测器就是利用这一特性来工 作的。射线引起物质发光的现象，人们是熟悉的。
对于大多数有机闪烁体及若干无机闪烁体的发光有快、 慢两种成分：
n t
nf
t
ns t
nf
e
t
f
ns
e
t
s
f
s
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4) 光衰减长度
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描述光在闪烁体中传输情况的一个很重要的物理量。
光在传播过程中由于吸收、散射而发生衰减，对距 离而言满足指数规律。