γ能谱实验

γ能谱实验

和原子的能级间跃迁产生原子光谱类似，原子核的能级间产生γ射线谱。测量γ射线强度按能量的分布即γ射线谱，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。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，而且用量很大。

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，原子核的能量状态时不连续的，存在分立能级。处在

能量较高的激发态能级E

2上的核，当它跃迁到低能级E

1

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hγ= E

2 - E

1

，

此处h为普朗克常熟，γ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射线按能量的分布。

闪烁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。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。对于无机晶体NaI(Tl)而言，其发射光谱最强的波长是415nm的蓝紫光，其强度反映了进入闪烁体内的带电粒子能量的大小。应选择适当大小的闪烁体，可使这些光子一射出闪烁体就被探测到。

2. γ射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式：

1）光电效应

当能量为Eγ的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能连转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失，发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应。发射出光电子的动能

E e=E r−B i

B i为束缚电子所在可层的结合能。原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X射线。例如L层电子跃迁到K层，放出该原子的K系特征X射线。

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，γ光子被散射改变了原来的能量和方向，计算给出反冲电子的动能为

式中m

c2为电子静止质量，角度θ是γ光子的散射角，见下图所示，由图看出0

反冲电子以角度φ出射，φ与θ间有以下关系

由式（2）给出，当θ=1800时，反冲电子的动能E e有最大值，此时

这说明康普顿效应的反冲电子的能量有一上限最大值，称为康普顿边界E

C 3）电子对效应

c2时，γ光子从原子核旁经过并受到核的库仑场作用，当γ光子能量大于2m

可能转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对效应。此时光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和，如

c2 = 1.02 MeV

其中2 m

综上所述，γ光子与物质相遇时，通过与物质原子发生光电效应，，康普顿效应或电子对效应而损失能量，其结果是产生次级带电粒子，如光电子，反冲电

子或正负电子对，次级带电粒子的能量与入射γ光子的能量直接相关。因此，克通过测量次级带电粒子的能量求得γ光子的能量。

闪烁γ能谱仪正是利用γ光子与闪烁体香菇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。

闪烁谱仪的结构框图及各部分的功能如下图所示

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单道或多道分析器，从而获得γ射线的能谱。本仿真实验用的是单道分析器。

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。

三实验仪器

单道脉冲幅度分析器，闪烁探头，多道脉冲分析器和计算机数据处理系统，光电倍增管，闪烁谱仪。

四实验内容及步骤

实验内容

1.熟悉各仪器的使用方法，用多道分析器观察137Cs的γ能谱的形状，识别其光

电峰及康普顿边界等。改变线形放大器的放大倍数，观察光电峰位置变化的规律。

2.测量137Cs的γ能谱光电峰与线形放大器放大倍数间的关系。要求至少取10个

不同数据并作最小二乘法拟合给出相关结果。

3.测量137Cs的60Co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。提示60Co的γ射线能量约为137Cs 的γ射线能量的两倍，要求在多道分析器的横轴道址范围内使二者均能显示出来，需选择合适的放大倍数，如果放大倍数太大会使60Co的光电峰逸出道址范围：如果放大倍数太小又不能充分利用多道分析器给定的道址而降低了能量分辨率，因此需要考虑怎样才是合适的放大倍数？

4.汇出137Cs和60Co源的γ能谱图，给出谱仪的能量标定并计算60Co源的γ

射线能量。

实验步骤

I仪器调节

(1) 打开高压电源开关。

(2) 按实验要求调节高压值。

(3) 打开线性率表开关，调节放大倍数。每改变一次放大倍数值，不断改变

阈值，同时从线性率表中观察Cs137的峰位，直至满足实验要求。

(4) 按实验要求调节定标器的工作选择、时间选择旋钮。

(5) 按实验要求调节道宽。

(6) 调节完成，双击仪器上方的黄色标题栏，关闭仪器，返回实验室台面。