用闪烁谱仪测γ射线能谱 (14)
,γ能谱测量方法
γ能谱测量是一种用于分析和测量γ射线的能量和强度分布的方法。
以下是几种常见的γ能谱测量方法：
1.闪烁体探测器（Scintillation Detector）：该方法使用具有闪烁性质的物质作为探测器，
当γ射线通过闪烁体时，会产生光闪烁。
这些闪烁信号被转换为电信号，并通过放大和处理后，形成γ能谱。
2.半导体探测器（Semiconductor Detector）：半导体探测器利用半导体材料的特性来测量
γ射线的能量。
当γ射线与半导体相互作用时，会产生电子-空穴对。
通过测量这些电荷对的移动和收集，可以得到γ能谱。
3.多道分析器（Multichannel Analyzer）：多道分析器是一种将不同能量范围内的γ射线
分离并计数的设备。
它通常与闪烁体或半导体探测器一起使用。
多道分析器将接收到的信号根据能量进行离散化，并将其对应到不同的道址上，形成γ能谱。
4.探测器阵列（Detector Array）：此方法使用多个探测器组成的阵列来测量γ射线。
每个
探测器都可以提供关于能量和位置的信息，通过组合分析得到完整的γ能谱。
这些方法在γ能谱测量中具有不同的特点和应用范围，可以根据实验需求选择合适的测量方法。
无论采用哪种方法，γ能谱测量都是研究核物理、放射性衰变以及其他与γ射线相关领域的重要手段。
γ射线能谱测量
γ射线能谱测量——物理0805 乔英杰u200810200王振宇u200810256实验背景：19世纪下半叶，物理学家对X射线和阴极射线进行了大量的研究，导致了放射性、电子以及α、β、γ射线的发现，这些射线的发现同时也为原子科学的发展奠定了基础。
自20世纪进入原子能时代，科学家对射线进行了更进一步的研究，射线在科学技术中开始渗透，根据γ射线具有波长短、能量高、穿透能力强和对细胞有很强的杀伤力的特性，γ射线的应用也成了一门新兴产业，现在它已经应用到了国民经济和社会生活的各个领域，特别是在工农业、医疗卫生和生物学方面取得了巨大的成果和效益，为科学技术和人类历史的进程起了巨大而深刻的影响。
目前γ射线的应用正在蓬勃快速的发展，应用领域仍在不断拓宽，它以低能耗、无污染、无残留、安全卫生等优点，深受众多行业的青睐，可是，其危害性也不容忽视。
我们需要对γ射线深入了解，才能在降低其危害性的同时让其更好的为我们服务。
本实验采用闪烁探测器和多道脉冲幅度分析器对γ射线的能量分布谱进行测量，以便我们了解用闪烁探测器测量γ射线的方法，学会分析能谱的特征及其影响因素。
实验原理：1、闪烁探测器工作原理：闪烁探测器探测γ射线时，γ光子与物质作用不直接产生电离，而是发生光电效应、康普顿效应、电子对效应，闪烁体的原子、分子、电离或激发的作用来自三种效应所产生的次级电子。
这样，我们就得到了对应于γ射线能量强度的电信号。
之后，光电倍增管将所得电信号放大（倍增管阴极与阳极之间有十余个打那级，每个打那级均发生电子的倍增现象），其阳极最后收集电子的电极，与射级跟随器电路相连，使收集到的电子流以电压脉冲的方式输出。
2、γ闪烁能谱仪的工作原理：如下图（1）所示，整个仪器的信号传递大致是：由γ射线放射源放出的γ射线被闪烁探测器接受并转换为电压脉冲，前置放大器和脉冲放大器对探测器输出的电压脉冲进行放大，最后这些脉冲被多道分析器采集、处理。
多道分析器的到是指在分析器中存在的记录不同高度脉冲的位置。
康普顿散射
N
p
(θ
)
=
N (θ )R(θ )η(θ
)
4π Ω
将式（6）代入式（11）则有：
N p (θ )
=
dσ (θ ) dΩ
R(θ )η(θ )
4π Ω
N 0 N eΩf
由式（12）可得：
dσ (θ ) =
N p (θ )
dΩ R(θ )η(θ )4πN0 Ne f
（8） （9） （10） （11） （12） （13）
般用相对比较性求得微分截面的相对值 dσ (θ ) / dσ (θ0 ) ，如假定散射角θ = 0° 的微分散射 dΩ dΩ
截面的相对值为 1，其它散射角θ 的微分散射截面与其之比为
dσ (θ ) / dσ (θ0 ) = N p (θ ) / N p (θ0 ) dΩ dΩ R(θ )η(θ ) R(θ0 )η(θ0 )
别取：θ = 20°,40°,60°,80°,100°,120° 。
5. 测量上述散射角的本底谱。取下散射棒，记下和步骤 4 中相同时间内相同道数区间的本 底面积。
6. 导出微分散射截面与散射角θ 的关系，以及散射 γ 光子的能量与散射角θ 的关系。
思考题 1. 分析本实验的主要误差来源，试述有限立体角的影响和减少实验误差的方法。 2. 讨论实验值与理论值不完全符合的原因。
（14）
由式（14）可看出，实验测量的就是 N p (θ ) 。由表 1 和表 2 给出的数据，用内插法或作图
法求出 R(θ ) ，η(θ ) ，R(θ0 ) ，η(θ0 ) ，就可以求出微分散射截面的相对值。注意， N p (θ )
和 N p (θ0 ) 的测量条件必须相同。
E/Mev
η(θ )
伽马γ能谱测量分析近代物理实验报告
γ能谱的测量中山大学 2013级材料物理供参（吓）考（你），此报告真心累数据处理注：本实验所有数据来自文件“蝙蝠侠”一、改变高压，保持其他条件不变（通道数1024）观察137Cs能谱变化图1 改变高压，137Cs能谱变化曲线图分析：1.137Cs的γ能谱应该呈现三个峰和一个平台的连续分布，从通道低到高依次为X射线峰、反散射峰、康普顿效应贡献的平台以及反映γ能量的全能峰。
高压越大，统计越明显。
2.随着高压增大，全能峰向右移动，并且高度下降、宽度增大。
因为闪烁谱仪能量分辨率不变，高压增大，道址增大，∆V V又不变，则∆V大，故宽度变大，高道址的粒子数减少，高度下降。
二、改变通道数，保持其他条件不变（高压500V）观察137Cs能谱变化分析：（见图2）1.由于通道数1500后粒子数很少，能谱曲线趋于横轴，故横坐标只取到1500，方便观察。
2.道数越小，全能峰对应的道址越小，全能峰也越高、越瘦。
因为道数越小，则每个道址包含的能量间隔越大，统计的粒子个数就越多，从而使全能峰越高。
三、60Co的γ能谱曲线图（500V，通道数2014）图3 60Co的γ能谱曲线图分析：1.因为全能峰可以表示γ射线的能量，60Co两个峰对应的射线能量在图中标出，分别为1173keV、1333keV。
2.为探究能谱仪的效率曲线，需要知道每个核素测量所得能谱图的全能峰面积。
计算方法如下：全能峰面积即图中峰与底部线段所围成的面积，可用能谱曲线下的面积减去线段两端与横轴所围成的梯形面积，而能谱曲线下的面积可用线段之间所有道址对应的粒子数的加和来表示。
加和结果通过matlab进行求和而得。
虽然计算方式较为粗糙，但基本符合。
对于左侧全能峰：S(E)1=7287-(27+60)*(626-551)/2=3981对于右侧全能峰：S(E)2=5824-(27+13)*(726-626)/2=3824四、137Cs的γ能谱曲线图（500V，通道数2014）图4 137Cs的γ能谱曲线图分析：1.全能峰面积为：S(E)=9916-(13+2)*90/2=92412.137Cs的γ能谱呈现三个峰和一个平台的连续分布，A为全能峰，这一幅度的脉冲是0.662MeV的γ光子与闪烁体发生光电效应产生的。
γ能谱法 标准
γ能谱法标准γ能谱法是一种通过测量γ射线的能量分布来分析物质成分和结构的方法。
它具有高灵敏度、高分辨率和高准确性的特点，被广泛应用于环境监测、材料科学、核物理等领域。
为了确保γ能谱法测量的准确性和可靠性，需要制定相应的标准来规范实验操作和数据处理。
一、实验设备标准探测器：选择具有高探测效率、低本底噪声和稳定性能的探测器，如高纯锗探测器、闪烁计数器等。
屏蔽材料：采用适当的屏蔽材料，如铅、铜等，以减少外部γ射线和宇宙射线的干扰。
校准源：使用已知活度和能量的校准源，对探测器进行能量和效率校准，确保测量结果的准确性。
二、实验操作标准样品制备：根据实验需求，选择合适的样品制备方法，如研磨、压片等，以获得均匀的样品。
测量时间：根据样品的活度和探测器的性能，确定合适的测量时间，以确保足够的计数统计量。
背景测量：在没有样品的情况下进行背景测量，以扣除探测器本底和环境干扰对测量结果的影响。
数据记录：详细记录实验过程中的各种参数，如测量时间、源到探测器的距离、探测器的温度和电压等，以便后续的数据处理和分析。
三、数据处理标准能谱分析：利用专业的能谱分析软件，对测量得到的γ能谱进行平滑、去噪和寻峰处理，以获得准确的峰位和峰面积信息。
效率校正：根据探测器的能量响应和效率曲线，对测量结果进行效率校正，以消除探测器对不同能量γ射线的探测效率差异。
放射性核素识别：通过比对已知核素的γ射线能量和强度信息，识别样品中的放射性核素种类。
活度计算：根据识别出的核素种类和其对应的γ射线强度，结合相应的半衰期信息，计算样品中各核素的活度。
四、质量控制标准定期校准：定期对探测器和能谱分析系统进行校准，以确保其性能和测量结果的稳定性。
重复测量：对同一样品进行多次重复测量，以评估测量结果的稳定性和可靠性。
结果比对：将不同实验室或不同方法获得的测量结果进行比较和分析，以验证γ能谱法的准确性和适用性。
通过以上标准的制定和执行，可以确保γ能谱法测量的准确性和可靠性，为相关领域的研究和应用提供有力的技术支持。
康普顿散射虚拟仿真实验记录数据处理报告
康普顿散射实验一、实验目的（1）了解射线与物质的相互作用过程，熟悉常用的核辐射探测器的工作原理及特性，并掌握其使用方法；（2）利用闪烁体探测器谱仪测量γ能谱并学习能谱分析方法；（3）了解γ射线在物质中的吸收规律，并测量不同能量γ射线在典型物质中的吸收系数；（4）掌握康普顿效应光子的测量方法，验证康普顿散射的γ光子能量及微分截面与散射角的关系。
二、实验原理1.γ射线与物质相互作用当γ射线入射至闪烁体时，主要发生光电效应、康普顿效应和电子对效应三种基本相互作用过程。
对于低能γ射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势；对于中能γ射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效应占优势；对于高能γ射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优势。
1)光电效应γ光子与介质的原子相互作用时，整个光子被原子吸收，其所有能量传递给原子中的一个电子（多发生于内层电子）。
该电子获得能量后就离开原子而被发射出来，称为光电子。
光电子的能量等于入射γ光子的能量减去电子的结合能。
光电子与普通电子一样，能继续与介质产生激发、电离等作用。
由于电子壳层出现空位，外层电子补空位并发射特征X射线。
2)康普顿效应1923年美国物理学家康普顿(pton)发现X光与电子散射时波长会发生移动，称为康普顿效应。
γ光子与原子外层电子（可视为自由电子）发生弹性碰撞，γ光子只将部分能量传递给原子中外层电子，使该电子脱离核的束缚从原子中射出。
光子本身改变运动方向。
被发射出的电子称康普顿电子，能继续与介质发生相互相互作用。
散射光子与入射光子的方向间夹角称为散射角，一般记为θ。
反冲电子反冲方向与入射光子的方向间夹角称为反冲角，一般记为φ。
当散射角θ=0°，散射光子的能量为最大值，这时反冲电子的能量为0，光子能量没有损失；当散射角θ=180°时，入射光子和电子对头碰撞，沿相反方向散射回来，而反冲电子沿入射光子方向飞出，这种情况称反散射，此时散射光子的能量最小。
原子核物理实验方法8
如果能谱仪在测量的整个幅度范围内具有能量线性时，可 用幅度分辩率表示能量分辨率：
能量分辨率在理论上也可以用输出脉冲幅度的标准误差表 示：
能量测量系统组成
各种粒子的能量测量是粒子物理与原子核物理领 域最广泛的技术。
1）探测器
探测器的输出脉冲幅度正比于入射粒子在探测器中损失的 能量，如电离室、正比计数器、多丝正比室、半导体探测 器、闪烁计数器等。
2）单道脉冲幅度分析器
用途：选择一定幅度范围内的信号。
3）脉冲幅度谱
积分谱：定义幅度超过某个阈值的计数。连续改变阈值，
测量不同阈值时幅度超过该阈值的脉冲计数所得到的分布 谱线。
微分谱：定义幅度位于某一范围V到V+Δ V的计数。连续
改变阈值V，道宽ΔБайду номын сангаасV不变，所得到的分布谱线。微分谱直 接显示入射粒子的各种能量。对于单一能量的入射带电粒 子只有一个峰。
测量方法：用单道测量微分谱，一次只能测一道的计数；
3.γ 射线能谱
γ 射线是单能，但不能直接被记录，而是通过三种效应产 生次级电子间接被记录。所以单能γ 射线能谱除了峰之外 还有较大的连续谱。
γ 射线由全能峰、康普顿连续谱、反散射峰、逃 逸峰、叠加峰、Ｘ射线峰等组成。 全能峰：γ 射线与探测器物质发生光电效应、电子对效
应、康普顿效应产生的次级粒子没有跑出探测器而都被探 测器所吸收，构成全能峰，所以全能峰的能量精确等于γ 射线的能量。
放大器成形电路时间常数为1μ s。精密脉冲发生器通常使 用水银开关脉冲产生器。
便携式γ能谱仪的原理及应用
便携式γ能谱仪的原理及应用γ射线是由原子核衰变所产生的，当原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时，就可能会辐射出γ射线。
γ射线强度按能量分布即为γ能谱。
测量γ能谱最常用的仪器为便携式γ能谱仪。
γ能谱仪可以将探测到的γ射线强度和能量绘制成γ能谱，进行快速核素识别，因此也常用于野外对岩地或地层的钾、钍、铀（镭）、的γ强度测量，或计算含量分析地质等。
在实际应用中便携式γ能谱仪因其性价比高、操作维护比较简单、探测效率高（识别时间短），能满足大多数测量需求，因此广泛应用于工业生产、质量检查、工程地质、建筑材料和环境检测中。
探测原理便携式γ能谱仪探头部分由探测器（闪烁体）、光电倍增管和前置放大器构成。
闪烁体是一类能吸收能量，并能在大约一微秒或更短的时间内把所吸收的一部分能量以光的形式再发射出来的物质。
由于γ射线不同于α和β粒子，它类似于光和其它电磁辐射，具有很强的穿透性，容易被高电子密度的物质所吸收（如铅）。
就探测器而言，某些无机盐能有效地吸收γ光子，发射出强度正比于所吸收γ射线能量的光子。
例如铊激活的碘化钠（闪烁体），用来探测γ射线，效率较高。
当射线通过闪烁体时，闪烁体被射线电离、激发，会使闪烁体探测器产生荧光，光子被光电倍增管所接收。
所探测到的γ射线能量越高，所产生的荧光光子数目也就越多，再由光电倍增管实现光子到脉冲信号的转换，经电路信号处理完成模/数转换输出。
闪烁体探测器也是近几年来发展快速，应用广泛的核辐射探测器。
使用方法便携式γ能谱仪比较热门的型号有AT6102、Interceptor、SAM940等，就拿常用的几款举例来说实际使用操作是差不多的。
在检测之前仪器应当保持电量充足以便于长时间的现场测量。
当需要检测时检查仪器电量并开机充分预热（几分钟），以便于调节光电倍增管的电压，稳定系统增益，从而达到稳定谱线准确测量的目的。
有的γ能谱仪也可能会使用到参考源，参考源同样也是为了稳定谱线而制作的，如果稳定温度和测量温度差别较大可能需要重新稳定。
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用闪烁谱仪测γ射线能谱
周林 PB05210020
一．实验步骤：
1.测量前先将光电倍增管预热20分钟左右，以使测量时光电倍增管可以稳定工作。
2.改变线性放大器的放大倍数，观察光电峰位置变化的规律。
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。
粒子计数应至少为3000.
3. 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，并绘制
Cs 137
的γ能谱图。
4.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。
提示：Co 60的γ射线能量约为Cs 137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Co 60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址分析器的道址而降低了能量分辨率，因此需考虑怎样才是合适的放大倍数？
二．实验数据处理：
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
实验测得光电峰位置与放大倍数数据如下：
合）如下图所示 ：
300
400
500
600
700
800
900
峰道址
放大倍数
由上面的图形和数据可知光电峰位置和放大倍数呈线性关系。
2. 绘制
Cs 137
的γ能谱图
实验原始数据如下：
放大倍数1.10 得
Cs 137
的γ能谱图图像如下：
5000
10000
15000
20000
25000
峰值
峰道址
从能谱图上看，有几个较为明显的峰：光电峰Ee （道址404.3，峰值23869，分辨率8.9%），又称全能峰，其能量就对应γ射线的能量Ey 。
Ec （道址254）即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。
背散射峰Eb （道址110.4,峰值8897，分辨率250.5%）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。
3. 计算谱仪的能量刻度
当放大倍数为1.1时，光电峰道址B=404.3，背散射峰道址A=110，4，所以能量刻度的计算结果如下：
MeV E MeV MeV A B Eb Ee e 3632.14
.1103.404184.0661.0-=--=--=
4. 绘制Co 60的γ能谱图并计算其两个光电峰的能量标度 实验原始数据如下：
作得Co 60的γ能谱图图像如下：
-500
05001000150020002500300035004000
峰值
峰道址
由e= MeV E 3632.1-和1γE （721）、2γE （828）的道址可得两峰的能量为：
1γE =MeV E 3632.1-*721=1.176MeV
2γE =MeV E 3632.1-*828=1.351MeV
又两峰能量的理论值为：'1γE =1.17MeV '2γE =1.33MeV
相对误差分别为：%51.0%100*17
.117
.1176.11=-=
η
%57.1%100*33
.133
.1351.12=-=η
5. 实验注意事项及误差分析：
1. 测量前应该先将光电倍增管预热20分钟左右，以使测量时光电倍增管可以
稳定工作； 2. 闪烁谱仪测量的是各能量段的粒子数，其结果服从统计规律。
因此要得到较
准确的结果必须使粒子数足够多。
本实验要求计数大于3000。
3.
用Cs 137的γ能谱图求出能量刻度e 后，再做Co 60的能谱图时，不能再
改变线性放大器的放大倍数。
因为不同的放大倍数对应的能量刻度e 是不一样的。
只有在同一放大倍数下，求得的e 才能用来计算Co 60的光电峰能量。
4.
道址、计数都是离散型数据，而γ能谱是连续型的，本实验是用这些
离散型的数据来近似连续型的γ能谱。
它们之间的差别是误差的主要来源之一。
5.
在测量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时，最后几个数据的测量偏差较大；而由
Cs 137
的γ能谱图和Co 60的γ能谱图可以看出
实验所取的数据不是很合理，以致两个能谱图不是很形象；因为实验的图像是离散的，所以在用
Cs 137
的γ能谱图中的光电峰值和道址测量能量刻度并
不是很准确，这对后面Co 60的γ能谱图的两个光电峰的能量计算产生更大的误差。
不过从实验的结果来看误差很小，因此用此方法测量还算合理。
三．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：Co 60的γ射线能量约为Cs 137的γ射线能量的2倍，多道分析器的
道址总数为1024，因而应该调节线性放大器，使得Cs 137的光电峰道址略低于
500.测量过程中该工作条件不能再改变，因为改变线性放大器的放大倍数，能量刻度e 也会随之而变，从而光电峰的道址也会改变，就不能同时测量Cs 137和Co 60的光电峰。