實(shí)驗(yàn)四閃爍探測(cè)器及r能譜的單道測(cè)量

1、云南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 實(shí)驗(yàn)報(bào)告云南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：普通物理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：實(shí)驗(yàn)四 閃爍探測(cè)器及r能譜的單道測(cè)量 學(xué)生姓名：馬曉嬌 學(xué)號(hào)：20131050137 物理科學(xué)技術(shù) 學(xué)院 物理 系 2013 級(jí) 天文菁英班 專業(yè)成績(jī)指導(dǎo)老師：張遠(yuǎn)憲 試驗(yàn)時(shí)間：2015 年 11月 6 日 13 時(shí) 00 分至 15 時(shí) 00 分實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：物理科學(xué)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)類型：教學(xué) (演示 驗(yàn)證 綜合 設(shè)計(jì)) 學(xué)生科研 課外開放 測(cè)試 其它11一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解 射線與物質(zhì)相互作用的基本原理;2、掌握閃爍探測(cè)器的工作原理及使用方法；3、掌握能譜儀基本性能的確定;4、掌握簡(jiǎn)單放射源的能譜測(cè)

2、量。二、實(shí)驗(yàn)原理 原子核由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)會(huì)輻射 射線，它是一種波長(zhǎng)極短的電磁波，其能量由原子核躍遷前后的能級(jí)差來表示即：射線與物質(zhì)發(fā)生相互作用則產(chǎn)生次級(jí)電子或能量較低的 射線，將 射線的次級(jí)電子按不同能量分別進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)量，從而得到 輻射強(qiáng)度按能量的分布，即為“能譜”。測(cè)量能譜的裝置稱為“能譜儀”。（一）射線與物質(zhì)相互作用射線與物質(zhì)相互作用是射線能量測(cè)量的基礎(chǔ)。射線與物質(zhì)相互作用主要有三種效應(yīng)，即光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng)。1、射線與物質(zhì)相互作用。當(dāng)射線的能量在30MeV以下時(shí)，最主要的相互作用方式有三種：（1） 光電效應(yīng)。射線的全部能量轉(zhuǎn)移給

3、原子中的束縛電子，使這些電子從原于中發(fā)射出來，光子本身消失。（2）康普頓散射。入射光子與原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它反沖出來，而散射光子的能量和運(yùn)動(dòng)方向都發(fā)生了變化。（3） 電子對(duì)效應(yīng)。 光子與靶物質(zhì)原子的原子核庫侖場(chǎng)作用，光子轉(zhuǎn)化為正-負(fù)電子對(duì)。 在光電效應(yīng)中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光電子脫離原子束縛所需的電離能，另一部分就作為光電子的動(dòng)能。所以，釋放出來的光電子的能量就是入射光子能量和該束縛電子所處的電子殼層的結(jié)合能B之差。雖然有一部分能量被原子的反沖核所吸收，但這部分反沖能量與射線能量、光電子的能量相比可以忽略。因此，E光電子 (1)即

4、光電子動(dòng)能近似等于射線能量。值得注意的是，由于必須滿足動(dòng)量守恒定律，自由電子（非束縛電子）則不能吸收光子能量而成為光電子。光電效應(yīng)的發(fā)生除入射光子和光電子外，還需要有一個(gè)第三者參加，這第三者就是發(fā)射光子之后剩余下來的整個(gè)原子。它帶走一些反沖能量，但該能量十分小。由于它的參加，動(dòng)量和能量守恒才能滿足。而且，電子在原子中被束縛得越緊（即越靠近原子核），越容易使原子核參加上述過程。所以在K殼層上發(fā)生光電效應(yīng)的概率最大。圖1是能量為h，的入射光子發(fā)生康普頓散射的示意圖，h為散射光子的能量；為散射光子與入射光子方向間的夾角，稱散射角；為反沖電子的反沖角?？灯疹D散射與光電效應(yīng)不同。光電效應(yīng)中光子本身消失，

5、能量完全轉(zhuǎn)移給電子；康普頓散射中光子只是損失掉一部分能量。光電效應(yīng)發(fā)生在束縛得最緊的內(nèi)層電子上；康普頓散射則總是發(fā)生在束縛得最松的外層電子上。我們可以分析一下散射光子和反沖電子的能量與反射角的關(guān)系。入射光子能量為,動(dòng)量為碰撞后，散射光子的能量為，動(dòng)量為，反沖電子的動(dòng)能為Ee ，總能量為E，動(dòng)量為 P，見圖 1，它們之間有下列關(guān)系式： (2) (3)相對(duì)論能量和動(dòng)量關(guān)系為 (4)式中，v為反沖電子速度，mo 是電子靜止質(zhì)量，m是電子以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)具有的質(zhì)量。根據(jù)能量和動(dòng)量守恒定律，有下列關(guān)系式： (5) (6) (7)由此可以得到 或者因此，散射光子的能量 (8)康普頓反沖電子的動(dòng)能即 (9)

6、(10)從（8）、（9） 和 （10）式可以看出：（1） 當(dāng)散射角 時(shí)，散射光子能量，達(dá)到最大值。這時(shí)反沖電子的能量Ee0。這就是說，在這種情況下入射光子從電子近旁掠過，未受到散射，所以光于能量沒有損失。 （2） 當(dāng)時(shí)，入射光子與電子對(duì)心碰撞后，沿相反方向散射出來，而反沖電子沿著入射光子方向飛出 ，這種情況稱反散射。這時(shí)散射光子能量最小，即由此式可以推斷出，即使入射光子的能量很大，反散射光子的能量也都在200keV左右。這也是能譜上容易辨認(rèn)反散射峰的一個(gè)原因。發(fā)生康普頓效應(yīng)時(shí)，散射光子可以向各個(gè)方向散射。對(duì)于不同方向的散射光子，其對(duì)應(yīng)的反沖電子能量也不同。因而即使入射光子的能量是單一的，反沖電

7、子的能量卻是隨散射角連續(xù)變化的。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)都表明，入射光子的康普頓反沖電子能譜如圖2所示。電子對(duì)效應(yīng)是光子從原子核旁經(jīng)過時(shí)，在原子核的庫侖場(chǎng)作用下，光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子的過程。根據(jù)能量守恒定律，只有當(dāng)入射光子能量>，即>1.02 MeV 時(shí)，才能發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)。與光電效應(yīng)相似，電子對(duì)效應(yīng)除涉及入射光電子和電子對(duì)以外，必須有一個(gè)第三者原子核參加。2、NaI（Tl）能譜儀介紹。 圖3是NaI（Tl）閃爍能譜儀的方框圖。 當(dāng)放射源發(fā)出的射線進(jìn)入閃爍體時(shí)，光子即與閃爍體中的原子、分子及晶體系統(tǒng)發(fā)生相互作用（如光電效應(yīng)，康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng)等）。相互作用的結(jié)果產(chǎn)生次級(jí)電子，

8、光子的能量轉(zhuǎn)化為次級(jí)電子的動(dòng)能。探頭的閃爍體是熒光物質(zhì)，它被次級(jí)電子激發(fā)而發(fā)出熒光，這些光子射向光電倍增管的光陰極。由于光電效應(yīng)，在光陰極上打出光電子，每個(gè)光電子在光電倍增管中的打拿極（倍增極）上打出多個(gè)電子，這些電子又打在其他級(jí)的打拿極上，打出更多的電子，經(jīng)過多次倍增，最后有大量電子射向管子的陽極，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。以上光電轉(zhuǎn)換過程之間能夠保持良好的線性關(guān)系，從而使光電倍增管輸出的脈沖幅度，正比于光子在閃爍體內(nèi)由各種效應(yīng)面產(chǎn)生的次級(jí)電子的能量。通常，光電倍增管輸出的脈沖幅度不超過1V，所以必須經(jīng)過線性沖放大器放大后，再輸入到單道（或多道）脈沖幅度分析器中，對(duì)不同幅度的脈沖強(qiáng)度進(jìn)行分析。單道脈

9、沖幅度分析器主要由上、下兩個(gè)甄別器和一個(gè)反符合電路組成，如圖4（a）所示。上甄別器有較高的閾電壓VV，下甄別器有較低閾電壓V，V稱為道寬，如圖4（b）所示。反符合電路的作用是，僅當(dāng)一個(gè)輸入端有信號(hào)輸入時(shí)才有信號(hào)輸出。這樣，脈沖A不能通過上、下甄別器，脈沖C都能通過上、下甄別器，這兩種情況均不能使反符合電路有信號(hào)輸出。只有介于上、下甄別閾之間的脈沖B才能觸發(fā)反符合電路使單道分析器有脈沖輸出 ，送到定標(biāo)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。我們通過不斷改變甄別閾V，就可能得到脈沖計(jì)數(shù)率按其幅度分布的曲線，叫作“脈沖譜”。由于脈沖幅度正比于射線的能量，所以“脈沖譜”既是射線的能譜曲線。以上是單道分析器作“微分”測(cè)量的情形。當(dāng)

10、作“積分”測(cè)量時(shí)，上甄別器不輸出脈沖到反符合電路，故只要幅度高于下甄別閾的脈沖均能通過分析器得計(jì)數(shù)。我們可根據(jù)不同的需要作“微分”或“積分”測(cè)量。多道分析器相當(dāng)于多個(gè)單遒分析器。它把分析器的分析范圍（5伏或10伏）按不同的測(cè)量平均分成256道、 512道、1024道、 2048道等。各道能同時(shí)測(cè)量，可測(cè)出介于各窄小道寬內(nèi)的脈沖強(qiáng)度，既可在幕上同時(shí)顯示各道的計(jì)數(shù)，也可由打印機(jī)打印出來，因此能便捷地測(cè)量能譜。3、137Cs 能譜分析。圖5是137Cs的衰變綱圖。它可發(fā)出能量為1.176MeV的粒子，成為基態(tài)的137Ba；而主要的衰變過程是發(fā)出能量為0.517MeV的粒子，成為激發(fā)態(tài)的137Ba*，

11、再躍遷到基態(tài)發(fā)出能量為0.662MeV的單能射線。其能譜是有三個(gè)峰和一個(gè)坪臺(tái)的連續(xù)分布，如圖6 所示。圖中的峰A稱為全能峰，這一幅度的脈沖是 0.662MeV 的光子與閃爍體發(fā)生光電效應(yīng)而產(chǎn)生的，它直接反映了射線的能量。平臺(tái)狀曲線B是康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)，它的特征是散射光子逃逸出晶體后留下一個(gè)連續(xù)的電子譜。峰C是反散射峰，當(dāng)射線射向閃爍體時(shí),總有一部分射線沒有被吸收而逸出，當(dāng)它與閃爍體周圍的物質(zhì)發(fā)生康普頓散射時(shí)，反散射光子可能進(jìn)入閃爍體發(fā)生光電效應(yīng)，其電脈沖就形成反散射峰。峰D是X射線峰，它是由137Ba 的 K 層特征X射線貢獻(xiàn)的。處于激發(fā)態(tài)的137Ba（在放出內(nèi)轉(zhuǎn)換電子后，造成K殼層空位，外層

12、電子向 K殼層躍遷后產(chǎn)生X光子。由于137Cs 發(fā)出的射線能量為0.662MeV（小于1.02MeV），所以它與閃爍體作用不會(huì)發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)。4、譜儀的性能指標(biāo) 一臺(tái)閃爍譜儀的性能指標(biāo)，包括能量分辨率、線性及穩(wěn)定性等。探測(cè)器輸出脈沖幅度的過程中存在著統(tǒng)計(jì)漲落，即使是有確定能量的粒子的脈沖幅度，仍具有一定的分布。通常把分布曲線極大值一半處的全寬度稱為半高寬，即圖6中的 E，有時(shí)也用 FWHM表示，它反映了譜儀對(duì)相鄰的脈沖幅度或能量的分辨本領(lǐng)。因?yàn)橛行q落因素與能量有關(guān)，故使用相對(duì)分辨本領(lǐng)即能量分辨率更為確切。一般譜儀在線性條件下工作，因此 也等于脈沖幅度分辨即（11） 標(biāo)準(zhǔn)源137Cs 的全能峰

13、最為明顯和典型，用 NaI（Tl）閃爍體的譜儀測(cè)量其 0.662MeV的射線，能量分辨率一般為 810，理想的能量分辨率為 7.8。因此，常用137Cs的射線的能量分辨率來檢驗(yàn)與比較譜儀性能優(yōu)劣。能量線性指譜儀對(duì)射線的能量和它產(chǎn)生的脈沖幅度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般NaI（Tl）閃爍譜儀在較寬的能量范圍內(nèi)（約lO0keV 到1300keV）是近似線性的。通常，在實(shí)驗(yàn)中用系列標(biāo)準(zhǔn)源，在相同的條件下分別測(cè)量它們的能譜，用其全能峰峰位（閾電壓值）與已知的射線能量作關(guān)系圖，稱為能量刻度曲線。理想的能量刻度曲線是不通過原點(diǎn)的一條直線，即。 (12)式中x為全能峰位，G為增益（每伏對(duì)應(yīng)的能量），E0為截矩。利用

14、這條能量刻度曲線還可以測(cè)量未知源的射線能量。顯然，確定未知7射線能量的準(zhǔn)確度取決于全能峰位的準(zhǔn)確性。這將與譜儀的穩(wěn)定性、能量刻度線的原點(diǎn)及增益漂移有關(guān)。因此，一臺(tái)好的譜儀必須具有長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。（二）閃爍探測(cè)器能譜儀一般由閃爍體、光電倍增管、線性脈沖放大器、脈沖分析器組成。（1） 閃爍體：是一類能吸收能量，并能在大約一微秒或更短時(shí)間內(nèi)把所吸收的一部分能量以光的形式再發(fā)射出來的物質(zhì)。閃爍體按其化學(xué)性質(zhì)可分為兩大類：無機(jī)閃爍體和有機(jī)閃爍體，無機(jī)閃爍體大都是一些固體的無機(jī)晶體。有機(jī)閃爍體都是苯環(huán)碳?xì)浠衔铮煞譃榫w、液體和塑料三種。對(duì)閃爍體的主要要求：對(duì)射線有較大的組織本領(lǐng)，即對(duì)射線有高的吸收率，

15、以達(dá)到高的探測(cè)效率；發(fā)光率高，并且不隨射線的能量而變化，滿足后條件才能使輸出的脈沖強(qiáng)度于射線能量成正比；發(fā)光延續(xù)時(shí)間短，即保證有較高的時(shí)間分辨率；發(fā)光光譜能與光電倍增管的光譜響應(yīng)度相匹配。（2） 光電倍增管和線性脈沖放大器：光電倍增管的作用是將閃爍體發(fā)出的微弱閃光信號(hào)裝換成電脈沖信號(hào)。光電倍增管由光陰極、倍增電極、陽極板等部分組成。（3） 脈沖幅度分析器：是測(cè)量電脈沖信號(hào)幅度分布的儀器。它把脈沖信號(hào)按幅度的大小劃分區(qū)間，并記錄每個(gè)區(qū)間里的電脈沖數(shù)目。（三） 和 能譜分析 發(fā)出能量為 的 粒子,成為基態(tài)的 (約占總核數(shù)的);而主要的衰變過程是發(fā)出能量為 的 粒子,成為激發(fā)態(tài)的,再躍遷到基態(tài)發(fā)出能

16、量為 的單能射線(約占總核數(shù)的).其能譜是三個(gè)峰和一個(gè)平臺(tái)的連續(xù)分布.（四）能譜儀的性能指標(biāo) 一臺(tái)能譜儀的性能指標(biāo)，包括能量分辨率、線性及穩(wěn)定性等。對(duì)于多道脈沖分析器其技術(shù)指標(biāo)還有：道數(shù)、道寬、道寬的誤差、道寬的穩(wěn)定性、分析零點(diǎn)的誤差、分析零點(diǎn)的穩(wěn)定性、微分直線性、積分直線性、死時(shí)間和可測(cè)的最大脈沖計(jì)數(shù)率等。 探測(cè)器輸出脈沖的過程中存在著統(tǒng)計(jì)漲落，即使是有同一能量的粒子所產(chǎn)生的脈沖，其幅度任具有一定的分布。通常把分布曲線極大值一半處的全寬度稱為半高度。三、 實(shí)驗(yàn)裝置 NaI(Tl)閃爍探測(cè)頭/單道分析器FH1220型/多道分析器BH1324/示波器/計(jì)算機(jī)/標(biāo)準(zhǔn)源 , 各一個(gè),未知源一個(gè)。四實(shí)

17、驗(yàn)內(nèi)容1、按圖連接單道能譜儀,用示波器觀察的脈沖波形,調(diào)節(jié)線性放大器的放大倍數(shù)使我們看到的波形滿足下面兩個(gè)條件:(1)使幅度最大的脈沖剛好小于10v,而又不能太低(2)由高度相近的脈沖閃爍形成的亮帶要窄.2、調(diào)節(jié)單道分析器的道寬為0.1v,從小到大改變閾值,依次測(cè)量電壓區(qū)間,其間隔為0.1v,直到閾值上限.測(cè)量本地譜,以閾值為橫坐標(biāo),計(jì)數(shù)率為縱坐標(biāo)描圖并計(jì)算能量分辨率 .五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(一) 電壓計(jì)數(shù)電壓計(jì)數(shù)電壓計(jì)數(shù)電壓計(jì)數(shù)0.1882.6655.1337.6390.2852.7825.2527.7300.3672.8635.3457.8280.4722.9685.4487.9220.56937

18、15.5518410.6693.1555.6488.1360.7683.2605.7438.2270.8693.3775.8558.3350.9653.4635.9518.4381643.5596518.5341.1703.6696.1508.6351.2853.7536.2438.7401.3693.8686.3478.8381.4613.9576.4358.9251.5714496.5369331.6724.1546.6459.1251.7814.2576.7489.2311.8684.3496.8379.3281.9834.4656.9449.4212594.5627349.5302.1

19、764.6597.1409.6272.2684.7507.2399.7302.3604.8527.3279.8232.4714.9387.4509.9272.5725517.54110272）電壓計(jì)數(shù)電壓計(jì)數(shù)電壓計(jì)數(shù)電壓計(jì)數(shù)0.11372.61355.11177.61000.21382.71345.2997.7830.31392.81285.3957.8820.41352.91155.41167.9790.511931295.51018970.61483.11435.61088.1890.71133.21035.7918.2790.81313.31475.81048.3780.91243.49

20、45.9898.48811213.511561108.5751.11513.61196.11038.6801.21403.71116.2258.7881.31293.81126.3888.8791.41383.91116.4818.9721.51364966.5939801.61144.11026.6869.1761.71344.21236.7869.2761.81064.31106.8929.3831.91344.41066.91009.49521334.512071129.5712.11244.61117.1859.6802.21414.71167.2749.7872.31394.8106

21、7.3779.8542.41174.91147.4899.9842.59551027.5771059實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師簽名學(xué)生簽名實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師填寫1、實(shí)驗(yàn)記錄是否完整準(zhǔn)確 2、有無涂改抄襲現(xiàn)象六、數(shù)據(jù)處理(一) 的 能譜1、Gaussian7階擬合得到當(dāng)?shù)罃?shù)在4.0960時(shí)取得 0.6620（2）的 能譜1、Gaussian7階擬合得到當(dāng)?shù)罃?shù)在1.991時(shí)取得1.3300當(dāng)?shù)罃?shù)在2.928時(shí)取得 1.1700（三）使用最小二乘法作出能量刻度曲線七、 思考與討論 1、用閃爍能譜儀測(cè)量單能7射線的能譜，為什么呈連續(xù)的分布？     由于單能射線

22、所產(chǎn)生的這三種次級(jí)電子能量各不相同，甚至對(duì)康普頓效應(yīng)是連續(xù)的，因此相應(yīng)一種單能射線，閃爍探頭輸出的脈沖幅度譜也是連續(xù)的。 2、反散射峰是怎樣形成的？ 如何從實(shí)驗(yàn)上減小這一效應(yīng)？    反散射峰主要由打到光電倍增管上或晶體周圍物質(zhì)上后反散射回到晶體中的射線產(chǎn)生。射線在源襯底材料上的反散射也會(huì)對(duì)反散射峰有貢獻(xiàn)。  放射源輻射射線的方向具有一定的隨機(jī)性, 它在源襯底材料上的反散射我們無法加以控制。對(duì)于射向光電倍增管的射線我們也不能加以限制, 因?yàn)樽罱K對(duì)能譜的測(cè)量和觀察全靠光電倍增管將晶體中產(chǎn)生的光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈

23、沖。因此我們只能限制射向晶體周圍物質(zhì)的射線，這有以下兩種方式： （1）通過加大探頭和放射源之間的距離以加大射線對(duì)晶體周圍物質(zhì)的入射角并觀察反散射峰和光電峰計(jì)數(shù)率的變化。距離改變較小時(shí)計(jì)數(shù)率的變化不明顯, 而距離拉得太遠(yuǎn)又影響探頭的探測(cè)效果。 （2）在放射源和探頭之間加一個(gè)準(zhǔn)直裝置。  3、如何從示波器上觀察到的 脈沖波形圖，判斷譜儀能量分辨率的好壞？ 譜儀的工作條件（放大倍數(shù)、高壓等）對(duì)能量分辨率有何影響？  因?yàn)檩敵龇瓤梢宰儞Q為射線的能量，如果線性良好，可以直接變?yōu)?W 表示出譜儀能夠區(qū)分能

24、量很靠近的兩條譜線的本領(lǐng)，或者說它代表了譜儀能夠分辨開（兩種能量很相近）的能量差的相對(duì)值的極限。顯然W越小越好，表示它能將靠得很近的譜線分開。對(duì)于一臺(tái)譜儀來說，近似地有   即譜儀的分辨率還與入射粒子的能量有關(guān)。 譜儀的穩(wěn)定性在本實(shí)驗(yàn)中是很重要的，譜儀的能量分辨率，線性的正常與否與譜儀的穩(wěn)定性有關(guān)。因此在測(cè)量過程中，要求譜儀始終能正常的工作，如高壓電源，放大器的放大倍數(shù)，和單道脈沖分析器的甑別閾和道寬。如果譜儀不穩(wěn)定則會(huì)使光電峰的位置變化或峰形畸變。在測(cè)量過程中經(jīng)常要對(duì)137Cs的峰位，以驗(yàn)證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。為避免電子儀器隨溫度變化的影響，在測(cè)量前儀器必須預(yù)熱半小時(shí)。  4、測(cè)量能譜時(shí)，單道分析器上選“微分”檔。若選“