NaITl閃爍譜儀試驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)5 : NaI(Tl)閃爍譜儀實(shí)驗(yàn)?zāi)康? . 了解譜儀的工作原理及其使用.2 .學(xué)習(xí)分析實(shí)驗(yàn)測(cè)得的137 Cs 譜之譜形.3 .測(cè)定譜儀的能量分辨率及線性.內(nèi)容1 .調(diào)整譜儀參量,選擇并固定最正確工作條件.2 .測(cè)量137Cs、65Zn、60Co等標(biāo)準(zhǔn)源之 能譜,確定譜儀的能量分辨率、刻度 能量線性并對(duì)137 cs 譜進(jìn)行譜形分析.3 .測(cè)量未知 源的能譜,并確定各條 射線的能量.原理NaI(T1)閃爍譜儀由NaI(T1)閃爍體、光電倍增管、射極輸出器和高壓電源以及 線性脈沖放大器、單道脈沖幅度分析器(或多道分析器)、定標(biāo)器等電子學(xué)設(shè)備組成. 圖1為NaI (T1)閃爍譜儀裝置的示意圖.

2、此種譜儀既能對(duì)輻射強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量又可作輻 射能量的分析,同時(shí)具有對(duì)射線探測(cè)效率高(比 G-M計(jì)數(shù)器高幾十倍)和分辨時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn),是目前廣泛使用的一種輻射探測(cè)裝置.當(dāng) 射線入射至閃爍體時(shí),發(fā)生三種根本相互作用過程,見表 1第一行所示: (1)光電效應(yīng)；(2)康普頓散射；(3)電子對(duì)效應(yīng).前兩種過程中產(chǎn)生電子,后一 過程出現(xiàn)正、負(fù)電子對(duì).這些次級(jí)電子獲得動(dòng)能見表 1第二行所示,次級(jí)電子將能量 消耗在閃爍體中,使閃爍體中原子電離、激發(fā)而后產(chǎn)生熒光.光電倍增管的光陰極將收集到的這些光子轉(zhuǎn)換成光電子,光電子再在光電倍增管中倍增,最后經(jīng)過倍增的電子在管子陽極上收集起來,并通過陽極負(fù)載電阻形成電壓脈沖信號(hào).射

3、線與物質(zhì)的三種作用所產(chǎn)生的次級(jí)電子能量各不相同,因此對(duì)于一條單能量的射線,閃爍探測(cè)器輸出的次級(jí)電子脈沖幅度仍有一個(gè)很寬的分布.分布形狀決定于三種相互作用的貢 獻(xiàn).射線在NaI Tl閃爍體中相互作用的根本過程基 本 過 程次跳電子在得能最才tl 光電效應(yīng)尸+原子f原子激發(fā)或f離子激發(fā)+電子T=By-Ea 該層電子結(jié)合能康普頓散射+電子T/ 散射+反沖趕子1EfHi一心8仍一Ey 決技T- l+rI-cosft f r_ m.c*,廿八 散射角,從.望最大船量噌纖連續(xù)分布, 峰值在最大能量處電：3 電子對(duì)產(chǎn)生產(chǎn)+原子f原子土十.-電子對(duì)均分崩量根據(jù)射線在NaIT1 閃爍體中總吸收系數(shù)隨射線能量變化

4、規(guī)律,射線能量E 0.3MeV時(shí),光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì),隨著射線能量升高康普頓散射幾率增加；在E1.02MeV以后,那么有出現(xiàn)電子對(duì)效應(yīng)的可能性,并隨著射線能量繼續(xù)增加而變得更加顯著.圖 2為示波器熒光屏上觀測(cè)到的137 cs 0.662MeV 單能射線的脈沖波形及譜儀測(cè)得的能譜圖.3(b)用2(a)示派號(hào)黃光屏上明寄到的短解：(t)潸伙通一國(guó)團(tuán)c白y螞博在 射線能區(qū),光電效應(yīng)主要發(fā)生在 K殼層.在擊出K層電子的同時(shí),外層電子填補(bǔ)K層空穴而發(fā)射X光子.在閃爍體中,X光子很快地再次光電吸收,將其能 量轉(zhuǎn)移給光電子.上述兩個(gè)過程是幾乎同時(shí)發(fā)生的,因此它們相應(yīng)的光輸出必然是疊加在一起的,即由光電效應(yīng)形成的

5、脈沖幅度直接代表了射線的能量(而非Er減去該層電子結(jié)合能).譜峰稱為全能峰.為便于分析射線在閃爍體中可能發(fā)生的各種事件對(duì)脈沖譜的奉獻(xiàn),及具體實(shí)驗(yàn)裝置和其周圍物質(zhì)可能產(chǎn)生的對(duì)譜形的影響.表2列舉了十二種情況供參考.一臺(tái)閃爍譜儀的根本性能由能量分辨率、線性及穩(wěn)定性來衡量. 探測(cè)器輸出脈沖幅度的形成過程中存在著統(tǒng)計(jì)漲落.既使是確定能量的粒子的脈沖幅度,也仍具有一定的分布,其分布示意圖如圖3所示.通常把分布曲線極大值一半處的全寬度稱半寬度即FWHM ,有時(shí)也用 E表示.半寬度反映了譜儀對(duì)相鄰脈沖幅度或能量的分辨 本領(lǐng).由于有些漲落因素與能量有關(guān),使用相對(duì)分辨本領(lǐng)即能量分辨率更為確切.般譜儀在線性條件下

6、工作,故也等于脈沖幅度分辨率,即E V 1E VEV和 E V分別為譜線的對(duì)應(yīng)能量幅度值和譜線的半寬度幅度分布 的半寬度.標(biāo)準(zhǔn)源137 Cs全能峰最明顯和典型,因此經(jīng)常用137 Cs0.662MeV 的 射線的能量分辨高的閃爍體,使用光電轉(zhuǎn)換效率高的光陰極材料,以及提升光電子第一 次被陰極收集的效率等均有利于改善能量分辨率.在我們實(shí)驗(yàn)中尚需考慮到以下一些因素,進(jìn)行必要的調(diào)整,以期到達(dá)一臺(tái)譜儀可 能實(shí)現(xiàn)的最好的分辨率.裳2 丫射續(xù)在閃爍體中各種吸收過程對(duì)催青分布的奉獻(xiàn) 及周圍物質(zhì)融射對(duì)津形的彩41十351£* 1.02(Me M)=Ev 0.51( MeV)全能峰內(nèi)電子時(shí)效應(yīng),一個(gè)湮

7、沒輻射逃逸正匕于E-0.51(MeV),此峰稱單逃 逸峰電子對(duì)效應(yīng),兩個(gè)湮黑福 射均被吸收電子對(duì)效應(yīng).正電子湮沒1 y射線邇逸吸 收 過 程吸收隱量一沖度 一閃爍體-膿幅吸收過程 膿沖幅度光電效應(yīng)全能峻內(nèi)正比于ElLQS(MeVj,此峰稱雙逃 逸蜂肆母魄孰射,散射y 射線逃逸從零到冷;康普頓分布區(qū)內(nèi)康普頓配射澈射y射線被 吸收101112一脈用幅度-與常規(guī)康普頓分布睢以區(qū)分峰位在.51(MeV) 處,對(duì)伊源此處亦存 在峰分布在全能蜂保能邊,使 峰形不對(duì)稱,峰谷比降低I透過閃爍體射線在管子光 !明艇上愛生康普頓反散射或航線在源及置圍物蝎上發(fā)生康普頓反散射電子游效及,一個(gè)灌1屢次懵普吸散射,散 沒

8、輻射產(chǎn)生索普蟆電子聒?選送I過閃罌歐普頓效應(yīng)奉獻(xiàn)十<Ey尸 2£"“一 Tr在同圉物項(xiàng)中產(chǎn)士對(duì)在閃爍體電子吸收體中發(fā)稍小于E,出斑在相對(duì)于全能峰完仝 確定的位置上,欷反散射分布在康普幀在伏區(qū) 內(nèi)(假設(shè)散射F被吸次 那么仍在上能峰內(nèi))脈 也, 嗝 度生小角度定普模觸射,散 射輻射送人閃爍體除充角外的角度上發(fā) 生康普榭散射效應(yīng), 一個(gè)Y的設(shè)進(jìn) ,人閃壇體在巨¥一17斤 行小之間巖脈沖分布在-田7 與立了之同,使峰谷比 脩低(1)閃爍體與光電倍增管光陰極之間保持良好的光學(xué)接觸;(2)參考光電倍增管高壓推薦值,并作適當(dāng)調(diào)整,使得在保持能量線性條件下,輸出脈沖幅度最大

9、；(3)合理選擇單道分析器的道寬,如單道分析器最大分析幅度為10伏時(shí),道寬宜用0.1伏；4 4) 根據(jù)放射源的活度,選擇適宜的源與閃爍體之間的距離.顯然,利用譜解析核素的或能量相近的射線時(shí),受到了諳儀能量分辨率的限制.這時(shí)就需要借助于實(shí)驗(yàn)上得到的單能諳的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律,例如半寬度隨著射線能量變化的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律,以及各種數(shù)學(xué)處理方法來解決.能量線性指譜儀對(duì)入射射線的能量和它產(chǎn)生的脈沖幅度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.一般闌值,伏圖 4 用.£和 蜘C©源刻 度熊是示忘回NaI (T1)閃爍儀在較 寬的能量范圍內(nèi)(100keV 到期 1300keV )是近似性 的.這是利用該譜儀進(jìn) 行射線能量分析與判

10、 斷未知放射性核素的 重要依據(jù).通常,在實(shí) 驗(yàn)上利用系列 標(biāo)準(zhǔn) 源,在確定的實(shí)驗(yàn)條件 下分別測(cè)量系列源 譜.由射線能量全能峰位對(duì)相應(yīng)的能量作圖,這條曲線即能量刻度曲線.典型的能量刻度曲線為不通過原點(diǎn)的一條直線,即E(xp) GXp E0( 2 )式中Xp為全能峰位；E0為直線截矩；G為增益即每伏(或每道)相應(yīng)的能量.能量刻度亦可選用標(biāo)準(zhǔn)源137 cs (0.662 ) MeV)和60Co(1.17、1.33MeV)來作.實(shí)驗(yàn)中欲得到較理想的線性,還需要注意到放大器及單道分析器甄別閾的線性,進(jìn)行必要 的檢驗(yàn)與調(diào)整.此外,實(shí)驗(yàn)條件變化時(shí),應(yīng)重新進(jìn)行刻度.顯然,確定未知射線能量的正確性取決于全能峰位

11、的正確性.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).事實(shí)上,未知源總是和標(biāo)準(zhǔn)源非同時(shí)測(cè)量 的,因此很可能他們的能量對(duì)應(yīng)了不同的不同的原點(diǎn)及增益.當(dāng)確定能量精度要求較 高時(shí),需用電子計(jì)算機(jī)處理,調(diào)整統(tǒng)一零點(diǎn)及增益,才能得到真正的能量與全能峰峰 位的對(duì)應(yīng)關(guān)系.至于全能峰峰位確實(shí)定,本實(shí)驗(yàn)可在記錄足夠數(shù)目的計(jì)數(shù)后由圖解法 得到.裝置實(shí)驗(yàn)裝置方塊圖見圖 1.NaI (Tl)閃爍譜儀,FH1901 , 1 套；多道分析器,FH419G1 , 1臺(tái)；脈沖示波器,SBM-10 , 1臺(tái)；標(biāo)準(zhǔn) 源,137Cs、65Zn、60Co,各一個(gè)；未知源,1個(gè).步驟1 .按圖1連接儀器.用示波器觀察 137c

12、s及60Co的脈沖波形,調(diào)節(jié)并固定光電倍增管的高壓.2 .調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù),使137cs 0.662MeV 的 射線的全能峰落在適宜的甄別閾位置上,例如8V.選擇并固定單道分析器道寬,例如0.1V ,測(cè)量137cs全能譜及本底譜.3 .改變放大器放大倍數(shù),使137Cs、65Zn、60Co之全能峰合理地分布在單道分析器閾值范圍內(nèi).依次測(cè)量這三個(gè)源的能譜.4 .在步驟3實(shí)驗(yàn)條件下,測(cè)量未知源能譜.5 .實(shí)驗(yàn)結(jié)束前,再重復(fù)測(cè)量 137 Cs 0.662MeV 的 射線的全能峰,以此檢驗(yàn)譜 儀的穩(wěn)定性.五.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理Goodness of fit:SSE: 1.05e+004R-square:

13、0.9831Adjusted R-square: 0.9789Co源能譜曲線1號(hào)峰General model Gauss1:f(x) =a1*exp(-(x-b1)/c1)A2)Coefficients (with 95% confidencebounds):RMSE: 36.22a1 =1020(977, 1062)b1 =736.6(734.3,738.9)2 號(hào)峰c1 =55.15(50.99, 59.3)General model Gauss1:f(x) =a1*exp(-(x-b1)/c1)A2)Coefficients (with 95% confidence bounds):al

14、 =700.7(662.8,738.6)bl =866.6(864, 869.2)cl =58.63(54.64,Goodness of fit:SSE: 3.11e+004R-square: 0.9783Adjusted R-square: 0.9761RMSE: 39.43全能峰1道址:736.6,全能峰2道址：866.662.62)Cs源高斯擬合General model Gaussl:f(x) =a1*exp(-(x-b1)/c1)A2)Coefficients (with 95% confidence bounds):a1 =4245(4090, 4400)b1 =292.6(291

15、.7, 293.6)c1 =32.54(31.16, 33.91)Goodness of fit:SSE: 1.008e+006R-square: 0.987Adjusted R-square: 0.9861RMSE: 177.4全能峰道址：292.6未知源高斯擬合General model Gaussl:f(x) =a1*exp(-(x-b1)/c1)A2)Coefficients (with 95% confidence bounds):a1 =422.9(400.4, 445.4)b1 =35.76(34.32, 37.2)c1 =32.32(30.1, 34.54)Goodness o

16、f fit:SSE: 3.348e+004R-square: 0.9493Adjusted R-square: 0.9461RMSE: 32.34全能峰道址：35.76能量分辨率4.65%半高寬點(diǎn) m1=36.592, m2=34.928.能量定標(biāo)曲線Linear model Polyl:f(x) = p1*x + p2Coefficients (with 95% confidence bounds):p1 =0.001159(0.0009563, 0.001361)p2 =0.3218(0.1845, 0.459)Goodness of fit:SSE: 4.6e-005R-square:

17、0.9998Adjusted R-square: 0.9996RMSE: 0.006782全能峰對(duì)應(yīng)的能量 MeV全能峰對(duì)應(yīng)的道址60 co1.17736.61.33866.6137 cs0.662292.6未知源133 Ba0.363235.76能量定標(biāo)曲線道址六.實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差分析此次實(shí)驗(yàn)得到的能量定標(biāo)曲線還是不錯(cuò)的,線性相關(guān)系數(shù)到達(dá)0.9998.說明道址和能量的線性相關(guān)性比擬好,得出未知源是 Ba的可信度比擬高.但是沒有觀察 到X射線峰和反散射峰可能是由于閾值比擬高.七.實(shí)驗(yàn)思考題1 .如何從示波器上觀察到的137 cs脈沖波形圖,判斷譜儀能量分辨率的好壞？2 .某同學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到137cs能量分辨率為6% ,試述怎樣用實(shí)驗(yàn)來判斷這一分 辨率之真假？3 .假設(shè)有一單能 源,能量為2MeV,試預(yù)言其譜形.4,試根據(jù)彳測(cè)量137Cs、65Zn、60Co能譜,求出相應(yīng)于0.662、1.11和1.33MeV射線全能峰的半寬度,并討論半寬度隨射線能量變化的規(guī)律.5 .試述60Co 1.17MeV 這條 射線相應(yīng)的能量分辨率,能否直接從其全能峰半寬度求出,為什么？6 .在你測(cè)得的137cs 0662MeV射線全能峰峰位處,作一垂線