γ射線的能量和強度測量

1、射線的能量和強度測量匡亞明學院理科強化部071242037 姚路馳一、實驗目的：了解 閃爍譜儀的組成，基本特性及使用方法。掌握測量 射線的能量和強度的基本方法。二、基本原理：1 閃爍譜儀的組成閃爍譜儀由探頭，高壓電源，線性放大器，微機多道分析器組成，如圖（1）所示：   探頭由 閃爍體、光電信增管、射極輸出器組成。當 射線進入 閃爍體后，會與物質(zhì)發(fā)生多種相互作用。當 射線的能量不太高時 ，作用過程主要有光電效應，康普頓散射效應和電子對效應三種，作用的結(jié)果，產(chǎn)生了具有一定動能的次級電子，而 射線被吸收或散射，這些次級電子獲得的動能 與 射 光子的能量 的關(guān)系如表1所示表1 射

2、線在 閃爍體中相互作用的基本過程基 本 過 程次級電子獲得能量 （1）光電效應+原子 原子激發(fā)或 離子激發(fā)+電子（ 為該層電子結(jié)合能）（2）康普頓散射+電子 （散射）+反沖電子按 ， 為散射角，從0至最大能量 連續(xù)分布，峰值在最大能量處。（3）電子對產(chǎn)生+原子 原子+ 電子對均分能量 次級電子在閃爍體中運動時，使閃爍體的原子激發(fā)而發(fā)射出熒光光子，光電倍增管的光陰極收集這些熒光光子后發(fā)射出光電子，光電子再經(jīng)過倍增后由陽極收集，在陽極負載電阻上形成一個電壓脈沖信號。這一信號經(jīng)過射極輸出器放大后再輸出至線性放大器，因此，探頭輸出信號的電壓脈沖幅度，與次級電子在閃爍體中損失的能量成正比，次級電子的能量

3、來自于入射的 光子，所以信號脈沖的幅度也與入射的 光子的能量有關(guān)，由表1可知，由于三種不同的相互作用，對相同能量 的入射 射線，也可以產(chǎn)生不同能量的次級電子。因此對于單能的 射線，所得到的信號脈沖幅度也有一個很寬的分布。當入射 射線的能量 時，光電效應占優(yōu)勢，隨著 射線的能量增加，發(fā)生康普頓效應的幾率也增加，當 ，才有可能出現(xiàn)電子對效應，并且隨著 的增加，發(fā)生電子對效應的幾率也顯著上升。光電效應主要發(fā)生在原子的K殼層上， 光子擊出K殼層的電子的同時，外層電子立即躍遷到K殼層上的空穴并發(fā)射出X射線，在晶體中X射線再次被吸收而產(chǎn)生一個新的次級電子，上述兩個過程幾乎是同時進行的。因此相應的輸出信號是

4、迭加在一起的。即光電效應產(chǎn)生的脈沖幅度直接代表了 射線的能量，在 能譜上由光電效應產(chǎn)生的峰稱作光電峰。通常也稱為全能峰，康普頓效應中多次散射的累計效應和電子對效應中兩個湮沒光子被全吸收時，對全能峰也有貢獻，但這一過程的比例很小，所以全能峰中的計數(shù)主要由光電效應所產(chǎn)生。圖2給出了用 閃爍譜儀所測得的 源的 能譜。圖中1號峰為全能峰，對應的 射線的能量為0.662Mev，1號峰左面的平臺相應于康普頓散射產(chǎn)生的次級電子的貢獻，根據(jù)康普頓散射的特性，次級電子的動能的值可以在0到最大值0. 478Mev之間連續(xù)分布。峰值在最大能量處，所以從0到E=0. 478Mev之間出現(xiàn)一個連續(xù)分布的平臺，稱為康普頓

5、平臺。2號峰為反散射峰，它是由能量 =0.662Mev的 光子穿透 晶體后打到光電倍增管上，發(fā)生散射角為180°的散射后返回到晶體中的 光子產(chǎn)生的，可以求得反散射的光子能量值 在源的襯底及周圍物質(zhì)上產(chǎn)生的反散射，對2號峰也有貢獻。圖中最左邊的峰是 的子體 的K X射線峰，相應的 。閃爍譜儀的主要性能指標。（1）能量的線性關(guān)系能量線性是指測得的 能譜上全能峰的道址X與相應的 射線能量 之間的線性關(guān)系?？梢杂孟率奖硎荆?（1）式中G， 為一常數(shù)，其值與探測器的性質(zhì)及譜儀的工作條件有關(guān)，對于 閃爍譜儀在 到 的范圍內(nèi)， 與X有線性關(guān)系。測量能量的線性關(guān)系，即用實驗方法確定（1）式中的參數(shù)G

6、與 的值叫做能量刻度。具體是：測量標準源的能譜（例如 源 ， ），找出兩個全能峰的道址 ， ，代入（1）式，即可求得G和 的值。若譜儀的工作狀態(tài)發(fā)生改變（如高壓值，放大倍數(shù)發(fā)生改變），G與 的值也將改變，此時必須重新進行能量刻度。（2）能量分辨率能量分辨率是表示閃爍 譜儀區(qū)分不同 射線能量的本領(lǐng)的物理量，NaI(Tl)閃爍譜儀的能量分辯率一般用所測得的 標準源的 能譜上的全能峰的半寬度來表示，如圖2所示。設(shè)全能峰的道址為 ，對應于峰計數(shù)率一半的兩個道址為 和 。則譜儀的能量分辯率 可以用下式表示： （2）的值越小，表示 譜儀分辯率不同能量的 射線的本領(lǐng)越強。影響譜儀分辯率的因素很多，主要有Na

7、I(Tl)晶體的發(fā)光效率的非均勻性及統(tǒng)計性漲落，光電倍增管的倍增系數(shù)的不穩(wěn)定性，電子儀器的非線性等，此外，還與放射源的位置和性質(zhì)有關(guān)，一般情況下， 的值為10%左右，最佳的數(shù)據(jù)為6%8%，對于能量相差太小的 射線，由于受分辯率的限制，NaI(Tl)閃爍譜儀無法區(qū)分，這時必須采用分辨本領(lǐng)更好的半導體 譜儀。（3）探測效率設(shè) 源的發(fā)射率為N， 譜儀的探測效率 可以用下式表示： （3）用這種方法定義的探測效率稱作源峰探測效率，（3）式中的N為 射線發(fā)射強度， 為全能峰的總計數(shù)率由于N與源的活度成正比，如下式所示。全能峰的總計數(shù)可采用全能峰面積法來計算（TPA法）具體步驟如下： (4)式中A為活度，f

8、為一常數(shù)道數(shù)圖（3）1 選定所求的全能峰，在全能峰上選定左，右兩個邊界道址 ， 一般選在峰兩側(cè)的峰谷處，如圖3所示2 求得峰內(nèi)各道計數(shù)的總和 3 計算本底計數(shù) 4 計算凈計數(shù) 及統(tǒng)計誤差。3微機多道分析器的工作原理及操作方法可參閱有關(guān)使用說明書三、實驗內(nèi)容與要求：（1）按圖（1）檢查實驗裝置，打開電源，微機執(zhí)行UMS35軟件，進入多道分析工作狀態(tài)。（2）選擇合適的高壓和放大倍數(shù)，使測得的 標準源的兩個全能峰道址在700到800之間。（3）測量 標準源的 能譜，并根據(jù)測量結(jié)果對 譜儀進行能量刻度，即求出（1）式中的常數(shù)G和 （4）測量 標準源的 能譜，根據(jù)測得的能譜，計算 譜儀的能量分辯率 及探

9、測效率 （已知 標準源的活度A=53.3×103Bq）（5）測量 的 能譜，計算 射線的能量（6）測量待測 源的活度 及誤差 （7）測量結(jié)束，先把高壓降至0，再關(guān)機四、數(shù)據(jù)處理1.能譜儀能量分辨率由Cs-137標定：能譜儀探測效率由Cs-137標定：2.代入Cs-137和Co-60右峰數(shù)據(jù)可得代入Co-60左峰數(shù)據(jù)驗證得 理論值3.測量待測Co-60源強：待測Co-60源強4.改變高度待測Co-60源強五、思考題（1） 的 能譜上有無電子對效應的貢獻，為什么？答：由于康普頓效應中多次散射的累計效應和電子對效應中兩個湮沒光子被全吸收時，對全能峰也有貢獻，但這一過程的比例很小，所以全能峰中的計數(shù)主要由光電效應所產(chǎn)生。電子對效應的貢獻不體現(xiàn)在全能峰上。而且只有當E足夠大時，才會有電子對效應。（2）測量