反符合法在γ能譜儀及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)用性

近代物理實(shí)驗(yàn)期末論文2007反符合法在γ能譜儀及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)用性復(fù)旦大學(xué)光科學(xué)與工程系邵思熠摘要：判斷γ能譜圖質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)是它的峰康比，提升峰康比能夠使我們更準(zhǔn)確地定出峰所在的位置，觀察到一些被康普頓平臺(tái)覆蓋的低能弱峰。通過(guò)反符合法可以很大程度上提高γ能譜的峰康比，本文將探討這種方法在γ能譜儀及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)用性。關(guān)鍵字：γ能譜，峰康比，反符合法γ能譜可以反映γ射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用而產(chǎn)生的次級(jí)電子效應(yīng)，即光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)。其中兩個(gè)重要的應(yīng)用就是通過(guò)γ能譜進(jìn)行能量定標(biāo)以及分析γ射線(xiàn)在閃爍體中各種吸收和周?chē)镔|(zhì)的散射過(guò)程。這里就137Cs的γ能譜作一簡(jiǎn)要說(shuō)明圖一137Cs的γ能譜橫坐標(biāo)道數(shù)n表示該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的能量在γ能譜儀輸出時(shí)轉(zhuǎn)換成的一個(gè)數(shù)字量，具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系需要通過(guò)能量定標(biāo)得出?？v坐標(biāo)N代表某段時(shí)間內(nèi)閃爍體接收到的粒子數(shù)，也反映了各種能量粒子的相對(duì)數(shù)目。接近0道的一個(gè)尖峰D是測(cè)量的本底噪聲，0.662Mev對(duì)應(yīng)的尖峰A是137CS的全能峰，主要對(duì)應(yīng)光電效應(yīng)，0.184Mev的小峰是137Cs的反散射峰，對(duì)應(yīng)發(fā)生180度康普頓散射時(shí)反射光子返回閃爍體被記錄的過(guò)程，中間的平臺(tái)狀曲線(xiàn)B被稱(chēng)為康普頓平臺(tái)，對(duì)應(yīng)發(fā)生康普頓散射時(shí)產(chǎn)生的一系列能量連續(xù)的反沖電子，能量分布為0~Eγ2α1+2α在γ能譜中，全能峰的高度和康普頓平臺(tái)邊緣的高度是一個(gè)分析能譜的重要指標(biāo)，被稱(chēng)為“峰康比”。圖二康普頓原理示意圖圖二康普頓原理示意圖γ能譜實(shí)驗(yàn)中的康普頓效應(yīng)會(huì)降低全能峰的銳度，同時(shí)增大康普頓平臺(tái)德高度。其造成的后果可能有兩點(diǎn)：（1）降低全能峰的銳度，導(dǎo)致尋找全能峰的位置出現(xiàn)偏差，最后影響能量定標(biāo)的準(zhǔn)確性；（2）增大康普頓平臺(tái)的高度，導(dǎo)致存在高能強(qiáng)峰時(shí)，一些低能弱峰被康普頓平臺(tái)“淹沒(méi)”。如果這兩點(diǎn)假設(shè)均成立，則說(shuō)明峰康比越大，該γ能譜儀定標(biāo)的準(zhǔn)確性越好，以及探測(cè)低能弱峰的能力越強(qiáng)。從參考資料[一]中得到提高γ能譜峰康比的一個(gè)方案是采用反符合法。它的基本原理是通過(guò)排除同時(shí)時(shí)間，也就是將反沖電子產(chǎn)生的脈沖和散射光子產(chǎn)生的脈沖和散射光子產(chǎn)生的光點(diǎn)脈沖輸入反符合電路，通過(guò)延遲線(xiàn)，將這兩個(gè)脈沖分開(kāi)計(jì)數(shù)。這樣就可以達(dá)到在散射光子產(chǎn)生的γ能譜中減少反沖電子數(shù)的目的，實(shí)現(xiàn)峰康比的提升。下圖分別為探頭示意圖和大致的線(xiàn)路圖（省略了電源和示波器部分）。圖三反符合法探頭示意圖NaI（Tl）晶體屏蔽套筒放射源入口環(huán)形塑料晶體放射源圖三反符合法探頭示意圖NaI（Tl）晶體屏蔽套筒放射源入口環(huán)形塑料晶體放射源三腳支架光電倍增管圖四反符合法線(xiàn)路框圖74圖四反符合法線(xiàn)路框圖7432133456891、閃爍體探頭；2、混合相加器；3、線(xiàn)性脈沖放大器；4、定時(shí)單道；5、延遲線(xiàn)；6、反符合電路；7、定標(biāo)器；8、線(xiàn)性門(mén)；9、多道脈沖分析器。下圖為資料中顯示在有和沒(méi)有使用反符合法測(cè)量24Na的γ能譜圖。其中實(shí)線(xiàn)所示的是使用反符合法得到的γ能譜，虛線(xiàn)表示的則是為使用反符合法得到的γ能譜。這張資料圖中可以很清楚地顯示反符合法在提高γ能譜峰康比上的作用。圖五24Na的圖五24Na的γ能譜雖然反符合法能顯著提高γ能譜的峰康比，但由于實(shí)現(xiàn)的代價(jià)比較高昂（需要用到7支光電倍增管，7臺(tái)高壓電源等數(shù)目繁多的儀器），下面僅以我們目前所進(jìn)行過(guò)的實(shí)驗(yàn)對(duì)它的實(shí)用性進(jìn)行分析，也就是開(kāi)篇提到的兩個(gè)提高峰康比的目的，即更準(zhǔn)確的能量定標(biāo)和顯示低能弱峰的可能性。（1）提高峰康比在能量定標(biāo)準(zhǔn)確性上的意義分析通常我們都是用137Cs和60Co的特征γ能譜來(lái)進(jìn)行能量定標(biāo)。137Cs的γ能譜如圖一所示。可以很清楚地看到，它的全能峰非常細(xì)銳，反散射峰也很高。所以為了分析方便，假定137Cs的峰位能夠準(zhǔn)確得出（相比于60Co的峰位）。所以定標(biāo)的關(guān)鍵集中在能否準(zhǔn)確定出60Co的峰所對(duì)應(yīng)的道數(shù)。下面幾張圖為相對(duì)論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中不同時(shí)間段內(nèi)記錄的60Co的γ能譜圖（固定高壓708V）。可以看到兩個(gè)光電都峰很平緩，用肉眼很難準(zhǔn)確定出峰的位置。（1500S的記錄圖未拷貝下來(lái)）400S時(shí)記錄的60400S時(shí)記錄的60Co的γ能譜圖600S時(shí)記錄的60600S時(shí)記錄的60Co的γ能譜圖1000S時(shí)記錄的601000S時(shí)記錄的60Co的γ能譜圖得到在400S，600S，1000S和1500S時(shí)各個(gè)全能峰對(duì)應(yīng)的道址。如下表所示時(shí)間/S全能峰A道址全能峰B道址400577.0665.0600596.8668.91000587.6664.71500587.9664.5顯然，記錄的時(shí)間越長(zhǎng)，尋峰的準(zhǔn)確性就越高（從相鄰各點(diǎn)的彌散程度就可以看出）。我們用這些定標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)帶入相對(duì)論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，觀察對(duì)相對(duì)論實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在同樣條件下，137Cs的反散射峰和全能峰對(duì)應(yīng)的道址為91.3和335.7。β-源探頭的位置和對(duì)應(yīng)道數(shù)見(jiàn)下表：探頭位置/CM道址19.90237.422.60373.025.40506.827.90629.830.20706.4得到最后結(jié)果（需放大察看）400S時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖400S時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖600S時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖600S時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖1000S時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖1000S時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖1500S時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖1500S時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可以看到，即使在全能峰高度較差或是峰康比不高的情況下，無(wú)論是能量的定標(biāo)還是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，誤差都很小。所以可以認(rèn)為，用反符合法提高峰康比以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的能量定標(biāo)沒(méi)有很強(qiáng)實(shí)用性，僅就相對(duì)論這個(gè)實(shí)驗(yàn)而言也不會(huì)大幅提高最后結(jié)果的精確度，因?yàn)檎`差本來(lái)就不大，而且其他因素會(huì)造成更顯著的影響（比如探測(cè)器的位置讀數(shù)偏差和高壓的穩(wěn)定性）。（2）提高峰康比在觀察低能弱峰是的作用除了γ能譜圖中常見(jiàn)的光電峰，反散射峰和正負(fù)電子湮沒(méi)峰，還有可能有其他的峰形成，其中最常見(jiàn)的就是由電子對(duì)效應(yīng)引發(fā)的單逃逸峰和雙逃逸峰。它們產(chǎn)生的機(jī)理是這樣的：當(dāng)γ光子在晶體內(nèi)產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)后，正負(fù)電子一般是具有一定的動(dòng)能，它們通過(guò)電離輻射將動(dòng)能傳遞給晶體，然后被光電轉(zhuǎn)換器件收集。它們很容易和電子相遇而湮滅，再次轉(zhuǎn)化為γ光子，此時(shí)產(chǎn)生的γ光子是兩個(gè)，能量相等，均為0.511MeV。這兩個(gè)γ光子如果依舊把能夠沉積在晶體里，那么就構(gòu)成了全能峰的一部分，如果有一個(gè)γ光子逃出了晶體，那么晶體收集到的能量就比全能峰能量少了一個(gè)0.511MeV；如果兩個(gè)γ光子都逃出去了，那么晶體收集的能量就比全能峰能量少了兩個(gè)0.511MeV。當(dāng)正負(fù)電子對(duì)效應(yīng)比較顯著時(shí)，相應(yīng)的單逃逸和雙逃逸也就比較顯著了，于是在能譜圖看上去，在全能峰后面有兩個(gè)小峰，離全能峰近的是單逃逸峰，離全能峰遠(yuǎn)的是雙逃逸峰。單逃逸峰和雙逃逸峰可以作為正負(fù)電子對(duì)效應(yīng)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明，也可以說(shuō)是能量轉(zhuǎn)化成物質(zhì)的一個(gè)證明。圖六逃逸峰示意圖圖六逃逸峰示意圖顯然產(chǎn)生逃逸峰的前提條件是產(chǎn)生電子對(duì)效應(yīng)，只要全能峰對(duì)應(yīng)的能量大于1.02MeV，就會(huì)產(chǎn)生逃逸峰。但具體的實(shí)驗(yàn)中，60Co和22Na的全能峰對(duì)應(yīng)的能量均大于1.02MeV，卻均未觀察到逃逸峰，這是因?yàn)樘右莘鍖儆诘湍苋醴?，其峰高通常是?duì)應(yīng)全能峰高的0.1%~1%，而在60Co的γ能譜中，它的峰康比小于2，逃逸峰被湮沒(méi)在康普頓平臺(tái)中。通過(guò)大幅提高峰康比，就可以觀察到逃逸峰。下圖為參考資料中提高峰康比后觀察到的24Na的γ能譜圖。圖七圖七24Na的γ能譜圖可以看到位于0.87MeV和2.24MeV的單逃逸峰以及位于1.73Mev的雙逃逸峰。但具有諷刺意味的是，雖然逃逸峰可以證明正負(fù)電子對(duì)效應(yīng)以及能量和物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化，但很多時(shí)候，人們總是刻意去消除這些峰的干擾。比如在探測(cè)Zn元素的實(shí)驗(yàn)中，可能會(huì)由于逃逸峰的出現(xiàn)而將該元素誤判為Co元素。所以是否需要在γ能譜儀中使用反符合法觀察低能弱峰應(yīng)該根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求和目的來(lái)決定?？偨Y(jié)：雖然峰康比是γ能譜實(shí)驗(yàn)及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要指標(biāo)，并且使用反符合法對(duì)提高γ能譜的能量定標(biāo)精確性和探測(cè)能力有一定幫助，但由于在我們所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中不會(huì)大幅改善實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再加上其繁多的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，所以是否在今后的科學(xué)研究中使用反符合法增大γ能譜的峰康比要通過(guò)仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)的要求和目的來(lái)決定。但通過(guò)脈沖延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)反符合輸出是一個(gè)很具創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)思想，可以在今后的實(shí)驗(yàn)中借鑒使用。參考資料：[1]北京大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)主編核物理實(shí)驗(yàn)北京：原子能出版社198