實驗5放射性 漲落誤差測定及與伽馬能譜的測量

放射性漲落誤差測定及與伽馬能譜的測量一、實驗?zāi)康牧私釴aI(TI)閃爍譜儀的原理、特性與結(jié)構(gòu)，掌握NaI(TI)閃爍譜儀的使用方法；了解核衰變放射性計數(shù)統(tǒng)計誤差的意義，加深對測井曲線統(tǒng)計性漲落變化的理解。掌握能量刻度方法，鑒定譜儀的能量分辨率，并通過對/射線能譜的測量，加深對F射線與物質(zhì)相互作用規(guī)律的理解。二、實驗原理原子核的能級躍遷能產(chǎn)生/射線，測量y射線的能量分布，可確定原子核激發(fā)態(tài)的能級，研究核蛻變綱圖，這對于放射性分析，同位素應(yīng)用及鑒定核素等都有重要意義。/射線強(qiáng)度按能量的分布即/能譜，測量『能譜常用的儀器是閃爍/能譜儀。該能譜儀的主要優(yōu)點是：既能探測各種類型的帶電粒子，又能探測中性粒子；既能測量粒子強(qiáng)度，又能測量粒子能量；并且探測效率高，分辨時間短。它在核物理研究和放射性同位素的測量中得到廣泛的應(yīng)用。2.1結(jié)構(gòu)框圖及工作原理NaI(TI)閃爍探測器的結(jié)構(gòu)如圖1。整個譜儀由探頭(包括閃爍體，光電倍增管，射極跟隨器)，高壓電源，線性放大器，多道脈沖幅度分析器等組成。圖1NaI(TI)閃爍探測器示意圖首先介紹閃爍探測器的基本組成部分和工作過程。1、基本組成部分閃爍探測器由閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子放大器件三個主要部分組成。閃爍體:閃爍體是用來把射線的能量轉(zhuǎn)變成光能的。本實驗中采用含TI(鉈)的NaI晶體作『射線的探測器。（2）光電倍增管:光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖2。它由光陰極K、收集電子的陽極A和在光陰極與陽極之間十個左右能發(fā)射二次電子的次陰極D（又稱倍增極、打拿極或聯(lián)極）構(gòu)成。在每個電極上加上正電壓，相鄰的兩個電極之間的電位差一般在100V左右。當(dāng)閃爍體放出的光子打到光陰極上時，發(fā)生光電效應(yīng)，打出的光電子被加速聚集到第一倍增極D上，平均每個光電子在D上打出3?6個次電子，增值后的電子又為D和D之間的電場加速，打到第二倍增極D上，平均每個電子又打出3?6個次級電子，這樣經(jīng)過n級倍增以后，在陽極上就收集到大量的電子，在負(fù)載上形成一個電壓脈沖。圖2百葉窗式光電倍增管示意圖（3）射極跟隨器：光電倍增管輸出負(fù)脈沖的幅度較小，內(nèi)阻較高。一般在探頭內(nèi)部安置一級射極跟隨器以減少外界干擾的影響，同時使之與線性放大器輸入端實現(xiàn)阻抗匹配。（4）線性放大器：由于入射粒子的能量變化范圍很大，線性放大器的放大倍數(shù)能在10?1000倍范圍內(nèi)變化，對它的要求是穩(wěn)定性高、線性好和噪聲小。（5）多道脈沖幅度分析器：多道脈沖分析器的功能是把線性脈沖放大器的輸出脈沖按高度分類，若線性脈沖放大器的輸出是0-10V，如果把它按脈沖高度分成500級（或稱500道）則每道寬度為0.02v,也就是輸出脈沖的高度按0.02v的級差來分類。在實際測量時，我們保持道寬v不變，逐點增加V0，這樣就可以測出整個譜形。2、工作過程射線通過閃爍體時，閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度與射線在閃爍體內(nèi)損失的能量成正比，即入射線的能量越大，在閃爍體內(nèi)損失能量越多，閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度也越大。當(dāng)射線（如＞、月）進(jìn)入閃爍體時，在某一地點產(chǎn)生次級電子，它使閃爍體分子電離和激發(fā)，退激時發(fā)出大量光子（一般光譜范圍從可見光到紫外光，并且光子向四面八方發(fā)射出去）。在閃爍體周圍包以反射物質(zhì)，使光子集中向光電倍增管方向射出去，當(dāng)閃爍光子入射到光陰極上，就會產(chǎn)生光電子，這些光電子受極間電場加速和聚集，在各級打拿極上發(fā)生倍增（一個光電子最終可產(chǎn)生104?109個電子），最后被陽級收集。大量電子會在陽極負(fù)載上建立起電信號，通常為電流脈沖或電壓脈沖，然后通過起阻抗匹配作用的射極跟隨器，由電纜將信號傳輸?shù)诫娮訉W(xué)儀器中去。

2.2,射線與物質(zhì)的相互作用『射線與物質(zhì)的相互作用主要是光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對產(chǎn)生這三種過程，如圖3所示。圖3/射線與物質(zhì)相互作用示意圖光電效應(yīng)：入射『粒子把能量全部轉(zhuǎn)移給原子中的束縛電子，光子本身消失而把束縛電子打出來形成光電子這個過程稱為光電效應(yīng)。由于束縛電子的電離能鳥一般遠(yuǎn)小于入射『射線的能量球，所以光電子的動能近似等于入射/射線的能量。TOC\o"1-5"\h\z耳電=&-占產(chǎn)&(1)康普頓散射：核外自由電子與入射，射線發(fā)生康普頓散射。根據(jù)動量守恒的要求，散射與入射只能發(fā)生在一個平面內(nèi)。設(shè)入射『光子能量為激，散射光子能量為龍史，康普頓散射后散射光子能量與散射角0的關(guān)系為：心一；1+戒1一*切(3)hv式中""，即為入射『射線能量與電子靜止質(zhì)量％所對應(yīng)的能量之比。由式(3)可知，當(dāng)日時蜘住如，這時玖=%即不發(fā)生散射；當(dāng)日=1時時，hv散射光子能量最小，它等于(】+"這時康普頓電子的能量最大，為(4)電子對的產(chǎn)生當(dāng)『射線能量超過2峰疽(1.022MeV)以后，『光子受原子核或電子的庫侖場的作用可能轉(zhuǎn)化成正、負(fù)電子對，稱為電子對效應(yīng)。此時光子能量可表示為兩個電子的動能，如玖=%+"將"，其中，2%疽=1。2場F。2.3〉射線能譜圖由137C的衰變可知137C只放出單一能量的/射線(E=0.662MeV)。因此能量小于電子對的產(chǎn)生閾1.022MeV，所以i37Cs的/射線與Nal(TI)晶體的相互作用只有光電效應(yīng)和康普頓散射兩個過程，其形狀如圖4。圖4康普頓峰和單能光電峰又由于/譜儀存在一定的能量分辨率，實際測的能譜相對于圖4中單線存在一定的能量寬度，形狀如圖5。圖5NaI(TI)單晶〃閃爍譜儀測量的13，Cs/能譜圖A峰又稱全能峰，這一幅度直接反映V射線的能量0.662MeV。有時康普頓散射產(chǎn)生的散射光子如「若未逸出晶體，仍然為NaI(TI)晶體所吸收，也即通過光電效應(yīng)把散射光子的能量如「轉(zhuǎn)換成光電子能量，而這個光電子也將對輸出脈沖作貢獻(xiàn)。由于上述整個過程是在很短時間內(nèi)完成的，這個時間比探測器形成一個脈沖所需的時間短得多，所以先產(chǎn)生的康普頓電子和后產(chǎn)生的光電子，二者對輸出脈沖的貢獻(xiàn)是疊加在一起形成一個脈沖。這個脈沖幅度所對應(yīng)的能量，是這兩

個電子的能量之和，即碼+肋'，也就是入射〃射線的能量濟(jì)。所以這一過程所形成的脈沖將疊加在光電峰1上使之增高。平臺狀曲線B是康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)，其特征是散射光子逃逸后留下一個能量n&riV從O到1+必的連續(xù)的電子譜。峰C是反散射峰。由/射線透過閃爍體射在光電倍增管的光陰極上發(fā)生康普頓反散射或/射線在源及周圍物質(zhì)上發(fā)生康普頓反散射，而反散射光子進(jìn)入閃爍體通過光電效應(yīng)而被記錄所致。這就構(gòu)成反散射峰。返回的/光子能量hV=E-=0.184^^TL"UL'Jj'l峰D是X射線峰，它是由137Ba的K層特征X射線貢獻(xiàn)的，137Cs的。衰變體137Ba的0.662MeV激發(fā)態(tài)在放出內(nèi)轉(zhuǎn)換電子后造成K空位，外層電子躍遷后產(chǎn)生此X光子，其能量32KeV。2放射性漲落誤差的測量原理由于原子核的放射性，衰變存在統(tǒng)計漲落。因此多次測量相同時間間隔內(nèi)的放射性計數(shù)，即使保持相同的實驗條件，每次測量的結(jié)果并不相同，而是圍繞某一平均值上下漲落，有時甚至有很大差別。對于大量原子核^，經(jīng)過時間f后，平均地說其數(shù)目將按指數(shù)規(guī)律召我衰減，只為衰變常數(shù)，它與放射源半衰期『之間滿足公式：。在邛寸間內(nèi)平均衰變的原子核的數(shù)目幽為(1)在，時間內(nèi)，統(tǒng)計平均看，在打個原子核中有n個核發(fā)生衰變的幾率為(2)(2)設(shè)原子核總數(shù)陌>>1，測量時間￡遠(yuǎn)小于放射源的半衰期T，即，也即衰變數(shù)n遠(yuǎn)小于粒子總數(shù)叫。這時式（2）分子中的（陌-1），（^-2），...，（NfT）均可用V代替，于是有(3)(3)由式（1）可知，這時m=，則有抑.（4）這就是泊松分布。如果在時間間隔￡內(nèi)平均衰變次數(shù)為歐，則在時間間隔，內(nèi)衰變數(shù)為n出現(xiàn)的幾率為p（n）。放射性計數(shù)的統(tǒng)計性是放射性原子核衰變本身固有的特性，與使用的測量儀器及技術(shù)無關(guān)。通常把歐看作是測量結(jié)果的最可幾值，把起伏帶來的誤差稱為統(tǒng)計誤差，它的大小用標(biāo)準(zhǔn)誤差a來描述。設(shè)一次測量得到的總計數(shù)為川，它的標(biāo)準(zhǔn)誤差就用構(gòu)來表示，它的相對標(biāo)準(zhǔn)誤差為竺一而_1財"一斯（4）由此看出：核衰變測量的統(tǒng)計誤差決定于測量的總計數(shù)陌的大小，川越大，絕對誤差越大而相對誤差卻越小。設(shè)對某個計數(shù)率嗎作了f時間的測量，則總計數(shù)，計數(shù)率嶼的統(tǒng)計誤差為（5）（5）由上式可看出：測量時間￡越長，誤差越小。利用上式可以計算嗎的誤差；反過來也可以由誤差要求，計算測量需用的時間。測量時就按照算出的時間進(jìn)行測量，以免不必要地耽誤很多時間或者誤差過大。對一組測量數(shù)據(jù)可以把它們直接和一個理論分布比較，從而檢驗這組數(shù)據(jù)是否符合該理論分布。對于實驗上測得的一組數(shù)據(jù)站（i=1，2…，k）首先求其平均值計算(8)然后對于上述的測量數(shù)據(jù)叫按下述區(qū)間來分組，各區(qū)間的分界點為：計算434各區(qū)間的中心值為22統(tǒng)計測量結(jié)果出現(xiàn)在各區(qū)間內(nèi)的次數(shù)站或頻率夫,茂，以次數(shù)夫或頻率乩/*作為縱坐標(biāo)，各區(qū)間的中心值為橫坐標(biāo)，作頻率直方面。將所得到頻率直方面與平均值禮標(biāo)準(zhǔn)誤差為％=屈的高斯分布曲線比較。通過比較可以定性地判斷測量數(shù)據(jù)分布是否合理，以及是否存在其它不可忽略的偶然誤差因素。三、實驗裝置實驗器材包括：①BH1324A-4096型微機(jī)多道/譜儀的基本系統(tǒng)（由FJ374能譜探頭、線性放大器（AMP）、4096道模數(shù)變換器（ADC），電腦接口及計算機(jī)等五部分組成）；②/放射源137CS和6°Co（強(qiáng)度21.5微居里）；③200〃mAI窗Nal（TI）閃爍探頭；④高壓電源、放大器、方框圖如圖6。線性放大器將對從探測器輸出的電脈沖信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，然后再送入模?shù)變換器（ADC）。ADC的主要任務(wù)是把模擬量（電壓幅度）變換為脈沖數(shù)碼并對模擬量進(jìn)行選擇。變換出的脈沖數(shù)碼經(jīng)電腦接口送入計算機(jī)的一個特定內(nèi)存區(qū)。高壓電源供給探測器所需高壓及低壓。四、實驗內(nèi)容1、連接好實驗儀器線路，經(jīng)教師檢查同意后接通電源。2、開機(jī)預(yù)熱后，選擇合適的工作電壓使探頭的分辨率和線性都較好。3、利用多道數(shù)據(jù)處理軟件對所測得的譜形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分別進(jìn)行光滑化、尋峰、半寬度記錄、峰面積計算、能量刻度、感興趣區(qū)處理等工作并求出各光電峰的能量分辨率。4、根據(jù)坪曲線的實驗結(jié)果選取適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷?，并確定放大倍數(shù)使譜形在多道脈沖分析器上分布合理。工作狀態(tài)穩(wěn)定后，重復(fù)進(jìn)行至少100次以上獨立測量放射源總計數(shù)率的實驗（建議進(jìn)行150-200次，每次定時15或20秒）。5、整理測量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計放射性漲落誤差及規(guī)律4、分別測Ms或60Co的全能譜并分析譜形，指明光電峰、康普頓平臺和反散射峰。五、思考題1、簡述NaI（TI）閃爍探測器的工作原理。答:射線通過閃爍體時，閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度與射線在閃爍體內(nèi)損失的能量成正比，即入射線的能量越大，在閃爍體內(nèi)損失能量越多，閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度也越大。當(dāng)射線（如尸、歹）進(jìn)入閃爍體時，在某一地點產(chǎn)生次級電子，它使閃爍體分子電離和激發(fā)，退激時發(fā)出大量光子（一般光譜范圍從可見光到紫外光，并且光子向四面八方發(fā)射出去）。在閃爍體周圍包以反射物質(zhì)，使光子集中向光電倍增管方向射出去，當(dāng)閃爍光子入射到光陰極上，就會產(chǎn)生光電子，這些光電子受極間電場加速和聚集，在各級打拿極上發(fā)生倍增（一個光電子最終可產(chǎn)生104?109個電子），最后被陽級收集。大量電子會在陽極負(fù)載上建立起電信號，通常為電流脈沖或電壓脈沖，然后通過起阻抗匹配作用的射極跟隨器，由電纜將信號傳輸?shù)诫娮訉W(xué)儀器中去。2、指出測量譜中各個峰值的形成原因？答：全能峰，這一幅度直接反映F射線的能量0.662MeV。有時康普頓散射產(chǎn)生的散射光子尿'若未逸出晶體，仍然為NaI（TI）晶體所吸收，也即通過光電效應(yīng)把散射光子的能量如'轉(zhuǎn)換成光電子能量，而這個光電子也將對輸出脈沖作貢獻(xiàn)。由于上述整個過程是在很短時間內(nèi)完成的，這個時間比探測器形成一個脈沖所需的時間短得多，所以先產(chǎn)生的康普頓電子和后產(chǎn)生的光電子，二者對輸出脈沖的貢獻(xiàn)是疊加在一起形成一個脈沖。這個脈沖幅度所對應(yīng)的能量，是這兩個電子的能量之和，即玖+"，也就是入射^射線的能量滌。所以這一過程所形成的脈沖將疊加在光電峰1上使之增高。平臺狀曲線是康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)，其特征是散射光子逃逸后留下一個能量從.2a如O到1+如的連續(xù)的電子譜。反散射峰由y射線透過閃爍體射在光電倍增管的光陰極上發(fā)生康普頓反散射或射線在源及周圍物質(zhì)上發(fā)生康普頓反散射，而反散射光子進(jìn)入閃爍體通過光電效應(yīng)而被記