NaITl单晶γ能谱的测量.docx
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NaITl单晶γ能谱的测量
NaI（Tl）单晶γ能谱的测量
一、实验目的
1、加深对γ射线和物质相互作用的理解；
2、掌握NaI（Tl）γ谱仪的原理及使用方法；
3、学会测量分析γ能谱；
4、学会测定γ谱仪的能量分辨率、线性、探测效率曲线；
5、测定未知放射源的能量和活度。
二、实验原理
1、γ谱仪的组成
图1γ谱仪的组成框图
NaI（Tl）闪烁谱仪由NaI（Tl）闪烁探头（包括闪烁体、光电倍增管、前置放大器）、高压电源以及谱仪放大器、多道分析器、计算机等设备组成。
图1为NaI（Tl）闪烁谱仪装置的示意图。
此种谱仪既能对辐射强度进行测量又可作辐射能量的分析，同时具有对射线探测效率高（比G-M计数器高几十倍）和分辨时间短的优点，是目前广泛使用的一种辐射探测装置。
2、射线与闪烁体的相互作用
由能带理论，卤化碱晶体能带由价带、禁带和导带组成。
能量最低的为价带，通常为晶体格子所束缚住的电子；中间的一层叫做禁带。
就本征晶体而言，禁带中不存在电子。
但若在价带中的电子获得了足够的能量，则可跃迁至导带，并在价带中产生一个空穴。
在导带中的电子及在价带中的空穴均可以自由运动。
同时导带中的电子可能会跃迁回到价带与空穴复合而发出光子。
但是在本征晶体中，电子与空穴复合放出光子的机率是非常小的。
何况，因为价带与导带之间的能隙的限制，在上述情况下发出的光子通常能量较高而不在可见光的范围内。
若在无机闪烁器中加入少量杂质，在晶体中形成缺陷，改变了本征晶体的能带结构，在禁带形成了一些新的能带。
经由这些能态，导带中电子与空穴复合的机率大为增加。
若选用适当的杂质，可以发出可见光。
常用的无机晶体闪烁器有NaI（Tl）、CsI（Tl）、CsI（Na）及ZnS（Ag）等。
当射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程：
（1）光电效应；
（2）康普顿散射；（3）电子对效应。
前两种过程中产生电子，后一过程出现正、负电子对。
这些次级电子获得动能（见表1所示），次级电子将能量消耗在闪烁体中，使闪烁体中原子电离、激发而后产生荧光。
光电倍增管的光阴极将收集到的这些光子转换成电子，光电子再在光电倍增管中倍增，最后经过倍增的电子在管子阳极上收集起来，并通过阳极负载电阻形成电压脉冲信号。
射线与物质的三种作用所产生的次级电子能量各不相同，因此对于一条单能量的射线，闪烁探测器输出的次级电子脉冲幅度仍有一个很宽的分布，分布形状决定于三种相互作用的贡献。
表1射线在NaI（Tl）闪烁体中相互作用的基本过程
根据射线在NaI（Tl）闪烁体中总吸收系数随γ射线能量变化的规律，γ射线能量<0.3MeV时，光电效应占优势，随着γ射线能量升高康普顿散射几率增加；在>1.02MeV以后，则有出现电子对效应的可能性，并随着γ射线能量继续增加继续增加而变得更加显著。
图2为示波器上观察到的0.662MeV单γ能射线的脉冲波形，谱仪测得的能谱图。
图3是、和放射源的γ能谱。
图中标出的谱峰称为全能峰。
在射线能区，光电效应主要发生在K壳层。
在击出K层电子的同时，外层电子填补K层空穴而发射X光子。
在闪烁体中，X光子很快地再次光电吸收，将其能量转移给光电子。
上述两个过程是几乎同时产生的，因此它们相应的光输出必然是叠加在一起的，即由光电效应形成的脉冲幅度直接代表了γ射线的能量（而非减去该层电子结合能）。
3、能谱分析
在衰变过程中，它可发出能量为1.17MeV的β粒子，成为基态的；而主要的衰变过程是发出能量为0.514MeV的β粒子，成为激发态的，再跃迁到基态发出能量为0.662MeV的单能γ射线，其能谱是有三个峰和一个平台的连续分布。
峰A称为全能峰，这一幅度的脉冲是0.662MeV的γ光子与闪烁体发生光电效应而产生的，它直接反映了γ射线的能量。
平台B是康普照顿效应的贡献，它的特征是散射光子逃逸出晶体后留下的一个连续的电子谱。
峰C是反散射峰，当γ射线射向闪烁体时，总有一部分γ射线没有被吸收而逃逸出，当它与闪烁体周围的物质发生康普顿散射时，反散射光子可能进入闪烁体发生光电效应，其脉冲就产生反散射峰。
D峰是X射线峰。
它是由137Ba的K层特征X射线贡献的。
处于激发态的在放出内转换电子后，造成K壳层空位，外层电子向K壳层跃迁后产生X光子，由于发出的γ射线的能量为0.662MeV（小于1.02MeV）,所以它的闪烁体作用不会发生电子对效应。
4、闪烁谱仪的性能
a）能量分辨率
探测器输出脉冲幅度的形成过程中存在着统计涨落。
即使是确定能量的粒子的脉冲幅度，也仍具有一定的分布，其分布示意图如图4所示。
通常把分布曲线极大值一半处的全宽度称半宽度即FWHM，有时也用ΔE表示。
半宽度反映了谱仪对相邻脉冲幅度或能量的分辨本领。
因为有些涨落因素与能量有关，使用相对分辨本领即能量分辨率η更为确切。
一般谱仪在线性条件下工作，故η也等于脉冲幅度分辨率，即
（1）
E（V）和ΔE（ΔV）分别为谱线的对应能量（幅度值）和谱线的半宽度（幅度分布的半宽度）。
表示出谱仪能够区分能量很靠近的两条谱线的本领，或者说它代表了谱仪能够分辨开（两种能量很相近）的能量差的相对值的极限。
显然越小越好，表示它能将靠得很近的谱线分开。
对于一台谱仪来说，近似地有
即谱仪的分辨率还与入射粒子的能量有关。
闪烁谱仪的能量分辨率取决于闪烁体、光电倍增管、电子学线路的选择与配合。
由于现在电子学线路技术的提高，分辨率主要取决于闪烁体的分辨本领。
对于单晶NaI（TI）谱仪来说，能量分辨率是以的0.662MeV单能γ射线的光电峰为标准的，它的值一般在8-15%，最好可达6-7%。
b）能量线性刻度曲线
能量线性指谱仪对入射γ射线的能量和它产生的脉冲幅度之间的对应关系。
一般NaI（Tl）闪烁谱仪在较宽的能量范围内（100keV到1300keV）是近似线性的。
这是利用该谱仪进行射线能量分析与判断未知放射性核素的重要依据。
为检查谱仪的能量线性情况，必须利用一组已知能量的γ放射源，测出它们的γ射线在γ谱中相应的全能峰位置（或道址），然后，作出γ能量对脉冲幅度（或道址）的能量刻度曲线。
这个线性关系可用线性方程表示，即
式中xp为峰位，即道址；E0为截距，即零道对应的能量；G为斜率，即每道对应的能量间隔，又称增益。
实验中用的γ核素能量列于表2中。
实验中欲得到较理想的刻度曲线，还需要注意到放大器及多道分析器的线性，进行必要的检查调整，进行未知γ能量的测量时，必须保持其测量条件与能量刻度时的相同。
若测量条件有较大变化时，应重新进行刻度。
典型的能量刻度曲线如图5所示：
c）效率刻度曲线
当不同能量的γ射线入射探头时，谱仪的探测效率将随能量发生变化。
探测效率的定义如下：
T为测量时间；A为放射源活度；b表示能量为E的射线的产额（也称为分支比）；S（E）
表示能量为E的射线所对应的全能峰面积（如图6）。
通过对多种已知活度的γ源进行测量，可以计算出γ谱仪在不同能量处的效率，从而拟
合得到探测效率随能量的变化规律。
三、实验仪器
1.NaI（Tl）闪烁探头
2.高压电源
3.多道脉冲幅度分析器
4.计算机
5.示波器
6.放射源5个，铅砖若干
四、实验内容及记录分析
第一周实验内容：
1.检查线路确认无误后开低压电源，预热几分钟。
熟悉多道脉冲幅度分析器数据采集软件的使用；
时间：
2012/10/2514:
30-15:
0015:
30-16:
00
实验记录:
a）实验使用的是高压及放大一体仪器，仪器前面板有放大倍数调节旋钮，高压调节旋钮。
放大倍数从旋钮上读取，高压则可从数字面板上直接读出。
b）实验使用的多道脉冲幅度分析器数据采集软件可以根据道数，测量时间等参数设置自动进行测量记录，并最终输出txt文本本件。
实验结果：
基本掌握实验原理，方法，仪器及数据采集软件使用方法。
2.用示波器观察测量闪烁体探头输出信号。
把放射源放在托盘上，将探头和放射源用铅砖屏蔽。
加高压，用脉冲示波器观察探头工作状态。
时间：
2012/10/2515:
00-15:
30
实验记录：
此部分实验内容由老师讲解是进行演示，示波器上出现波形，该波形幅度最大的部分有一明亮光带，而幅度较小的不断变化的弥漫区域。
亮带与弥漫区之间明显可见一较暗带域出现。
3.选择高压、放大倍数、测量道数等参数；（放射源选择，测量时间200s）
时间：
2012/10/2516：
00-17:
30
a）把放射源放在托盘上。
调节改变高压（350－700V），保持其它条件不变，观察能谱曲线的变化，并记录数据；
实验记录：
i.保持放大倍数4.78，道数1024不变。
测量铯放射源在电压350V时的γ能谱。
导出文本文件（桌面:
\123\电压350放大4.78铯137）。
ii.条件同上，测量铯放射源在电压450V，550V，650V时的γ能谱。
分别导出文本文件（桌面:
\123\电压450放大4.78铯137）、（桌面:
\123\电压550放大4.78铯137）、（桌面:
\123\电压650放大4.78铯137）。
实验分析与讨论：
将实验所得的四个电压下的数据分别作图，如下：
图7电压350V放大倍数4.78道数1024
图8电压450V放大倍数4.78道数1024
图9电压550V放大倍数4.78道数1024
图10电压650V放大倍数4.78道数1024
分析：
i.图7-图10可以发现，当所加电压较低的时候（如图7350V情况），所有通道收集到的粒子数目均为0或者接近0。
ii.当电压升高（如图8,9450V和550V情况），则可以较全观察到铯137的γ能谱。
而且对比之下，550V下所得图样更宽，能谱主要部分所在通道中收集到的粒子数更少，全能峰峰值下降更明显。
iii.当电压太高（如图10650V情况），收集粒子数进一步减少，而且已经不能观察到全能峰，全能峰在所得能谱右方。
总结：
其他条件不变时，电压主要对应能谱所能测量的能量范围。
测量范围与电压选取呈负相关。
电压较低时，测量范围太广，以致能谱出现集中在开始的几个通道上，甚至无法测量。
当逐渐提高电压，测量范围开始下降，能谱出现，但同时由于通道数不变，每个通道对应的能量范围亦减小，所以每个通道上采集到的粒子数减少，图形效果变差，对于能量较集中粒子数较多的全能峰影响明显。
当电压足够大，所得能谱不再完整。
从原理上说，高压是作用在光电倍增管，高压使得光电倍增管灵敏度提高，降低其测量范围，提高测量精度。
但同时，噪声也会被放大。
b）调节改变放大倍数，保持其它条件不变，观察能谱曲线的变化，并记录数据；
实验记录：
i.保持电压550V，道数1024，测量时间200s不变，测量放大倍数为1.0时，放射源铯137的γ能谱并导出文本文件（桌面:
\123\电压550放大1.0铯137）。
ii.条件不变，测量放大倍数为2.0,3,0,4.0,5.0时，放射源铯137的γ能谱并分别导出文本文件（桌面:
\123\电压550放大2.0铯137）、（桌面:
\123\电压550放大3.0铯137）、（桌面:
\123\电压550放大4.0铯137）、（桌面:
\123\电压550放大5.0铯137）。
实验分析与讨论：
将实验所得的5个放大倍数下的数据分别作图，如下：
图11放大倍数1.0电压550V道数1024
图12放大倍数2.0电压550V道数1024
图13放大倍数3.0电压550V道数1024
图14放大倍数4.0电压550V道数1024
图15放大倍数5.0电压550V道数1024
分析：
i.图11，图12放大倍数较小，能谱不明显，不作讨论。
ii.图13，
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