閃爍譜儀測(cè)量γ射線能譜

1、實(shí)驗(yàn)名稱：閃爍譜儀測(cè)射線能譜實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 掌握閃爍頻譜儀的工作原理和使用方法； 2. 學(xué)會(huì)譜儀的能量標(biāo)定方法； 3. 測(cè)量137Cs和60Co的射線能譜。實(shí)驗(yàn)原理：（以下原理部分摘自教學(xué)資源實(shí)驗(yàn)講義，詳見(jiàn)手寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告）根據(jù)原子核結(jié)構(gòu)理論，原子核的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，存在著分立能級(jí)。處在能量較高的激發(fā)態(tài)能級(jí)上的核，當(dāng)它躍遷到低能級(jí)上時(shí)，就發(fā)射射線（即波長(zhǎng)約在1nm 0.1nm間的電磁波）。放出的射線的光量子能量，此處h為普朗克常數(shù)，為光子的頻率。由此看出原子核放出的射線的能量反映了核激發(fā)態(tài)間的能級(jí)差。因此測(cè)量射線的能量就可以了解原子核的能級(jí)結(jié)構(gòu)。測(cè)量射線能譜就是測(cè)量核素發(fā)射的射線強(qiáng)度按能量的分

2、布。1 閃爍譜儀測(cè)量射線能譜的原理閃爍能譜儀是利用某些熒光物質(zhì)，在帶電粒子作用下被激發(fā)或電離后，能發(fā)射熒光（稱為閃爍）的現(xiàn)象來(lái)測(cè)量能譜的。這種熒光物質(zhì)常稱為閃爍體。i. 閃爍體的發(fā)光機(jī)制閃爍體的種類很多，按其化學(xué)性質(zhì)不同可分為無(wú)機(jī)晶體閃爍體和有機(jī)晶體閃爍體。有機(jī)閃爍體包括有機(jī)晶體閃爍體、有機(jī)液體閃爍體和有機(jī)塑料閃爍體等。此處僅對(duì)常用的無(wú)機(jī)晶體閃爍體的發(fā)光機(jī)制作簡(jiǎn)單介紹。最常用的無(wú)機(jī)晶體是鉈激活的碘化鈉單晶閃爍體，常寫(xiě)為NaI (T1)，屬離子型晶體，是絕緣體，按固體物理的概念，其能帶結(jié)構(gòu)是在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間有比較寬的禁帶。如有帶電粒子進(jìn)入到閃爍體中，引起后者產(chǎn)生電離或激發(fā)過(guò)程，即可能有電子從價(jià)帶

3、激發(fā)到導(dǎo)帶或激發(fā)到激帶，然后這些電子再退激到價(jià)帶的可能過(guò)程之一是發(fā)射光子。這種光子的能量還會(huì)使晶體中其他原子產(chǎn)生激發(fā)或電離過(guò)程，也就是光子可能被晶體吸收而不能被探測(cè)到。為此在晶體中摻入少量的雜質(zhì)原子稱為激活原子，如在碘化鈉晶體中摻入鉈原子，其關(guān)鍵作用是可以在低于導(dǎo)帶和激帶的禁帶中形成一些雜質(zhì)能級(jí)，見(jiàn)圖-1示意圖。這些雜質(zhì)原子會(huì)捕獲一些自由電子或激子到達(dá)雜質(zhì)能級(jí)上，然后以發(fā)光的形式退激發(fā)到價(jià)帶，這就形成了閃爍過(guò)程的發(fā)光，而這種光因能量小于禁帶寬度而不再被晶體吸收，不再會(huì)產(chǎn)生激發(fā)或電離。這說(shuō)明只有加入少量激活雜質(zhì)的晶體才能成為實(shí)用的閃爍體。對(duì)于無(wú)機(jī)晶體NaI (T1)而言，其發(fā)射光譜最強(qiáng)的波長(zhǎng)是4

4、15nm的藍(lán)紫光，其強(qiáng)度反映了進(jìn)入閃爍體內(nèi)的帶電粒子能量的大小。應(yīng)選擇適當(dāng)大小的閃爍體，可使這些光子一射出閃爍體就被探測(cè)到。（2）射線與物質(zhì)的相互作用射線光子與物質(zhì)原子相互作用的機(jī)制主要有以下三種方式：1. 光電效應(yīng) 2.康普頓效應(yīng) 3.電子對(duì)效應(yīng)綜上所述，光子與物質(zhì)相遇時(shí)，通過(guò)與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)或電子對(duì)效應(yīng)而損失能量，其結(jié)果是產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，如光電子、反沖電子或正負(fù)電子對(duì)。次級(jí)帶電粒子的能量與入射光子的能量直接相關(guān)，因此，可通過(guò)測(cè)量次級(jí)帶電粒子的能量求得光子的能量。閃爍能譜儀正是利用光子與閃爍體相互作用時(shí)產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，進(jìn)而由次級(jí)帶電粒子引起閃爍體發(fā)射熒光光子，通過(guò)這些熒

5、光光子的數(shù)目來(lái)推出次級(jí)帶電粒子的能量，再推出光子的能量，以達(dá)到測(cè)量射線能譜的目的。能譜的形狀閃爍能譜儀可測(cè)得能譜的形狀，圖-6所示是典型的射線能譜圖。圖的縱軸代表單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)目即射線強(qiáng)度，橫軸代表脈沖幅度即反映粒子的能量值。從能譜圖上看，有幾個(gè)較為明顯的峰，光電峰，又稱全能峰，其能量就對(duì)應(yīng)射線的能量。這是由于射線進(jìn)入閃爍體后，由于光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子，能量關(guān)系見(jiàn)式（1），如果閃爍體大小合適，光電子停留在其中，可使光電子的全部能量被閃爍體吸收。光電子逸出原子會(huì)留下空位，必然有外殼層上的電子躍入填充，同時(shí)放出能量的X射線，一般來(lái)說(shuō)，閃爍體對(duì)低能射線有很強(qiáng)的吸收作用，這樣閃爍體就吸收了的全部能量

6、，所以光電峰的能量就代表射線的能量，對(duì)，此能量為0.661e。即為康普頓邊界，對(duì)應(yīng)反沖電子的最大能量。背散射峰是由射線與閃爍體屏蔽層等物質(zhì)發(fā)生反向散射后進(jìn)入閃爍體內(nèi)，形成的光電峰，一般峰很小。4譜儀的能量刻度和分辨率（1）譜儀的能量刻度閃爍譜儀測(cè)得的射線能譜的形狀及其各峰對(duì)應(yīng)的能量值由核素的蛻變綱圖所決定，是各核素的特征反映。但測(cè)得的光電峰所對(duì)應(yīng)的脈沖幅度（即峰值在橫軸上所處的位置）是與工作條件有關(guān)系的。如光電倍增管高壓改變、線性放大器放大倍數(shù)不同等，都會(huì)改變各峰位在橫軸上的位置，也即改變了能量軸的刻度。因此，應(yīng)用譜儀測(cè)定未知射線能譜時(shí)，必須先用已知能量的核素能譜來(lái)標(biāo)定譜儀的能量刻度，即給出每

7、道所對(duì)應(yīng)的能量增值。例如選擇的光電峰0.661e和的光電峰、等能量值，先分別測(cè)量?jī)珊怂氐哪茏V，得到光電峰所對(duì)應(yīng)的多道分析器上的道址（若不用多道分析器，可給出各峰位所為應(yīng)的單道分析器上的閾值）?？梢哉J(rèn)為能量與峰值脈沖的幅度是線性的，因此根據(jù)已知能量值，就可以計(jì)算出多道分析器的能量刻度值。如果對(duì)應(yīng)的光電峰位于道，對(duì)應(yīng)的光電峰位于道，則有能量刻度 （6）測(cè)得未知光電峰對(duì)應(yīng)的道址再乘以e值即為其能量值。（2）譜儀分辨率能譜儀的一個(gè)重要指標(biāo)是能量分辨率。由于閃爍譜儀測(cè)量粒子能量過(guò)程中，伴隨著一系列統(tǒng)計(jì)漲落因素，如光子進(jìn)入閃爍體內(nèi)損失能量、產(chǎn)生熒光光子、熒光光子進(jìn)入光電倍增管后，在陰極上打出光電子、光電子

8、在倍增極上逐級(jí)打出光電子而使數(shù)目倍增，最后在陽(yáng)極上形成電流脈沖等，脈沖的高度是服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律而有一定分布的。光電峰的寬窄反映著譜儀對(duì)能量分辨的能力。如圖-7中所示的光電峰的描繪，定義譜儀能量分辨率為（7）表示閃爍譜儀在測(cè)量能量時(shí)能夠分辨兩條靠近的譜線的本領(lǐng)。目前一般的閃爍譜儀分辨率在10%左右。對(duì)的影響因素很多，如閃爍體、光電倍增管等等。（以上原理部分摘自教學(xué)資源實(shí)驗(yàn)講義，詳見(jiàn)手寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告）實(shí)驗(yàn)器材：閃爍譜儀（含閃爍體、光電倍增管、電源、單道分析器、多道分析器、線性放大 器等），放射源。實(shí)驗(yàn)步驟：1. 打開(kāi)閃爍譜儀和電源，調(diào)節(jié)電壓到550V（該電壓可以合適地使射線能譜正好在多道分析器圖像輸出的顯

9、示范圍內(nèi)），開(kāi)始預(yù)熱；2. 取出放射源137Cs，并登記，將其置于光電倍增管一端的（閃爍體）下面，打開(kāi)程序，準(zhǔn)備計(jì)數(shù)；3. 調(diào)節(jié)放大倍數(shù)到9.0，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待不同能量的粒子計(jì)數(shù)積累較多，能譜譜看上去較為均勻清晰的時(shí)候暫停計(jì)數(shù)，移動(dòng)光標(biāo)找出光電峰的最大值點(diǎn)，然后繼續(xù)計(jì)數(shù)；4. 等待片刻之后再次暫停計(jì)數(shù)，移動(dòng)光標(biāo)，重新確認(rèn)光電峰的最大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)（道址），當(dāng)多次反復(fù)后橫坐標(biāo)不再變化時(shí)即可記錄此時(shí)的光電峰所對(duì)應(yīng)的道址值作為最終記錄數(shù)據(jù)；5. 停止計(jì)數(shù)，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)為其它值后，開(kāi)始計(jì)數(shù)，重復(fù)操作（3）（4），記錄不同放大倍數(shù)所對(duì)應(yīng)的光電峰的橫坐標(biāo)，共10組數(shù)據(jù)；6. 選擇合適的放大倍數(shù)（

10、本次實(shí)驗(yàn)為10.4）使光電峰位于大約400道址的位置（60Co的光電峰能量約為137Cs的兩倍，這樣定位，后面測(cè)量能譜就不會(huì)使光電峰超出顯示范圍1024道址了），等待計(jì)數(shù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，待能譜清晰均勻的時(shí)候暫停計(jì)數(shù)，首先讀出最尖的光電峰對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)以及背景峰的橫坐標(biāo)，再?gòu)?道址開(kāi)始向右移動(dòng)光標(biāo)，記錄適量其它的數(shù)據(jù)點(diǎn)（平緩處可以取得稀疏些，接近峰的地方應(yīng)當(dāng)取得密集一些），以備描點(diǎn)作圖；7. 繼續(xù)計(jì)數(shù)，等能譜足夠清晰時(shí)暫停計(jì)數(shù)，移動(dòng)光標(biāo)，首先確定最大峰的峰值，在左右移動(dòng)光標(biāo)，找到計(jì)數(shù)值為其一半或在其一半附近的計(jì)數(shù)點(diǎn)，記錄對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)（道址數(shù)）；8. 停止計(jì)數(shù)，取下放射源137Cs，登記，登記，換上放

11、射源60Co，由于其活度較137Cs低，故旋開(kāi)放射源蓋，并將光電倍增管下降以靠近放射源、加快計(jì)數(shù)；9. 重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，注意保持原先的電壓和放大倍數(shù)不變，待計(jì)數(shù)絕對(duì)值足夠大、能譜圖像足夠清晰的時(shí)候，暫停計(jì)數(shù)，移動(dòng)光標(biāo)確定出60Co兩個(gè)較強(qiáng)的光電峰的橫坐標(biāo)，記錄；10. 實(shí)際上應(yīng)當(dāng)再記錄出60Co能譜足夠多的其他數(shù)據(jù)點(diǎn)，描點(diǎn)作圖，而這次我們選擇作了137Cs的能譜圖，因而未再作60Co的能譜圖（另有圖像記錄）；11. 整理數(shù)據(jù)，老師簽字，放回放射源，登記，洗手，關(guān)閉儀器，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：放大倍數(shù)與137Cs光電峰位置的關(guān)系放大倍數(shù)11.010.410.09.08.0道數(shù)4244063873

12、46304放大倍數(shù)7.06.05.04.03.0道數(shù)25521617413589表格-1能譜數(shù)據(jù)點(diǎn)分布數(shù)據(jù)記錄 光電倍增管放大倍數(shù)10.4 工作電壓550V道數(shù)02050555960637490120130計(jì)數(shù)322315347388413429409356265227190道數(shù)160190210224230242250260270280300計(jì)數(shù)16015517617717515513610710510091道數(shù)330348366377380385390400403406409計(jì)數(shù)7779107208239270359441450503427道數(shù)41342042443544045046047

13、2500564700計(jì)數(shù)390305233107491362413表格-2137Cs定標(biāo)放大倍數(shù)10.4 工作電壓550V60Co光電峰測(cè)量放大倍數(shù)10.4 工作電壓550V背景峰光電峰光電峰1光電峰2道址60406道址760872能量(MeV)0.1840.661能量(MeV)1.171.33表格-3 表格-4分辨率測(cè)量137Cs 放大倍數(shù)10.4 工作電壓550V道址380406423絕對(duì)計(jì)數(shù)8241634828表格-5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：首先繪制光電倍增管放大倍數(shù)與137Cs光電峰位置的關(guān)系圖。將表中數(shù)據(jù)在origin中線性擬合后有下圖：圖中可以發(fā)現(xiàn)，以最小二乘方式擬合的光電峰道址數(shù)與放大倍數(shù)

14、的關(guān)系，顯示出了相當(dāng)好的線性相關(guān)程度，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99973；參與擬合十個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合標(biāo)準(zhǔn)差約為2.8991。下圖加入誤差條的擬合圖像，誤差條比率為5%。下面我們開(kāi)始對(duì)137Cs能譜的數(shù)據(jù)點(diǎn)記錄描點(diǎn)畫(huà)圖。采用B-Spline線型對(duì)記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的連線作光滑處理?？梢缘玫饺缦聢D象：其中由左到右的三個(gè)峰依次為背景峰、康普頓電子散射峰和光電峰。由數(shù)據(jù)記錄可知，較明顯的背景峰和光電峰對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)依次為60、406；又由已知數(shù)據(jù)有，兩峰各自所對(duì)應(yīng)的射線能量分別為0.184eV、0.661eV，故可以由下式計(jì)算并定標(biāo)：得到：于是可以將上圖重新定標(biāo)，得到真正的能譜，即輻射強(qiáng)度橫軸的分布以能量為單位：

15、下面計(jì)算137Cs的射線能譜分辨率。由記錄數(shù)據(jù)表格-5，可由下面的式子計(jì)算出分辨率：于是上面便得到了儀器在該電壓（550V）、放大倍數(shù)（10.4倍）條件下的顯示分辨率。與參考值10%相當(dāng)接近。至此，在該條件下的閃爍譜儀多頻道分析器的輸出標(biāo)定已經(jīng)完成。下面再進(jìn)行60Co的射線能譜測(cè)定的數(shù)據(jù)處理。由表格-4中的數(shù)據(jù)和剛剛完成的標(biāo)定。可以推知60Co的兩個(gè)光電峰的位置和對(duì)應(yīng)的能量。而實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)值為可以計(jì)算相對(duì)誤差：而由60Co的兩個(gè)光電峰也可以定標(biāo)，當(dāng)然將這兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與137Cs的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)綜合后可以對(duì)四點(diǎn)作線性擬合，這樣得到的結(jié)果應(yīng)當(dāng)更加有可能接近實(shí)際?，F(xiàn)做圖如下：右上圖可以發(fā)現(xiàn)四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的線性相關(guān)

16、度非常的高，情況比較理想。最后附上60Co的能譜分布實(shí)測(cè)圖片，以彌補(bǔ)未能描點(diǎn)作圖的遺憾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論：實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)137Cs和60Co的射線能譜的測(cè)量，測(cè)量的137Cs和60Co能譜的峰值與標(biāo)準(zhǔn)值相比均偏小2%左右，因而系統(tǒng)誤差可能性較大，但也不排除隨機(jī)誤差的可能?？赡茉蛴校篿)、閃爍體由于長(zhǎng)期使用性能下降，使有效的閃爍次數(shù)減少；ii)、計(jì)數(shù)不夠多，能譜峰值處的橫向座標(biāo)還不夠穩(wěn)定就讀了數(shù)iii)、調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的器件本身有儀器誤差。另外，分辨率的測(cè)量中由于半峰值無(wú)法精確地找到，因此實(shí)際確定對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)均比半峰值稍大一些，即測(cè)量寬度偏小，分辨率略為偏低。此外，由于多道址分析器粒子計(jì)數(shù)并非完全同時(shí)進(jìn)行的而且放射源放射射線與閃爍體的作用本身也具有隨機(jī)性，因此即使是暫停計(jì)數(shù)之后，峰值附近的數(shù)據(jù)關(guān)于橫坐標(biāo)還是會(huì)出現(xiàn)較小的波動(dòng)（即可能不同時(shí)刻暫停計(jì)數(shù)后有不同的峰值及其對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)），但是隨著計(jì)數(shù)絕對(duì)數(shù)量的上升，能譜中峰的橫坐標(biāo)誤差可以減到很小，甚至完全穩(wěn)定下來(lái)。另外，粒子計(jì)數(shù)總數(shù)增加之后，圖像上表面來(lái)看是光滑、清晰了，但這是由于縱坐標(biāo)的標(biāo)度被壓縮了的緣故，實(shí)際上可以預(yù)見(jiàn)，不同橫坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)的差的絕對(duì)值總體上一定是在擴(kuò)大的，這也進(jìn)一步保證了橫坐標(biāo)讀數(shù)的準(zhǔn)確性。思考題：答：光電倍增管的放