近代物理实验报告

γ射线能谱的测量

学 院 数理与信息工程学院 班 级 光信081班 姓 名 陈亮 学 号 08620114 时 间 2011年04月27日

Υ射线能谱的测量

班级：光信081 姓名：陈亮 学号：08620114

摘要：

学会NaI(Tl)单晶Υ闪烁体整套装置的操作、调整和使用；在此基础上测量137Cs和60Co的Υ能谱，求出能量变化率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形；了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶Υ谱测量中的数据采集及其基本功能，在数据处理中包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等。通过测量137Cs和60Co的Υ射线的吸收曲线，研究Υ射线与物质（被束缚在原子中的电子、自有电子、库仑场、核子）相互作用的特性，了解窄束Υ射线在物质中的吸收规律及测量其在不同物质中的吸收系数。

关键字：

Υ射线 能谱 物质吸收系数μ 光电效应 康普顿效应 电子对效应

引言：

原子核由高能级向低能级跃迁时会辐射 射线，它是一种波长极短的电磁波，其能量由原子核跃迁前后的能级差来表示即：射线与物质发生相互作用则产生次级电子或能量较低的 射线，将 射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到 辐射强度按能量的分布，即为“能谱”。测量能谱的装置称为“能谱仪”。

闪烁探测器是利用带电粒子或非带电粒子与某些物质的相互作用下转化成为带电粒子对物质原子的激发，从而会产生发光效应的特性来测量射线的仪器。它的主要优点是即能测量各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子；即能测量粒子强度，又能测量粒子能量；并且探测效率高。

γ射线，又称γ粒子流，是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，是波长短于0.2埃的电磁波。首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。原子核衰变和核反应均可产生γ射线 。

γ射线的波长比X射线要短，所以γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。原子核释放出的γ光子与核外电子相碰时，会把全部能量交给电子，使电子电离成为光电子，此即光电效应。由于核外电子壳层出现空位，将产生内层电子的跃迁并发射X射线标识谱。高能γ光子（＞2兆电子伏特）的光电效应较弱。γ光子的能量较高时，除上述光电效应外，还可能与核外电子发生弹性碰撞，γ光子的能量和运动方向均有改变，从而产生康普顿效应。当γ光子的能量大于电子静质量的两倍时，由于受原子核的作用而转变成正负电子对，此效应随γ光子能量的增高而增强。γ光子不带电，故不能用磁偏转法测出其能量，通常利用γ光子造成的上述次级效应间接求出，例如通过测量光电子或正负电子对的能量推算出来。此外还可用γ谱仪（利用晶体对γ射线的衍射）直接测量γ光子的能量。由荧光晶体、光电倍增管和电子仪器组成的闪烁计数器是探测γ射线强度的常用仪器。

通过对γ射线谱的研究可了解核的能级结构。γ射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。γ射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。γ射线是原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时所发出的一种辐射，其辐射的能量由原子核跃迁前后两能级的能量之差决定。由于γ射线的能量与原子核激发态的能级密切相关， 因此，γ射线能量的测量对于了解原子核的结构、获得原子核内部的信息是一个十分重要的途径。 正文 实验目的

1．了解闪烁探测器的结构、原理；

2．掌握Nal（T1）单晶γ闪烁谱仪的几个性能指标和测试方法； 3．了解和电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理；

实验内容

1．学会NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用，调试一台谱仪至正常工作状态。

2．测量137Cs的γ能谱，求出能量分辨率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形。 3．了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶γ谱测量中的数据采集及其基本功能

4．数据处理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等）。

实验原理

γ射线能谱的测量

闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程：

（1）射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发；

（2）受激原子、分子退激时发射荧光光子；

（3）利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；

（4）光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104~109个，电子流在阳极负载上产生电信号；

（5）此信号由电子仪器记录和分析。

某些物质的原子核能发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线，核辐射主要有α、β、γ三种射线。我们通过不同的实验仪器能够探测到这些肉眼无法看见的射线。本实验使用的是γ闪烁谱仪。γ闪烁谱仪内部含有闪烁体，可以把射线的能量转变成光能。实验中采用含TI（铊）的NaI晶体作γ射线的探测器。

由原子物理学中可知γ射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程，最终实现了能谱图样的输出如下：

图中的横坐标CH表示道数，与能量成正比，纵坐标表示强度，也就是射线的密集程度，与计数成正比。

显然多于实验产生了多个峰值，但是B/C/D这三个峰值的能量比较低，不适合我们记录，为了能够同时获得高能量以及大密集度的峰值我们选取最右端的峰值，也就是A峰。 这个峰我们又把它称为全能峰。实验过程中要保证最终的峰值与图中A峰的CH（道数）尽量的接近，这样测得的结果才有实验价值。

由于射线与物质相互作用，导致射线通过一定厚度物质后，能量或强度有一定的减弱，称为物质对射线的吸收。研究物质对射线的吸收规律，不同物质的吸收性能等，在防护核辐射、核技术应用和材料科学等许多领域都有重要意义。

实验装置

实验步骤：

1．熟悉仪器，检查仪器安装是否正确，特别注意高压调节至0，以免接通电源后对闪烁探测器的冲击，影响仪器工作状态和使用寿命，然后接通电源,并预热20分钟左右。

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2．放上Co放射源，打开盖子；并使探测器大致对准放射源出射口。

3．运行多道分析软件开始计数测量。为了提高数据采集的速度及能量分辨率，参数范围设置在512道，时间预置为500，并调节道数坐标320，纵轴刻度为自动线性显示。

4．调节电压（700左右，不能超过900V）至合适值，线性放大调节到0.3倍，开始计数测量，记录总计数率。

5．文件保存为a.chn并按下清零按钮。

6．对探测器位置稍作调节，其他设置保持不变,开始测量，记录总计数率。 7．文件另保存为b.chn并按下清零按钮。

8．又对探测器位置稍作调节，其他设置保持不变,开始测量，记录总计数率。 9． 文件另保存为c.ch。

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以上步骤是Co的γ射线能谱测量，接下来是Cs的γ射线能谱测量 137

换Cs辐射源，在测量过程中，除了注意时间预置为300，并调节道数坐标160之外，其他

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步骤与Co的γ射线能谱测量类似，得到A.chn、B.chn、C.chn。

最后分析并打印出实验所得的图像1、2（a、b、c文件中取总计数率最大文件中的图像1；A、B、C文件中取总计数率最大文件中的图像2），实验结束后整理实验仪器，老师签字。 能谱测量数据：

60Co，电压为684大倍数为0.3倍 总计数率 285 279 296 137峰位 5h=158.75chn 5h=157.75chn 5h=159.75chn 半高宽 14.96chn 净面积 106202 分辨率 9.43% 9.44% 9.34% 道数 320 320 320 计数 689 654 798 14.86chn, 106102 14.76chn 105102 Cs，电压为686大倍数为0.3倍 总计数率 914 995 928 实验总结

峰位 4156.45 4159.80 4156.09 ththth半高宽 15.56 15.79 15.05 净面积 36537 38657 35999 分辨率 10.01% 10.09% 9.64% 道数 160 160 160 计数 2389 2624 2498 在本次实验中有很多值得注意的地方，如对于放射源的操作。虽然放射源所开的孔很小，但操作仍要十分小心，在拧开或关闭放射源盖子时，需从侧面慢慢盖上或取下。对于暂时不用的放射源应将它保存于抽屉中，切不可放在桌角等处，以防放射源掉下来造成严重的后果。 实验问题分析

1、 为何分析仪需要将电压调零后关机？

答：仪器启动时会有瞬间高压产生，分析仪能产生170%的高压，若在700V左右工作电压启动，则开机时会击穿光电倍增管。

2、 实验中Cs137测量时间为300秒，Co60测量时间为500秒，可不可以讲测量时间互

换？

答：不能Cs放射性强，技术强，300s吸收已经稳定，无需500s，而Pb放射强度弱，需要500s才能稳定，300s时完全没有达到稳态。 3、 调整道数电压时为什么每次都要将软件停止归零？

每一次运行软件测定时间已经开始计算，若调整电压时没有停止调零，则下次测定时间就会减少，导致结果不正确。 4、 改变放大倍数结果有没有变化？

答：结果一致，效果不同。放大倍数越大，精度越高，误差越小，但对仪器的要求更高。