1、用NaI(Tl)單晶丫閃爍譜儀辨識未知源實驗報告班級： 姓名： 學(xué)號：一.實驗?zāi)康?、了解閃爍譜儀的工作原理，學(xué)習(xí)調(diào)整閃爍譜儀的實驗技術(shù)。2、掌握測譜技術(shù)及分析簡單 Y能譜的方法。3、掌握譜儀能量分辨率及能量線性的測量方法。4、學(xué)習(xí)譜儀應(yīng)用的實例一一辨別未知源的方法。二.實驗內(nèi)容1、熟悉線性放大器與單道脈沖幅度分析器，以及計算機多道脈沖幅度分析器的使用，調(diào)整譜 儀至正常工作狀態(tài)。2、選擇合適實驗條件，用單道測量137cs的y能譜，確定單道系統(tǒng)的能量分辨率。3、利用多道脈沖幅度分析器測量137cs源及60Co源的全譜；刻度譜儀能量線性，確定能量分 辨率、峰康比；對137cs的T能譜進(jìn)行譜形分析并

2、與理論比較。4、測量未知源的T能譜，確定峰位的能量，進(jìn)而辨別未知源。5、比較NaI和BGOW種不同閃爍體的性能。三.實驗原理NaI(T1)單晶T譜儀簡介NaI(T1)單晶閃爍譜儀由一塊NaI(T1)閃爍體、光電倍增管、射極輸出器和高壓電源以及 線性脈沖放大器、單道脈沖幅度分析器(或多道分析器)定標(biāo)器等電子學(xué)設(shè)備組成，示意圖見 圖 3-1。圖3-1 Nal(T1)閃爍譜儀裝置示意丫射線入射閃爍體內(nèi)，產(chǎn)生次級電子，使閃爍體內(nèi)原子電離、激發(fā)后產(chǎn)生熒光。這些光 信號被傳輸?shù)焦怆姳对龉艿墓怅帢O，經(jīng)光陰極的光電轉(zhuǎn)換和倍增極的電子倍增作用而轉(zhuǎn) 換成電脈沖信號，它的幅度正比于該次級電子能量，再由所連接的電子學(xué)

3、設(shè)備接受放大、 分析和記錄。NaI(T1)單晶丫譜儀測量丫射線的過程由圖3-2示說明。圖3-2 丫射線和閃爍體交互作用至光電倍增管陽極形成電流脈沖的示意圖這種譜儀對丫射線的探測效率高、分辨時間短、價格相對便宜。可用來測量射線的通量 密度，也可用來對輻射進(jìn)行能量分析，在核物理研究及核技術(shù)應(yīng)用的各領(lǐng)域中廣泛使用。單能丫譜的譜形分析方法儀儀測得的是脈沖數(shù)按幅度的分布，即脈沖幅度譜，簡稱脈沖譜，一般提到譜儀測得丫 譜均系指此脈沖譜。必須經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后才能得到丫射線強度按能量的分布即丫能譜。丫射 線在閃爍體中通過光電效應(yīng)、康譜頓效應(yīng)及電子對效應(yīng)產(chǎn)生能量各不相同的次級電子或正電 子，因此，即使對于單能丫射

4、線，輸出的脈沖幅度也分布在一個很寬的范圍內(nèi)。分布形狀與 三種作用各自的作用截面有關(guān)，故與丫射線能量和閃爍體種類有關(guān)，也與閃爍體尺寸以及源 與探測器距離等實驗條件有關(guān)。在不考慮電子對效應(yīng)的情況下，脈沖幅度分布的示意圖如圖 3-3 示。光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子動能Ep E BB是第i層電子的結(jié)合能。在打出第i層電子的 同時，外層電子躍遷填補i層空穴而放出特征 X寸線，一般此X光子也通過光電效應(yīng)而被閃爍體 吸收，這兩個過程幾乎同時發(fā)生。因此，入射光子產(chǎn)生光電效應(yīng)時，閃爍體吸收的能量幾乎等于En從而輸出脈沖幅度直接反映了丫射線的能量，譜峰被稱為全能峰。圖3-3 丫射線脈沖幅度譜示意圖林用幅哎康普頓散射產(chǎn)生

5、的反沖電子動能Ec是由零到Ecma妁連續(xù)分布:EcE E /c(3-1)EE E1 2(1 cos )mc(3-2)其中巳是散射光子能量（MeV）,巳是入射光子能量（MeV）, 8是散射角，電子靜止能量2EEmoc2 0.511Mev。當(dāng) 180時，E , r -2 ,反沖電子得到最大能量1 2rmc2r EEcmax/上，對應(yīng)于脈沖譜中的康普頓邊。由于累計效應(yīng)及統(tǒng)計漲落的影響，康普頓邊并 （1 2r）不尖銳而被壓平甚至消失。電子對效應(yīng)產(chǎn)生的正負(fù)電子對動能:Ee Ee E2/c2(3-3)當(dāng)E 1.5MeV時，電子對效應(yīng)截面甚小，可不考慮。為便于分析T射線在閃爍體中可能發(fā)生的各種事件以脈沖譜的

6、貢獻(xiàn)及具體實驗裝置和周 圍物質(zhì)可能產(chǎn)生的對譜形的影響，可參考講義表 3-1和圖3-2。E(Xp) GXp E0(3-6)閃爍譜儀的主要指標(biāo)一一能量分辨率及能量線性閃爍探測器輸出脈沖的形成過程中存在著統(tǒng)計漲落，即使對于單一能量的帶電粒子，輸 出脈沖幅度也有一個分布，近似為高斯形的對稱分布，如圖 3-4所示。分布曲線最大值一半處 的全寬度 麗為半寬度即FWHM也可用 Eg示。半寬度反映了譜儀分辨相鄰能量粒子的本 領(lǐng)。但是半寬度和能量有關(guān)，所以用相對分辨本領(lǐng)來定義譜儀的能量分辨率，即EE這里E和E分別是譜線所對應(yīng) 線的半寬度。的數(shù)值代表了譜儀能 個相鄰能量粒子的最小相對能量差。 越小，譜儀的能量分辨

7、本領(lǐng)越高， 儀的分辨率高。影響閃爍譜儀能量 素很多，除主要與閃爍體和光電倍 它們之間的光學(xué)耦合效果有關(guān)外， 整以及實驗條件選擇也都有影響。 爍探頭的能量分辨率與能量之間近 系：(3-4)的能量和譜 夠分辨的兩 顯然，值 通常說成譜 分辨率的因 增管的性能, 儀器參量調(diào) 可以證明閃 似有下述關(guān)IM4申盤圖3-4單能帶電粒子的脈沖譜形1 . E(3-5)通常，NaI(T1)單晶丫譜儀的能量分辨率是指對137C40.662MeV單能丫射線的分辨率而言, 值一般為10流右，最好可達(dá)6-7%。能量線性是指譜儀的輸出脈沖幅度與帶電粒子能量之間 的對應(yīng)關(guān)系是否有線性關(guān)系。通常電子學(xué)系統(tǒng)的零點和積分線性可以仔

8、細(xì)調(diào)整，所以非線性 主要來自閃爍探頭。NaI(T1)晶體在較寬的能量范圍內(nèi)(150-1500kev)平均脈沖幅度與丫射線 能量的關(guān)系偏離直線不大，光電倍增管需要仔細(xì)選擇與調(diào)整。為檢查譜儀的能量線性，實驗 上通常是利用系統(tǒng)丫標(biāo)準(zhǔn)源，在相同的實驗條件下，測得它們的脈沖譜，用作圖或用最小二 乘擬合方法建立已知丫射線能量與對應(yīng)的全能峰位的關(guān)系，即得到能量刻度曲線，通常是一 條不通過原點的直線，數(shù)學(xué)表示式是：其中：Xp是全能峰位（道或伏）；E0為截距，即譜儀零道或單道甄別閾值為零伏時所對應(yīng)的能量（能量單位，例如keV） ； G為直線斜率，亦稱增益，即每道或每伏對應(yīng)的能量間隔（例如，keV/道或V/道），

9、能量刻度可簡單地用標(biāo)準(zhǔn)源137cs（0.662MeV）和60Co（1.17和1.33MeV）來作, 如圖3-5示。成力，v圖3-5137C/口 60C0丫射線能量刻度示意圖也可用中子激活鈿片116mIn（Ti/2=54分）的七條丫射線進(jìn)行，如圖3-6示J I I I T-T TT-mTT1 r ill! fl TTf TT T t r t t i T ： T O I I I I 1 H I T I I I I|4 Mil一I”! * M.a圖3-6Tn的脈沖譜實驗作出譜儀的已刻度曲線對于譜儀的應(yīng)用極為重要。它是利用譜儀進(jìn)行T能譜分析與 辨別未知放射性核素的重要依據(jù)，也有助于能量分辨率的計算(3

10、-7)這里 V和E分別是脈沖譜中全能峰的半寬度和全能峰峰位對應(yīng)的丫射線能量。除能量分 辨率與能量線性外，還常給出對137Csg的峰康比這一指標(biāo)。峰康比是指全能峰峰道最大計數(shù) 與康普頓坪內(nèi)平均計數(shù)之比，它的意義在于說明了存在高能強峰時分辨低能弱峰的能力。顯然，峰康比越大越有利。譜儀應(yīng)用1）辨別未知源對譜儀進(jìn)行能量刻度后，在同樣的實驗條件下測量未知丫源的脈沖譜，通過譜形分析確 定各丫射線的全能峰峰位，即可求得對應(yīng)的丫射線能量，進(jìn)而從衰變綱圖或核素表查得未知 源的成分。2）全能峰法確定T放射源的活度由丫射線脈沖譜，可以確定某種能量丫射線的發(fā)射率因為Ni與放射源活度A之間有如下關(guān)系：Ni fi A,其

11、中片是該能量丫射線的光子產(chǎn)額，即每次核衰變放出的該能量光子 的相對分額，所以由Ni可確定該放射源的活度。為此，必需知道探測器對該能量丫射線的探 測效率。n 一本實驗中用到的譜儀探測效率的概念有：源峰效率sp -p；源總效率s -；和峰總比 p Ns NR 乜，這里M是全能峰內(nèi)的凈計數(shù)率，N是該能量丫射線的發(fā)射率，n是全譜凈總計數(shù)率。 n顯然，sp Rs。由此可見，從脈沖譜確定丫射線的發(fā)射率 N有兩種方法：全譜法和全能峰法。前者利用 全譜面積確定n,后者利用全能峰面積確定np0用全能峰法的優(yōu)點是在實際樣品測量時，對 實驗條件的要求并不很高，而仍能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果，當(dāng)然必需事先在接近理想的條件（防

12、 止散射等干擾因素）下確定源峰探測效率。用全能峰法確定T放射源的活度有兩種方法，如果有與待測源尺寸相同的同種核素標(biāo)準(zhǔn) 源，可以用與標(biāo)準(zhǔn)源相對比較的方法來確定待測源的活度，這種方法即為相對測量方法；如果不用標(biāo)準(zhǔn)源，則必須先確定同樣實驗條件下的譜儀源峰探測效率，才能求得待測源的活度， 這種方法也稱為絕對測量方法。兩種方法都需要測得全能峰下凈計數(shù)率的準(zhǔn)確值，在復(fù)雜丫 譜的情況下有時不容易做到。本實驗中用上述兩種方法確定137C洲的活度，137Cs的衰變綱圖比較簡單，所以全能峰的面積比較容易確定。相對測量方法：在同樣實驗條件下，測得同樣尺寸的標(biāo)準(zhǔn)與待測137cs源的丫譜及本底譜，則 U Ub （(3-

13、8)A -A0U0Ubttb其中Ao和后別為標(biāo)準(zhǔn)與待測137Csg的活度；E U0、EUffn三Ub分別是上述三個譜的全能峰道址范圍內(nèi)的總計數(shù)（注意道址范圍必需相同）；t、t和tb分別是上述三個譜的測量時間絕對測量方法：在同樣實驗條件下，測得待測137cs源的丫譜本底譜，計算公式是:ASTsp1u Ub-7 丁 IT(3-9)其中各符號意義同前。已知137cs白W662 MeV 丫射線f 0.85 ；峰總比 時實驗確定(在接近理想實驗條件下)，實驗表明，R與源和晶體表面之間的距離丫關(guān)系不大，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表(3-2)。 s由計算給出,部分?jǐn)?shù)據(jù)見表(3-3)表3- 140X40NaI(T1)晶體的峰

14、總比能量的關(guān)系。點源在晶體軸線上，r =10cmE (MeV)0.3920.6621.25R0.6030.3750.215表3- 2 40X40NaI(T1)晶體的點源源總探測效率s與源距r及丫射線能量E的關(guān)系康弋E (MeV)1020300.10.940 X10-20.244 義 10-20.109 X10-20.150.892 X10-20.237 X10-20.107 X10-20.20.832 X10-20.227 X10-20.104 X10-20.30.705 X10-20.198 X10-20.907 X10-20.4一一 一一 -20.613X10一 一-20.174 X 10

15、一一一-20.811 X100.5 _-20.552 X 10一一一-20.158 X 10一 一一-20.737 X100.60.512 X10-20.147 X10-20.687 X10-30.80.458 X10-20.132 X10-2一 一一-30.617 X 101.00.420 X10-20.122 X10-20.596 X10-3四.實驗過程及數(shù)據(jù)處理1、用137cs和60Co源調(diào)整NaI(T1)單晶丫譜儀到正常的工作狀態(tài)。依據(jù)實驗要求，用示波器觀測到的探頭及放大器輸出波形大體如下圖所示:放大器輸出信號波形:120mV2、用單道脈沖幅度分析器測量137cs的全譜：選擇單道道寬為

16、 0.1V,這樣可以使全能峰的半寬度內(nèi)包含約 3個道寬（可以不 影響分辨率的測準(zhǔn)）。通過單道改變下閾閾值測得 137cs的0.662 MeV 丫射線的脈沖 譜全譜。實驗結(jié)果如下表所示：閾值/V00.10.20.30.40.50.60.70.8計數(shù)4195250729609369179189189120.911.11.21.31.41.51.61.71.891812071382120611058708818608147821.922.12.22.32.42.52.62.72.87938288138068718697605503272092.933.13.23.33.43.53.523.543.5

17、61631119110824282921222592304234423.583.63.623.643.663.683.73.723.743.7636873987416541594232400338393558317128503.783.83.8844.14.24.34.44.524582042989128301513150由上表數(shù)據(jù)即可得到137cs的0.662 MeV 射線的脈沖譜全譜如下圖:測量中全能峰半寬度以上各點統(tǒng)計誤差2.2% 。計算譜儀能量分辨率為:E 3.80 3.508.20%,峰康比=5.07。由于部分 丫光子的能量并沒有全部沉積在E 3.66閃爍體內(nèi)，光電效應(yīng)產(chǎn)生的X射線有

18、一定概率逃出閃爍體，所以全能峰左側(cè)除了統(tǒng)計漲落還存在系統(tǒng)誤差，這解釋了為何137cs全能峰左邊部分偏離高斯分布。3、用多道脈沖幅度分析器測量60Co和137cs源的全譜。根據(jù)多道所測的脈沖譜全譜數(shù)據(jù),分別得到如下圖1、圖2所示，為測準(zhǔn)分辨率，137cs源的全能峰半寬度以上各點統(tǒng)計誤差0.3% , 60Co源較弱，全能峰半寬度以上各點統(tǒng)計誤差3.5% 。圖1137cs源的全譜圖260Co源的全譜Equationy = a + b*xVslueStandard Err能量截距-0.05574382104E-4能量斜率4.97721E-41.65724E-7140016001800200022002

19、40026002800通過對圖1、圖2的分析，得到如下表所示能量一道址關(guān)系表:能量/MeV0.6621.1731.332道址144224692788擬合求出刻度方程如下圖 所示:1.41.31.21.11.00.90.80.70.60.51200道址可得線性擬合的公式為：E 0.0004977 X 0.05574。線性相關(guān)系數(shù) R2 0.9999989，斜率與截距的相對不確定度在圖5中已經(jīng)給出，相對不確定度非常小，且線性相關(guān)系數(shù)接近，這顯示出碘化鈉探測器探測 0.662MeV1.33MeV能量時具有非常好的能量線性。可以用來測量未知源的 丫射線能量。4、利用多道脈沖幅度分析器測量未知丫放射源：保持之前的實驗條件不變，用多道脈沖幅度分析器測得未知源的全譜如下圖所示：利用能量刻度方程分析譜形，我們就可以得知譜線特征伽馬峰對應(yīng)的能量，并由此判斷 未知源的核素種類。1200未知源能譜分析上圖能譜，從右起第一個峰位：2670,對應(yīng)能量：1.273MeV,第二個峰位：1142,對應(yīng)能量為：0.512MeV,可見第二個峰位是由于正 3衰變產(chǎn)生的正電子湮沒產(chǎn)生的0.511MeV的伽馬光子被探測器探測到。沒有 1.022MeV的峰位是因為正負(fù)電子湮沒為保持動量守恒，發(fā)射的兩個0