一、核物理实验概述随着原子核物理研究的深入，加深了人们对微观世界的认识，也推动了如核能利用，核辐射在工农业和医疗中的利用等等有关原子核的现代科学技术的发展。核物理实验是研究核反应、核应用的重要手段。随着人们在核实验中对和核辐射了解的深入，核实验技术也正成为许多其它学科诸如固体物理、天体物理、考古学等的重要研究手段。核物理实验探测的对象主要是核衰变时所辐射的 、 射线和中子。因为这些粒子的尺度非常小，用最先进的电子显微镜也不能观察到，只能根据它们与物质相互作用产生的各种效应实现探测之目的，现已制造了多种类型的射线探测器。探测器大致可分为“径迹型”与“信号型”两大类。“径迹型”探测器能给出粒子运动的径迹，如核乳胶、固体径迹探测器、威尔逊云室、气泡室、火花室等。这些探测器大多用于高能物理实验。“信号型”探测器则当一个辐射粒子到达时给出一个信号。根据工作原理的不同又可以分成气体计数器、闪烁计数器和半导体（固体）探测器三种，这是我们在低能核物理实验中最常用的探测器。在核物理实验中测量的主要是辐射粒子的强度（单位时间内接收粒子的数目）、能谱（强度随能量的分布）、角分布（强度随角度的分布）以及它们随时间的变化关系。对于探测器和有关核电子学仪器装置的基本要求，就是把入射粒子的强度、它的能量大小和粒子到达的时间记录下来。核辐射粒子进入探测器产生一个信号（输出脉冲），信号幅度与辐射粒子能量之间的比例关系以及探测器的效率、能量分辨率和输出脉冲的波形是我们选择探测器时要考虑的重要因素。探测器的效率定义为探测器中产生的可被检测的信号计数与入射粒子数的比值。探测效率不仅与粒子的性质有关，也与粒子的能量有关。对于低能辐射，若所产生的信号幅度比噪声小则将无法检测。入射粒子可被检测时所需要在探测器中损耗的最低能量称为该探测器的灵敏度。影响探测效率的另一因素是分析信号所用的电子学设备尚存在对灵敏度的限制。 多道分析器的道数现已可达 8192 道或更高。一般说来，探测器的分辨本领愈高，使用的多道分析器的道数也愈高，以便保持峰区有足够的道数；此外能量范围愈大，要求道数也愈高。但道数愈高，落在每一道内的计数值将下降，使采谱的时间增加。（2）计算机多道分析器简介计算机多道分析器由主控制器与存储器、显示、信号处理、操作人员与分析器接口、数据输入输出接口等五部分组成。主控制器是一台微处理器，用来控制分析器的各部分。存储器包括已存入程序的只读存储器 和随机存储器 。该仪器有 8196 道存储器，可人为划分为 n 个小的存储器，如分成 4 个 1024 道存储器。数据可存在整个 1024 道存储器中，亦可存在前 512 道或后 512道，以及四个 256 道中的任何一个 256 道中。数据可按脉冲幅度分析（ ）或多度定标（ ）模式存储。两种模式都可以做加法（ ）或减法（ ）运算。显示器根据操作人员的指令将存储器的数值显示在荧光屏上，显示器下部还有文字信息供操作者参考和选择参数。一般显示器显示的是全部能谱，但它还具有窗口显示、设置特殊谱区和谱重叠等一些特殊功能。特殊谱区对分析峰位、峰强度（峰的总计数值）、峰的半宽度等有重要作用。当特殊谱区的范围设定后，屏幕上这一谱区的亮度增强以示区别。重叠功能可将两段不同内存段的数据同时显示在屏幕上以利比较。如前 512 道与后 512 道或第一段 256 道与第三段 256 道同时显示出来，两段数据之间可进行加、减运算，亦可将一段数据全部拷贝到另一段内存中去。模数变换器（ ）。信号在进入 前由上、下阈甄别器来控制输入信号的上、下阈值。 将模拟信号转换成数字量并送至相应的存储器。 转换的范围为 0—10 （或 0—8 ）。 可将 10 （或8 ）分为 256 道或 512 道或 1024 道等，道数越多电压分辨率就越高。操作者通过面板上的各种控制开关和触压键来指示多道分析器运行。在采集数据前首先用触压键确定工作模式（ 、 ）。在 模式下还可以设置采集时间，当达到预置的时间采集将自动停止。在模式下，扫描一次的时间 ，其中 为每一通道的取样时间， 为所选的通道数。采集前要设定通道数 、取样时间 以及重复扫描的次数。输入、输出接口可使 中的数据传输至外围设备，如电传打字机、磁带机等。顺便提一下 （ ），它代表核仪器标准化的国际通用系统，是由机箱、 电源及各种 插件组成。实验者可根据物理问题的需要，配备各种功能的插件，构成各式各样的 系统。例如 能谱仪可由 闪烁探头配合 型机箱，机箱内插入 型高压电源、型低压电源、 型线性脉冲放大器、 型单道脉冲幅度分析器、 型定标器及型率表等插件组成。系统实现了机械结构与电气技术指标的国际标准化，所以在组成这些系统时，可采用不同国家生产的插件。目前插件种类已达数百种，使用起来极为方便。机箱和电源是 系统的基本组成部分。机箱可容纳 12 个 1 单位标准宽度的插件插入，插件通过42 芯插座接插，从机箱得到供电。 型电源为插件式电源，电源开关由机箱控制，使用前应检查外负载有无短路。已通电后，严禁插拔印刷线路板。 使用 系统，应预先下插好插件并固定与机箱的连接螺丝，接通电源后再打开插件开关。工作过程中若需要更换插件，应关闭机箱电源。四、放射源的安全操作与防护核辐射能够对人体产生损伤，损伤是在一定剂量下发生的，并且是可以防护的。在我们开设的核物理实验中，所用的放射源基本上分为两类；一类是将放射性物质放在密封的容器中，在正常使用情况下无放射性物质之泄露称为封闭源；另一类是将放射性物质黏附在托盘上或电镀在托盘上（有时在这种源的活性面上覆盖上一层极薄的有机膜），在使用过程中放射性物质有可能向周围环境扩散，这类放射源称为开放源。一般 源属第一类， 和 源多为后者。源的放射性活度应尽可能利用低活度，在教学实验中除必须采用 贝可（ ）级外，一般均为 贝可级。1. 射线防护的基本原则与措施根据射线对人体作用的方式，分为体外照射与体内照射两种。所谓外照射即射线照射人体后只造成射线对人体组织的损伤，例如 射线照射人体造成体内深部损伤， 射线主要危害皮肤及眼晶体；内照射指放射性物质经过吸入、吃入或伤口渗入等途径进入体内，造成放射性物质发出的射线及其化学毒性对人体器官的双重危害。（1）外照射防护原则及措施① 在操作放射源前应作好充分准备工作，减少接触放射源的时间；② 增大人体与放射源距离；③ 设置必要的屏蔽。（2）内照射防护原则与措施① 防止放射性物质由呼吸道进入体内。在操作开放性液体源时，需在通风橱中进行；操作粉末状态物质 。手必须放在手套箱中进行。② 防止放射性物质经体表进入体内，面部和手臂等处有破伤不能进行开放性放射源的操作。在本单元实验不使用开放性液态和粉末状放射性物质，但仍然要注意因 源和 源等放射性物质之脱落而造成的内照射之可能性。2. 放射源的安全操作（1）放射源置于固定存放地点，并加铅室屏蔽，实验结束后应立即归还远处。（2）任何形式封装的放射源，均不得直接用手接触，取放放射源必须使用专用镊子或托盘等专用工具，用毕立即归还原处。（3）操作 放射源时，应配带防护眼镜，切忌用眼睛直视活性区。（4）若遇有放射源跌落、封装破裂等意外事故发生，应及时报告实验室管理人员妥善处理，并检查出事地点及附近沾污情况。 探测器的能量分辨率是指探测器对于能量很接近的辐射粒子加以区别的能力。能量分辨率取决于相同能量的辐射所产生的脉冲幅度分布的展宽程度。图 2.0-1 表示一种典型的脉冲幅度分布。以百分比表示的能量分辨率 的定义如下：越小，分辨能力越强。图 2.0-1 探测器的能量分辨率在核物理的研究中一些重要的实验方法如下：1. 散射实验 卢瑟福利用原子对 粒子的散射确定了原子的核模型。康普顿（）的 射线散射实验（康普顿散射）证实了光子是具有能量 和动量 p= k 的粒子，在微观的光子与电子的相互作用过程中，能量与动量守恒仍然成立。历史上的散射实验在研究核辐射粒子与物质的相互作用时发挥了重要的作用。2. 符合测量技术 在核现象中，有许多时间上相互关联的事件，这种相关的事件往往反映了原子核内在的运动规律。例如核级联衰变时所放射的粒子之间在时间上是相关的，级联衰变的平均时间间隔就是核激发态的平均寿命；又如上述衰变的粒子还有方向上的相关性即方向角关联。通过这些相关现象的研究可了解原子核结构和转化的规律。符合测量就是研究相关事件的一种方 法。近 30 年来由于快电子学、多道分析器和多参数分析系统（直接测定核反应过程中各种参数之间的相互关系）的发展和电子计算机在核物理实验领域中的应用，符合方法已成为实现多参数测量的必不可少的实验手段。3. 能谱测量技术 测量带电粒子能量的方法最简单的是射程测量方法。这种方法比较粗糙已较少应用。第二种是能量灵敏探测器方法，它包括电离室、正比计数器、闪烁计数器和半导体探测器。利用探测器的输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比这一规律，通过脉冲幅度与时间变换器把不同幅度的脉冲信号记录下来，再根据脉冲幅度确定粒子能量。第三种方法是能量色散的方法（又称磁分析法），如 和 磁谱仪等。它利用不同能量的粒子因其动量不同造成在磁场中运动的轨迹不同而把具有不同能量的粒子分开，目前它仍然是分辨率最好、精度最高的方法。4. 时间谱测量技术 测量核事件之间短的时间间隔如测量核激发态的短寿命、正电子在各种物质中的平均湮没寿命、核粒子的飞行时间等是核物理实验的一项重要技术。时间谱测量技术也是一种能谱测量技术，如中子谱、带电粒子的飞行时间（TOF）谱，近几年来时间测量技术得到越来越广泛的应用。二、核衰变的统计规律和放射性测量的统计误差我们知道核衰变的过程是相互独立、彼此无关的，每个原子核发生衰变的时间纯属偶然而无法确定，但是对于大量原子核 ，经过时间 后，平均地说其数目将按指数规律 衰减， 为衰变常数，它与放射源的半衰期 之间满足公式： 。在 时间内平均衰变的原子核的数目 为 （2.0.1）根据上式，统计平均看，在 个原子核中有 个核发生衰变的概率为 （2.0.2） 上式中系数 是考虑了 个原子核中发生衰变的 个核的各种可能的组合数。现设原子核总数 ，测量时间 远小于放射源的半衰期 ，即 ，也即衰变数 远小于粒子总数 。这时式（2.0.2）分子中的 …， 均可用 代替，于是有 由式（2.0.1）可知，这时 ，则有 （2.0.3） 这就是泊松分布。它告诉我们如果在时间间隔 内平均衰变次数为 ，则在时间间隔 内衰变数为出现的概率 即如式（2.0.3）所示。图 2.0-2 给出了当 时的泊松分布图。 图 2.0-2 m=3.5 时的泊松分布图泊松分布有下列四个重要性质：1. 满足归一化条件 2. 根据式（2.0.3）， 时间内平均衰变数应为3. 每次测量得到的衰变数 与平均衰变数之间的偏差的平均值为 0，即4. 通常用上述偏差n− m的均方根值 来表征核衰变统计涨落的大小， 称为标准误差 因为 所以 或 （2.0.4）综上所述，由于放射性衰变存在统计涨落，当我们作重复的放射性测量时，即使保持完全相同的实验条件（例如放射源的半衰期足够长，因此在实验时间内可以认为其活度基本上没有变化；源与计数管的相对位置始终保持不变；每次测量时间不变；测量仪器足够精确，不会产生其他的附加误差等），每次测量的结果并不相同，而是围绕其平均值 上下涨落。有时甚至有很大的差别，这种现象就叫做放射性计数的统计性。放射性计数的这种统计性是放射性原子核衰变本身固有的特性，与使用的测量仪器及技术无关。通常把 看作是测量结果的最概然值，把起伏带来的误差称为统计误差，它的大小用标准误差 来描述。 因为 是无限多次测量的结果，实际上无法得到，也无此必要去得到它实验室里都将一次测量值当作平均值，对它的误差也作类似处理。设一次测量得到的总计数为 ，它的标准误差就用来表示，它的相对标准误差为 由此看出：核衰变测量的统计误差决定于测量的总计数 的大小， 越大，绝对误差越大而相对误差却越小。设对某个计数率 作了 时间的测量，则总计数 ，计数率 的统计误差为 （2.0.5） 由上式可看出；测量时间 越长，误差越小。利用上式可以计算 的误差；反过来，也可以由误差要求，计算测量需用的时间。测量时就按照算出的时间进行测量，以免不必要地耽误很多时间或者误差过大。当 值较大时，根据泊松分布公式计算误差十分复杂在实际应用中很不方便，这时可对泊松分布利用斯蒂令（ ）近似公式 化为高斯分布： 图 2.0-3 给出 时的高斯分布曲线，由图可见它与泊松分布十分接近。 图 2.0-3 时的高斯分布曲线 高斯分布在误差理论中很重要，它给出了偶然误差所遵从的规律。考虑到 较大时，泊松分布与高斯分布的近似性质，式（2.0.4）给出的标准误差有如下的含义：在完全相同的条件下，作一次测量，出现的值 有 68.3%的概率处于 之内。68.3%称为“置信概率”（或叫置信度），相应的“置信区间”即为 。而当置信区间取为 和 时，相应的置信概率则为 95.5%和 99.8%。核探测中，对于间接测量量的误差也可以利用偶然误差的传递公式进行计算。应该看到，放射性测量中的统计误差与一般物理测量中的偶然误差，产生的原因是不同的。后者是由于测量时受到各种偶然因素的影响所造成的，但被测的物理量本身客观上还是有个不变的确定的数值，而核探测中的统计误差是由核衰变的随机性使被测值本身有涨落造成的。根据多次测量所得平均值的标准误差的计算公式，不难看出，对于相同的实验重复进行了次，得到的平均计数率的标准误差减小到单次测量误差的 ，即 与式（2.0.5）比较可知，重复数次测量结果的误差和一次长时间测量的结果的误差完全相同。三、常用核电子仪器的功能及其使用1. 单道分析器单道脉冲幅度分析器（简称单道）是将线性放大输出的脉冲进行幅度分选。它只允许幅度处于下阈（即下阈甄别器）和上阈所限制的“窗口”范围内的脉冲通过并推动定标器计数。、 图 2.0-4 单道脉冲幅度分析器框图单道分析器的电子学框图如图 2.0-4 所示。在单道分析器的微分测量工作方式下，输入脉冲同时加到上、下甄别器上，若下甄别器设定为 伏，上甄别器为伏，则 称为道宽（或能窗宽度）。只有输入脉冲幅度高于甄别器所设电平值时，甄别器才输出脉冲。所以在如图 2.0-5（a）的脉冲串中，只有脉冲 1和 2 可使上甄别器输出脉冲；而下甄别器在脉冲 1、2 和 3 作用图 2.0-5 脉冲幅度分析（微分模式）示意图 下有输出脉冲。上、下甄别器的输出脉冲经成形后再馈入反符合电路。反符合电路是一种对同时性事件相斥的电路，在只有下甄别器的输出脉冲不伴随有上甄别器输出脉冲时，反符合电路才给出输出脉冲。其示意图见图 2.0-5（b）。所以只有脉冲 3 能使反符合电路输出脉冲。两甄别器同时输出的其它脉冲将相互抵消。于是，单道分析器便将我们选定的下甄别阈和道宽范围内的脉冲选出来了。由于脉冲幅度与入射粒子的能量成正比，这种分选方法也常叫“开能窗”：它使能量在 和 之间的粒子所产生的脉冲分选出来。在“积分”测量方式下，仅将超过下甄别阈基线电压值的脉冲数计下来，上甄别器的输出不进入反符合电路。所以只要下甄别器被触发便有输出脉冲。单道分析器输出的信号是经过整形的幅度和宽度大小都一定的脉冲。2. 多道分析器多道分析器是核物理实验、核技术应用以及许多实验测量的重要设备。它有采集数据和简单的数据处理功能，还能将采集和处理结果显示在内装示波管上或输出到打印机、绘图仪等装置。多道分析器实际上是一台程序固化、带有输入、输出接口的专用微机（如 系列的微机）内插入模数变换（ ）卡结合以探头高低压供给及放大器（多做在一个箱中）就构成一台多道分析器。它具有结构灵活、可靠性高、操作灵活、可用高级语言自行编程等优点。现对多道分析器的功能与工作原理作一简单介绍。（1）多道分析器的功能多道分析器有脉冲幅度分析（ ）和多度定标（ ）两种工作模式。脉冲幅度分析是多道分析器最重要的功能（它相当于若干个单道同时工作），可测量放射源的能谱。探头输出的脉冲高度 与射线的能量 成正比， 经模数变换后将电压 变换为不同的地址（道数） ，并使该地址存储器的计数 增加一个计数。因道数 与脉冲高度 成正比，故道数 与射线能量 成正比。在模式下可测出放射源的完整能谱。多度定标模式可测量与时间有关的谱。此时多道分析器将不同时刻相同时间间隔 内记录下来脉冲个数，按先后次序顺序送入不同地址（道数） 的存储器。如某一物理量（如速度 或加速度 ）的变化与时间成正比，则 模式测出的即为该物理量的谱（如速度谱或加速度谱）。在核物理量实验中常用 模式来测量核素的衰减曲线等。