实验四 闪烁 γ 能谱测量 核反应及核衰变生成的原子核常处于激发态，处于激发态核由高能级向低能级跃迁时会放射出 射线，测量射线能量可确定原子核激发态能级，这对确定原子核衰变纲图，放射性分析、同位素应用等方面有重要意义 。射线能量测量是利用 线与探测器相互作用产生次生电子，测得次生电子能量并绘出次生电子按能量分布的谱，即所谓 射线“能谱”，求得该 射线能量。本实验目的在于 1.加深对 射线和物质相互作用的理解；2.掌握 谱仪的原理及使用方法；3.学会测量分析 能谱；4.学会测定 谱仪的刻度曲线。[实验原理]1. 射线与物质相互作用射线与物质相互作用主要有光电效应、康普顿散射及电子偶效应。在光电效应中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能，另一部分就作为光电子的动能。所以，释放出来的光电子能量就是入射光子能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能 之差。因此， （4.1）即光电子动能近似等于 射线能量。值得注意的是，由于必须满足动量守恒定律，自由电子（非束缚电子）不能吸收光子能量而成为光电子。光电效应的发生除入射光子和光电子之外，还需有一个第三者参加，这第三者就是发射光电子之后剩余下来的整个原子。它带走一些反冲能量，但该能量十分小。由于它的参加，动量和能量守恒才能满足。而且，电子在原子中被束缚得越紧（即越靠近原子核的电子），越容易使原子核参加上述过程。所以在 壳层上发生光电效应的概率最大。 康普顿散射是 光子与原子外层电子相互作用的结果。我们分析一下散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系。入射光子能量为 ，碰撞后，散射光子的能量为 ，反冲电子的动能为 ，见图 4-1，为散射光子与入射光子方向间的夹角，经推导，散射光子的能量. （4.2）康普顿反冲电子的动能 ，即 ， （4.3） 图 4-1 康普顿效应示意图 从（4.2）和（4.3）式可以看出： （1）当散射角 时，散射光子能量 ，达到最大值。这时反冲电子的能量 。这就是说，在这种情况下入射光子从电子近旁掠过，未受到散射，所以光子能量没有损失。 （2）当 时，入射光子与电子对心碰撞后，沿相反方向散射出来，而反冲电子沿着入射光子方向飞出，这种情况称反散射。这时散射能量最小，即 .由此式可以推断出，即使入射光子的能量变化很大，反散射光子的能量也都在 200keV 左右。这也是能谱上容易辨认反散射峰的一个原因。发生康普顿效应时，散射光子可以向各个方向散射。对于不同方向的散射光子，其对应的反冲电子能量也不同。因而即使入射 光子的能量是单一的，反冲电子的能量却是随散射角连续变化的。理论计算和实验都表明，入射光子的康普顿反冲电子能谱如图 4-2 所示。电子对效应是 光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下， 光子转化为一个正电子和一个负电子的过程。根据能量守恒定律，只有当入射光子能量 大于 ,即 >1.02MeV 时,才能发生电子对效应。与光电效应相似, 电子对效应除涉及入射光子和电子对以外,必须有一个第三者---原子核参加。2. 能谱仪介绍图 4-3 是 闪烁能谱仪的方框图,探头的工作原理见图 4-4。当放射源发出的 射线进入闪烁体时，光子即与闪烁体中的原子、分子及晶体系统发生相互作用（如光电效应，康 图 4-2 几种能量的康普顿反冲电子能谱普顿散射和电子对效应等）。相互作用的结果产生次级电子， 光子的能量转化为次级电子的动能。探头的闪烁体是荧光物质，它被次级电子激发而发出荧光，这些光子射向光电倍增管的光阴极。由于光电效应，在光阴极上打出光电子，每个光电子在光电倍增管中的打拿极（倍增极）上打出多个电子，这些电子又在其他级的打拿级上，打出更多的电子，经过多次倍增，最后有大量电子射向管子的阳极，转变成电信号输出。以上光电转换过程之间能够保持良好的线性关系，从而使光电倍增管输出的脉冲幅度，正比于 光子在闪烁体内由各种效应而产生的次级电子的能量。通常，光电倍增管输出的脉冲幅度不超过 1 ，所以必须经过线性脉冲放大器放大后，再输入到单道脉冲幅度分析器中，对不同幅度的脉冲强度进行分析。单道分析器输出的脉冲强度由定标器记录（单道脉冲分析器原理见预备知识）。3. 能谱分析.我们以 为例，图 4-5 是 的衰变纲图。它可发出能量为 1.176MeV 的 粒子，成为激发态的 ，再跃迁到基态发出能量为 0.662MeV 的单能 射线。其能谱是有三个峰和一个坪台的连续分布，如图 4-6 所示。图中的峰 A 称为全能峰，这一幅度的脉冲是 0.662MeV 的 光子与闪烁体发生光电效应而产生的，它直接反映了 射线的能量。平台状曲线 B 是康普顿效应的贡献，它的特征是散射光子逃逸出晶体后留下一个连续的电子谱。峰 C 是反散射峰，当 射线射向闪烁体时，总有一部分 射线没有被吸收而逸出，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，其电脉冲就形成反散射峰。峰 D 是 X 射线峰，它是由 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。图 4-7 给出 的图 4-3 闪烁谱仪装置示意图不漏光暗盒源*闪烁晶体跟随器光电倍增管线性放大器单道分析器定标器低压电源 高压电源 能谱，这里不在赘述。图 4-4 射 线与闪烁体的作用示意图 4. 谱仪的能量分辨率和能量刻度曲线闪烁单晶γ谱仪最主要的指标是能量分辨率和线性。1. 对于单一能量的带电粒子，闪烁探头产生的输出脉冲幅度分布是近似为高斯型的对称分布，见图 4-8。通常能量分辩率定义如下：W=ΔUU×100 % 662keV662keV04-5 衰变图1.33MeV峰 A1.17MeV峰 B反散射峰 D康普顿边 C104光电峰计数率 图 4-8 ΔU是指峰值一半处（即最高计数 N0一半处）的宽度，通常叫半宽度（FWHM）；U 是峰值 N0对应的幅度，即峰位。因为输出幅度可以变换为射线的能量，如果线性良好，可以直接变为 W=ΔEE×100 %W 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 W 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 W ∝1/√E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）γ谱仪来说，能量分辨率是以137Cs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%。2. 能量线性是指谱仪的输出脉冲幅度与带电粒子能量之间是否有线性关系。由于 NaI（TI）单晶对于能量在 100keV 到 1300keV 是近似线性的，谱仪的能量线性主要取决于谱仪的工作情况。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。一般选用标准源137Cs（0.662MeV）和60Co（1.17MeV，1.33 MeV）来作，其曲线见图 4.9。这个线性关系可用线性方程表示，即 p0pGxE)x(E 康普顿边 C康普顿坪1021030 2 4 6 8 10图 4-7 谱 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。 图 4-9用于能量刻度的放射源，一般应选择其γ能量确知而且半衰期又较长的γ核素。常用的γ核素列于表 4-1 中。 表 4-1 核 素 能量（keV） 核 素 能量（keV） 241Am 59.536 没辐射 511.004 57Co 122.06 137Cs 661.649 22Na 127.455 54Mn 834.821 141Ce 145.444 88Y 898.021 203He 279.190 60Co1173.210，1332.470 198Au 411.804 24Na 1368.6，2754.1 实验中欲得到较理想的刻度曲线，还需要注意到放大器及单道分析器甄别阈的线性，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。[实验装置]本实验所用谱仪是 FH1901 型 NaI（TI）闪烁谱仪，其方框如图 4-10 所示，它由下列述仪器、插件组成。1. γ探头 它由 NaI（TI）晶体 40 40mm，光电倍增管，射极跟随器组成，射极跟随器将光电倍增管输出信号进行阻抗匹配，并输出一个脉冲信号。2. FH1034A1.5kV 高压电源，用十圈电位器调节，调节范围从 0-1500V，例如，当十圈电位器读数指示为 5.0 时，输出电压为 5.0¿150=750V，使用时高压刻度一般不得超过 6.0，即不超过 900V。3. FH1001A 放大器，输入负脉冲，输出正脉冲，放大倍数粗调以 4，8，16……256 二进制分档调节，细调用十圈电位器调节，它从 1-2 倍连续可调，旋扭左旋到底为 1.000（此时度盘刻度为 0.00），旋扭右旋到底为 2.000（此时度盘刻度为 10.00），例如粗调为“128”位置，细调为“5.00”位置，其放大倍数为 128¿1.5=1924. FH1006A 单道脉冲幅度分析器（简称单道），单道的阈值范围为 0.1-10.0V，单道范围为 50mV-5.0V。测量能谱时，道宽一般置于 100mV，即 0.1V（刻度盘指示为 0.2 位置）。道宽一经选定，在实验中要保持不变。5. FH1011A 定标器，有定时装置和自动、半自动及手动三档作选择，较长时间的测量（60-600 秒）用半自动档，较短时间内的测量（小于 10 秒）用自动档。面板上其他开关应处于下述位置：极性“十”，状态“工作”，打印“断”。6. FH1009A 线性率表，适当选取量程，用表头指示出计数率的大小，用以粗略估计计数率的大小。以上 2-6 放入 NIM 机箱组成一个测试仪。此外本实验要配合使用 SR-28 双踪示波器监视信号大小。跟随器线性放大器 单道分析器 定标器高压电源线性率表 [实验内容]1. 按图 4-10 连接仪器，检查线路确认无误后开低压电源，预热几分钟。把137Cs放射源放在托盘上。加高压用脉冲示波器观察探头工作状态。调节高压如能观察到图 4-11 所示的相反波形（一负脉冲），则表明探头已工作，该波形幅度最大的部分有一明亮光带，这是由光电效应引起的，而幅度较小的不断变化的弥漫区域由康普顿电子形成的。高压调节合适亮带窄而亮，且亮带与弥漫区之间明显可见一较暗带域出现。 图 4-11 2.调节放大器放大倍数与时间常数，用示波器观察放大器输出波形，使放大器输出脉冲幅度为 8V 左右，且使输出波形尽量与探头输出波形相似（如图 4-11）。3. 把单道道宽设置为 0.1V，微积分开关置于微分位置。调节单道阈值，粗测谱形。以确认光电峰在 8 伏左右（即确认整个谱形是否落在单道分析器的可调范围内）。具体方法有二种，第一种是用线性率表。连续改变单道阈值，观察率表指针变化，即可确定光电峰的大致位置是否在可调范围内；第二种方法用定标器，改变单道阈值，观察定标器数字变化的快慢，也可确定光电峰是否落在分析范围以内。探头 遮光套光电倍增管跟随器线性放大器 单道分析器 定标器示波器机箱数低压电源图 4-10 FH1901 单道 谱仪 4 精测137Cs能谱，单道道宽置于 0.1V 不动，逐渐改变单道阈值，每隔 0.1V 测一次计数，确定测量时间（要求光电峰处测量误差 E ）。在康普顿平台区可隔点测量，作出137Cs的γ能谱并求出谱仪的能量分辨率。5. 放上 源，改变放大倍数，使 的 1.33Mev 的光电峰脉冲高度在 8V 左右，依次测出137Cs和 的γ光电峰，作出谱仪的能量刻度曲线。[自检问题]1. 谱仪由哪几部分组成？γ射线能谱图测的是什么粒子的能量？2. 粗测谱形的意义何在？3. 如何做能量刻度曲线？