1、PB05005010 崔兆宁 用闪烁谱仪测射线能谱 5-（实验报告）和原子的能级间跃迁产生原子光谱类似，原子核的能级间跃产生射线谱。测量射线强度按能量的分布即射线能谱，简称能谱。研究能谱可确定原子核激发态的能级，研究核蜕变纲图等，对放射性分析、同位素应用及鉴定核素等方面都有重要的意义。测量射线能谱最常用的仪器是闪烁能谱仪，该谱仪在核物理、高能粒子物理和空间辐射物理的探测中都占有重要地位，而且用量很大。一、实验目的：学习用闪烁谱仪测量射线能谱的方法，要求掌握闪烁谱仪的工作原理和实验方法，学会谱仪的能量标定方法，并测量射线的能谱。二、实验原理：闪烁谱仪测得的射线能谱的形状及其根据原子核结构理论，原
2、子核的能量状态是不连续的，存在着分立能级。处在能量较高的激发态能级上的核，当它跃迁到低能级上时，就发射射线（即波长约在1nm 0.1nm间的电磁波）。放出的射线的光量子能量，此处h为普朗克常数，为光子的频率。由此看出原子核放出的射线的能量反映了核激发态间的能级差。因此测量射线的能量就可以了解原子核的能级结构。测量射线能谱就是测量核素发射的射线强度按能量的分布。1 闪烁谱仪测量射线能谱的原理闪烁能谱仪是利用某些荧光物质，在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射荧光（称为闪烁）的现象来测量能谱的。这种荧光物质常称为闪烁体。（1） 闪烁体的发光机制闪烁体的种类很多，按其化学性质不同可分为无机晶体闪烁体
3、和有机晶体闪烁体。有机闪烁体包括有机晶体闪烁体、有机液体闪烁体和有机塑料闪烁体等。此处仅对常用的无机晶体闪烁体的发光机制作简单介绍。最常用的无机晶体是铊激活的碘化钠单晶闪烁体，常写为NaI (T1)，属离子型晶体，是绝缘体，按固体物理的概念，其能带结构是在价带和导带之间有比较宽的禁带。如有带电粒子进入到闪烁体中，引起后者产生电离或激发过程，即可能有电子从价带激发到导带或激发到激带，然后这些电子再退激到价带的可能过程之一是发射光子。这种光子的能量还会使晶体中其他原子产生激发或电离过程，也就是光子可能被晶体吸收而不能被探测到。为此在晶体中掺入少量的杂质原子称为激活原子，如在碘化钠晶体中掺入铊原子，
4、其关键作用是可以在低于导带和激带的禁带中形成一些杂质能级，见图2.2.1-1示意图。这些杂质原子会捕获一些自由电子或激子到达杂质能级上，然后以发光的形式退激发到价带，这就形成了闪烁过程的发光，而这种光因能量小于禁带宽度而不再被晶体吸收，不再会产生激发或电离。这说明只有加入少量激活杂质的晶体才能成为实用的闪烁体。对于无机晶体NaI (T1)而言，其发射光谱最强的波长是415nm的蓝紫光，其强度反映了进入闪烁体内的带电粒子能量的大小。应选择适当大小的闪烁体，可使这些光子一射出闪烁体就被探测到。（2）射线与物质的相互作用射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式：） 光电效应当能量的入射光子
5、与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失，发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应发射出光电子的动能 （1）为束缚电子所在壳层的结合能。原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X射线。例如L层电子跃迁到K层，放出该原子的K系特征X射线。） 康普顿效应光子与自由静止的电子发生碰撞，而将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，光子被散射改变了原来的能量和方向。计算给出反冲电子的动能为 （2）式中为电子静止质量，角度是光子的散射角，见图2.2.1-2所示。由图看出反冲电子以角度出
6、射，与间有以下关系： （3）由式（2）给出，当时，反冲电子的动能有最大值，此时（4）这说明康普顿效应产生的反冲电子的能量有一上限最大值，称为康普顿边界EC。） 电子对效应当光子能量大于时，光子从原子核旁边经过并受到核的库仑场作用，可能转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对效应。此时光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和，如 （5）其中。综上所述，光子与物质相遇时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应或电子对效应而损失能量，其结果是产生次级带电粒子，如光电子、反冲电子或正负电子对。次级带电粒子的能量与入射光子的能量直接相关，因此，可通过测量次级带电粒子的能量求得光子的能量。闪烁能谱仪正
7、是利用光子与闪烁体相互作用时产生次级带电粒子，进而由次级带电粒子引起闪烁体发射荧光光子，通过这些荧光光子的数目来推出次级带电粒子的能量，再推出光子的能量，以达到测量射线能谱的目的。2闪烁谱仪的结构框图及各部分的功能闪烁谱仪的结构框图示于图2.2.1-3中。它可分为虚线框中的闪烁探头、虚线框中的数据采集系统及两虚线框之外的供电电源等部分。以下分别介绍各部分的功能。（1） 闪烁探头闪烁探头包括闪烁体、光电倍增管、前置放大器以及屏蔽暗盒等。实验中测量能谱多使用无机闪烁体如NaI (T1)晶体。闪烁体的功能是在光子的作用下产生数目与光子能量相关的荧光光子。这些荧光光子被光导层引向光电倍增管的光敏阴极而
8、产生光电子，再在一系列倍增极上产生光电效应而使光电子的数目大大增加，最后在光电倍增管的阳极上形成电流脉冲。脉冲数目是和进入闪烁体光子数目相对应的。而脉冲的幅度和光电倍增管光敏阴极发射的光电子数目成正比，即和在闪烁体中产生的荧光光子树目成正比，从而和射线在闪烁体中损失的能量成正比。（关于光电倍增管的结构、工作原理、基本参数和使用方法等请阅读附录1.）由于光电倍增管的输出信号幅度很小，需经过前置放大器匹配输出阻抗后再输出给数据采集系统。高压电源供给光电倍增管阳极和各倍增极工作电压，低压电源提供前置放大器高压电源以及数据采集系统各部分的工作电源。整个闪烁探头应安装在屏蔽暗盒内以避免可见光对光电倍增管
9、的照射而引起损坏。（1） 数据采集系统闪烁谱仪框图中除去闪烁探头部分和谱仪的供电电源部分外，可称为数据采集系统，包括线性放大器、单道脉冲幅度分析器和定标器或多道脉冲幅度分析器等。除多道脉冲幅度分析器为单机型外其余部分一般都采用标准NIM插件系列，NIM机箱提供各插件仪器使用的低压电源。将单道脉冲幅度分析器、线性放大器、定标器和高压电源、低压电源等仪器插入NIM机箱中即可工作。因前置放大器输出的脉冲信号幅度小，不足以触发单道脉冲幅度分析器或定标器计数。因此需要经过线性放大器将信号按线性比例进行放大，一般输入脉冲的极性正或负均可，输出脉冲均为正极性，放大倍数可通过二进制分档再经过十圈电位器连续调节
10、。具体使用方法应参阅实验室提供的仪器使用说明书。单脉冲幅度分析器也是标准NIM插件仪器，其工作原理框见图2.2.1-4所示。脉冲信号进入输入电路，经一定比例的衰减后由两路送出，分别进入上、下甄别阈电路。设下甄别阈阈值为，上甄别阈阈值为，称为道宽。当输入信号幅度超过而小于时，下甄别阈被触发，有输出脉冲进入反符合电路，但上甄别阈未被触发无输出脉冲进入反符合电路，因此反符合电路有输出脉冲送进输出电路，单道分析器有输出脉冲。如果输入脉冲幅度小于或大于，使上、下甄别阈同时未被触发，无输出脉冲送入反符合电路，或同时被触发而均有脉冲送入反符合电路，结果都使反符合电路无脉冲输出。参见图2.2.1-5，只有脉冲
11、分析器介于和之间时，单道分析器有输出。若调整为某固定值，单道分析器的输出就给出幅度在范围内的脉冲数。利用单道脉冲幅度分析器测量脉冲幅度分布，应逐步改变值并测量处在范围内的脉冲数目，每改变一次值，用定标器测量一次计数定标器的工作原理、使用方法可阅读实验室提供的仪器说明书。更方便的方法是采用多道脉冲幅度分析器，它的功能是将输入的脉冲按其幅度不同分别送入相对应的道址中（即不同的存贮单元中）。直接就可以给出各道址（对应不同的脉冲幅度）中所记录的脉冲数目，因此测量能谱就非常方便。有关多道脉冲幅度分析器的工作原理和使用方法参阅附录2。能谱的形状闪烁能谱仪可测得能谱的形状，图2.2.1-6所示是典型的射线能
12、谱图。图的纵轴代表单位时间内的脉冲数目即射线强度，横轴代表脉冲幅度即反映粒子的能量值。从能谱图上看，有几个较为明显的峰，光电峰，又称全能峰，其能量就对应射线的能量。这是由于射线进入闪烁体后，由于光电效应产生光电子，能量关系见式（1），如果闪烁体大小合适，光电子停留在其中，可使光电子的全部能量被闪烁体吸收。光电子逸出原子会留下空位，必然有外壳层上的电子跃入填充，同时放出能量的X射线，一般来说，闪烁体对低能射线有很强的吸收作用，这样闪烁体就吸收了的全部能量，所以光电峰的能量就代表射线的能量，对，此能量为0.661e。即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。背散射峰是由射线与闪烁体屏蔽层等物质发生反
13、向散射后进入闪烁体内，形成的光电峰，一般峰很小。4谱仪的能量刻度和分辨率（1）谱仪的能量刻度各峰对应的能量值由核素的蜕变纲图所决定，是各核素的特征反映。但测得的光电峰所对应的脉冲幅度（即峰值在横轴上所处的位置）是与工作条件有关系的。如光电倍增管高压改变、线性放大器放大倍数不同等，都会改变各峰位在横轴上的位置，也即改变了能量轴的刻度。因此，应用谱仪测定未知射线能谱时，必须先用已知能量的核素能谱来标定谱仪的能量刻度，即给出每道所对应的能量增值。例如选择的光电峰0.661e和的光电峰、等能量值，先分别测量两核素的能谱，得到光电峰所对应的多道分析器上的道址（若不用多道分析器，可给出各峰位所为应的单道分
14、析器上的阈值）。可以认为能量与峰值脉冲的幅度是线性的，因此根据已知能量值，就可以计算出多道分析器的能量刻度值。如果对应的光电峰位于道，对应的光电峰位于道，则有能量刻度 （6）测得未知光电峰对应的道址再乘以e值即为其能量值。（2）谱仪分辨率能谱仪的一个重要指标是能量分辨率。由于闪烁谱仪测量粒子能量过程中，伴随着一系列统计涨落因素，如光子进入闪烁体内损失能量、产生荧光光子、荧光光子进入光电倍增管后，在阴极上打出光电子、光电子在倍增极上逐级打出光电子而使数目倍增，最后在阳极上形成电流脉冲等，脉冲的高度是服从统计规律而有一定分布的。光电峰的宽窄反映着谱仪对能量分辨的能力。如图2.2.1-7中所示的光电
15、峰的描绘，定义谱仪能量分辨率为（7）表示闪烁谱仪在测量能量时能够分辨两条靠近的谱线的本领。目前一般的闪烁谱仪分辨率在10%左右。对的影响因素很多，如闪烁体、光电倍增管等等。三、实验内容 熟悉各仪器的使用方法。用多道分析器观察的能谱的形状，识别其光电峰及康普顿边界等。改变线性放大器的放大倍数，观察光电峰位置变化的规律。 测量的能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间的关系。要求至少取10个不同的数据并作最小二乘法拟合给出相关结果。 测量和放射源的射线能谱，用已知的光电峰能量值来标定谱仪的能量刻度，然后计算未知光电峰的能量值。提示：的射线能量约为的射线能量的两倍，要求在多道分析器的横轴道址范围内使二者
16、均能显示出来，需选择合适的放大倍数，如果放大倍数太大会使的光电峰逸出道址范围；如果放大倍数太小又不能充分利用多道址分析器的道址而降低了能量分辨率，因此需考虑怎样才是合适的放大倍数？ 绘出和源的能谱图，给出谱仪的能量标定并计算源的射线能量。四、实验数据分析：1.的能谱图如下：（共测了二十一个数据，横轴为道址量，纵轴为计算数）同理源的能谱图：（共测了二十二个数据，横轴为道址量，纵轴为计算数）2.的能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间的关系如下图：图中红色曲线是用最小二乘法线线性拟合的结果（用origin作图），拟合曲线：y=B*x+A；A=160.474554.34602；B=111.985450
17、.91117；相关系数：R=0.9997；3.分别取两个光电峰，标定能量刻度：（经实验应取放大系数为2.0）对：A峰道址：380.2，半高宽：40.4，光电峰能量：0.661MeV； 分辨率：B峰道址：58.1，半高宽：169.0，光电峰能量：0.184MeV；分辨率：所以能量刻度：对 ：A峰道址：728.3，半高宽：62.2，光电峰能量： MeV；相对误差： B峰道址：836.2，半高宽：63.5，光电峰能量： MeV； 相对误差：五、误差分析与思考：1， 观察画出的能谱图，有四个峰，但最左端峰的出现是由于放大系数选得太大所致，此峰的数据不在实验要求范围之列。其他三峰与的能谱与书上所画标准图
18、吻合很好。2， 的能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间的关系经计算，其线性相关系数达到0.9997，说明二者确实是线性关系。3， 能量刻度的标定是依据已知的光电峰，求出的两个峰，相对误差很低，试验比较成功。若一定要分析误差来源，应该考虑能量与峰值脉冲的幅度不是严格线性关系；或峰值的位置测量存在误差。4， 值得注意的是能谱其中一峰的分辨率很大，达到290.9%！这是因为这个峰形状较为扁平，从而导致半高宽过大，由公式算出的分辨率很大。六、思考题：用闪烁谱仪测量射线能谱时，要求在多道分析器的道址范围内能同时测量出和的光电峰，应如何选择合适的工作条件？在测量过程中该工作条件可否改变？答：调整光电倍增管的放大系数，然后反复观察和的能谱，一般要使的0.661MeV光电峰在512道址左侧，而的两个主光电峰接近屏幕右侧。本人实验时发现当放大系数为2.0时，可以在道址范围内同时测得两元素的光电峰。此工作条件应该稳定，如有变动会对能量刻度产生影响，进而影响测量过程的统一性和准确性。铯137的图应在第五步中画。然后可与钴60的图比较。实验数据也要写整洁13