1、用闪烁谱仪测射线能谱PB07210200 刘炜清 第86组04号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。本实验的目的是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。实验原理根据原子核结构理论，原子核的能量状态是不连续的，存在着分立能级。
2、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和有机晶体闪烁体。有机闪烁体包括有机晶体闪
3、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，其关键作用是可以在低于导带和激带的禁带中形
4、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与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以
5、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射，与间有以下关系： （3）由式（2）给出
6、，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。闪烁能谱仪正是利用光子与闪烁体相互作用时产生次级带电粒
7、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产生光电子，再在一系列倍增极上产生光电效应
8、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的照射而引起损坏。（1） 数据采集系统闪烁
9、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。具体使用方法应参阅实验室提供的仪器使用说
10、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，只有脉冲分析器介于和之间时，单道分析器有输出。若调
11、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谱图。图的纵轴代表单位时间内的脉冲数目即射
12、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向散射后进入闪烁体内，形成的光电峰，一般峰
13、很小。4谱仪的能量刻度和分辨率（1）谱仪的能量刻度闪烁谱仪测得的射线能谱的形状及其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析器上的阈
14、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中所示的光电峰的描绘，
15、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。实验仪器：闪烁能谱仪、紫铜片、游标卡尺。实验内容及数据分析： 熟悉仪器，开启电源，高压调为550V左右，预热20分钟。 测量并观察、的射线能谱的形状，截取的能谱图，在图上指出光电峰、康普顿边界、电子对峰、背散射峰等峰位。CBAA：光电峰B：康普顿边界C：背散射峰 测量、的射线能谱，用已知的光电峰能量进行能量定标，测量未知光电峰能量，并计算光电峰的。（已知：的光电峰能量0.661MeV；的光电峰能量1.17MeV。 未知：右侧光电峰能量
16、）（1）求右侧光电峰能量由原始实验数据得：的光电峰道数为403，设为A；的左侧光电峰道数为723，设为B；由公式：得，e=1.59062510-3MeV再将实验所得右侧光电峰道数830乘以e，得：右侧光电峰能量E1.32MeV，与公认值1.33MeV相差0.01MeV，相对误差约为0.75%，在实验允许的范围之内。（2）计算光电峰的。由原始实验数据得：的半高宽为45.8、的光电峰道数为403。带入公式可得：11.3648%，与实验所得11.36%刚好相等，相对误差可视为0.0%，在实验允许的范围之内。 测量紫铜片对发射的射线的吸收曲线，在半对数坐标上作用，求出和d1/2。先将由实验所得的吸收曲
17、线罗列如下：紫铜片数目面积总和铜片总厚度（mm）-ln(I/I0)0513930.0001437872.860.160172371885.800.323523317568.800.4814242712211.780.6391652318214.520.7961361981217.400.9532171699720.301.1064781448923.141.2661191234426.081.42633101097729.001.5437由公式I=I0e-x可得=-ln(I/I0)/x，在半对数坐标上作图，得：由Origin作图及线性拟合，有0.05392。而标准差3.8364110-4，满足
18、实验要求。再由公式d1/2=ln2/得：d1/212.85510。实验总结：本次实验总体还算是顺利，除开由于电脑年久失修险些未能截图之外，一切正常。在测量紫铜片对射线的吸收曲线时，要测量紫铜片的厚度。最开始使用螺旋测微仪分三次测量每一块铜片的厚度，方便后期不确定度的准确计算。但直到后来才发现螺旋测微仪已经使用很长时间，并未调零先前的数据全部作废。而后改用游标卡尺，但又在测量方法上有了犹豫，到底是一片一片测而后相加还是每次将诸铜片垒叠直接测量。基于先前诸多数据被废的心情，最终选择了后者。虽然主观因素对方案的选取起了决定性作用，但对于误差还是有充分的估计的。第一：铜片打磨比较平整光滑，铜片间的空气
19、层不会太厚。即使最后一次测量的9个空气层叠加在一起也未必会大于游标卡尺的最小分度值。第二：分多次测量后叠加所得的铜片总厚度要受多次测量误差的影响。虽然说多次误差相加取平均是有效的减小误差的办法，但是对于用游标卡尺测量总厚度上并不一定可取。首先，所说的多次测量取平均是对于同一测量对象而言的，这里的多次测量是对于不同的铜片，并不符合上述理论的前提。再者，每次测量时都会对铜片进行挤压，会有微小的形变。虽然形变微小到可以忽略不计，但是多次形变的效果叠加，未必就可视而不见，在这一点上，垒叠测量只有一次的形变，是优于多次测量的。最后，在读取游标卡尺数据的时候会有B类误差，多次测量值相加后，按不确定度传递公式，误差大于垒叠后一次测量的误差。在这一点上也是不优的。综上的思考后，最终决定使用计算简单，误差也不大的垒叠后测量。实验所得数据经过处理，所得误差也是很不错的，也最终验证了猜想的正确性。12