r射線能譜圖實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

NaI（Tl）閃爍譜儀器及射線能譜的測(cè)量 射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測(cè)定學(xué) 院 數(shù)理與信息工程學(xué)院 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) NaI（Tl）閃爍譜儀器及射線能譜的測(cè)量 摘要：閃爍探測(cè)器是利用某些物質(zhì)在射線作用下會(huì)發(fā)光的特性來(lái)探5g射線的儀器。本實(shí)驗(yàn)要利用NaI（Tl）閃爍探測(cè)儀來(lái)測(cè)定射線能譜分布規(guī)律。然后，通過(guò)分析結(jié)果，在得出結(jié)論,目的是了解NaI(T )閃爍譜儀原理，特性與結(jié)構(gòu)。掌握NaI(T )閃爍譜儀的使用方法；鑒定譜儀的能量分辯率與線性；并通過(guò)對(duì)r射線能譜的測(cè)量，加深對(duì)r射線與物質(zhì)相互作用的理解。關(guān)鍵詞：閃爍譜儀 能譜 射線 NaI（Tl）引言：某些物質(zhì)的原子核能發(fā)生衰變，放出我們?nèi)庋劭床灰?jiàn)也感覺(jué)不到的射線，核輻射主要有、三種射線。我們通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)儀器能夠探測(cè)到這些肉眼無(wú)法看見(jiàn)的射線。本實(shí)驗(yàn)使用的是閃爍譜儀。閃爍譜儀內(nèi)部含有閃爍體，可以把射線的能量轉(zhuǎn)變成光能。實(shí)驗(yàn)中采用含TI（鉈）的NaI晶體作射線的探測(cè)器。通過(guò)查閱相關(guān)資料，我了解了閃爍譜儀的基本工作原理以及整個(gè)的工作過(guò)程：NaI(TI)閃爍探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。整個(gè)譜儀由探頭（包括閃爍體，光電倍增管，射極跟隨器），高壓電源，線性放大器，多道脈沖幅度分析器等組成。閃爍探測(cè)器由閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子放大器件三個(gè)主要部分組成。（1）閃爍體: 閃爍體是用來(lái)把射線的能量轉(zhuǎn)變成光能的。本實(shí)驗(yàn)中采用含TI（鉈）的NaI晶體作射線的探測(cè)器。（2）光電倍增管: 光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖2。它由光陰極K、收集電子的陽(yáng)極A和在光陰極與陽(yáng)極之間十個(gè)左右能發(fā)射二次電子的次陰極D（又稱倍增極、打拿極或聯(lián)極）構(gòu)成。在每個(gè)電極上加上正電壓，相鄰的兩個(gè)電極之間的電位差一般在100V左右。當(dāng)閃爍體放出的光子打到光陰極上時(shí)，發(fā)生光電效應(yīng)，打出的光電子被加速聚集到第一倍增極D1上，平均每個(gè)光電子在D1上打出36個(gè)次電子，增值后的電子又為D1和D2之間的電場(chǎng)加速，打到第二倍增極D2上，平均每個(gè)電子又打出36個(gè)次級(jí)電子，這樣經(jīng)過(guò)n級(jí)倍增以后，在陽(yáng)極上就收集到大量的電子，在負(fù)載上形成一個(gè)電壓脈沖。（3）射極跟隨器：光電倍增管輸出負(fù)脈沖的幅度較小，內(nèi)阻較高。一般在探頭內(nèi)部安置一級(jí)射極跟隨器以減少外界干擾的影響，同時(shí)使之與線性放大器輸入端實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。（4）線性放大器：由于入射粒子的能量變化范圍很大，線性放大器的放大倍數(shù)能在101000倍范圍圖 2 百葉窗式光電倍增管示意圖內(nèi)變化，對(duì)它的要求是穩(wěn)定性高、線性好和噪聲小。開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)儀器工作時(shí)射線通過(guò)閃爍體，閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度與射線在閃爍體內(nèi)損失的能量成正比，即入射線的能量越大，在閃爍體內(nèi)損失能量越多，閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度也越大。當(dāng)射線（如、）進(jìn)入閃爍體時(shí)，在某一地點(diǎn)產(chǎn)生次級(jí)電子，它使閃爍體分子電離和激發(fā)，退激時(shí)發(fā)出大量光子（一般光譜范圍從可見(jiàn)光到紫外光，并且光子向四面八方發(fā)射出去）。在閃爍體周圍包以反射物質(zhì)，使光子集中向光電倍增管方向射出去，當(dāng)閃爍光子入射到光陰極上，就會(huì)產(chǎn)生光電子，這些光電子受極間電場(chǎng)加速和聚集，在各級(jí)打拿極上發(fā)生倍增（一個(gè)光電子最終可產(chǎn)生104109個(gè)電子），最后被陽(yáng)級(jí)收集。大量電子會(huì)在陽(yáng)極負(fù)載上建立起電信號(hào)，通常為電流脈沖或電壓脈沖，然后通過(guò)起阻抗匹配作用的射極跟隨器，由電纜將信號(hào)傳輸?shù)诫娮訉W(xué)儀器中去。由原子物理學(xué)中可知射線與物質(zhì)的相互作用主要是光電效應(yīng)、康普頓散射和正、負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生這三種過(guò)程，如圖 3所示。 圖 3 射線與物質(zhì)相互作用示意圖最終實(shí)現(xiàn)了能譜圖樣的輸出如下：圖中的橫坐標(biāo)CH表示道數(shù)，與能量成正比，縱坐標(biāo)表示強(qiáng)度，也就是射線的密集程度，與計(jì)數(shù)成正比。顯然多于實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了多個(gè)峰值，但是B/C/D這三個(gè)峰值的能量比較低，不適合我們記錄，為了能夠同時(shí)獲得高能量以及大密集度的峰值我們選取最右端的峰值，也就是A峰。這個(gè)峰我們又把它稱為全能峰。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要保證最終的峰值與圖中A峰的CH（道數(shù)）盡量的接近，這樣測(cè)得的結(jié)果才有實(shí)驗(yàn)價(jià)值。正文：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案： 實(shí)驗(yàn)所選用的儀器為相對(duì)論效應(yīng)實(shí)驗(yàn)譜儀res-02型 出廠編號(hào)0441 放大器型號(hào)rs2321、打開(kāi)實(shí)驗(yàn)儀器，打開(kāi)計(jì)算機(jī)。取出放射源Cs和Co，開(kāi)機(jī)預(yù)熱二十分鐘；把放射源放在先將放射源放入實(shí)驗(yàn)譜儀中適當(dāng)?shù)奈恢?，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)（大約是0.3），調(diào)節(jié)高壓（700-900左右）。轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)譜儀上的手柄，使閃爍體的位置對(duì)準(zhǔn)放射源，使射線能夠剛好入射進(jìn)入閃爍體。注意，放射源放置時(shí)要緊靠通道，位置要正。2、打開(kāi)軟件，設(shè)置掃描時(shí)間為300s，將坐標(biāo)定到160chn，若全能峰不在160上，清除數(shù)據(jù)調(diào)整電壓，直到在160上。分別測(cè)的全能譜并分析譜形。利用多道數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)所測(cè)得的譜形進(jìn)行數(shù)處理，尋峰，半寬度記錄，凈面積記錄，能量刻度，能量分辨率等數(shù)據(jù)。3、把換成60Co，重復(fù)以上步驟；注意，掃描時(shí)間為500S，將坐標(biāo)定到320chn.4、然后將實(shí)驗(yàn)所得圖像保留并打印；5、關(guān)閉RS能偶儀的時(shí)候要先把儀器上的調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)全部打到0檔，并把數(shù)據(jù)調(diào)到0再關(guān)閉儀器的電源。射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測(cè)定摘要：本實(shí)驗(yàn)研究的主要是窄束射線在金屬物質(zhì)中的吸收規(guī)律。測(cè)量射線在不同厚度的鉛、鋁中的吸收系數(shù)。通過(guò)對(duì)射線的吸收特性，分析與物質(zhì)的吸收系數(shù)與物質(zhì)的面密度，厚度等因素有關(guān)。根據(jù)已知一定放射源對(duì)一定材料的吸收系數(shù)來(lái)測(cè)量該材料的厚度。關(guān)鍵詞：射線 吸收系數(shù) 60Co、137Cs放射源引言：射線首先由法國(guó)科學(xué)家P.V.維拉德發(fā)現(xiàn)，是繼、射線后發(fā)現(xiàn)的第三種原子核射線。原子核衰變和核反應(yīng)均可產(chǎn)生射線 。射線具有比X射線還要強(qiáng)的穿透能力。射線是處于激發(fā)態(tài)原子核損失能量的最顯著方式，躍遷可定義為一個(gè)核由激發(fā)態(tài)到較低的激發(fā)態(tài)、而原子序數(shù)Z和質(zhì)數(shù)A均保持不變的退激發(fā)過(guò)程。射線是光子，光子會(huì)與被束縛在原子中的電子、自由電子、庫(kù)倫場(chǎng)、核子等帶電體發(fā)生相互作用。不同能量的射線與物質(zhì)的相互作用效果不同，為了有效地屏蔽輻射，需要根據(jù)物質(zhì)對(duì)射線的吸收規(guī)律來(lái)選擇合適的材料及厚度，反之，利用物質(zhì)對(duì)射線的吸收規(guī)律可以進(jìn)行探傷及測(cè)厚等。因此研究不同物質(zhì)對(duì)射線的吸收規(guī)律的現(xiàn)實(shí)意義非常巨大，如在核技術(shù)的應(yīng)用與輻射防護(hù)設(shè)計(jì)和材料科學(xué)等許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。正文：1實(shí)驗(yàn)原理1.1 射線與帶電體的作用原理射線與帶電體的相互作用會(huì)導(dǎo)致三種效應(yīng)中的一種。理論上講，射線可能的吸收核散射有12種過(guò)程。這些效應(yīng)所釋放的能量在10KeV到10MeV之間的只有三種，也就是基本上每種相互作用都產(chǎn)生一種主要的和吸收散射過(guò)程。這三種主要過(guò)程是：1.1.1光電效應(yīng)：低能光子所有的能量被一個(gè)束縛電子吸收，核電子將其能量的一部分用來(lái)克服原子對(duì)它的束縛，成為光電子；其余的能量則作為動(dòng)能，發(fā)生光電效應(yīng)。1.1.2 康普頓效應(yīng)：光子還可以被原子或單個(gè)電子散射，當(dāng)光子的能量（約在1MeV）大大超過(guò)電子的結(jié)合能時(shí)，光子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子 ，使它反沖出來(lái)，而散射光子的能量和運(yùn)動(dòng)方向都發(fā)生了變化，發(fā)生康普頓效應(yīng)。1.1.3 電子對(duì)效應(yīng)：若入射光子的能量超過(guò)1.02MeV，光子在帶電粒子的庫(kù)侖場(chǎng)作用下則可能產(chǎn)生正、負(fù)電子對(duì)，產(chǎn)生的電子對(duì)總動(dòng)能等于光子能量減去這兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量能(2mc2=1.022MeV) 1.2 三種射線與帶電體發(fā)生相互作用的基礎(chǔ)上，物質(zhì)對(duì)射線的吸收規(guī)律如下：1.2.1作用特點(diǎn)：射線與物質(zhì)原子間的相互作用只要發(fā)生一次碰撞就是一次大的能量轉(zhuǎn)移；它不同于帶電粒子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，經(jīng)過(guò)許多次小能量轉(zhuǎn)移的碰撞來(lái)?yè)p失它的能量。帶電粒子在物質(zhì)中是逐漸損失能量，最后停止下來(lái)，有射程概念；射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度逐漸減弱，按指數(shù)規(guī)律衰減，不與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子穿過(guò)吸收層，其能量保持不變，因而沒(méi)有射程概念可言，但可用“半吸收厚度”來(lái)表示射線對(duì)物質(zhì)的穿透情況。1.2.2吸收規(guī)律：本實(shí)驗(yàn)研究的主要是窄束射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律。所謂窄束射線是指不包括散射成份的射線束，通過(guò)吸收片后的光子，僅由未經(jīng)相互作用或稱為未經(jīng)碰撞的光子所組成。“窄束”一詞是實(shí)驗(yàn)上通過(guò)準(zhǔn)直器得到細(xì)小的束而取名。這里所說(shuō)的“窄束”并不是指幾何學(xué)上的細(xì)小，而是指物理意義上的“窄束”，即使射線束有一定寬度，只要其中沒(méi)有散射光子，就可稱之為“窄束”。窄束射線在穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于上述三種效應(yīng)，其強(qiáng)度就會(huì)減弱，這種現(xiàn)象稱為射線的吸收。射線強(qiáng)度隨物質(zhì)厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即 （21）其中，I0、I分別是穿過(guò)物質(zhì)前、后的射線強(qiáng)度，x是射線穿過(guò)的物質(zhì)的厚度（單位cm），r是光電、康普頓、電子對(duì)三種效應(yīng)截面之和，N是吸收物質(zhì)單位體積中的原子數(shù)，是物質(zhì)的線性吸收系數(shù)（=rN，單位為cm）。顯然的大小反映了物質(zhì)吸收射線能力的大小。需要說(shuō)明的是，吸收系數(shù)是物質(zhì)的原子序數(shù)Z和射線能量的函數(shù)，且：式中、分別為光電、康普頓、電子對(duì)效應(yīng)的線性吸收系數(shù)；其中：、（Z為物質(zhì)的原子序數(shù)）。射線與物質(zhì)相互作用的三種效應(yīng)的截面都是隨入射射線的能量Eg和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z而改變。射線的線性吸收系數(shù)是三種效應(yīng)的線性吸收系數(shù)之和。右圖給出了鉛對(duì)射線的線性吸收系數(shù)與射線能量的線性關(guān)系。實(shí)際工作中常用質(zhì)量厚度Rm（g/cm2）來(lái)表示吸收體厚度，以消除密度的影響。因此（31）式可表達(dá)為 （22）由于在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，某一時(shí)刻的計(jì)數(shù)率N總與該時(shí)刻的射線強(qiáng)度I成正比，又對(duì)（32）式取對(duì)數(shù)得： （23）由此可見(jiàn)，如果將吸收曲線在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上作圖，將得出一條直線，如右圖所示。可以從這條直線的斜率求出，即 （24）除吸收系數(shù)外，物質(zhì)對(duì)g射線的吸收能力也經(jīng)常用“半吸收厚度”表示。所謂“半吸收厚度”就是使入射的g射線強(qiáng)度減弱到一半時(shí)的吸收物質(zhì)的厚度，記作： （25）2實(shí)驗(yàn)裝置2.1實(shí)驗(yàn)器材放射源137Cs和60Co(強(qiáng)度1.5微居里)；200mmAl窗NaI(Tl)閃爍探頭；高壓電源、放大器、多道脈沖幅度分析器；Pb、Cu、Al吸收片若干；微機(jī)。2.2實(shí)驗(yàn)裝置連接方式做射線吸收實(shí)驗(yàn)的一般做法可按如上圖（a）所示，在源和探測(cè)器之間用中間有小圓孔的鉛磚作準(zhǔn)直器。吸收片放在準(zhǔn)直器中間,前部分鉛磚對(duì)源進(jìn)行準(zhǔn)直；后部分鉛磚則濾去射線穿過(guò)吸收片時(shí)因發(fā)生康普頓散射而偏轉(zhuǎn)一定角度的那一部分射線，從而確保射線為窄束射線。這樣的裝置體積比較大，且由于吸收片前后兩個(gè)長(zhǎng)準(zhǔn)直器使放射源與探測(cè)器的距離較遠(yuǎn)，因此放射源的源強(qiáng)需在毫居里量級(jí)。但它的窄束性、單能性較好，因此只需閃爍計(jì)數(shù)器記錄。本實(shí)驗(yàn)中，在源的源強(qiáng)約2微居里的情況下，由于專門設(shè)計(jì)了源準(zhǔn)直孔（312mm），基本達(dá)到使射線垂直出射；而由于探測(cè)器前有留有一狹縫的擋板，更主要由于用多道脈沖分析器測(cè)能譜，就可起到去除射線與吸收片產(chǎn)生康普頓散射影響的作用。因此，實(shí)驗(yàn)裝置就可如上圖（b）所示，這樣的實(shí)驗(yàn)裝置在輕巧性、直觀性及放射防護(hù)方面有前者無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但它需要用多道分析器，在一般的情況下，顯得有點(diǎn)大材小用，但在本實(shí)驗(yàn)中這樣安排，可以說(shuō)是充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件。3實(shí)驗(yàn)步驟1) 調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置，使放射源、準(zhǔn)直孔、閃爍探測(cè)器的中心位于一條直線上。2) 在閃爍探測(cè)器和放射源之間加上0、1、2 片已知質(zhì)量厚度的吸收片（所加吸收片最后的總厚度要能吸收射線70%以上），進(jìn)行定時(shí)測(cè)量（建議t=1200秒），并存下實(shí)驗(yàn)譜圖。3) 計(jì)算所要研究的光電峰凈面積Ai=Ag-Ab，這樣求出的Ai就對(duì)應(yīng)公式中的Ii、Ni。4) 分別用作圖法和最小二乘法計(jì)算吸收片材料的質(zhì)量吸收系數(shù)。5) 依照上述步驟測(cè)量Pb、Al對(duì)137Cs的射線（取0.661MeV光電峰）的質(zhì)量吸收系數(shù)。6) 測(cè)量Pb、Al對(duì)60Co的射線（取1.17、1.33MeV光電峰或1.25MeV綜合峰）的質(zhì)量吸收系數(shù)（選做）。7) 利用Al對(duì)137Cs的射線（取0.661MeV光電峰）的質(zhì)量吸收系數(shù)測(cè)Al片厚度。4數(shù)據(jù)處理4.1 137Cs與60Co為伽馬放射源的全能譜見(jiàn)附件。4.2 以下是在以金屬Al測(cè)試以137Cs為放射源的Al吸收系數(shù)的測(cè)定1）鋁塊對(duì)射線的吸收測(cè)量：參數(shù)設(shè)置，預(yù)置時(shí)間300s，高壓電源667V，放大倍數(shù)0.3倍，全譜道數(shù)512道，擴(kuò)展道數(shù)128道，位置40.5cm鋁塊數(shù)量R(g/c)計(jì)數(shù)總計(jì)數(shù)率峰位半高寬凈面積分辨率一塊2.4017698325th=163.251.73chn-1632251.06%兩塊2.40+2.441460770163.271.59chn-1369400.97%三塊2.40+2.44+2.421230723163.111.34chn-1215110.82%四塊2.40+2.44+2.42+2.43987687163.101.11chn-977930.68%2）鉛塊對(duì)射線的吸收測(cè)量：參數(shù)設(shè)置，預(yù)置時(shí)間300s，高壓電源667V，放大倍數(shù)0.3倍，全譜道數(shù)512道，擴(kuò)展道數(shù)128道，位置40.5cm鉛塊數(shù)量R(g/c)計(jì)數(shù)總計(jì)數(shù)率峰位半高寬凈面積分辨率一塊2.4016326834th=163.423.14chn-1501681.92%兩塊2.40+2.4413605654th=162.902.30chn-1298371.41%三塊2.40+2.44+2.4210634673th=163.012.68chn-1013291.64%四塊2.40+2.44+2.42+2.438763914th=163.112.34chn-804931.43%3）137Cs全能峰的測(cè)量：參數(shù)設(shè)置，預(yù)置時(shí)間300s，高壓電源667V，放大倍數(shù)0.3倍，全譜道數(shù)512道，擴(kuò)展道數(shù)128道，道數(shù)160道137Cs刻度（cm）總計(jì)數(shù)率峰位半高寬凈面積分辨率位置一40.518232th=157.53chn14.90chn335829.46%位置二40.718642th=157.44chn15.17chn486449.63%位置三40.317512th=157.44chn14.95chn397149.5%4）60Co全能峰的測(cè)量參數(shù)設(shè)置，預(yù)置時(shí)間500s，高壓電源668V，放大倍數(shù)0.3倍，全譜道數(shù)512道，擴(kuò)展道數(shù)128道，道數(shù)320道60Co刻度（cm）總計(jì)數(shù)率峰位半高寬凈面積分辨率位置一40.54125th=318.24chn15.69chn17584.93%位置二40.74244th=314.68chn18.20chn12985.78%位置三40.33825th=323.77chn16.56chn12645.12%5 數(shù)據(jù)分析運(yùn)用公式2-4式對(duì)十組數(shù)據(jù)所得的進(jìn)行求平均可以計(jì)算出Al對(duì)射線的吸收系數(shù)為:Pb對(duì)射線的吸收系數(shù)為:Al=0.0780cm-1，相對(duì)誤差=59.8%Pb對(duì)射線的吸收系數(shù)為:Pb=0.8698cm-1，相對(duì)誤差=28.