NaI(Tl)閃爍譜儀實(shí)驗(yàn)報告

1、實(shí)驗(yàn)5：NaI(Tl)閃爍譜儀實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解譜儀的工作原理及其使用。2 學(xué)習(xí)分析實(shí)驗(yàn)測得的137Cs 譜之譜形。3 測定譜儀的能量分辨率及線性。內(nèi)容1 調(diào)整譜儀參量，選擇并固定最佳工作條件。2 測量137Cs、65Zn、60Co等標(biāo)準(zhǔn)源之能譜，確定譜儀的能量分辨率、刻度能量線性并對137Cs 譜進(jìn)行譜形分析。3 測量未知源的能譜，并確定各條射線的能量。原理閃爍譜儀由閃爍體、光電倍增管、射極輸出器和高壓電源以及線性脈沖放大器、單道脈沖幅度分析器（或多道分析器）、定標(biāo)器等電子學(xué)設(shè)備組成。圖1為閃爍譜儀裝置的示意圖。此種譜儀既能對輻射強(qiáng)度進(jìn)行測量又可作輻射能量的分析，同時具有對射線探測效率高（比G

2、-M計(jì)數(shù)器高幾十倍）和分辨時間短的優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛使用的一種輻射探測裝置。當(dāng)射線入射至閃爍體時，發(fā)生三種基本相互作用過程，見表1第一行所示：（1）光電效應(yīng)；（2）康普頓散射；（3）電子對效應(yīng)。前兩種過程中產(chǎn)生電子，后一過程出現(xiàn)正、負(fù)電子對。這些次級電子獲得動能見表1第二行所示，次級電子將能量消耗在閃爍體中，使閃爍體中原子電離、激發(fā)而后產(chǎn)生熒光。光電倍增管的光陰極將收集到的這些光子轉(zhuǎn)換成光電子，光電子再在光電倍增管中倍增，最后經(jīng)過倍增的電子在管子陽極上收集起來，并通過陽極負(fù)載電阻形成電壓脈沖信號。射線與物質(zhì)的三種作用所產(chǎn)生的次級電子能量各不相同，因此對于一條單能量的射線，閃爍探測器輸出的次級電子

3、脈沖幅度仍有一個很寬的分布。分布形狀決定于三種相互作用的貢獻(xiàn)。表1 射線在NaI（Tl）閃爍體中相互作用的基本過程根據(jù)射線在閃爍體中總吸收系數(shù)隨射線能量變化規(guī)律，射線能量時，光電效應(yīng)占優(yōu)勢，隨著射線能量升高康普頓散射幾率增加；在以后，則有出現(xiàn)電子對效應(yīng)的可能性，并隨著射線能量繼續(xù)增加而變得更加顯著。圖2為示波器熒光屏上觀測到的137Cs 0.662MeV單能射線的脈沖波形及譜儀測得的能譜圖。在射線能區(qū)，光電效應(yīng)主要發(fā)生在K殼層。在擊出K層電子的同時，外層電子填補(bǔ)K層空穴而發(fā)射X光子。在閃爍體中，X光子很快地再次光電吸收，將其能量轉(zhuǎn)移給光電子。上述兩個過程是幾乎同時發(fā)生的，因此它們相應(yīng)的光輸出必

4、然是疊加在一起的，即由光電效應(yīng)形成的脈沖幅度直接代表了射線的能量（而非減去該層電子結(jié)合能）。譜峰稱為全能峰。為便于分析射線在閃爍體中可能發(fā)生的各種事件對脈沖譜的貢獻(xiàn)，及具體實(shí)驗(yàn)裝置和其周圍物質(zhì)可能產(chǎn)生的對譜形的影響。表2列舉了十二種情況供參考。一臺閃爍譜儀的基本性能由能量分辨率、線性及穩(wěn)定性來衡量。探測器輸出脈沖幅度的形成過程中存在著統(tǒng)計(jì)漲落。既使是確定能量的粒子的脈沖幅度，也仍具有一定的分布，其分布示意圖如圖3所示。通常把分布曲線極大值一半處的全寬度稱半寬度即FWHM，有時也用表示。半寬度反映了譜儀對相鄰脈沖幅度或能量的分辨本領(lǐng)。因?yàn)橛行q落因素與能量有關(guān)，使用相對分辨本領(lǐng)即能量分辨率更為確

5、切。一般譜儀在線性條件下工作，故也等于脈沖幅度分辨率，即 （ 1 ）和分別為譜線的對應(yīng)能量（幅度值）和譜線的半寬度（幅度分布的半寬度）。標(biāo)準(zhǔn)源137Cs全能峰最明顯和典型，因此經(jīng)常用137Cs0.662MeV的射線的能量分辨高的閃爍體，使用光電轉(zhuǎn)換效率高的光陰極材料，以及提高光電子第一次被陰極收集的效率等均有利于改善能量分辨率。在我們實(shí)驗(yàn)中尚需考慮到下列一些因素，進(jìn)行必要的調(diào)整，以期達(dá)到一臺譜儀可能實(shí)現(xiàn)的最好的分辨率。（1） 閃爍體與光電倍增管光陰極之間保持良好的光學(xué)接觸；（2） 參考光電倍增管高壓推薦值，并作適當(dāng)調(diào)整，使得在保持能量線性條件下，輸出脈沖幅度最大；（3） 合理選擇單道分析器的道

6、寬，如單道分析器最大分析幅度為10伏時，道寬宜用0.1伏；（4） 根據(jù)放射源的活度，選擇合適的源與閃爍體之間的距離。顯然，利用譜解析核素的或能量相近的射線時，受到了諳儀能量分辨率的限制。這時就需要借助于實(shí)驗(yàn)上得到的單能諳的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，例如半寬度隨著射線能量變化的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，以及各種數(shù)學(xué)處理方法來解決。能量線性指譜儀對入射射線的能量和它產(chǎn)生的脈沖幅度之間的對應(yīng)關(guān)系。一般NaI（T1）閃爍儀在較寬的能量范圍內(nèi)（100keV到期1300keV）是近似性的。這是利用該譜儀進(jìn)行射線能量分析與判斷未知放射性核素的重要依據(jù)。通常，在實(shí)驗(yàn)上利用系列標(biāo)準(zhǔn)源，在確定的實(shí)驗(yàn)條件下分別測量系列源譜。由已知射線能量全能峰位

7、對相應(yīng)的能量作圖，這條曲線即能量刻度曲線。典型的能量刻度曲線為不通過原點(diǎn)的一條直線，即 （ 2 ）式中為全能峰位；為直線截矩；G為增益即每伏（或每道）相應(yīng)的能量。能量刻度亦可選用標(biāo)準(zhǔn)源137Cs（0.662）MeV)和60Co(1.17、1.33MeV)來作。實(shí)驗(yàn)中欲得到較理想的線性，還需要注意到放大器及單道分析器甄別閾的線性，進(jìn)行必要的檢驗(yàn)與調(diào)整。此外，實(shí)驗(yàn)條件變化時，應(yīng)重新進(jìn)行刻度。顯然，確定未知射線能量的正確性取決于全能峰位的正確性。這將與譜儀的穩(wěn)定性、能量刻度線的原點(diǎn)及增益漂移有關(guān)。事實(shí)上，未知源總是和標(biāo)準(zhǔn)源非同時測量的，因此很可能他們的能量對應(yīng)了不同的不同的原點(diǎn)及增益。當(dāng)確定能量精度

8、要求較高時，需用電子計(jì)算機(jī)處理，調(diào)整統(tǒng)一零點(diǎn)及增益，才能得到真正的能量與全能峰峰位的對應(yīng)關(guān)系。至于全能峰峰位的確定，本實(shí)驗(yàn)可在記錄足夠數(shù)目的計(jì)數(shù)后由圖解法得到。裝置實(shí)驗(yàn)裝置方塊圖見圖1。NaI（Tl）閃爍譜儀，F(xiàn)H1901，1套；多道分析器，F(xiàn)H419G1，1臺；脈沖示波器，SBM-10，1臺；標(biāo)準(zhǔn)源，137Cs、65Zn、60Co，各一個；未知源，1個。步驟1 按圖1連接儀器。用示波器觀察137Cs及60Co的脈沖波形，調(diào)節(jié)并固定光電倍增管的高壓。2 調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，使137Cs 0.662MeV的射線的全能峰落在合適的甄別閾位置上，例如8V。選擇并固定單道分析器道寬，例如0.1V，測

9、量137Cs全能譜及本底譜。3 改變放大器放大倍數(shù)，使137Cs、65Zn、60Co之全能峰合理地分布在單道分析器閾值范圍內(nèi)。依次測量這三個源的能譜。4 在步驟3實(shí)驗(yàn)條件下，測量未知源能譜。5 實(shí)驗(yàn)結(jié)束前，再重復(fù)測量137Cs 0.662MeV的射線的全能峰，以此檢驗(yàn)譜儀的穩(wěn)定性。五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理Co源能譜曲線1號峰General model Gauss1: f(x) = a1*exp(-(x-b1)/c1)2)Coefficients (with 95% confidence bounds): a1 = 1020 (977, 1062) b1 = 736.6 (734.3, 738.9) c1

10、 = 55.15 (50.99, 59.3)Goodness of fit: SSE: 1.05e+004 R-square: 0.9831 Adjusted R-square: 0.9789 RMSE: 36.222號峰General model Gauss1: f(x) = a1*exp(-(x-b1)/c1)2)Coefficients (with 95% confidence bounds): a1 = 700.7 (662.8, 738.6) b1 = 866.6 (864, 869.2) c1 = 58.63 (54.64, 62.62)Goodness of fit: SSE:

11、3.11e+004 R-square: 0.9783 Adjusted R-square: 0.9761 RMSE: 39.43全能峰1道址：736.6，全能峰2道址：866.6Cs源高斯擬合General model Gauss1: f(x) = a1*exp(-(x-b1)/c1)2)Coefficients (with 95% confidence bounds): a1 = 4245 (4090, 4400) b1 = 292.6 (291.7, 293.6) c1 = 32.54 (31.16, 33.91)Goodness of fit: SSE: 1.008e+006 R-squ

12、are: 0.987 Adjusted R-square: 0.9861 RMSE: 177.4全能峰道址：292.6未知源高斯擬合General model Gauss1: f(x) = a1*exp(-(x-b1)/c1)2)Coefficients (with 95% confidence bounds): a1 = 422.9 (400.4, 445.4) b1 = 35.76 (34.32, 37.2) c1 = 32.32 (30.1, 34.54)Goodness of fit: SSE: 3.348e+004 R-square: 0.9493 Adjusted R-square

13、: 0.9461 RMSE: 32.34全能峰道址：35.76半高寬點(diǎn)m1=36.592，m2=34.928.， 能量分辨率4.65%能量定標(biāo)曲線Linear model Poly1: f(x) = p1*x + p2Coefficients (with 95% confidence bounds): p1 = 0.001159 (0.0009563, 0.001361) p2 = 0.3218 (0.1845, 0.459)Goodness of fit: SSE: 4.6e-005 R-square: 0.9998 Adjusted R-square: 0.9996 RMSE: 0.006

14、782全能峰對應(yīng)的能量MeV全能峰對應(yīng)的道址60Co1.17736.61.33866.6137Cs0.662292.6未知源133Ba0.363235.76六實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差分析此次實(shí)驗(yàn)得到的能量定標(biāo)曲線還是不錯的，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9998.說明道址和能量的線性相關(guān)性比較好，得出未知源是Ba的可信度比較高。但是沒有觀察到X射線峰和反散射峰可能是因?yàn)殚撝当容^高。七實(shí)驗(yàn)思考題1 如何從示波器上觀察到的137Cs脈沖波形圖，判斷譜儀能量分辨率的好壞？2 某同學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到137Cs能量分辨率為6%，試述怎樣用實(shí)驗(yàn)來判斷這一分辨率之真假？3 若有一單能源，能量為2MeV，試預(yù)言其譜形。4 試根據(jù)你測量137Cs、65Zn、60Co能譜，求出相應(yīng)于0.662、1.11和1.33MeV 射線全能峰的半寬度，并討論半寬度隨射線能量變化的規(guī)律。5 試述60Co 1.17MeV這條射線相應(yīng)的能量分辨率，能否直接從其全能峰半寬度求出，為什么？6 在你測得的137Cs 0662MeV 射線全能峰峰位處，作一垂線為對稱軸，將會發(fā)現(xiàn)對稱軸低能邊計(jì)數(shù)明顯地多于相應(yīng)的高能邊的計(jì)數(shù)，試參照表2分