NaITl閃爍譜儀試驗報告

1、實驗5 : NaI(Tl)閃爍譜儀實驗目的1 . 了解譜儀的工作原理及其使用.2 .學習分析實驗測得的137 Cs 譜之譜形.3 .測定譜儀的能量分辨率及線性.內容1 .調整譜儀參量,選擇并固定最正確工作條件.2 .測量137Cs、65Zn、60Co等標準源之 能譜,確定譜儀的能量分辨率、刻度 能量線性并對137 cs 譜進行譜形分析.3 .測量未知 源的能譜,并確定各條 射線的能量.原理NaI(T1)閃爍譜儀由NaI(T1)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)、定標器等電子學設備組成. 圖1為NaI (T1)閃爍譜儀裝置的示意圖.

2、此種譜儀既能對輻射強度進行測量又可作輻 射能量的分析,同時具有對射線探測效率高(比 G-M計數器高幾十倍)和分辨時間短的優(yōu)點,是目前廣泛使用的一種輻射探測裝置.當 射線入射至閃爍體時,發(fā)生三種根本相互作用過程,見表 1第一行所示: (1)光電效應；(2)康普頓散射；(3)電子對效應.前兩種過程中產生電子,后一 過程出現正、負電子對.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)而后產生熒光.光電倍增管的光陰極將收集到的這些光子轉換成光電子,光電子再在光電倍增管中倍增,最后經過倍增的電子在管子陽極上收集起來,并通過陽極負載電阻形成電壓脈沖信號.射

3、線與物質的三種作用所產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.射線在NaI Tl閃爍體中相互作用的根本過程基 本 過 程次跳電子在得能最才tl 光電效應尸+原子f原子激發(fā)或f離子激發(fā)+電子T=By-Ea 該層電子結合能康普頓散射+電子T/ 散射+反沖趕子1EfHi一心8仍一Ey 決技T- l+rI-cosft f r_ m.c*,廿八 散射角,從.望最大船量噌纖連續(xù)分布, 峰值在最大能量處電：3 電子對產生產+原子f原子土十.-電子對均分崩量根據射線在NaIT1 閃爍體中總吸收系數隨射線能量變化

4、規(guī)律,射線能量E 0.3MeV時,光電效應占優(yōu)勢,隨著射線能量升高康普頓散射幾率增加；在E1.02MeV以后,那么有出現電子對效應的可能性,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137 cs 0.662MeV 單能射線的脈沖波形及譜儀測得的能譜圖.3(b)用2(a)示派號黃光屏上明寄到的短解：(t)潸伙通一國團c白y螞博在 射線能區(qū),光電效應主要發(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,因此它們相應的光輸出必然是疊加在一起的,即由光電效應形成的

5、脈沖幅度直接代表了射線的能量(而非Er減去該層電子結合能).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奉獻,及具體實驗裝置和其周圍物質可能產生的對譜形的影響.表2列舉了十二種情況供參考.一臺閃爍譜儀的根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 E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.由于有些漲落因素與能量有關,使用相對分辨本領即能量分辨率更為確切.般譜儀在線性條件下

6、工作,故也等于脈沖幅度分辨率,即E V 1E VEV和 E V分別為譜線的對應能量幅度值和譜線的半寬度幅度分布 的半寬度.標準源137 Cs全能峰最明顯和典型,因此經常用137 Cs0.662MeV 的 射線的能量分辨高的閃爍體,使用光電轉換效率高的光陰極材料,以及提升光電子第一 次被陰極收集的效率等均有利于改善能量分辨率.在我們實驗中尚需考慮到以下一些因素,進行必要的調整,以期到達一臺譜儀可 能實現的最好的分辨率.裳2 丫射續(xù)在閃爍體中各種吸收過程對催青分布的奉獻 及周圍物質融射對津形的彩41十351£* 1.02(Me M)=Ev 0.51( MeV)全能峰內電子時效應,一個湮

7、沒輻射逃逸正匕于E-0.51(MeV),此峰稱單逃 逸峰電子對效應,兩個湮黑福 射均被吸收電子對效應.正電子湮沒1 y射線邇逸吸 收 過 程吸收隱量一沖度 一閃爍體-膿幅吸收過程 膿沖幅度光電效應全能峻內正比于ElLQS(MeVj,此峰稱雙逃 逸蜂肆母魄孰射,散射y 射線逃逸從零到冷;康普頓分布區(qū)內康普頓配射澈射y射線被 吸收101112一脈用幅度-與常規(guī)康普頓分布睢以區(qū)分峰位在.51(MeV) 處,對伊源此處亦存 在峰分布在全能蜂保能邊,使 峰形不對稱,峰谷比降低I透過閃爍體射線在管子光 !明艇上愛生康普頓反散射或航線在源及置圍物蝎上發(fā)生康普頓反散射電子游效及,一個灌1屢次懵普吸散射,散 沒

8、輻射產生索普蟆電子聒?選送I過閃罌歐普頓效應奉獻十<Ey尸 2£"“一 Tr在同圉物項中產士對在閃爍體電子吸收體中發(fā)稍小于E,出斑在相對于全能峰完仝 確定的位置上,欷反散射分布在康普幀在伏區(qū) 內(假設散射F被吸次 那么仍在上能峰內)脈 也, 嗝 度生小角度定普模觸射,散 射輻射送人閃爍體除充角外的角度上發(fā) 生康普榭散射效應, 一個Y的設進 ,人閃壇體在巨¥一17斤 行小之間巖脈沖分布在-田7 與立了之同,使峰谷比 脩低(1)閃爍體與光電倍增管光陰極之間保持良好的光學接觸;(2)參考光電倍增管高壓推薦值,并作適當調整,使得在保持能量線性條件下,輸出脈沖幅度最大

9、；(3)合理選擇單道分析器的道寬,如單道分析器最大分析幅度為10伏時,道寬宜用0.1伏；4 4) 根據放射源的活度,選擇適宜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驗上得到的單能諳的經驗規(guī)律,例如半寬度隨著射線能量變化的經驗規(guī)律,以及各種數學處理方法來解決.能量線性指譜儀對入射射線的能量和它產生的脈沖幅度之間的對應關系.一般闌值,伏圖 4 用.£和 蜘C©源刻 度熊是示忘回NaI (T1)閃爍儀在較 寬的能量范圍內(100keV 到期 1300keV )是近似性 的.這是利用該譜儀進 行射線能量分析與判

10、 斷未知放射性核素的 重要依據.通常,在實 驗上利用系列 標準 源,在確定的實驗條件 下分別測量系列源 譜.由射線能量全能峰位對相應的能量作圖,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的一條直線,即E(xp) GXp E0( 2 )式中Xp為全能峰位；E0為直線截矩；G為增益即每伏(或每道)相應的能量.能量刻度亦可選用標準源137 cs (0.662 ) MeV)和60Co(1.17、1.33MeV)來作.實驗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,進行必要 的檢驗與調整.此外,實驗條件變化時,應重新進行刻度.顯然,確定未知射線能量的正確性取決于全能峰位

11、的正確性.這將與譜儀的穩(wěn)定性、能量刻度線的原點及增益漂移有關.事實上,未知源總是和標準源非同時測量 的,因此很可能他們的能量對應了不同的不同的原點及增益.當確定能量精度要求較 高時,需用電子計算機處理,調整統(tǒng)一零點及增益,才能得到真正的能量與全能峰峰 位的對應關系.至于全能峰峰位確實定,本實驗可在記錄足夠數目的計數后由圖解法 得到.裝置實驗裝置方塊圖見圖 1.NaI (Tl)閃爍譜儀,FH1901 , 1 套；多道分析器,FH419G1 , 1臺；脈沖示波器,SBM-10 , 1臺；標準 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 137c

12、s及60Co的脈沖波形,調節(jié)并固定光電倍增管的高壓.2 .調節(jié)放大器的放大倍數,使137cs 0.662MeV 的 射線的全能峰落在適宜的甄別閾位置上,例如8V.選擇并固定單道分析器道寬,例如0.1V ,測量137cs全能譜及本底譜.3 .改變放大器放大倍數,使137Cs、65Zn、60Co之全能峰合理地分布在單道分析器閾值范圍內.依次測量這三個源的能譜.4 .在步驟3實驗條件下,測量未知源能譜.5 .實驗結束前,再重復測量 137 Cs 0.662MeV 的 射線的全能峰,以此檢驗譜 儀的穩(wěn)定性.五.實驗數據處理Goodness of fit:SSE: 1.05e+004R-square:

13、0.9831Adjusted R-square: 0.9789Co源能譜曲線1號峰General model Gauss1:f(x) =a1*exp(-(x-b1)/c1)A2)Coefficients (with 95% confidencebounds):RMSE: 36.22a1 =1020(977, 1062)b1 =736.6(734.3,738.9)2 號峰c1 =55.15(50.99, 59.3)General model Gauss1:f(x) =a1*exp(-(x-b1)/c1)A2)Coefficients (with 95% confidence bounds):al

14、 =700.7(662.8,738.6)bl =866.6(864, 869.2)cl =58.63(54.64,Goodness of fit:SSE: 3.11e+004R-square: 0.9783Adjusted R-square: 0.9761RMSE: 39.43全能峰1道址:736.6,全能峰2道址：866.662.62)Cs源高斯擬合General model Gaussl:f(x) =a1*exp(-(x-b1)/c1)A2)Coefficients (with 95% confidence bounds):a1 =4245(4090, 4400)b1 =292.6(291

15、.7, 293.6)c1 =32.54(31.16, 33.91)Goodness of fit:SSE: 1.008e+006R-square: 0.987Adjusted R-square: 0.9861RMSE: 177.4全能峰道址：292.6未知源高斯擬合General model Gaussl:f(x) =a1*exp(-(x-b1)/c1)A2)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 o

16、f fit:SSE: 3.348e+004R-square: 0.9493Adjusted R-square: 0.9461RMSE: 32.34全能峰道址：35.76能量分辨率4.65%半高寬點 m1=36.592, m2=34.928.能量定標曲線Linear model Polyl: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-005R-square:

17、0.9998Adjusted R-square: 0.9996RMSE: 0.006782全能峰對應的能量 MeV全能峰對應的道址60 co1.17736.61.33866.6137 cs0.662292.6未知源133 Ba0.363235.76能量定標曲線道址六.實驗結果誤差分析此次實驗得到的能量定標曲線還是不錯的,線性相關系數到達0.9998.說明道址和能量的線性相關性比擬好,得出未知源是 Ba的可信度比擬高.但是沒有觀察 到X射線峰和反散射峰可能是由于閾值比擬高.七.實驗思考題1 .如何從示波器上觀察到的137 cs脈沖波形圖,判斷譜儀能量分辨率的好壞？2 .某同學實驗結果得到137cs能量分辨率為6% ,試述怎樣用實驗來判斷這一分 辨率之真假？3 .假設有一單能 源,能量為2MeV,試預言其譜形.4,試根據彳測量137Cs、65Zn、60Co能譜,求出相應于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