112γ射線的能量和強(qiáng)度測(cè)量

1、1.1.2 Y射線的能量和強(qiáng)度測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私釴alS）閃爍譜儀的組成，基本特性及使用方法。掌握測(cè)量丫射線的能量和強(qiáng)度的基本方法。二、基本原理：Nal S）閃爍譜儀的組成Na/（H）閃爍譜儀由探頭，高壓電源，線性放大器，微機(jī)多道分析器組成，如圖（1）所示:探頭由Nal（TI）閃爍體、光電信增管、射極輸出器組成。（當(dāng)丫射線進(jìn)入NalTl）閃爍體后，會(huì)與物質(zhì)發(fā)生多種相互作用。當(dāng)丫射線的能量不太高時(shí) 里丫 30Me 作用過(guò)程主要有光電效應(yīng)，康普頓散射效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)三種，作用的結(jié)果， 產(chǎn)生了具有一定動(dòng)能的次級(jí)電子，而丫射線被吸收或散射，這些次級(jí)電子獲得的動(dòng)能T與入射丫光子的能量丘丫的關(guān)系如表1

2、所示表1 丫射線在NaIS）閃爍體中相互作用的基本過(guò)程基本過(guò)程次級(jí)電子獲得能量T（1）光電效應(yīng)丫 +原子原子激發(fā)或離子激發(fā)+電子丁 EyB （ Eb為該層電子結(jié)合能）（2）康普頓散射丫 +電子”（散射）+反沖電子T E r（1 cos0）E按1 +再-gW m2，0為散射2 E r角，從0至最大能量1 + 2r連續(xù)分布，峰值在最大能量處。電子對(duì)產(chǎn)生萬(wàn) 勺E 2m c 2Y +原子原子+ e + e -電子對(duì)均分能量 y 0次級(jí)電子在閃爍體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，使閃爍體的原子激發(fā)而發(fā)射出熒光光子，光電倍增管的光陰 極收集這些熒光光子后發(fā)射出光電子，光電子再經(jīng)過(guò)倍增后由陽(yáng)極收集，在陽(yáng)極負(fù)載電阻上形 成一個(gè)電壓

3、脈沖信號(hào)。這一信號(hào)經(jīng)過(guò)射極輸出器放大后再輸出至線性放大器，因此，探頭輸出 信號(hào)的電壓脈沖幅度，與次級(jí)電子在閃爍體中損失的能量成正比，次級(jí)電子的能量來(lái)自于入射 的Y光子，所以信號(hào)脈沖的幅度也與入射的Y光子的能量有關(guān)，由表1可知，由于三種不同的 相互作用，對(duì)相同能量Ey的入射Y射線，也可以產(chǎn)生不同能量的次級(jí)電子。因此對(duì)于單能的 Y射線，所得到的信號(hào)脈沖幅度也有一個(gè)很寬的分布。當(dāng)入射Y射線的能量Ey L022Mev，才有可能出現(xiàn)電子對(duì)效應(yīng)，并且隨著Ey的 增加，發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)的幾率也顯著上升。光電效應(yīng)主要發(fā)生在原子的K殼層上，Y光子擊出K殼層的電子的同時(shí)，外層電子立即 躍遷到K殼層上的空穴并發(fā)射出X

4、射線，在晶體中X射線再次被吸收而產(chǎn)生一個(gè)新的次級(jí)電 子，上述兩個(gè)過(guò)程幾乎是同時(shí)進(jìn)行的。因此相應(yīng)的輸出信號(hào)是迭加在一起的。即光電效應(yīng)產(chǎn)生 的脈沖幅度直接代表了 Y射線的能量，在Y能譜上由光電效應(yīng)產(chǎn)生的峰稱(chēng)作光電峰。通常也稱(chēng) 為全能峰，康普頓效應(yīng)中多次散射的累計(jì)效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)中兩個(gè)湮沒(méi)光子被全吸收時(shí)，對(duì)全 能峰也有貢獻(xiàn)，但這一過(guò)程的比例很小，所以全能峰中的計(jì)數(shù)主要由光電效應(yīng)所產(chǎn)生。NalGl)137c Y 合匕揮圖2給出J用閃爍譜儀所測(cè)得的 55 s源的能匕譜。102,03.04.05A）岱 j圖中1號(hào)峰為全能峰，對(duì)應(yīng)的Y射線的能量為0.662Mev，1號(hào)峰左面的平臺(tái)相應(yīng)于康普頓 散射產(chǎn)生的次級(jí)

5、電子的貢獻(xiàn)，根據(jù)康普頓散射的特性，次級(jí)電子的動(dòng)能的值可以在0到最大值0. 478Mev之間連續(xù)分布。峰值在最大能量處，所以從0到E=0. 478Mev之間出現(xiàn)一個(gè)連續(xù)分布 的平臺(tái)，稱(chēng)為康普頓平臺(tái)。2號(hào)峰為反散射峰，它是由能量 % =0.662Mev的丫光子穿透 NaI偵晶體后打到光電倍增管上，發(fā)生散射角為180的散射后返回到晶體中的丫光子產(chǎn)生 的，可以求得反散射的光子能量值 % = 0,184MeV在源的襯底及周?chē)镔|(zhì)上產(chǎn)生的反散射， 對(duì)2號(hào)峰也有貢獻(xiàn)。圖中最左邊的峰是137Cs的子體137Ba的K X射線峰，相應(yīng)的Ex = 32Kev。閃爍譜儀的主要性能指標(biāo)。能量的線性關(guān)系能量線性是指測(cè)得的

6、丫能譜上全能峰的道址X與相應(yīng)的丫射線能量Ey之間的線性關(guān)系?？梢杂孟率奖硎?(1)式中G，Eo為一常數(shù)，其值與探測(cè)器的性質(zhì)及譜儀的工作條件有關(guān)，對(duì)于NaI偵閃爍 譜儀在Ey = 100KeV到Ey = 1.3MeV的范圍內(nèi)，Ey與X有線性關(guān)系。測(cè)量能量的線性關(guān) 系，即用實(shí)驗(yàn)方法確定(1)式中的參數(shù)G與Eo的值叫做能量刻度。具體是：測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)源的 能譜(例如60Co源% = 1.173MeV，E疽1.332MeV )，找出兩個(gè)全能峰的道址x1，x2， 代入(1)式，即可求得G和Eo的值。若譜儀的工作狀態(tài)發(fā)生改變(如高壓值，放大倍數(shù)發(fā) 生改變)，G與Eo的值也將改變，此時(shí)必須重新進(jìn)行能量刻度。能量分

7、辨率能量分辨率是表示閃爍丫譜儀區(qū)分不同丫射線能量的本領(lǐng)的物理量，NaI(Tl)閃爍譜儀的 能量分辯率一般用所測(cè)得的137Cs標(biāo)準(zhǔn)源的丫能譜上的全能峰的半寬度來(lái)表示，如圖2所示。 設(shè)全能峰的道址為X0，對(duì)應(yīng)于峰計(jì)數(shù)率一半的兩個(gè)道址為X1和X2。則譜儀的能量分辯率8可 以用下式表示：(2)8的值越小，表示丫譜儀分辯率不同能量的丫射線的本領(lǐng)越強(qiáng)。影響譜儀分辯率的因素很多， 主要有NaI(Tl)晶體的發(fā)光效率的非均勻性及統(tǒng)計(jì)性漲落，光電倍增管的倍增系數(shù)的不穩(wěn)定性， 電子儀器的非線性等，此外，還與放射源的位置和性質(zhì)有關(guān)，一般情況下，8的值為10%左右， 最佳的數(shù)據(jù)為6%8%，對(duì)于能量相差太小的丫射線，由

8、于受分辯率的限制，NaI(Tl)閃爍譜儀 無(wú)法區(qū)分，這時(shí)必須采用分辨本領(lǐng)更好的半導(dǎo)體丫譜儀。（3）探測(cè)效率設(shè)丫源的發(fā)射率為N，丫譜儀的探測(cè)效率門(mén)可以用下式表示:(3)用這種方法定義的探測(cè)效率稱(chēng)作源峰探測(cè)效率，（3）式中的N為丫射線發(fā)射強(qiáng)度，n為全能 峰的總計(jì)數(shù)率由于N與源的活度成正比，如下式所示。全能峰的總計(jì)數(shù)可采用全能峰面積法來(lái)計(jì)算（TPA法）具體步驟如下:N = A f式中A為活度，f為一常數(shù)道數(shù)圖（3）1選定所求的全能峰，在全能峰上選定左，右兩個(gè)邊界道址1，r一般選在峰兩側(cè)的峰谷處， 如圖3所示求得峰內(nèi)各道計(jì)數(shù)的總和t 1，、, ，八計(jì)算本底計(jì)數(shù)B = 2（，（r-1 + 1） 計(jì)算凈計(jì)

9、數(shù)A = T-B及統(tǒng)計(jì)誤差。1， 、Q A = T + 2（r -1 - 3） B微機(jī)多道分析器的工作原理及操作方法可參閱有關(guān)使用說(shuō)明書(shū)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求：（1）按圖（1）檢查實(shí)驗(yàn)裝置，打開(kāi)電源，微機(jī)執(zhí)行UMS35軟件，進(jìn)入多道分析工作狀 態(tài)。（2）選擇合適的高壓和放大倍數(shù)，使測(cè)得的6（t。標(biāo)準(zhǔn)源的兩個(gè)全能峰道址在700到800 之間。（3）測(cè)量60Co標(biāo)準(zhǔn)源的丫能譜，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)丫譜儀進(jìn)行能量刻度，即求出（1） 式中的常數(shù)G和Eo（4）測(cè)量137Cs標(biāo)準(zhǔn)源的丫能譜，根據(jù)測(cè)得的能譜，計(jì)算丫譜儀的能量分辯率e及探測(cè) 效率門(mén)（已知137Cs標(biāo)準(zhǔn)源的活度A=53.3X103Bq）（5）測(cè)量22N

10、a的丫能譜，計(jì)算丫射線的能量（6）測(cè)量待測(cè)137Cs源的活度 氣及誤差 A（7）測(cè)量結(jié)束，先把高壓降至0,再關(guān)機(jī)四、數(shù)據(jù)處理1直能譜儀能量分辨率由Cs-137 （編號(hào)432）標(biāo)定:工一工門(mén)N=0.66%x0=11%2.測(cè)量Co-60 （編號(hào)11）標(biāo)準(zhǔn)源的能譜：E = GX + E0代入Cs-137和Co-60右峰數(shù)據(jù)可得G=0.002E0=-0.005代入Co-60左峰數(shù)據(jù)驗(yàn)證得 E=1.16MeV 理論值 E = 1.17MeVn門(mén)N=0.047% 3.測(cè)量待測(cè)Co-60 （編號(hào)12）能譜: 由 E 廣 G X + E 0E1=1.16MeV E2 = 1.33MeVSx=Nx/N0*S0=

11、77.18*1000Bq（實(shí)際 79.1*1000Bq，誤差在合理范圍內(nèi)）改變?cè)吹母叨?，能量不變，?qiáng)度變小。五、思考題1、-射線與物質(zhì)有哪三種主要作用，各有什么特點(diǎn)？答：-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)生三種過(guò)程。1）光電效應(yīng)：入射-光子把能量全部轉(zhuǎn)移給原子中的束縛電子，將其打出形成光電子，光 電子動(dòng)能近似等于入射,光子的能量。2）康普頓散射：入射光子與核外電子發(fā)生非彈性散射，康普頓電子能量在0至之 間變化，其中八：*：.如(2)式所示。3)正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生：入射,射線能量超過(guò)時(shí)，-光子受原子核或電子的庫(kù)侖場(chǎng)的作用可激 發(fā)正負(fù)電子對(duì)。入射-射線能量越大，產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的幾率也越大。在物質(zhì)中正電子的 壽命很短，當(dāng)它在物質(zhì)中耗盡自己的動(dòng)能，便同物質(zhì)原子中的軌道電子發(fā)生湮滅反應(yīng)而變 成一對(duì)能量各為也疽：的-光子。2、何為全能峰？全能峰的計(jì)數(shù)主要來(lái)自于哪些作用的貢獻(xiàn)？答：一光譜中由光電效應(yīng)形成的光電峰能量與入射一射線能量幾乎相等，稱(chēng)為全能峰。其 計(jì)數(shù)主要來(lái)源于光電效應(yīng)，此外，多次康普頓散射的累計(jì)效應(yīng)和兩個(gè)湮沒(méi)光子被全吸收時(shí)的 電子對(duì)效