NaI單晶（TL）γ能譜儀實(shí)驗(yàn)及相關(guān)討論

1、Na單晶(TL)能譜儀實(shí)驗(yàn)及相關(guān)討論 07300720367 趙益輝PAGE PAGE 7NaI單晶(TL)能譜儀實(shí)驗(yàn)及相關(guān)討論摘要：本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)NaI單晶(TL) 能譜儀的了解和熟悉，掌握其定標(biāo)和調(diào)整方法，并測量放射源的能譜，用卡全能峰的方法計(jì)算Pb對(duì)射線的質(zhì)量吸收系數(shù)以及散射截面。關(guān)鍵詞：NaI單晶 能譜儀 能量分辨率 質(zhì)量吸收系數(shù) 散射截面一、引言測量射線的強(qiáng)度和能量是核輻射探測的一個(gè)重要方面。在核物理研究中，測量原子核的激發(fā)能級(jí)、研究核衰變綱圖、測定短的核壽命及進(jìn)行核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)等，都需要測量射線。在放射性同位素的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和科學(xué)研究的各種應(yīng)用中也經(jīng)常使用射線和要求進(jìn)行射線的各種測量

2、。NaI(TL)單晶是以NaI為基質(zhì)材料摻以適當(dāng)濃度的TL生長而成的閃爍晶體材料。材料對(duì)閃爍光無明顯的 自吸收，并對(duì)X射線和 射線具有很高的分辨率。 在所有可供使用的閃爍晶體中, NaI是應(yīng)用最廣泛的材料。廣泛應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)、礦井探測、環(huán)境監(jiān)測、高能物理和其它方面。 二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆誑aI(Tl)單晶 能譜儀的調(diào)整方法，測量 射線的能譜，測量能譜儀的性能和標(biāo)定其能量定標(biāo)曲線，并利用定標(biāo)曲線進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，掌握運(yùn)用個(gè)人計(jì)算機(jī)處理能譜數(shù)據(jù)的方法。三、實(shí)驗(yàn)原理光子是不帶電的中性粒子，因此它與物質(zhì)的相互作用與帶電粒子有顯著的差別。帶電粒子與物質(zhì)相互作用時(shí)，與物質(zhì)原子的核外電子的非彈性碰撞是主要的能量交換

3、過程，每一次碰撞所轉(zhuǎn)移的能量是很小的，經(jīng)過許多次碰撞后逐漸損失能量。射線與物質(zhì)的相互作用主要有三種方式：光電效應(yīng)，康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng)。光電效應(yīng)入射粒子把能量全部轉(zhuǎn)移給原子中的束縛電子，而把束縛電子打出來形成光電子。由于束縛電子的電離能Ei一般遠(yuǎn)小于入射射線能量E，所以光電子的動(dòng)能近似等于入射射線的能量E光電EEiE(2)康普頓散射設(shè)入射光子能量為h，散射光子能量為h，則反沖康普頓電子的動(dòng)能： Eehh康普頓散射后散射光子能量與散射角的關(guān)系為其中 即為入射射線能量與電子靜止質(zhì)量所對(duì)應(yīng)的能量之比。當(dāng)0時(shí)vv，這時(shí)Ee0，即不發(fā)生散射；當(dāng)180時(shí)，散射光子能量最小，它等于 這時(shí)康普頓電子的能量最

4、大為 康普頓電子能量是連續(xù)分布的，在至 之間變化(3)正、負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生當(dāng)射線能量超過2m0c2時(shí)，光子受原子核或電子的庫侖場的作用可能轉(zhuǎn)化成正、負(fù)電子對(duì)。在物質(zhì)中，正電子的壽命是很短的，當(dāng)它在物質(zhì)中消耗盡自己的動(dòng)能，便同物質(zhì)原子中的軌道電子發(fā)生湮沒反應(yīng)而變成一對(duì)能量各為0.511MeV的光子。五、實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)裝置包括NaI(Tl)閃爍探頭、 NIM（Nuclear Instrument Module)機(jī)箱、高壓電源、低壓電源、線性放大器，脈沖多道幅度分析器，示波器，電腦及放射源等六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.觀察探頭信號(hào)和線性放大器的輸出信號(hào)2.137Cs源測量能譜儀的能量分辨率3.利用137Cs的一個(gè)光電

5、峰和60Co的兩個(gè)光電峰對(duì)能譜儀進(jìn)行定標(biāo)4.將22Na作為待測源，利用定標(biāo)曲線從22Na的光電峰和正負(fù)電子湮滅峰的位置求出能量5.利用定標(biāo)曲線在137Cs的能譜中求出反散射峰和康普頓邊緣的能量6.用卡全能峰的方法求鉛對(duì)射線的質(zhì)量吸收系數(shù)參數(shù)設(shè)置：高壓設(shè)置為690V V=10mV/DIV t=1s/DIV 線性放大器增益 307(1)137Cs137Cs發(fā)射的粒子的能量為0.6616MeV，由于它小于1.02MeV,所以它與NaI（T1）晶體只能發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。能譜中的1號(hào)峰為全能峰，它的幅度與射線的能量成正比，這一個(gè)峰包含了首次康普頓效應(yīng)以及所有后次效應(yīng)的貢獻(xiàn)。2號(hào)處為康普頓平臺(tái)，是

6、康普頓散射中的散射光子逃逸出晶體時(shí)，留下的反沖電子形成的一個(gè)能量連續(xù)的電子譜。在康普頓平臺(tái)上出現(xiàn)的3號(hào)峰時(shí)反散射峰，是入射光子穿過閃爍體打到光電倍增管上，發(fā)生了180康普頓散射，返回到閃爍體，通過光電效應(yīng)而被記錄。全能峰道址為450 峰值為2405峰半高寬為37=8.2%光電峰面積為85572 能譜面積為449225光電峰面積/總能譜面積=85572/449225=19.05%即發(fā)生光電效應(yīng)的概率為19.05%(2) 60Co由于60Co放射源能產(chǎn)生兩種能量不同的光子，所以60Co能譜圖中有兩個(gè)光電峰。第一光電峰道址 783 峰值 797第二光電峰道址 891 峰值 611(3)定標(biāo)曲線由13

7、7Cs的一個(gè)光電峰和60Co的兩個(gè)光電峰進(jìn)行能量定標(biāo)。這三個(gè)峰的能量與道址分別如下表所示：E（MeV）0.66161.171.33CH450783891表1對(duì)這三組數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，得到如下圖所示圖形：得到E與CH的直線方程為：E=-0.02106+0.00152CH其中，相關(guān)系數(shù)R=0.99998，可知線性關(guān)系相當(dāng)?shù)暮谩?4) 22Na由于22Na放射出的光子的能量大于1.022MeV，所以22Na能譜圖中有一個(gè)電子對(duì)湮滅峰，理論值能量為0.511MeV。其能譜圖中還有一個(gè)理論值為1.275 MeV的光電峰。湮滅峰道址 349 光電峰道址 848代入定標(biāo)公式得到湮滅峰能量為0.510MeV

8、光電峰能量為1.269MeV相對(duì)誤差分別為0.2%和0.5%(5) 計(jì)算137Cs能譜圖中反散射峰和康普頓邊緣的能量由前面分析所知 反散射峰 道址為 128 能量為 0.174MeV康普頓平臺(tái)邊緣 道址為 302 能量為 0.439MeV相對(duì)偏差為5.4%和8.2%由于峰和平臺(tái)不明顯，所以實(shí)際測量的偏差較大(6) 計(jì)算質(zhì)量吸收系數(shù)和散射截面用137Cs作為放射源，分別用05片鉛片放在源上（已知鉛片面密度為=2.83g/cm2），定時(shí)200s進(jìn)行采集鉛片數(shù)012345凈面積17198126869643770254954346ln I9.7529.4489.1748.9498.6128.377已知

9、：I/ I0= e-兩邊取對(duì)數(shù)，可得：I=I0-N所以對(duì)上表中的N與I進(jìn)行直線擬合，可得下圖所示直線：得到N與I的直線方程：I=9.73829-0.27451N圖7 N與I的直線擬合其中，相關(guān)系數(shù)為R=-0.99895所以，=0.30185又=2.83g/cm2=0.097 cm2/g即為鉛片對(duì)0.662MeV的吸收系數(shù)。根據(jù)=n，n=N0Z /A以及=/，可得：=A/N0Z所以，=0.097207(6.023102382)=4.0710-25cm2即為鉛片對(duì)0.662MeV的散射截面。下圖X軸為道址 Y軸為計(jì)數(shù) 不同的曲線代表鉛片數(shù)目的不同可以看到隨著鉛片數(shù)量的增加 峰值明顯減小補(bǔ)充：對(duì)137Cs和60Co的譜線作扣除本底的處理得到以下兩圖可以看到X射線峰、反散射峰和康普頓平臺(tái)都變得較為明顯但是由于本底與放射源的測量時(shí)間不同，無法定量對(duì)譜線進(jìn)行分析，故以上兩圖僅供參考七、討論與小結(jié)1.由于開機(jī)沒有進(jìn)行較長時(shí)間的預(yù)熱，所以測量結(jié)果中可能含有電源高壓隨時(shí)間的漂移2.適當(dāng)增加測量時(shí)間，可以使需要的峰更明顯更陡峭3.對(duì)所需要的峰進(jìn)行積分時(shí)，范圍的選取一旦確定就不可改變4.對(duì)于康普頓平臺(tái)邊緣的測量，可以使用等面積法，以減小誤差八