近代物理实验报告
学院数理与信息工程学院
班级物理092
姓名艾合买提江
学号09180218
时间 2011年9月26日
Nal(Tl) γ闪烁谱仪及γ射线能谱的测量
摘要：放射性物质含有许多不稳定的原子。这些源自在核衰变时辐射出α，β，γ射线和中子流等，并且都具有一定的能量。γ射线是原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时所产生的一种辐射。它是一种波长极短的电磁波，其辐射能量标示为Εr=Εi-Εf=hv,其中Εi和Εf分别为原子核所处的未态和初态的能量。V是γ射线光子的频率。本实验将γ射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到γ辐射强度按能量的分布，即所谓能谱
关键字：
Υ射线能谱物质吸收系数μ光电效应康普顿效应电子对效应
引言：
原子核由高能级向低能级跃迁时会辐射射线，它是一种波长极短的电磁波，其能量由原子核跃迁前后的能级差来表示即：射线与物质发生相互作用则产生次级电子或能量较低的射线，将射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到辐射强度按能量的分布，即为“能谱”。测量能谱的装置称为“能谱仪”。
闪烁探测器是利用带电粒子或非带电粒子与某些物质的相互作用下转化成为带电粒子对物质原子的激发，从而会产生发光效应的特性来测量射线的仪器。它的主要优点是即能测量各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子；即能测量粒子强度，又能测量粒子能量；并且探测效率高。
γ射线，又称γ粒子流，是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，是波长短于0.2埃的电磁波。首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。原子核衰变和核反应均可产生γ射线。
γ射线的波长比X射线要短，所以γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。原子核释放出的γ光子与核外电子相碰时，会把全部能量交给电子，使电子电离成为光电子，此即光电效应。由于核外电子壳层出现空位，将产生内层电子的跃迁并发射X射线标识谱。高能γ光子（＞2兆电子伏特）的光电效应较弱。γ光子的能量较高时，除上述光电效应外，还可能与核外电子发生弹性碰撞，γ光子的能量和运动方向均有改变，从而产生康普顿效应。当γ光子的能量大于电子静质量的两倍时，由于受原子核的作用而转变成正负电子对，此效应随γ光子能量的增高而增强。γ光子不带电，故不能用磁偏转法测出其能量，通常利用γ光子造成的上述次级效应间接求出，例如通过测量光电子或正负电子对的能量推算出来。此外还可用γ谱仪（利用晶体对γ射线的衍射）直接测量γ光子的能量。由荧光晶体、光电倍增管和电子仪器组成的闪烁计数器是探测γ射线强度的常用仪器。
通过对γ射线谱的研究可了解核的能级结构。γ射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。γ射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。γ射线是原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时所发出的一种辐射，其辐射的能量由原子核跃迁
前后两能级的能量之差决定。由于γ射线的能量与原子核激发态的能级密切相关，因此，γ射线能量的测量对于了解原子核的结构、获得原子核内部的信息是一个十分重要的途径。
正文
实验目的
1．了解闪烁探测器的结构、原理；
2．掌握Nal（T1）单晶γ闪烁谱仪的几个性能指标和测试方法；
3．了解和电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理；
实验内容
1．学会NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用，调试一台谱仪至正常工作状态。
2．测量137Cs的γ能谱，求出能量分辨率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形。3．了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶γ谱测量中的数据采集及其基本功能4．数据处理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等）。
实验原理
γ射线能谱的测量
闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程：
（1）射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发；
（2）受激原子、分子退激时发射荧光光子；
（3）利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；
（4）光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104~109个，电子流在阳极负载上产生电信号；
（5）此信号由电子仪器记录和分析。
某些物质的原子核能发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线，核辐射主要有α、β、γ三种射线。我们通过不同的实验仪器能够探测到这些肉眼无法看见的射线。本实验使用的是γ闪烁谱仪。γ闪烁谱仪内部含有闪烁体，可以把射线的能量转变成光能。实验中采用含TI（铊）的NaI晶体作γ射线的探测器。
由原子物理学中可知γ射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程，最终实现了能谱图样的输出如下：
图中的横坐标CH表示道数，与能量成正比，纵坐标表示强度，也就是射线的密集程度，与计数成正比。
显然多于实验产生了多个峰值，但是B/C/D这三个峰值的能量比较低，不适合我们记录，为了能够同时获得高能量以及大密集度的峰值我们选取最右端的峰值，也就是A峰。这个峰我们又把它称为全能峰。实验过程中要保证最终的峰值与图中A峰的CH（道数）尽量的接近，这样测得的结果才有实验价值。
由于射线与物质相互作用，导致射线通过一定厚度物质后，能量或强度有一定的减弱，称为物质对射线的吸收。研究物质对射线的吸收规律，不同物质的吸收性能等，在防护核辐射、核技术应用和材料科学等许多领域都有重要意义。
实验装置
实验步骤：
1．熟悉仪器，检查仪器安装是否正确，特别注意高压调节至0，以免接通电源后对闪烁探测器的冲击，影响仪器工作状态和使用寿命，然后接通电源,并预热20分钟左右。
2．放上60Co放射源，打开盖子；并使探测器大致对准放射源出射口。
3．运行多道分析软件开始计数测量。为了提高数据采集的速度及能量分辨率，参数范围设置在512道，时间预置为500，并调节道数坐标320，纵轴刻度为自动线性显示。
4．调节电压（700左右，不能超过900V）至合适值，线性放大调节到0.3倍，开始计数测量，记录总计数率。
5．文件保存为a.chn并按下清零按钮。
6．对探测器位置稍作调节，其他设置保持不变,开始测量，记录总计数率。
7．文件另保存为b.chn并按下清零按钮。
8．又对探测器位置稍作调节，其他设置保持不变,开始测量，记录总计数率。
9．文件另保存为c.ch。
以上步骤是60Co的γ射线能谱测量，接下来是137Cs的γ射线能谱测量
换137Cs辐射源，在测量过程中，除了注意时间预置为300，并调节道数坐标160之外，其他步骤与60Co的γ射线能谱测量类似，得到A.chn、B.chn、C.chn。
最后分析并打印出实验所得的图像1、2（a、b、c文件中取总计数率最大文件中的图像1；A、B、C文件中取总计数率最大文件中的图像2），实验结束后整理实验仪器，老师签字。能谱测量数据：
60Co，电压为684大倍数为0.3倍
137Cs
实验总结
在本次实验中有很多值得注意的地方，如对于放射源的操作。虽然放射源所开的孔很小，但操作仍要十分小心，在拧开或关闭放射源盖子时，需从侧面慢慢盖上或取下。对于暂时不用的放射源应将它保存于抽屉中，切不可放在桌角等处，以防放射源掉下来造成严重的后果。实验问题分析
1、为何分析仪需要将电压调零后关机？
答：仪器启动时会有瞬间高压产生，分析仪能产生170%的高压，若在700V左右工作电压启动，则开机时会击穿光电倍增管。
2、实验中Cs137测量时间为300秒，Co60测量时间为500秒，可不可以讲测量时间互
换？
答：不能Cs放射性强，技术强，300s吸收已经稳定，无需500s，而Pb放射强度弱，需要500s才能稳定，300s时完全没有达到稳态。
3、调整道数电压时为什么每次都要将软件停止归零？
每一次运行软件测定时间已经开始计算，若调整电压时没有停止调零，则下次测定时间就会减少，导致结果不正确。
4、改变放大倍数结果有没有变化？
答：结果一致，效果不同。放大倍数越大，精度越高，误差越小，但对仪器的要求更高。
γ射线能谱的测量 【摘要】某些物质的原子核能够发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线，γ射线产生的原因正是由于原子核的能级跃迁。我们通过测量γ射线的能量分布，可确定原子核激发态的能级，这对于放射性分析，同位素应用及鉴定核素等都有重要意义。因此本实验通过使用γ闪烁谱仪测定不同的放射源的γ射线能谱。同时学习和掌握γ射线与物质相互作用的特性,并且测定窄束γ射线在不同物质中的吸收系数μ。 【关键词】γ射线能谱γ闪烁谱仪 【引言】从1896年的法国科学家贝可勒尔发现放射性现象开始，经过居里夫人等一系列科学家对一些新放射性元素的发现及其性质进行研究的杰出工作后，人类便进入了对原子核能研究、利用的时代。 而原子核衰变能放出α、β、γ三种射线，这些射线可以通过仪器精确测量。本次实验主要研究γ射线，通过对γ射线谱的研究可了解核的能级结构。γ射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。人体受到γ射线照射时，γ射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生电离作用，电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子，如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主要成份，一旦它们遭到破坏，就会导致人体内的正常化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡。 因此本次实验研究了不同材料对于γ射线的吸收情况这是非常具有实际意义的，比如在居民区制造防空洞的时候可以使用一定厚度的抗辐射材料确保安全，而且在核电站、军事防护地以及放射源存放处等地方我们都有必要使用防辐射材料。 γ射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程，如下图所示。 本实验主要研究的是窄束γ射线在物质中的吸收规律。所谓窄束γ射线是指不包括散射成份的射线束，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。窄束γ射线再穿过物质时，由于上述三种效应，其强度就会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。γ射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律。 本次实验仪器如下：
NaI(Tl) 闪烁晶体γ能谱测量 实验人：吴家燕学号：15346036 一、实验目的 1、加深对γ射线和物质相互作用的理解； 2、掌握NaI(Tl) γ谱仪的原理及使用方法； 3、学会测量分析γ能谱； 4、学会测定γ谱仪的能量分辨率、线性、探测效率曲线； 5、测定未知放射源的能量和活度。 二、实验原理 1、γ谱仪的组成 NaI(Tl)闪烁谱仪由NaI(Tl)闪烁探头（包括闪烁体、光电倍增管、前置放大器）、高压电源以及谱仪放大器、多道分析器、计算机等设备组成。图1 为NaI(Tl)闪烁谱仪装置的示意图。 2、射线与闪烁体的相互作用 当γ射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程：（1）光电效应；（2）
康普顿散射；（3）电子对效应。 图2 为示波器上观察到的单能γ射线的脉冲波形，谱仪测得的能谱图。图3 是137Cs、22Na 和60Co 放射源的γ能谱。图中标出的谱峰称为全能峰。在γ射 线能区，光电效应主要发生在K 壳层。在击出K 层电子的同时，外层电子填补K 层 空穴而发射X 光子。在闪烁体中，X 光子很快地再次光电吸收，将其能量转移给光 电子。上述两个过程是几乎同时产生的，因此它们相应的光输出必然是叠加在一起的，即由光电效应形成的脉冲幅度直接代表了γ射线的能量（而非减去该层电 子结合能）。 3、137Cs 能谱分析 4、闪烁谱仪的性能 能量分辨率
探测器输出脉冲幅度的形成过程中存在着统计涨落。即使是确定能量的粒子的脉冲幅度，也仍具有一定的分布，其分布示意图如图4 所示。通常把分布曲线极大值一半处的全宽度称半宽度即 FWHM，有时也用表示。半宽度反映了谱仪对相邻脉冲幅度或能量的分辨本领。因为有些涨落因素与能量有关，使用相对分辨本领即能量分辨率η更为确切。一般谱仪在线性条件下工作，故η也等于脉冲幅度分辨率，即 对于一台谱仪来说，近似地有 对于单晶谱仪来说，能量分辨率是以137Cs 的0.662MeV 单能γ射线的光电峰为标准的，它的值一般在8-15%，最好可达6-7%。 能量线性刻度曲线 为检查谱仪的能量线性情况，必须利用一组已知能量的γ放射源，测出它们的γ射线在谱中相应的全能峰位置（或道址），然后，作出γ能量对脉冲幅度（或道址）的能量刻度曲线。这个线性关系可用线性方程表示，即 式中x p 为峰位，即道址；E0 为截距，即零道对应的能量；G 为斜率，即每道对应的能量间隔，又称增益。实验中用的γ核素能量列于表2 中。典型的能量刻度曲线如图5 所示。
NaI （Tl ）闪烁谱仪测量γ能谱 实验目的 1. 掌握NaI(Tl) γ闪烁谱仪的结构、原理和工作过程 2. 掌握NaI(Tl)γ闪烁谱仪的性能指标和测试方法。 3. 了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。 实验内容 1. 学会NaI(Tl) 单晶γ闪烁谱仪装置的使用操作方法 2. 掌握调整谱仪参数，选择最佳测量工作条件的方法 3. 测量谱仪的能量分辨率、刻度能量线性。 4. 了解数据处理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等）。 一．γ射线与物质的相互作用 γ射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式，如图1所示。 图1 γ射线光子与物质原子相互作用 （1）光电效应 当能量为E γ的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失。发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应。发射光电子的动能为 i e B E E -=γ B i 为束缚电子所在壳层的结合能。原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X 射线。这种X 射线在闪烁体内很容易再产生一次新的光电效应，将能量又转移给光电子，所以闪烁体得到的能量是两次光电效应产生的光电子能量之和。 值得注意的是，由于必须满足动量守恒定律，自由电子（非束缚电子）不能吸收光子能量而成为光电子。光电效应的发生除入射光子和光电子之外，还需有一个第三者参加，这第三者就是发射光电子之后剩余下来的整个原子。它带走一些反冲能量，但该能量十分小。由于它的参加，动量和能量守恒才能满足。而且，电子在原子中被束缚得越紧（即越靠近原子核的电子），越容易使原子核参加上述过程。所以在K 壳层上发生光电效应的概率最大。 （2）康普顿效应 γ光子与自由静止的电子发生碰撞，将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，γ光子被散射，改变了原来的能量和方向。反冲电子的动能为 ()θγγ cos 112 0-+=E c m E E e （
**************************************************************************** 西南科技大学 《α射线能谱测量》报告 设计名称α射线能谱测量 学院 班级 学生姓名 学号 设计日期 2014年12月 2014年10月制 目录 1实验目的 (1) 2实验内容 (1)
3实验原理 (1) α能谱 (1) α放射源 (2) α放谱仪 (3) 探测器测量α射线能谱相关原理 (4) α谱仪的能量刻度和能量分辨率 (4) 4实验仪器、器材 (5) 5实验步骤 (5) 6实验数据记录、处理 (6) 7实验结论 (8) 1实验目的 α衰变中发射的α粒子能量及辐射几率的测量，对于核结构研究具有重要意义。这些核数据的测量通常是用α磁谱仪或半导体α谱仪。而本实验主要从以下几个方面进行： 1、了解α谱仪工作原理与特性 2、掌握α能谱测量原理及测量方法
3、测量获取表中各种放射源在不同探源距下α能谱的数据与图像记录并进行刻度 2实验内容 测定α谱仪在不同源距下α能谱的数据，并通过计算获得相关能量分辨率。同时，进行能量刻度。 3实验原理 α能谱 α粒子通过物质时，主要是与物质的原子的壳层电子相互作用发生电离损失，使物质产生正负离子对，对于一定物质，α在其内部产生一对离子所需的平均能量是一定的（即平均电能w），所以在物质中产生的正负离子对数与α粒子损失的能量成正比，即：E N= W 公式中N为α粒子在物质中产生的正负离子对数目，E是在物质中损失的α粒子能量。如果α粒子将其全部能量损失在物质内，E就是α粒子的能量。 由于α粒子在空气中的射程很短（在T=15℃，P=1大气压时，天然放射性核素衰变产生的α粒子，射程最大为Thc’(212Po) 为，能量最小232Th为），所以测量室应采用真空室，如上图1所示，采用真空泵将测量室抽成真空，这样与探测器接触的α粒子的能量才近似等于放射性核素经过α粒子放出的α粒子的初始能量（近似是因为不可能将测量室抽成绝对真空）。 α粒子在探测器中因电离、激发（由于α粒子的质量很大，所以与物质的散射作用很不明显。α粒子在空气中的径迹是一条直线，这种直线很容易在威尔逊云室中看到。）等效应而产生电流脉冲，其幅度与α粒子能量成正比。电流信号经前置放大器、主放大器放大，出来的电信号通过多道分析器进行数据采集，最后通过计算机采集并显示其仪器谱（实验用α谱仪硬件连接及内部结构框图如图1所示）。仪器谱以α粒子的能量（即脉冲幅度）为横坐标，某个能量段内α粒子数（或计数率）为纵坐标，即可计算样品中各单个核素发射的α粒子的能量与活度。理论上，单能α粒子谱是线状谱，应是位于相应能量点处垂直于横坐标轴的单一直线，但由于α粒子入射方向、空气吸收、样品源自吸收的差异和低能粒子的叠加等原因，实际测得的是具有一定宽度的单个峰，其峰顶位置相应于α粒子的能量，谱线以下的
实验题目: 用闪烁谱仪测γ射线能谱 实验原理: 1.γ能谱的形状 闪烁γ能谱仪可测得γ能谱的形状，下图所示是典型Cs 137的γ射线能谱图。图的纵轴代表单位时间内的脉冲数目即射线强度，横轴代表脉冲幅度即反映粒子的能量值。 从能谱图上看，有几个较为明显的峰，光电峰e E ，又称全能峰，其能量就对应γ射线的能量γE 。这是由于γ射线进入闪烁体后，由于光电效应产生光电子，能量关系见式（1），如果闪烁体大小合适，光电子停留在其中，可使光电子的全部能量被闪烁体吸收。光电子逸出原子会留下空位，必然有外壳层上的电子跃入填充，同时放出能量i z B E =的X 射线，一般来说，闪烁体对低能Ｘ射线有很强的吸收作用，这样闪烁体就吸收了z e E E +的全部能量，所以光电峰的能量就代表γ射线的能量，对Cs 137，此能量为0.661Ｍe Ｖ。 C E 即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。 背散射峰b E 是由射线与闪烁体屏蔽层等物质发生反向散射后进入闪烁体内，形成的光电峰，一般峰很小。 2．谱仪的能量刻度和分辨率
（1）谱仪的能量刻度 闪烁谱仪测得的γ射线能谱的形状及其各峰对应的能量值由核素的蜕变纲图所决定，是各核素的特征反映。但测得的光电峰所对应的脉冲幅度（即峰值在横轴上所处的位置）是与工作条件有关系的。如光电倍增管高压改变、线性放大器放大倍数不同等，都会改变各峰位在横轴上的位置，也即改变了能量轴的刻度。因此，应用γ谱仪测定未知射线能谱时，必须先用已知能量的核素能谱来标定谱仪的能量刻度，即给出每道所对应的能量增值Ｅ。例如选择 Cs 137 的光电峰γE ＝0.661Ｍe Ｖ和Co 60的光电峰 M e V E 17.11=γ、MeV E 33.12=γ等能量值，先分别测量两核素的γ能谱，得到光电峰所对应的多道分 析器上的道址（若不用多道分析器，可给出各峰位所为应的单道分析器上的阈值）。可以认为能量与峰值脉冲的幅度是线性的，因此根据已知能量值，就可以计算出多道分析器的能量刻度值Ｅ。如果对应 MeV E 661.01=的光电峰位于Ａ道，对应MeV E 17.12=的光电峰位于Ｂ道，则有能量刻度 MeV A B e --= 661 .017.1 （1） 测得未知光电峰对应的道址再乘以e 值即为其能量值。 （2）谱仪分辨率 γ能谱仪的一个重要指标是能量分辨率。由于闪烁谱仪测量粒子能量过程中，伴随着一系列统计涨落因素，如γ光子进入闪烁体内损失能量、产生荧光光子、荧光光子进入光电倍增管后，在阴极上打出光电子、光电子在倍增极上逐级打出光电子而使数目倍增，最后在阳极上形成电流脉冲等，脉冲的高度是服从统计规律而有一定分布的。光电峰的宽窄反映着谱仪对能量分辨的能力。如图2.2.1-7中所示的光电峰的描绘，定义谱仪能量分辨率η为 %100??=?= V V E E 光电峰脉冲幅度半高度η （2） η表示闪烁谱仪在测量能量时能够分辨两条靠近的谱线的本领。目前一般的闪烁谱仪分辨率在10%左
实验5：NaI(Tl)闪烁谱仪 实验目的 1． 了解谱仪的工作原理及其使用。 2． 学习分析实验测得的137Cs γ谱之谱形。 3． 测定谱仪的能量分辨率及线性。 容 1． 调整谱仪参量，选择并固定最佳工作条件。 2． 测量137Cs 、65Zn 、60Co 等标准源之γ能谱，确定谱仪的能量分辨率、刻度 能量线性并对137Cs γ谱进行谱形分析。 3． 测量未知γ源的能谱，并确定各条γ射线的能量。 原理 )1(T NaI 闪烁谱仪由)1(T NaI 闪烁体、 光电倍增管、射极输出器和高压电源以及线性脉冲放大器、单道脉冲幅度分析器（或多道分析器）、定标器等电子学设备组成。图1为)1(T NaI 闪烁谱仪装置的示意图。此种谱仪既能对辐射强度进行测量又可作辐射能量的分析，同时具有对 γ射线探测效率高（比G-M 计数器高几十倍）和分辨时 间短的优点，是目前广泛使用的一种辐射探测装置。
当γ射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程，见表1第一行所示：（1）光电效应；（2）康普顿散射；（3）电子对效应。前两种过程中产生电子，后一过程出现正、负电子对。这些次级电子获得动能见表1第二行所示，次级电子将能量消耗在闪烁体中，使闪烁体中原子电离、激发而后产生荧光。光电倍增管的光阴极将收集到的这些光子转换成光电子，光电子再在光电倍增管中倍增，最后经过倍增的电子在管子阳极上收集起来，并通过阳极负载电阻形成电压脉冲信号。γ射线与物质的三种作用所产生的次级电子能量各不相同，因此对于一条单能量的γ射线，闪烁探测器输出的次级电子脉冲幅度仍有一个很宽的分布。分布形状决定于三种相互作用的贡献。 表1 γ射线在NaI（Tl）闪烁体中相互作用的基本过程
伽马能谱与相对论验证 【摘要】 本实验先通过γ能谱对多道分析仪进行定标，再通过测量β-粒子动量的磁谱仪和测量β-粒子动能的能谱仪，记录多道分析仪所在峰值道数和探测器与源之间间距2R ，根据公式p=eBR 得到粒子动量。再根据公式 2042 0220c m c m p c E E E k -+=-=得到粒子动能。画出动量-动能关系图，并与 相对论理论值和经典理论值进行比对，对相对论进行验证。 【关键词】 β-粒子 多道分析仪 磁谱仪 能谱仪 相对论 【引言】 爱因斯坦狭义相对论揭示了高速运动物体的运动规律，创立了全新的时空观，给出了质量对速度的依赖关系，能量与质量的普遍联系等一系列重要结果。本实验的目的是通过同时测量速度接近光速的β-粒子的动量和动能，证明牛顿力学只适合于低速运动物体，当物体的运动接近光速时，必须使用相对论力学，同时学习带电粒子特别是β-粒子与物质的相互作用，学习β磁谱仪和β闪烁仪的测量原理和使用以及其他核物理的实验方法。 【实验原理】 一、γ闪烁能谱 1、γ光子及其与物质的相互作用 通过核衰变或核反应形成的原子核，往往处于不稳定的高激发态。处于高激发态能级上的原子核E2，在不改变原子核组成的情况下，跌回到较 低的激发态E1，原子核发出γ涉嫌或内转换电子。因此γ射线的能量为 E γ=E2-E1。放射性原子核放出的γ射线的能量通常在几千电子伏与几兆电子伏之间。γ射线由不在店的γ光子组成，静止质量为零。γ光子和物质相互作用主要有三种效应：光电效应、康普顿效应、电子对效应。 （1）光电效应 入射的γ光子把全部能量转移给原子中的束缚电子，而把束缚电子打 出来形成光电子，这就是光电效应 K i E E E γ=- (1) γ射线产生光电效应的几率随着物质原子序数的增大而增大，随着γ射线能量 增大而减小 （2）康普顿效应 入射的γ光子与院子的外层电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电 子，使它脱离院子成为反冲粒子，同时γ光子被散射，这种过程称为康普顿散射效应 '1(1cos )E E γ γαθ= +- （2-1）
用闪烁谱仪测γ射线能谱4+ PB04210252 刘贤焯 第26组10号 和原子的能级间跃迁产生原子光谱类似，原子核的能级间跃产生γ射线谱。测量γ射线强度按能量的分布即γ射线能谱，简称γ能谱。研究γ能谱可确定原子核激发态的能级，研究核蜕变纲图等，对放射性分析、同位素应用及鉴定核素等方面都有重要的意义。测量γ射线能谱最常用的仪器是闪烁γ能谱仪，该谱仪在核物理、高能粒子物理和空间辐射物理的探测中都占有重要地位，而且用量很大。 本实验的目的是学习用闪烁谱仪测量γ射线能谱的方法，要求掌握闪烁谱仪的工作原理和实验方法，学会谱仪的能量标定方法，并测量γ射线的能谱。 实验原理 根据原子核结构理论，原子核的能量状态是不连续的，存在着分立能级。处在能量较高的激发态能级2E 上的核，当它跃迁到低能级1E 上时，就发射γ射线（即波长约在1nm ~ 0.1nm 间的电磁波）。放出的γ射线的光量子能量12E E hv -=，此处h 为普朗克常数，ν为γ光子的频率。由此看出原子核放出的γ射线的能量反映了核激发态间的能级差。因此测量γ射线的能量就可以了解原子核的能级结构。测量γ射线能谱就是测量核素发射的γ射线强度按能量的分布。 1． 闪烁谱仪测量γ射线能谱的原理 闪烁能谱仪是利用某些荧光物质，在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射荧光（称为闪烁）的现象来测量能谱的。这种荧光物质常称为闪烁体。 （1） 闪烁体的发光机制 闪烁体的种类很多，按其化学性质不同可分为无机晶体闪烁体和有机晶体闪烁体。有机闪烁体包括有机晶体闪烁体、有机液体闪烁体和有机塑料闪烁体等。此处仅对常用的无机晶体闪烁体的发光机
制作简单介绍。 最常用的无机晶体是铊激活的碘化钠单晶闪烁体，常写为NaI (T1)，属离子型晶体，是绝缘体，按固体物理的概念，其能带结构是在价带和导带之间有比较宽的禁带。如有带电粒子进入到闪烁体中，引起后者产生电离或激发过程，即可能有电子从价带激发到导带或激发到激带，然后这些电子再退激到价带的可能过程之一是发射光子。这种光子的能量还会使晶体中其他原子产生激发或电离过程，也就是光子可能被晶体吸收而不能被探测到。为此在晶体中掺入少量的杂质原子称为激活原子，如在碘化钠晶体中掺入铊原子，其关键作用是可以在低于导带和激带的禁带中形成一些杂质能级，见图2.2.1-1示意图。这些杂质原子会捕获一些自由电子或激子到达杂质能级上，然后以发光的形式退激发到价带，这就形成了闪烁过程的发光，而这种光因能量小于禁带宽度而不再被晶体吸收，不再会产生激发或电离。这说明只有加入少量激活杂质的晶体才能成为实用的闪烁体。对于无机晶体NaI (T1)而言，其发射光谱最强的波长是415nm的蓝紫光，其强度反映了进入闪烁体内的带电粒子能量的大小。应选择适当大小的闪烁体，可使这些光子一射出闪烁体就被探测到。（2）γ射线与物质的相互作用 γ射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式： １）光电效应 当能量 E的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某
γ射线能谱测量 ——物理0805 乔英杰u200810200 王振宇u200810256 实验背景：19世纪下半叶，物理学家对X射线和阴极射线进行了大量的研究，导致了放射性、电子以及α、β、γ射线的发现，这些射线的发现同时也为原子科学的发展奠定了基础。 自20世纪进入原子能时代，科学家对射线进行了更进一步的研究，射线在科学技术中开始渗透，根据γ射线具有波长短、能量高、穿透能力强和对细胞有很强的杀伤力的特性，γ射线的应用也成了一门新兴产业，现在它已经应用到了国民经济和社会生活的各个领域，特别是在工农业、医疗卫生和生物学方面取得了巨大的成果和效益，为科学技术和人类历史的进程起了巨大而深刻的影响。 目前γ射线的应用正在蓬勃快速的发展，应用领域仍在不断拓宽，它以低能耗、无污染、无残留、安全卫生等优点，深受众多行业的青睐，可是，其危害性也不容忽视。我们需要对γ射线深入了解，才能在降低其危害性的同时让其更好的为我们服务。本实验采用闪烁探测器和多道脉冲幅度分析器对γ射线的能量分布谱进行测量，以便我们了解用闪烁探测器测量γ射线的方法，学会分析能谱的特征及其影响因素。 实验原理： 1、闪烁探测器工作原理：闪烁探测器探测γ射线时，γ光子与物质作用不直接产生电离，而是发生光电效应、康普顿效应、电子对效应，闪烁体的原子、分子、电离或激发的作用来自三种效应所产生的次级电子。这样，我们就得到了对应于γ射线能量强度的电信号。之后，光电倍增管将所得电信号放大（倍增管阴极与阳极之间有十余个打那级，每个打那级均发生电子的倍增现象），其阳极最后收集电子的电极，与射级跟随器电路相连，使收集到的电子流以电压脉冲的方式输出。 2、γ闪烁能谱仪的工作原理：如下图（1）所示，整个仪器的信号传递大致是：由γ射线放射源放出的γ射线被闪烁探测器接受并转换为电压脉冲，前置放大器和脉冲放大器对探测器输出的电压脉冲进行放大，最后这些脉冲被多道分析器采集、处理。 多道分析器的到是指在分析器中存在的记录不同高度脉冲的位置。我们在试验中采用的是1024道分析器，即将脉冲电压范围分成1024份，然后计算机记录探测器输出的脉冲落在每份范围上的数目。
（一） γ射线能谱的测量 摘要： 本实验将了解闪烁探测器谱仪的工作原理及其使用；学习分析实验测量的137Cs 和60Co γ谱之谱形和γ射线能谱的刻度测定谱仪的能量分辨率,本实验的目的是了解NaI(Tl)闪烁谱仪的原理、特性与结构，掌握NaI(Tl)闪烁谱仪的使用方法和γ射线能谱的刻度。 关键词：γ 射线 Na(Tl)闪烁探测器 能谱图 单道脉冲幅度分析器 引言： 闪烁探测器是利用某些物质在射线作用下会发光的特性来探测射线的仪器。它的主要优点是：既能探测各种带电粒子，又能探测中性粒子；既能测量粒子强度，又能测量粒子能量；且探测效率高，分辨时间短。它在核物理研究和放射性同位素测量中得到广泛的应用。核物理的发展,不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据,新的核技术，如核磁共振、穆斯堡尔谱学、晶体的沟道效应和阻塞效应，以及扰动角关联技术等都迅速得到应用。核技术的广泛应用已成为现代化科学技术的标志之 正 文： 实验原理 1.闪烁谱仪结构与工作原理 ＮａＩ（Ｔｌ）闪烁谱仪结构如图。整个仪器由探头（包括闪烁体、光电倍增管、射极跟随器），高压电源，线性放大器、多道脉冲幅度分析器几部分组成。射线通过闪烁体时，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比。带电粒子（如α、β粒子）通过闪烁体时，将引起大量的分子或原子的激发和电离，这些受激的分子或原子由激发态回到基态时就放出光子；不带电的γ射线先在闪烁体内产生光电子、康普顿电子及正、负电子对（当Ｅγ＞1.02ＭｅＶ时），然后这些电子使闪烁体内的分子或原子激发和电离而发光。闪烁体发出的光子被闪烁体外的光反射层反射，会聚到光电倍增管的光电阴极上，打出光电子。光阴极上打出的光电子在光电倍增管中倍增出大量电子，最后为阳极吸收形成电压脉冲。每产生一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。由于电压脉冲幅度与粒子在闪烁体内消耗的能量（产生的光强）成正比，所以根据脉冲幅度的大小可以确定入射粒子的能量。利用脉冲幅度分析器可以测定入射射线的能谱。 由原子物理学中可知γ射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿效应和正、负电子对产生这三种过程分别如下： （１）光电效应。入射γ粒子把能量全部转移给原子中的束缚电子，而把束缚电子打出来形成光电子。由于束缚电子的电离能Ｅ1一般远小于入射γ射线能量Ｅγ，所以光电子的动能近似等于入射γ射线的能量Ｅ光电＝Ｅγ－Ｅ1≈Ｅγ （２）康普顿效应。核外电子与入射γ射线发生康普顿散射，设入射γ光子能量为ｈ，散射
实验报告 系 级 姓名 日期 No. 评分： 实验题目：γ能谱及γ射线的吸收 实验目的： 学习闪烁γ谱仪的工作原理和实验方法，研究吸收片对γ射线的吸收规律 实验原理： 1.γ能谱的形状 闪烁γ能谱仪可测得γ能谱的形状，下图所示是典型 Cs 137 的γ射线能谱图。图的纵轴代表单位时间内的脉 冲数目即射线强度，横轴代表脉冲幅度即反映粒子的能量值。 从能谱图上看，有几个较为明显的峰，光电峰e E ，又称全能峰，其能量就对应γ射线的能量γE 。这是由于γ射线进入闪烁体后，由于光电效应产生光电子，能量关系见式（1），如果闪烁体大小合适，光电子停留在其中，可使光电子的全部能量被闪烁体吸收。光电子逸出原子会留下空位，必然有外壳层上的电子跃入填充，同时放出能量i z B E =的X 射线，一般来说，闪烁体对低能Ｘ射线有很强的吸收作用，这样闪烁体就吸收了z e E E +的全 部能量，所以光电峰的能量就代表γ射线的能量，对 Cs 137 ，此能量为0.661Ｍe Ｖ。 C E 即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。 背散射峰b E 是由射线与闪烁体屏蔽层等物质发生反向散射后进入闪烁体内，形成的光电峰，一般峰很小。 2．谱仪的能量刻度和分辨率 （1）谱仪的能量刻度 闪烁谱仪测得的γ射线能谱的形状及其各峰对应的能量值由核素的蜕变纲图所决定，是各核素的特征反映。但测得的光电峰所对应的脉冲幅度（即峰值在横轴上所处的位置）是与工作条件有关系的。如光电倍增管高压改
变、线性放大器放大倍数不同等，都会改变各峰位在横轴上的位置，也即改变了能量轴的刻度。因此，应用γ谱仪测定未知射线能谱时，必须先用已知能量的核素能谱来标定谱仪的能量刻度，即给出每道所对应的能量增值Ｅ。例如选择 Cs 137 的光电峰γE ＝0.661Ｍe Ｖ和Co 60的光电峰MeV E 17.11=γ、MeV E 33.12=γ等能量值，先 分别测量两核素的γ能谱，得到光电峰所对应的多道分析器上的道址（若不用多道分析器，可给出各峰位所为应的单道分析器上的阈值）。可以认为能量与峰值脉冲的幅度是线性的，因此根据已知能量值，就可以计算出多道分析器的能量刻度值Ｅ。如果对应MeV E 661.01=的光电峰位于Ａ道，对应MeV E 17.12=的光电峰位于Ｂ 道，则有能量刻度 MeV A B e --= 661 .017.1 （1） 测得未知光电峰对应的道址再乘以e 值即为其能量值。 （2）谱仪分辨率 γ能谱仪的一个重要指标是能量分辨率。由于闪烁谱仪测量粒子能量过程中，伴随着一系列统计涨落因素，如γ光子进入闪烁体内损失能量、产生荧光光子、荧光光子进入光电倍增管后，在阴极上打出光电子、光电子在倍增极上逐级打出光电子而使数目倍增，最后在阳极上形成电流脉冲等，脉冲的高度是服从统计规律而有一定分布的。光电峰的宽窄反映着谱仪对能量分辨的能力。如图2.2.1-7中所示的光电峰的描绘，定义谱仪能量分辨率η为 %100??=?= V V E E 光电峰脉冲幅度半高度η （2） η表示闪烁谱仪在测量能量时能够分辨两条靠近的谱线的本领。目前一般的闪烁谱仪分辨率在10%左右。对η的影响因素很多，如闪烁体、光电倍增管等等。 (3)物质对γ射线的吸收 当γ射线穿过物质时，一旦与物质中的原子发生三种相互作用，原来的光子就消失或通过散射改变入射方向。通常把通过物质且未经相互作用的光子所组成的射线称为窄束γ射线（或良好几何条件下的射线束）。实验表明，单能窄束γ射线的衰减遵循指数规律： （8）
实验题目: 用闪烁谱仪测γ射线能谱 4+ 实验目的: 本实验的目的是学习用闪烁谱仪测量 γ射线能谱的方法，要求掌握闪烁谱仪 的工作原理和实验方法，学会谱仪的能量标定方法，并测量γ射线的能谱。 实验原理: 根据原子核结构理论，原子核的能量状态是不连续的，存在着分立能级。处 在能量较高的激发态能级2E 上的核，当它跃迁到低能级1E 上时，就发射γ射线（即波长约在1nm ~ 0.1nm 间的电磁波）。放出的γ射线的光量子能量 12E E hv -=，此处h 为普朗克常数，ν为γ光子的频率。由此看出原子核放 出的γ射线的能量反映了核激发态间的能级差。因此测量γ射线的能量就可以了解原子核的能级结构。测量γ射线能谱就是测量核素发射的γ射线强度按能量的分布。 闪烁能谱仪是利用某些荧光物质，在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射 荧光（称为闪烁）的现象来测量能谱的。这种荧光物质常称为闪烁体。 闪烁γ能谱仪可测得γ能谱的形状，图2.2.1-6所示是典型 Cs 137 的γ射线能谱 图。图的纵轴代表单位时间内的脉冲数目即射线强度，横轴代表脉冲幅度即反映粒子的能量值。 从能谱图上看，有几个较为明显的峰，光电峰e E ，又称全能峰，其能量就对
应γ射线的能量γE 。这是由于γ射线进入闪烁体后，由于光电效应产生光电子，能量关系见式（1），如果闪烁体大小合适，光电子停留在其中，可使光电子的全部能量被闪烁体吸收。光电子逸出原子会留下空位，必然有外壳层上的电子跃入填充，同时放出能量i z B E =的X 射线，一般来说，闪烁体对低能Ｘ射线有很强的吸收作用，这样闪烁体就吸收了z e E E +的全部能量，所以光电峰的能量就代表γ射线的能量，对 Cs 137 ，此能量为0.661Ｍe Ｖ。C E 即为康普 顿边界，对应反冲电子的最大能量。 数据处理: 1)测量Cs 137的γ能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间的关系 Y A x i s T i t l e X Axis Title X:放大倍数 Y:道址 由图知 Cs 137 的γ能谱光电峰位置与线性放大器放大倍数间有线性关系,斜率为9.77333 2) 测量 Cs 137 和Co 60放射源的γ射线能谱，用已知的光电峰能量值来标定谱仪的 能量刻度，然后计算未知光电峰的能量值。
g射线能谱的测量 【摘要】某些物质的原子核能够发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线，g 射线产生的原因正是由于原子核的能级跃迁。我们通过测量g射线的能量分布，可确定原子核激发态的能级，这对于放射性分析，同位素应用及鉴定核素等都有重要意义。因此本实验通过使用g闪烁谱仪测定不同的放射源的g射线能谱。同时学习和掌握g射线与物质相互作用的特性,并且测定窄束g射线在不同物质中的吸收系数m。 【关键词】g射线/能谱/g闪烁谱仪 【引言】从1896年的法国科学家贝可勒尔发现放射性现象开始，经过居里夫人等一系列科学家对一些新放射性元素的发现及其性质进行研究的杰出工作后，人类便进入了对原子核能研究、利用的时代。 而原子核衰变能放出α、β、γ三种射线，这些射线可以通过仪器精确测量。本次实验主要研究γ射线，通过对γ射线谱的研究可了解核的能级结构。γ射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。人体受到γ射线照射时，γ射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生电离作用，电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子，如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主要成份，一旦它们遭到破坏，就会导致人体内的正常化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡。 因此本次实验研究了不同材料对于γ射线的吸收情况这是非常具有实际意义的，比如在居民区制造防空洞的时候可以使用一定厚度的抗辐射材料确保安全，而且在核电站、军事防护地以及放射源存放处等地方我们都有必要使用防辐射材料。 g射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程，如下图所示。 本实验主要研究的是窄束γ射线在物质中的吸收规律。所谓窄束γ射线是指不包括散射成份的射线束，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。窄束γ射线再穿过物质时，由于上述三种效应，其强度就会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。γ射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律。 本次实验仪器如下：
γ能谱的测量 中山大学 2013级材料物理 供参（吓）考（你），此报告真心累
数据处理 注：本实验所有数据来自文件“蝙蝠侠” 一、改变高压，保持其他条件不变（通道数1024）观察137Cs能谱变化 图1 改变高压，137Cs能谱变化曲线图 分析： 1.137Cs的γ能谱应该呈现三个峰和一个平台的连续分布，从通道低到高依次为X射 线峰、反散射峰、康普顿效应贡献的平台以及反映γ能量的全能峰。高压越大，统计越明显。 2.随着高压增大，全能峰向右移动，并且高度下降、宽度增大。因为闪烁谱仪能量 分辨率不变，高压增大，道址增大，?V V又不变，则?V大，故宽度变大，高道址的粒子数减少，高度下降。 二、改变通道数，保持其他条件不变（高压500V）观察137Cs能谱变化 分析：（见图2） 1.由于通道数1500后粒子数很少，能谱曲线趋于横轴，故横坐标只取到1500， 方便观察。 2.道数越小，全能峰对应的道址越小，全能峰也越高、越瘦。因为道数越小，则 每个道址包含的能量间隔越大，统计的粒子个数就越多，从而使全能峰越高。
三、60Co的γ能谱曲线图（500V，通道数2014） 图3 60Co的γ能谱曲线图
分析： 1.因为全能峰可以表示γ射线的能量，60Co两个峰对应的射线能量在图中标出，分别为 1173keV、1333keV。 2.为探究能谱仪的效率曲线，需要知道每个核素测量所得能谱图的全能峰面积。 计算方法如下： 全能峰面积即图中峰与底部线段所围成的面积，可用能谱曲线下的面积减去线段两端与横轴所围成的梯形面积，而能谱曲线下的面积可用线段之间所有道址对应的粒子数的加和来表示。加和结果通过matlab进行求和而得。虽然计算方式较为粗糙，但基本符合。 对于左侧全能峰：S(E)1=7287-(27+60)*(626-551)/2=3981 对于右侧全能峰：S(E)2=5824-(27+13)*(726-626)/2=3824 四、137Cs的γ能谱曲线图（500V，通道数2014） 图4 137Cs的γ能谱曲线图 分析： 1.全能峰面积为：S(E)=9916-(13+2)*90/2=9241 2.137Cs的γ能谱呈现三个峰和一个平台的连续分布，A为全能峰，这一幅度的脉冲是
NaI （T1）闪烁谱仪测定γ射线的能谱 09904047 周宁 [实验装置] NaI （T1）闪烁谱仪（FH1901型）一套，脉冲示波器（SBT-5型）一台，Cs 137 γ源 和Co 60 γ源各一个。 [实验原理] 一、γ射线与物质的相互作用 1．光电效应 入射γ粒子把能量全部转移给原子中的束缚电子，而把束缚电子打 出来形成光电子。由于束缚电子的电离能i E 一般小于γ射线的能量γE 。所以： γγE E E E i ≈-=光电 光电效应的截面光电σ随入射γ射线能量的增加而减小。 2．康普顿散射 核外自由电子与入射γ射线发生康普顿散射。根据动量守恒的要 求，散射和入射只能发生在一个平面内。反冲康普顿电子的动能e E 为： 'hv hv E e -= 康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为： )cos 1(1'θα-+= hv hv 其中2 0c m hv =α 康普顿电子的能量在0至α α 212+hv 之间变化。 3．正、负电子对的产生 当γ射线能量超过2 02c m （1.022MeV ）以后，γ光子受 原子核或电子的库仑场的作用可能转化成正、负电子对。入射γ射线的能量越大，产生正、负电子对的截面也越大。在物质中正电子的寿命是很短的，当它在物质中消耗尽自己的动能时，便同物质原子中的轨道电子发生湮没反应而变成一对能量各为0.511MeV 的γ光子。 二、仪器结构与工作原理
1 反射层 2 闪烁体 3 硅油4光电倍增管 5 射极跟随器 6 高压电源 7 线性放大器 8 单道分析器 9 定标器10 示波器 带电粒子通过闪烁体时，将引起大量的分子或原子的激发和电离，这些受激的分子或原子由激发台回到基态时就放出光子；不带电的γ射线先在闪烁体内产生光电子、康普顿电子及正、负电子对，然后这些电子使闪烁体内的分子或原子激发和电离而发光。中子的探测，则是利用中子引起的核反应所产生的带电粒子，或中子与核碰撞时产生的反冲核，这些带电粒子和反冲核在闪烁体内引起发光。光阴极上打出的电子在光电倍增管中倍增出大量电子，最后为阳极所接收形成电压脉冲。每产生一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。由于电压脉冲幅度的大小与粒子在闪烁体内消耗掉的能量及产生的光强成正比，所以根据脉冲幅度可以确定入射粒子的能量。利用脉冲幅度分析器和定标器可以测定入射射线的能谱。 三、仪器性能 1.闪烁体 a.对入射粒子的阻止本领10% b.光能输出额 c.发光的衰减时间 d.响应匹配 2.光电倍增管 a.光阴极的光谱响应 b.阳极灵敏度 c.暗电流与本底脉冲 d.光电倍增管的时间特性 3.能量分辨率 4.时间分辨本领 137单能γ射线的响应 四、闪烁探测器对Cs 137的γ谱的全能峰是比较典型和突出的，因此通常用它作为标准源，一方面Cs 用来检验γ谱仪的能量分辨率，另一方面作为粒子能量测量的相对标准。 五、NaI（T1）闪烁谱仪的能量线性关系及其检验 对于理想的闪烁谱仪，脉冲幅度与能量之间应当呈线性关系。对于实际的NaI（T1）闪烁谱仪，γ射线能量在100keV到1.3MeV区域内是近似线性的，只是在γ射线
NaI（Tl）闪烁谱仪系列实验 实验原理 1. γ射线与物质的相互作用 γ射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程。 （１）光电效应。入射γ粒子把能量全部转移给原子中的束缚电子，而把束缚电子打出来形成光电子。由于束缚电子的电离能Ｅ1一般远小于入射γ射线能量Ｅγ，所以光电子的动能近似等于入射γ射线的能量 Ｅ光电＝Ｅγ－Ｅ1≈Ｅγ （２）康普顿散射。核外电子与入射γ射线发生康普 顿散射的示意图见图1.2-1。设入射γ光子能量为ｈ， 散射光子能量为ｈ，则反冲康普顿电子的动能Ｅe Ｅe＝ｈ－ｈ 康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为 （1.2-1） 式中，即为入射γ射线能量与电子静止质量所对应的能量之比。由式（1.2-1），当 θ＝０时ｈ＝ｈ，这时E e＝０，即不发生散射；当θ＝１８０°时，散射光子能量最小，它等于ｈ／（１＋２α），这时康普顿电子的能量最大，为 （1.2-2） 所以康普顿电子能量在０至之间变化。 （３）正、负电子对产生。当γ射线能量超过２ｍ0ｃ2（1.022ＭｅＶ）时，γ光子受原子核或电子的库仓场的作用可能转化成正、负电子对。入射γ射线的能量越大，产生正、负电子对的几率也越大。在物质中正电子的寿命是很短的，当它在物质中消耗尽自己的动能，便同物质原子中的轨道电子发生湮没反应而变成一对能量各为0.511ＭｅＶ的γ光子。 2. 闪烁谱仪结构与工作原理 ＮａＩ（Ｔｌ）闪烁谱仪结构如图1.2-2。整个仪器由探头（包括闪烁体、光电倍增管、射极跟随器），高压电源，线性放大器、多道脉冲幅度分析器几部分组成。射线通过闪烁体时，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比。带电粒子（如α、β粒子）通过闪烁体时，将引起大量的分子或原子的激发和电离，这些受激的分子或原子由激发态回到
近代物理仿真实验 —γ能谱实验
γ能谱实验 和原子的能级间跃迁产生原子光谱类似，原子核的能级间产生γ射线谱。测量γ射线强度按能量的分布即γ射线谱，简称γ能谱，研究γ能谱可确定原子核激发态的能级，研究核蜕变纲图等，对放射性分析，同位素应用及鉴定核素等方面都有重要的意义。在科研、生产、医疗和环境保护各方面，用γ射线的能谱测量技术，可以分析活化以后的物质各种微量元素的含量。测量γ射线的能谱最常用的仪器是闪烁谱仪，该谱仪在核物理、高能离子物理和空间辐射物理的控测中都占有重要地位，而且用量很大。 本实验的目的是学习用闪烁谱仪测量γ射线能谱的方法，要求掌握闪烁谱仪的工作原理和实验方法，学会谱仪的能量标定方法，并测量γ射线的能谱。 一实验目的 （1）学习用闪烁谱仪测量γ射线能谱的方法 （2）要求掌握闪烁谱仪的工作原理和实验方法， （3）学会谱仪的能量标定方法，并测量γ射线的能谱 二实验原理 根据原子核结构理论，原子核的能量状态时不连续的，存在分立能级。处在 能量较高的激发态能级E 2上的核，当它跃迁到低能级E 1 上时，就发射γ射线（即 波长约在1nm-0.1nm间的电磁波）。放出的γ射线的光量子能量hγ= E 2 - E 1 ， 此处h为普朗克常熟，γ为γ光子的频率。由此看出原子核放出的γ射线的能量反映了核激发态间的能级差。因此测量γ射线的能量就可以了解原子核的能级结构。测量γ射线能谱就是测量核素发射的γ射线按能量的分布。
闪烁谱仪是利用某些荧光物质，在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射荧光（称为闪烁）的现象来测量能谱。这种荧光物质常称为闪烁体 1. 闪烁体的发光机制 闪烁体的种类很多，按其化学性质不同可分为无机晶体闪烁体和有机闪烁体。有机闪烁体包括有机晶体闪烁体，有机液体闪烁体和有机塑料闪烁体等。对于无机晶体NaI(Tl)而言，其发射光谱最强的波长是415nm的蓝紫光，其强度反映了进入闪烁体内的带电粒子能量的大小。应选择适当大小的闪烁体，可使这些光子一射出闪烁体就被探测到。 2. γ射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式： 1）光电效应 当能量为Eγ的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以 把全部能连转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失，发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应。发射出光电子的动能 E e=E r?B i B i为束缚电子所在可层的结合能。原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X射线。例如L层电子跃迁到 K层，放出该原子的K系特征X射线。 2）康普顿效应 γ光子与自由静止的电子发生碰撞，而将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，γ光子被散射改变了原来的能量和方向，计算给出反冲电子的动能为
实验3 NaI(Tl)闪烁谱仪 实验目的 1. 了解谱仪的工作原理及其使用。 2. 学习分析实验测得的137Cs γ谱之谱形。 3. 测定谱仪的能量分辨率及线性。 实验内容 1. 调整谱仪参数，选择并固定最佳工作条件。 2. 测量137Cs、65Zn、60Co等标准源的γ能谱，确定谱仪的能量分辨率、刻度能量线性 并对137Cs γ能谱进行谱型分析。 3. 测量未知γ源的能谱，并确定各条γ射线的能量。 原理 NaI(Tl)闪烁谱仪由NaI(Tl)闪烁体、光电倍增管、射极输出器和高压电源以及线性脉冲放大器、单道脉冲幅度分析器（或多道分析器）、定标器等电子学设备组成。此种谱仪既能对辐射强度进行测量又可作辐射能量的分析，同时具有对γ射线探测效率高（比G-M计数管高几十倍）和分辨时间短的优点，是目前广泛使用的一种辐射探测装置。下图为NaI（Tl）闪烁谱仪装置的示意图。 当γ射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程，即光电效应、康普顿散射和电子对效应。前两种过程中产生电子，后一过程出现正、负电子对。这些次级电子将能量消耗在闪烁体中，使闪烁体中原子电离、激发而后产生荧光。光电倍增管的光阴极将收集到的这些光子转换成光电子，光电子再在光电倍增管中倍增，最后经过倍增的电子在管子的阳极上收集起来，并通过阳极负载电阻形成电压脉冲信号。γ射线与物质的三种作用所产生的次级电子能量各不相同，因此对于一条单能量的γ射线，闪烁探测器输出的次级电子脉冲幅度仍有一个很宽的分布。分布形状决定于三种相互作用的贡献。
根据γ射线在NaI（Tl）闪烁体中总吸收系数随γ射线能量变化的规律，γ射线能量 Eγ<0.3MeV时，光电效应占优势，随着γ 射线能量升高，康普顿散射几率增加；在 Eγ>1.02MeV以后，则有出现电子对效应 的可能性，并随着γ射线能量继续增加而 变得更加显著。图2为示波器荧光屏上观 察到的137Cs 0.662MeV单能γ射线的脉冲 波形和谱仪测得的能谱图。（a）为示波器 荧光屏上观察到的波形，（b）为谱仪测量 137Cs γ能谱。 在γ射线能区，光电效应主要发生在 K壳层。在击出K层电子的同时，外层电 子填补K层空穴而发射X光子。在闪烁体 中，X光子很快的再次光电吸收，将其能 量转移给光电子。上述两个过程是几乎同 时发生的，因此它们相应的光输出必然是 叠加在一起的，即由光电效应形成的脉冲 幅度直接代表了γ射线的能量（而非Eγ 减去该层电子结合能）。谱峰称为全能峰。 一台闪烁谱仪的基本性能由能量分辨 率、线性及稳定性来衡量。探测器输出脉 冲的形成过程中存在着统计涨落。即使是 确定能量的粒子的脉冲幅度，也仍然具有 一定的分布，如图3所示。通常把分布曲 线极大值一半处的全宽度称半宽度 图2 FWHM, 有时也用ΔΕ表示。半宽度反映 了谱仪对相邻脉冲幅度或能量的分辨本领。因为有些涨落因素与能量有关，使用相对分辨本领η更为确切。一般谱仪在线性条件下工作，故η也等于脉冲幅度分辨率，即：