γ射線的能量和強(qiáng)度測量

1、射線的能量和強(qiáng)度測量匡亞明學(xué)院理科強(qiáng)化部071242037 姚路馳一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私?閃爍譜儀的組成，基本特性及使用方法。掌握測量 射線的能量和強(qiáng)度的基本方法。二、基本原理：1 閃爍譜儀的組成閃爍譜儀由探頭，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 閃爍體、光電信增管、射極輸出器組成。當(dāng) 射線進(jìn)入 閃爍體后，會(huì)與物質(zhì)發(fā)生多種相互作用。當(dāng) 射線的能量不太高時(shí) ，作用過程主要有光電效應(yīng)，康普頓散射效應(yīng)和電子對效應(yīng)三種，作用的結(jié)果，產(chǎn)生了具有一定動(dòng)能的次級電子，而 射線被吸收或散射，這些次級電子獲得的動(dòng)能 與 射 光子的能量 的關(guān)系如表1所示表1 射

2、線在 閃爍體中相互作用的基本過程基 本 過 程次級電子獲得能量 （1）光電效應(yīng)+原子 原子激發(fā)或 離子激發(fā)+電子（ 為該層電子結(jié)合能）（2）康普頓散射+電子 （散射）+反沖電子按 ， 為散射角，從0至最大能量 連續(xù)分布，峰值在最大能量處。（3）電子對產(chǎn)生+原子 原子+ 電子對均分能量 次級電子在閃爍體中運(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)過倍增后由陽極收集，在陽極負(fù)載電阻上形成一個(gè)電壓脈沖信號。這一信號經(jīng)過射極輸出器放大后再輸出至線性放大器，因此，探頭輸出信號的電壓脈沖幅度，與次級電子在閃爍體中損失的能量成正比，次級電子的能量

3、來自于入射的 光子，所以信號脈沖的幅度也與入射的 光子的能量有關(guān)，由表1可知，由于三種不同的相互作用，對相同能量 的入射 射線，也可以產(chǎn)生不同能量的次級電子。因此對于單能的 射線，所得到的信號脈沖幅度也有一個(gè)很寬的分布。當(dāng)入射 射線的能量 時(shí)，光電效應(yīng)占優(yōu)勢，隨著 射線的能量增加，發(fā)生康普頓效應(yīng)的幾率也增加，當(dāng) ，才有可能出現(xiàn)電子對效應(yīng)，并且隨著 的增加，發(fā)生電子對效應(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， 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)新的次級電子，上述兩個(gè)過程幾乎是同時(shí)進(jìn)行的。因此相應(yīng)的輸出信號是

4、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 射線的能量，在 能譜上由光電效應(yīng)產(chǎn)生的峰稱作光電峰。通常也稱為全能峰，康普頓效應(yīng)中多次散射的累計(jì)效應(yīng)和電子對效應(yīng)中兩個(gè)湮沒光子被全吸收時(shí)，對全能峰也有貢獻(xiàn)，但這一過程的比例很小，所以全能峰中的計(jì)數(shù)主要由光電效應(yīng)所產(chǎn)生。圖2給出了用 閃爍譜儀所測得的 源的 能譜。圖中1號峰為全能峰，對應(yīng)的 射線的能量為0.662Mev，1號峰左面的平臺相應(yīng)于康普頓散射產(chǎn)生的次級電子的貢獻(xiàn)，根據(jù)康普頓散射的特性，次級電子的動(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，稱為康普頓

5、平臺。2號峰為反散射峰，它是由能量 =0.662Mev的 光子穿透 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 光子產(chǎn)生的，可以求得反散射的光子能量值 在源的襯底及周圍物質(zhì)上產(chǎn)生的反散射，對2號峰也有貢獻(xiàn)。圖中最左邊的峰是 的子體 的K X射線峰，相應(yīng)的 。閃爍譜儀的主要性能指標(biāo)。（1）能量的線性關(guān)系能量線性是指測得的 能譜上全能峰的道址X與相應(yīng)的 射線能量 之間的線性關(guān)系?？梢杂孟率奖硎荆?（1）式中G， 為一常數(shù)，其值與探測器的性質(zhì)及譜儀的工作條件有關(guān)，對于 閃爍譜儀在 到 的范圍內(nèi)， 與X有線性關(guān)系。測量能量的線性關(guān)系，即用實(shí)驗(yàn)方法確定（1）式中的參數(shù)G

6、與 的值叫做能量刻度。具體是：測量標(biāo)準(zhǔn)源的能譜（例如 源 ， ），找出兩個(gè)全能峰的道址 ， ，代入（1）式，即可求得G和 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 的值也將改變，此時(shí)必須重新進(jìn)行能量刻度。（2）能量分辨率能量分辨率是表示閃爍 譜儀區(qū)分不同 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得的 標(biāo)準(zhǔn)源的 能譜上的全能峰的半寬度來表示，如圖2所示。設(shè)全能峰的道址為 ，對應(yīng)于峰計(jì)數(shù)率一半的兩個(gè)道址為 和 。則譜儀的能量分辯率 可以用下式表示： （2）的值越小，表示 譜儀分辯率不同能量的 射線的本領(lǐng)越強(qiáng)。影響譜儀分辯率的因素很多，主要有Na

7、I(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， 的值為10%左右，最佳的數(shù)據(jù)為6%8%，對于能量相差太小的 射線，由于受分辯率的限制，NaI(Tl)閃爍譜儀無法區(qū)分，這時(shí)必須采用分辨本領(lǐng)更好的半導(dǎo)體 譜儀。（3）探測效率設(shè) 源的發(fā)射率為N， 譜儀的探測效率 可以用下式表示： （3）用這種方法定義的探測效率稱作源峰探測效率，（3）式中的N為 射線發(fā)射強(qiáng)度， 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計(jì)算（TPA法）具體步驟如下： (4)式中A為活度，f

8、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 ， 一般選在峰兩側(cè)的峰谷處，如圖3所示2 求得峰內(nèi)各道計(jì)數(shù)的總和 3 計(jì)算本底計(jì)數(shù) 4 計(jì)算凈計(jì)數(shù) 及統(tǒng)計(jì)誤差。3微機(jī)多道分析器的工作原理及操作方法可參閱有關(guān)使用說明書三、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)，使測得的 標(biāo)準(zhǔn)源的兩個(gè)全能峰道址在700到800之間。（3）測量 標(biāo)準(zhǔn)源的 能譜，并根據(jù)測量結(jié)果對 譜儀進(jìn)行能量刻度，即求出（1）式中的常數(shù)G和 （4）測量 標(biāo)準(zhǔn)源的 能譜，根據(jù)測得的能譜，計(jì)算 譜儀的能量分辯率 及探

9、測效率 （已知 標(biāo)準(zhǔn)源的活度A=53.3×103Bq）（5）測量 的 能譜，計(jì)算 射線的能量（6）測量待測 源的活度 及誤差 （7）測量結(jié)束，先把高壓降至0，再關(guān)機(jī)四、數(shù)據(jù)處理1.能譜儀能量分辨率由Cs-137標(biāo)定：能譜儀探測效率由Cs-137標(biāo)定：2.代入Cs-137和Co-60右峰數(shù)據(jù)可得代入Co-60左峰數(shù)據(jù)驗(yàn)證得 理論值3.測量待測Co-60源強(qiáng)：待測Co-60源強(qiáng)4.改變高度待測Co-60源強(qiáng)五、思考題（1） 的 能譜上有無電子對效應(yīng)的貢獻(xiàn)，為什么？答：由于康普頓效應(yīng)中多次散射的累計(jì)效應(yīng)和電子對效應(yīng)中兩個(gè)湮沒光子被全吸收時(shí)，對全能峰也有貢獻(xiàn)，但這一過程的比例很小，所以全能峰中的計(jì)數(shù)主要由光電效應(yīng)所產(chǎn)生。電子對效應(yīng)的貢獻(xiàn)不體現(xiàn)在全能峰上。而且只有當(dāng)E足夠大時(shí)，才會(huì)有電子對效應(yīng)。（2）測量