近代物理實驗-緒論-課件

近代物理實驗（2）1ppt課件課程簡介與安排內容：（1）NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀；（2）γ射線的吸收與物質吸收系數μ的測定。上課地點——實驗樓(辦公樓旁邊，樓下有

郵局的)S223室。講義：電子版發(fā)給大家。重點：（1）核探測器的構造與工作原理；（2）射線與物質的相互作用；（3）核應用系統(tǒng)與核技術方法。2ppt課件實驗要求（參見講義）1.預習報告需要包含“實驗目的”、“實驗內容”、“實驗裝置”和“實驗步驟”等固定內容?！皩嶒炘怼辈糠挚蓮闹v義中的思考題中任選5題回答，作為實驗原理部分。實驗中采集到的數據、能譜圖等需要保存在自己的數據文件夾中，并在實驗報告中注明此文件夾，以備查驗。2.實驗之后的完整實驗報告需完整反映實驗內容中的所有部分，包括步驟與數據（圖表）。從其余的思考題中再選擇5題作為實驗報告的思考題。數據處理部分需要區(qū)分清楚測量數據、原始數據、計算過程、結果數據等。（問題最多）3.實驗完成一周后交實驗報告。3ppt課件預習要求:

了解設備的連接過程、調整步驟與指標數據；提出對本次實驗的知識疑點與準備解決的問題；列出數據處理的方法、步驟，設計并準備好有關實驗數據的記錄表格。上課前或上課中會對有關部分的知識點進行提問，結果將計入成績。4ppt課件背景知識一、射線的來源1.原子躍遷（x射線與電磁波）2.原子核的激發(fā)/退激發(fā)以及內部核子的

吸收與釋放5ppt課件行星結構分離光譜電子躍遷（原子激發(fā)與退激發(fā)，能量的量子化）、能級與光子頻率（光譜），能級圖。原子的躍遷6ppt課件原子核由中子和質子構成。其能量狀態(tài)仍然滿足量子化，仍然存在激發(fā)與退激發(fā)，但機制要復雜得多。原子核的變化（一般是自發(fā)的衰變）常常會放出α（氦原子核）、β（電子）和γ射線（電磁波或光子）或n（中子）。其中γ射線的能量也與能級躍遷有關。本次實驗主要涉及γ射線。原子核的變化7ppt課件

本次實驗使用的放射源：Cs137與Co60（也可寫成137Cs與60Co，數字表示原子核內包含的核子數）Cs137：主要為0.661MeV的γ射線Co60：主要為1.17MeV和1.33MeV的兩個γ射線二、放射源8ppt課件9ppt課件使用時注意：1.不要將放射源出射口對準人員。2.使用后要洗手。10ppt課件放射源的性質：主要有：①半衰期T1/2；

②放出射線的種類，如、、γ、n；

③每種射線對應的能量；

④射線的放射強度（專業(yè)名詞叫活度）。其他：形態(tài)（氣態(tài)、液體、固體、粉末）

包裝（密封、非密封）

可溶性

混合結構（數種放射源混合包裝或形成鏈式反應）

137Cs：β—511.6kev（94.6％），1173.2kev（5.4％）,x—32.1936kev（3.69％）

γ—661.661kev（85.0％）

624.220kev（7.79％）

655.672kev（1.44％）

30.17±0.05年。11ppt課件60Co：

β—318.3kev（99.89％）

γ—1173.238kev（99.87％），

1332.513kev（99.982％）

5.270±0.003年。12ppt課件三、射線與物質的相互作用

常見的射線：α（氦原子核）、β（電子）、γ（光子）、中子。帶電粒子與物質相互作用的描述（微觀）：庫侖散射，電離或激發(fā)，軔致輻射，電子對湮滅。γ射線與物質相互作用的描述（微觀）：作用截面（幾率），作用對象（束縛電子、自由電子、庫侖場吸收、核子），效應（吸收、彈性散射、非彈性散射）。中子與物質相互作用的描述（微觀）：不與庫侖場作用，非彈性散射時原子核激發(fā)并放出光子退激發(fā)，原子核俘獲發(fā)生衰變或裂變。13ppt課件光電效應康普頓散射電子對效應

入射光子被吸收，其能量被電子接收，并轉為自由電子。

入射光子與電子發(fā)生散射，損失部分能量轉移給電子。

如果入射光子的能量>1.02MeV（兩個電子的靜止質量），就可能發(fā)生光子轉換為兩個電子的情況（正負電子對）。重點：γ射線的三種基本作用14ppt課件γ射線在物質中的吸收規(guī)律（宏觀）：

I=I0e–μx線性吸收系數：μ=μph+μc+μp其中：μph——光電效應；

μc——康普頓效應；

μp——電子對效應。均與射線能量、物質的原子序數有關。15ppt課件

射線的生物效應或損傷機制：電離作用，產生重帶電粒子，產生放射性原子核。射線強度的描述：“居里”或“貝可勒”（1ci=3.7x1010Bq）。射線防護：中子——輕物質

γ射線——重物質 帶電粒子——重物質16ppt課件四、探測技術二大類型的探測器：計數型、徑跡型。氣體探測器（電離）、閃爍探測器（能量吸收）、半導體探測器（載流子）、中子探測器（核反應）。閃爍探測器：能量吸收后，退激發(fā)再發(fā)光?？捎捎袡C體、無機體晶體構成閃爍體。探測器系統(tǒng)：探測器（計數輸出、電荷輸出、時間輸出）＋處理（信號調理、放大、符合、信息提取）＋表達（能量譜、時間譜、其他）17ppt課件一般的核應用系統(tǒng)18ppt課件五、能譜的表達與意義能譜：以能量為橫坐標，以強度為縱坐標，描述射線

在不同能量上的強度分布。重點：根據射線與物質的相互作用來理解能譜。19ppt課件Co60能譜圖20ppt課件一、NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀1、目的：（1）了解閃爍探測器的結構、原理。（2）掌握NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀的幾個性能指標和測試方法。（3）了解核電子學儀器的數據采集、記錄方法和數據處理原理。實驗內容21ppt課件NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀2．實驗內容學會NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀整套裝置的操作、調整和使用，調試一臺譜儀至正常工作狀態(tài)。測量Cs137、Co60的γ能譜，求出能量分辨率、峰康比、線性等各項指標，并分析譜形。了解多道脈沖幅度分析器在NaI(Tl)單晶γ譜測量中的數據采集及其基本功能。數據處理（包括對譜形進行光滑、尋峰，曲線擬合等）。22ppt課件系統(tǒng)構成23ppt課件系統(tǒng)構成24ppt課件系統(tǒng)構成25ppt課件26ppt課件系統(tǒng)構成27ppt課件系統(tǒng)構成28ppt課件NaI(TI)單晶γ閃爍譜儀

29ppt課件NaI(TI)探測器工作原理系統(tǒng)構成：NaI(TI)無機晶體（吸收入射光子的能量，退激發(fā)時發(fā)出閃爍光）、光電倍增管（在閃爍光的作用下，其光陰極發(fā)射電子，后面的倍增極將電流放大，在最后的陽極上輸出電脈沖）、放大器、多道分析器（對輸入的電脈沖作幅度分析，并在計算機上以能譜形式表現入射γ射線的能量分布與強度分布）。30ppt課件閃爍體發(fā)光與電子激發(fā)態(tài)

閃爍體晶體受到入射射線的激發(fā)，電子退激發(fā)時發(fā)出閃爍光。但閃爍光的波長由退激發(fā)時的能級差決定。也就是說，閃爍光的波長（對應能量）與入射射線的能量無關（這一點非常重要）。問題：對閃爍體而言，入射的是γ光子，出射的是閃爍光。

為什么需要“光—>光”的轉換？閃爍探測器又是如

何探測射線能量的？

入射光的能量越大，被激發(fā)的電子越多，即閃爍光的強度越強。31ppt課件光電倍增管（PMT）光電轉換—>電子倍增—>電荷收集（形成脈沖信號）32ppt課件探測小結：γ射線（來自放射源）閃爍體吸收能量放出閃爍光光電轉換（PMT光陰極）電子倍增電荷收集33ppt課件啟動測量系統(tǒng)34ppt課件能譜測量系統(tǒng)35ppt課件測量時間設置36ppt課件測量時間（Cs137能譜，550秒）37ppt課件Cs137能譜測量（26秒）思考：測量時間對結果有什么影響？如何決定測量時間的長短？38ppt課件高壓600V，峰位302道39ppt課件高壓630V，峰位420道思考：高壓對測量結果有什么影響？如何決定高壓的數值？40ppt課件能譜的形成與多道分析器41ppt課件單道與多道單道是一種選擇指定幅度脈沖的儀器方法。42ppt課件多道是模擬很多個單道的儀器方法。43ppt課件多道分析器

理論上，每一個入射的光子都會在PMT上產生一個輸出的脈沖，其幅度的大小與能量相關。如果以橫坐標為能量值，縱坐標為測量時間內的累計計數值，則可以反映出在測量時間內，入射射線中各種不同能量的光子在數量上的相對分布。這就是能譜圖。也就是不同能量的入射射線在強度上的分布。多道譜儀采用ADC變換，將信號的幅度數字化。然后將相同幅度的信號累加計數，存放在一個存儲單元內。存儲單元的地址就是所謂的“道”。這樣就可以用計算機來處理了。44ppt課件能譜表達45ppt課件能譜表達能量分辨率：盡管入射射線的能量單一，但由于系統(tǒng)的問題，信號的幅度表現為一定的漲落，在能譜上表現為一定的“展寬”，是一種“誤差”，并影響到分辨相鄰能量的能力。能量刻度：由于橫坐標（能量）實際上是由信號脈沖幅度代表的，所以系統(tǒng)輸出的信號幅度是否與實際的能量線性相關便十分重要。46ppt課件光電峰——入射光子能量全部沉積在晶體內，多次效應的總和。全能峰康普頓峰——散射光子逃逸，能譜上反映的是反沖電子能量。反散射峰——入射光子在晶體之外發(fā)生康普頓散射后再進入晶體（相當于另一個入射光子）。47ppt課件理想能譜與實際測量結果的差別Cs137：主要為0.661MeV的γ射線48ppt課件NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀譜形的分析光電峰：由于吸收了全部入射射線的能量，其位置與入射射線的能量對應?？灯疹D峰：由于是散射后的能量，所以一定是在光電峰的左邊。反散射峰：是180°的散射結果，可以計算出它的能量值，用于能量刻度。注意反散射峰的形成機制。49ppt課件能譜（定量關系）光電效應康普頓散射效應電子對效應反沖電子：散射光子：50ppt課件NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀能量分辨率、峰康比、線性等各項指標51ppt課件二、γ射線的吸收與物質吸收

系數μ的測定一．實驗目的了解γ射線與物質相互作用的特性。了解窄束γ射線在物質中的吸收規(guī)律，測量其在不同物質中的吸收系數。二．實驗內容測量137Cs的γ射線（0.661MeV光電峰）在一組吸收片（鉛、鋁）中的吸收曲線，并計算線性吸收系數。根據測到的的吸收系數計算材料的厚度。52ppt課件光電效應康普頓散射電子對效應

入射光子被吸收，其能量被電子接收，并轉為自由電子。

入射光子與電子發(fā)生散射，損失部分能量轉移給電子。

如果入射光子的能量>1.02MeV（兩個電子的靜止質量），就可能發(fā)生光子轉換為兩個電子的情況（正負電子對）。γ射線的三種基本作用53ppt課件γ射線在物質中的吸收規(guī)律（宏觀）：

I=I0e–μx線性吸收系數：μ=μph+μc+μp其中：μph——光電效應；

μc——康普頓效應；

μp——電子對效應。均與射線能量、物質的原子序數有關。注