NaI(TI)閃爍譜儀系列實(shí)驗(yàn)

__NaI(TI)閃耀譜儀試驗(yàn)一、引言閃耀探測(cè)器是利用某些物質(zhì)在射線作用下受激發(fā)光的特性來(lái)探測(cè)射線的儀NaI(TI)閃耀譜儀的原NaI(TI)閃耀譜儀的使用方法和—射線能譜的刻度，學(xué)會(huì)NaI(TI)閃耀譜儀的應(yīng)用。二、試驗(yàn)原理1、射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(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。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E1一般遠(yuǎn)小于入射E，所以光電子的動(dòng)能近似等于入射射線的能量E=E光電

EE1 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Err康普頓散射后散射光子能量與散射角的關(guān)系為

1

h1cos hmc2e為入射射線能量與電子靜止質(zhì)量之比。由上式可得，當(dāng)0h”h。Ee

180

h ，12這時(shí)康普頓電子的能量最大，為Eemax

212所以康普頓電子能量在0至h 2 之間變化。12正、負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生：當(dāng)射線能量超過(guò)2m0

c2(1.022MeV時(shí)，光子受原子射線的能量越大，產(chǎn)0.511MeV的光子。2、核衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律〔例如放射源的半衰誤差等，每次的測(cè)量結(jié)果并不完全一樣，而是圍圍著其平均值上下漲落，有時(shí)甚至有較大的差異。這種現(xiàn)象就叫做放射性計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)性。t=0的總數(shù)是N

0tt內(nèi)衰變的概率為p1et，不衰變的概率為q1pet。是該放射性原子核的衰變常數(shù)。利用二項(xiàng)式分布可以得到在t時(shí)間內(nèi)有n個(gè)核發(fā)生衰變的概率pn為0pn N0

t

n

t

NnN n!n!0在t時(shí)間內(nèi)，衰變掉的粒子平均數(shù)為0 0其相應(yīng)的均方根差為Npq0m(1p) Npq0m(1p) me t 2假設(shè)t 1，即時(shí)間t遠(yuǎn)比半衰期小，這時(shí)可以簡(jiǎn)化為mmN總是一個(gè)很大的數(shù)目而且假設(shè)滿足t 1則二項(xiàng)式分布可以簡(jiǎn)化為泊0N100p0.010泊松分布能很好的近似于二項(xiàng)式分布，此時(shí)pn

mnemn!在泊松分布中，n〔3四周時(shí)，p(n)m；m趨近于對(duì)稱。當(dāng)m20時(shí)，泊松分布一般就可用正態(tài)〔高斯〕分布來(lái)代替：pn

1 nm22e 22式中2m，pn是在n處的概率密度值。M及均方根差這兩個(gè)參數(shù)，它N=M，見圖。對(duì)于M0，1,這種分布成為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。一般的概率統(tǒng)計(jì)書上給出的正態(tài)分布數(shù)值表都是對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的。N~NdN內(nèi)的概率為 1

NM22p N dN2

e 2 dN為了計(jì)算便利，需作如下的變量置換〔稱標(biāo)準(zhǔn)化，令NM z 則 1

2

1 z222p N dN e22d e 2222e d2而2e d20

z2 稱為正態(tài)分布概率積分。假設(shè)我們對(duì)某一放射源進(jìn)展屢次重復(fù)測(cè)量，得到一組數(shù)據(jù)，其平均值為N，N那么計(jì)數(shù)值落在N〔即N 范圍內(nèi)的概率為NN

dN

NN

1 NN22e 22 dN2N NNzNN

來(lái)置換之，并查表，上式即為11

1 12ez22 2ez2這就是說(shuō)，在某試驗(yàn)條件下進(jìn)展單次測(cè)量，假設(shè)計(jì)數(shù)值為NN1N

〔來(lái)自一個(gè)正態(tài)分布總體N1

68.3%；或者反過(guò)N來(lái)說(shuō)，在N 范圍內(nèi)包含真值的概率是68.3%。實(shí)質(zhì)上，從正態(tài)分布的特點(diǎn)NN1來(lái)看，由于消滅概率較大的計(jì)數(shù)值與平均值N的偏差較小，可以用N1

來(lái)代替N，對(duì)于單次測(cè)量值NN1

1

范圍內(nèi)包含真值的概率N168.3%，這樣用單次測(cè)量值就大體上確定了真值所在的范圍，這種由于放射N1N所以用均方根差〔也稱標(biāo)準(zhǔn)偏差〕 來(lái)表示。當(dāng)承受標(biāo)準(zhǔn)偏差表示表示放N射性的單次測(cè)量值N1

時(shí)，則可以表示為N1

N1

NN1N

。用數(shù)理統(tǒng)N1〔NN2N3時(shí)，相應(yīng)的置信概率分別為95.599.7%。N13、閃耀譜儀構(gòu)造與工作原理NaI(TI〔射極跟隨器，高壓電源，線性放大器、多道脈沖幅度分析器幾局部組成。射線射線現(xiàn)在閃耀體內(nèi)產(chǎn)生光電子、康普頓電子及正、負(fù)電子對(duì)〔V，然后這些電子使閃耀體內(nèi)的分〔產(chǎn)沖幅度分析器可以測(cè)定入射射線的能譜。4、譜儀組件性能一般介紹閃耀體：閃耀體時(shí)用來(lái)把射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿?。閃耀體分無(wú)機(jī)閃耀和有試驗(yàn)中承受含鉈〔TI〕NaI晶體做射線的探測(cè)器。K、收集電子的陽(yáng)A〔又稱倍增極、打拿極或者聯(lián)極〕構(gòu)成，相鄰的兩個(gè)電極之間的電位差一般在100VD1上，D13~6D1和D2之D23~5，……這樣經(jīng)過(guò)n電壓脈沖。能量區(qū)分率：由于形成陽(yáng)極電流脈沖之前的各種過(guò)程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，對(duì)應(yīng)于計(jì)數(shù)率隨脈沖幅度分布的半寬度U 與計(jì)數(shù)率最大值對(duì)應(yīng)的脈沖幅度U 之比1/2 0定義為能量區(qū)分。由于粒子能量與脈沖幅度成正比，所以能量區(qū)分率U 1/2U0

EE影響能量區(qū)分率的主要因素有：①同一能量的粒子在閃耀體中產(chǎn)生的光子數(shù)目不同。這是由于閃耀體發(fā)光過(guò)程的統(tǒng)計(jì)漲落；閃耀體的非均性使不同點(diǎn)的發(fā)光效率不同；入射粒子穿過(guò)晶體的角度、位置不同所帶來(lái)的在晶體內(nèi)損失能量的不同。②粒子的入射位置不同，閃耀體所發(fā)出的光能到達(dá)光陰極的收集效率也不同。③光陰極外表的不均勻性，陰極的不同位置放射光電子的效率不同。④光陰極放射光電子數(shù)和光電倍增管的倍增系數(shù)的統(tǒng)計(jì)漲落。NaI(TI)晶體對(duì)137Cs0.662MeV的6%~8%。5、閃耀譜儀對(duì)137Cs單能射線的響應(yīng)。13Cs只放出單一能量的〔EV1.02MeVCs的NaI(TI)晶體的相互作用只有光電效應(yīng)和康普頓散射兩個(gè)過(guò)程，圖給出了用NaI(TI)晶體譜儀所測(cè)得的137Cs的11假設(shè)康普頓散射產(chǎn)生的散射光子hNaI(TI即通過(guò)光電效應(yīng)把散射光子的能量h轉(zhuǎn)換成光電子能量，而這個(gè)光電子也將對(duì)Ehh射線的能量。11號(hào)峰又稱為全能峰。2NaI180°的康普頓散射，反散射的光子返回晶體，與晶體發(fā)生光電效應(yīng)所形成的。返回散射光子能量hE

E

2反散射峰有奉獻(xiàn)。圖中能量最小的那個(gè)峰是應(yīng)為137Cs的衰變子體137Ba在退激時(shí)，可能不發(fā)生BaK電子打出，這一過(guò)程將導(dǎo)致發(fā)生BaKXBaK〔32KeV。137Cs的譜是比較典型的，常用137Cs作為標(biāo)準(zhǔn)源，一方面用來(lái)檢驗(yàn)譜儀的能量區(qū)分率，另一方面作為射線能量測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。6、閃耀譜儀的能量線性關(guān)系利用閃耀譜儀做射線能量測(cè)定時(shí)，最根本的要求是在入射射線的能量和〔指全能峰的位置NaI(TI)閃耀譜儀在較寬的能量范圍內(nèi)〔100keV1300keV〕是近似線性的。這是利用該譜儀進(jìn)展射線能量分析與推斷未知放射性核素的重要依據(jù)。通常，在試驗(yàn)上利用系列標(biāo)準(zhǔn)源，測(cè)量相應(yīng)全能量峰處的脈沖幅度，建立射線能量及其對(duì)應(yīng)峰位的關(guān)系曲線，這條曲線即能量刻度曲線。典型的能量刻度曲線為不通過(guò)原點(diǎn)的一條直線，即ExpGxp0xp為全能峰位〔峰道址E0G為增益〔即單位脈沖幅度對(duì)應(yīng)的能量137C〔V和60C〔V，1.33MeV〕來(lái)作，如下圖。試驗(yàn)中欲得到較抱負(fù)的線性，還要留意放大器和進(jìn)展刻度。7、探測(cè)效率設(shè)S譜儀的探測(cè)效率為，可以用下式表示：nS〔1.1-15〕S射線放射強(qiáng)度，n義的探測(cè)效率稱作源峰探測(cè)效率，nnNtN，tNl，r側(cè)的峰谷處，如下圖。②求得峰內(nèi)各道計(jì)數(shù)的總和Iii1

B1I2l

Irl1rN=T-B2T1rl3BN 28、輻射強(qiáng)度測(cè)量N和待測(cè)樣的全能峰面積N，0 x設(shè)標(biāo)準(zhǔn)源的強(qiáng)度為S，待測(cè)樣的強(qiáng)度為S，則有0 xNS xSx N 001輻射的能量和強(qiáng)度測(cè)量一、試驗(yàn)?zāi)康腘aTl閃耀譜儀的組成，根本特性及使用方法。把握測(cè)量射線的能量和強(qiáng)度的根本方法。二、試驗(yàn)內(nèi)容及步驟UMS。選擇適宜的高壓和放大倍數(shù)，測(cè)量137Cs標(biāo)準(zhǔn)源在三組不同測(cè)量時(shí)間下的能〔本試驗(yàn)取測(cè)量時(shí)間分別為t300s,400s,500s〕測(cè)量60Co標(biāo)準(zhǔn)源的能譜，并依據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)譜儀進(jìn)展能量刻度，求出式ExGxE中的常數(shù)G和E 。p p 0 00，再關(guān)機(jī)。三、數(shù)據(jù)記錄及處理137Cs在不同測(cè)量時(shí)間下的能譜依據(jù)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到t300s,400s,500s下137Cs的能譜如下。圖1 s下s的γ能譜圖2 t=400s下137Cs的γ能譜圖3 t=500s下137Cs的γ能譜不同測(cè)量時(shí)間下的峰位信息如下表所示測(cè)量時(shí)間t/s峰位半高寬凈面積/%300255.2330.362148511.90400252.1530.132763211.95500250.7230.723565312.28表1不同測(cè)量時(shí)間下從峰位信息中可以得到如下幾個(gè)結(jié)論：①峰的位置根本不變。這種狀況簡(jiǎn)潔理解，由于峰的位置對(duì)應(yīng)的就是粒子的能量，而放射源放出的粒子能量是肯定的，所以峰的位置也根本不變。粒子是原子核能級(jí)躍遷產(chǎn)生的，而原子核能級(jí)有肯定寬度，所以躍遷產(chǎn)生的粒子能量也有肯定差異，顯示在峰不變。t變產(chǎn)生的粒子數(shù)的平均值為mNpN1et0 0在t 1時(shí)，

mN1etNt0 0即測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)，衰變產(chǎn)生的粒子數(shù)越多，由于全能峰的面積反映的就是粒子數(shù)，所以峰面積也就越大。能量刻度曲線首先，得到60Co的能譜如以下圖圖4 能譜中兩個(gè)峰的峰位分別為x 450.34和x 501.00對(duì)應(yīng)粒子的能量p p分別是1.17MeV和1.33MeV，結(jié)合t=300s下137Cs的能譜x 255.23，pE0.662MeV，可得到能量刻度曲線上的三個(gè)點(diǎn)255.23450.34501.000.6621.171.33xpExpE/MeV作出能量刻度曲線如圖5能量刻度曲線

Exp

0.00269xp

0.02632(MeV)所以能量刻度曲線中兩個(gè)參數(shù)的值分別為G0.00269MeV。E0.02632MeV0四、思考題射線與物質(zhì)有哪三種主要作用，各有什么特點(diǎn)？答：射線與物質(zhì)的三種主要作用是：光電效應(yīng)，康普頓散射和正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生?？灯疹D散射過(guò)程中，光子通過(guò)碰撞作用將一局部動(dòng)能傳遞給電子，電子獲獲得肯定動(dòng)能，滿足動(dòng)量守恒定律。正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生過(guò)程中，光子自身轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對(duì)，電子動(dòng)能為光子能并且滿足動(dòng)量守恒定律。答：有兩方面的奉獻(xiàn)。一是光電效應(yīng)形成的光電子，其能量為h。e二是康普頓散射過(guò)程中被散射的光子在閃耀體中發(fā)生光電作用產(chǎn)生的光電子e生奉獻(xiàn)。

h”h，二者加在一起的脈沖對(duì)全能峰產(chǎn)因此，全能峰的能量正