闪烁谱仪测量γ射线能谱.doc

大学物理三级实验·闪烁谱仪测γ射线能谱
PB06000603何宇
DATE\@"M/d/yyyy"9/3/2024/NUMPAGES9
实验名称：闪烁谱仪测γ射线能谱
实验目的：1.掌握闪烁频谱仪的工作原理和使用方法；
2.学会谱仪的能量标定方法；
3.测量137Cs和60Co的γ射线能谱。
实验原理：（以下原理部分摘自教学资源实验讲义，详见手写预习报告）
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上的核，当它跃迁到低能级上时，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，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。
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：
光电效应2.康普顿效应3.电子对效应
综上所述，γ光子与物质相遇时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应或电子对效应而损失能量，其结果是产生次级带电粒子，如光电子、反冲电子或正负电子对。次级带电粒子的能量与入射γ光子的能量直接相关，因此，可通过测量次级带电粒子的能量求得γ光子的能量。
闪烁γ能谱仪正是利用γ光子与闪烁体相互作用时产生次级带电粒子，进而由次级带电粒子引起闪烁体发射荧光光子，通过这些荧光光子的数目来推出次级带电粒子的能量，再推出γ光子的能量，以达到测量γ射线能谱的目的。
γ能谱的形状
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，又称全能峰，其能量就对应γ射线的能量。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的全部能量，所以光电峰的能量就代表γ射线的能量，对，此能量为0.661ＭeＶ。
即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。
背散射峰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。
4．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。例如选择的光电峰＝0.661ＭeＶ和的光电峰、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