原子核物理实验方法Chapter9

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7Hale Waihona Puke Baidu
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由于γ射线及轫致辐射的干扰，吸收曲线往往很早就拐向γ 及轫致辐射本底，给R β的测定带来较大的误差，即使采用了 费梭比较法及斜率比较法 用吸收法求得E β max很理想的情况 费梭比较法及斜率比较法，用吸收法求得 也只5%的精度。 8 School of Nuclear Science and Technology
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目录
9.1 射程测量方法 9.2 能量灵敏探测器方法 9 3 磁分析法 9.3 9.4 重离子 重离子磁谱仪 谱仪 （了解）
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9.1射程测量方法
吸收法求E β max可以在核燃料后处理、保健物 理及污染分析工作中用来鉴别β放射性同位素。 吸收 除用于测量带电粒子的能量外，有时还 吸收法除用于测量带电粒子的能量外，有时还 用于测量薄膜厚度及薄膜厚度的均匀性，或在生 产中用于自 产中用于自动控制生产薄膜的厚度。 制 产薄 厚 在某些实验场合人们有时用吸收片吸收一些低 能量的粒子或甄别带不同电荷的粒子 还用吸收 能量的粒子或甄别带不同电荷的粒子，还用吸收 片来调节加速器出射粒子的能量。
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β射线射程测量方法
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对电子来说，1)由于射程歧离的现象比α粒子严重得 多，因此由射程来定电子的能量，其误差必然更大 ， 来 子 ，其 ; 2)β射线具有连续的能谱，它在物质中的吸收曲线是和 单能电子束的吸收曲线不同的。 束 同 用图示简单实验装置，在 用图示简单实验装 ，在 钟罩形G-M计数管前放上不同 厚度 铝 收片并计 ， 可 厚度的铝吸收片并计数，就可 测出下页图所示的28Al的β射 线在铝中的吸收曲线。
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整个谱仪 (包括全部电 子学线路在内）用放射像 测得其非线性<1%。这 这一 谱仪对重核特别是超钚元 素的研究工作很有用
金硅面垒探测器还广泛用于测量核反应中放出的 带电粒子能谱 尤其适用于角分布的测量。如果把多 带电粒子能谱，尤其适用于角分布的测量。如果把多 个探测器放在散射室中，同时测量不同反应角的出射 粒子，既可节省时间又可提高测量精度。
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在核物理实验、放射性同位素应用、核燃料生产及环境监 察等工作中，经常会遇到带电粒子能量的测量问题。各种类型 的带电粒子谱仪就是为解决这 课题建立起来的 谱仪除了可 的带电粒子谱仪就是为解决这一课题建立起来的。谱仪除了可 用来测量粒子的能量外，更多的是用来测量粒子的强度随能量 的变化 即粒子的能谱。这可以获得更多的信息：分支比 内 的变化，即粒子的能谱。这可以获得更多的信息：分支比、内 转化系数、某一核反应道的截面及核素的含量。 本章所说的带电粒子一般分为两类： 以α为代表的重带电粒子，包括p、D及其它较重离子； 轻带电粒子，也就是正、负电子。 以上两类带电粒子的能量测量在方法上有共同和不同点。 以上两类带电粒子的能量测量在方法上有共同和不同点 测量带电粒子能量的方法有哪些？ 射程法 灵敏探测器法 磁分析法
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Nal(TI)晶体有较好的分辨率，对624keV电子最 好可达6%左右，但散射问题太严重。如果在制备 Nal(TI)晶体时将β样品掺入，则可取长补短。由于源 在晶体内部，β射线可完全被吸收，这种做法对弱样 品的测量也是有利的。 用β闪烁谱仪测β谱虽不甚理想，但由于其分辨时间 谱虽不甚理想 但由于其分辨时间 小，有利于β-γ及β-e等符合侧量。它对放射性核素衰 变纲图的建立起过不少作用。 变纲图的建立起过不少作用
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α粒子射程测量方法
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图9.1所示是测α粒子射程的微分测量装置，可直接 测出射程的微分分布曲线 这比由积分分布曲线求射 测出射程的微分分布曲线，这比由积分分布曲线求射 程可提高结果的准确度，并有利于多组粒子能量的测 量 在放射源中每 组α粒子的能量就会有一个峰。 量。在放射源中每一组 粒子的能量就会有 个峰 如图9.2就是用这类装置测得的两种能量的α粒子射 程分布 程分布。
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四、半导体探测器
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由于半导体探测器有许多重要优点，并使它获 得十分广泛的应用。但它也有其局限性 因此采用 得十分广泛的应用。但它也有其局限性，因此采用 半导体探测器的谱仪不能完全代替其它带电粒子谱 仪。 用于带电粒子能量测量的半导体探测器主要有 金硅面垒型及硅锂漂移型等。 金硅面垒型及硅锂漂移型等 金硅面垒型探测器的优点:窗薄(一般金层厚度约 为20-30nm) 20 30 )、固有噪声低、能量分辨率高、线性好 固有噪声低 能量分辨率高 线性好 、β及γ的干扰较小、工艺简单、成品率高及使用方 便等。 便等
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对α粒子与其它重的带电粒子测量，在选取闪烁体 时要从发光效率、透明度、潮解等方面考虑 故把 时要从发光效率、透明度、潮解等方面考虑，故把 CsI(TI)于α闪烁谱仪（1.8%~4%@210Po 5.3MeV）。 对β能谱的测量来说，在选择晶休时，除上述发光 能谱的测量来说 在选择晶休时 除上述发光 效率等因素要考虑外，还有一个重要的情况需加以考 虑 那就是电子在物质中的大角度散射问题 由于电 虑，那就是电子在物质中的大角度散射问题。由于电 子的大角度散射概率很大，而且概率随物质的原子序 数的增大而迅速增加 因此 β闪烁谱仪一般都采用 数的增大而迅速增加，因此， 蒽、对联三苯及塑料等低原子序数的有机晶体或闪烁 体。
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二、正比计数器
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正比计数器可用来测量α粒子的能量，由于气体放 大倍数涨落的影响 其能量分辨率不如屏栅电离室。 大倍数涨落的影响，其能量分辨率不如屏栅电离室。 但是另一方面，由于有内在的气体放大作用，提高了 信号噪声比，使它很适合测量较低能量的电子。 正比计数器特别适合于测量那些能量较低而又能做 成气体样品的同位素 如3H、14C及35S等。因为待测 成气体样品的同位素，如 等 因为待测 的气体样品充在计数器内，可以避免窗的吸收及反散 射等使谱形畸变的因素。 射等使谱形畸变的因素 正比计数器的分辨率与制造的精度及所充气体的纯 度有很大关系。 度有很大关系
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电子接近于垂直入射时可增大 深度贯穿的概率 减少散射出晶 深度贯穿的概率，减少散射出晶 体的概率。 图9.7 9 7是用蒽晶体测得32P的β 射线的脉冲分布。曲线(a)是β射 线未准直的结果 曲线(b)则是准 线未准直的结果，曲线 直后的结果。 可以看出 准直后原来偏多的 可以看出，准直后原来偏多的 小脉冲数明显减少了。曲线(c) 是用劈裂晶体谱仪(源放两晶体 中间，4 π立体角)得到的32P的β 射线的脉冲分布 射线的脉冲分布。
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三、闪烁计数器
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闪烁谱仪的能量分辨率很差，因此不利于带电粒子 的能谱测量。 与磁谱仪相比，有较大的立体角可采用较大面积的 源 后面连上多道脉冲分析器后可一次测出全谱 源，后面连上多道脉冲分析器后可一次测出全谱。 与电离室及正比计数器相比，它分辨时间小有利于 快计数及符合测量。 快计数及符合测量 闪烁谱仪还可测量射程较长的带电粒子，所以在一 定的场合仍有使用价值。
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金硅面垒半导体α谱仪 探测器如图9-9。谱仪对241Am 源 的5.486MeV能量α粒子的最好 分辨率是0.22%。。
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带电粒子的射程是能量的函数。射程也可以确定 粒子的能量 其精度取决于射程歧离的程度及射程粒子的能量，其精度取决于射程歧离的程度及射程 能量关系式的精度。 带电粒子在物质中的实际径迹长度是量度射程的 一种方法，如核乳胶等径迹探测器，它一般用于放射 源较弱的情况。 源较弱的情况 另一种方法是吸收法，在此方法中，一束大致平 行的带电粒子射向某种探测器 测量探测器的计数率 行的带电粒子射向某种探测器，测量探测器的计数率 对探测器前吸收物质厚度的依赖关系就可求得射程， 吸收法可用于α、β、质子等的射程测量。 质子等的射程测量
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图9.8是32P的β射线的居里描绘。可以看到，居里描 绘的直线部分比用扁平晶体所得出的曲线(a)长多了， 它在250keV以下很快上升是由于样品中含32P。劈裂 晶体谱仪具有4π立体角，因此可测量低比活度的样。
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图中峰的位置对应于某组 α粒子的平均射程，再由已 知的射程能量关系式或曲线 就可求得相应的能量。其中 ，较低能量的α粒子是由核 反应产生的。 用这种方法测量α粒子的能量，要求源有足够的强 粒子的能量 要求源有足够的强 度，并且测量结果的能量误 差在100keV左右，目前已 较少使 较少使用。只是由于方法简单，又不需要复杂的测量 是由 方法简单 需 复杂的测量 装置，因此在能量测量精度要求不高的场合有时仍然 使用 使用。
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一、电离室
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用电离室可以组成α谱仪，其中用屏栅电离室组成 的α谱仪的能量分辨率 谱仪的能量分辨率一般在 般在0.6% 0 6%左右，最好的则可 左右 最好的则可 达0.25%。α电离室谱仪的放射源放在电离室内，因此 有大的立体角 其优缺点如下： 有大的立体角。其优缺点如下： 优点：源的面积可以很大，可以测活度低或半衰期 比较长的α样品； 样品 缺点：换源不方便。 电离室不适合测量电子的能量，因为电子在气体中 的射程很长以及低能区域的噪声使分辨率变坏。
课程名称：《原子核物理实验方法》
第9章 带电粒子的能量及能谱 测量
张清民 清民 副教授 zhangqingmin@mail.xjtu.edu.cn 核科学与技术学院 能源与动力工程学院 能源与动力 程学院 西安交通大学
核科学与技术学院 School of Nuclear Science and Technology
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9.2 能量灵敏探测器方法
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电离室、正比计数器、闪烁计数器及半导体探测器 等能量灵敏探测器 当粒子能量全部损耗在该探侧器 等能量灵敏探测器，当粒子能量全部损耗在该探侧器 灵敏体积中时，其输出脉冲辐度与入射粒子能量成正 比 所以常称之为能量灵敏探侧器。在这些探测器后 比，所以常称之为能量灵敏探侧器。在这些探测器后 面配合适当的电子学线路，就能对各种粒子的能量进 行测量，从而构成各种谱仪。 轻、重带粒子由于它们的质量以及在物质中的电离 密度 射程及散射等情况的不同 所以在谱仪的具体 密度、射程及散射等情况的不同，所以在谱仪的具体 结构等安排方面是有所不同的。各种重带电粒子谱仪 的性能基本上可由α谱仪来代表。 谱仪来代表