NaI(Tl) 闪烁晶体γ能谱测量

NaI(Tl) 闪烁晶体γ能谱测量

实验人：吴家燕学号：15346036

一、实验目的

1、加深对γ射线和物质相互作用的理解；

2、掌握NaI(Tl) γ谱仪的原理及使用方法；

3、学会测量分析γ能谱；

4、学会测定γ谱仪的能量分辨率、线性、探测效率曲线；

5、测定未知放射源的能量和活度。

二、实验原理

1、γ谱仪的组成

NaI(Tl)闪烁谱仪由NaI(Tl)闪烁探头（包括闪烁体、光电倍增管、前置放大器）、高压电源以及谱仪放大器、多道分析器、计算机等设备组成。图1 为NaI(Tl)闪烁谱仪装置的示意图。

2、射线与闪烁体的相互作用

当γ射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程：（1）光电效应；（2）

康普顿散射；（3）电子对效应。

图2 为示波器上观察到的单能γ射线的脉冲波形，谱仪测得的能谱图。图3 是137Cs、22Na 和60Co 放射源的γ能谱。图中标出的谱峰称为全能峰。在γ射

线能区，光电效应主要发生在K 壳层。在击出K 层电子的同时，外层电子填补K 层

空穴而发射X 光子。在闪烁体中，X 光子很快地再次光电吸收，将其能量转移给光

电子。上述两个过程是几乎同时产生的，因此它们相应的光输出必然是叠加在一起的，即由光电效应形成的脉冲幅度直接代表了γ射线的能量（而非减去该层电

子结合能）。

3、137Cs 能谱分析

4、闪烁谱仪的性能

能量分辨率

探测器输出脉冲幅度的形成过程中存在着统计涨落。即使是确定能量的粒子的脉冲幅度，也仍具有一定的分布，其分布示意图如图4 所示。通常把分布曲线极大值一半处的全宽度称半宽度即 FWHM，有时也用表示。半宽度反映了谱仪对相邻脉冲幅度或能量的分辨本领。因为有些涨落因素与能量有关，使用相对分辨本领即能量分辨率η更为确切。一般谱仪在线性条件下工作，故η也等于脉冲幅度分辨率，即

对于一台谱仪来说，近似地有

对于单晶谱仪来说，能量分辨率是以137Cs 的0.662MeV 单能γ射线的光电峰为标准的，它的值一般在8-15%，最好可达6-7%。

能量线性刻度曲线

为检查谱仪的能量线性情况，必须利用一组已知能量的γ放射源，测出它们的γ射线在谱中相应的全能峰位置（或道址），然后，作出γ能量对脉冲幅度（或道址）的能量刻度曲线。这个线性关系可用线性方程表示，即

式中x p 为峰位，即道址；E0 为截距，即零道对应的能量；G 为斜率，即每道对应的能量间隔，又称增益。实验中用的γ核素能量列于表2 中。典型的能量刻度曲线如图5 所示。

效率刻度曲线

探测效率的定义如下：

T 为测量时间；A 为放射源活度；b 表示能量为E 的射线的产额（也称为分支比）；S(E)表示能量为E 的射线所对应的全能峰面积（如图6 ）。通过对多种已知活度的γ源进行测量，可以计算出γ谱仪在不同能量处的效率，从而拟合得到探测效率随能量的变化规律。

三、实验仪器

1、NaI（Tl）闪烁探头

2、高压电源

3、多道脉冲幅度分析器

4、计算机

5、示波器

6、放射源5 个，铅砖若干。

四、实验步骤

第一次实验：预习，掌握并熟悉NaI(Tl) γ谱仪，确定谱仪的工作参数。

1、检查线路确认无误后开低压电源，预热几分钟。熟悉多道脉冲幅度分析器数据采集软件的使用；

2、用示波器观察测量闪烁体探头输出信号。

把放射源放在托盘上，将探头和放射源用铅砖屏蔽。加高压，用脉冲示波器观察探头工作状态。调节高压如能观察到右图所示的波形，则表明探头已工作，该波形幅度最大的部分有一明亮光带，这是由光电效应引起的，而幅度较小的不断变化的弥漫区域由康普顿电子形成的。高压调节合适亮带窄而亮，且亮带与弥漫区之间明显可见一较暗带域出现。

3、选择高压、放大倍数、测量道数等参数；

a) 把放射源放在托盘上。调节改变高压（350－700V），保持其它条件不变，观察能谱曲线的变化，并记录数据；

b) 调节改变放大倍数，保持其它条件不变，观察能谱曲线的变化，并记录数据；

c) 调节改变测量道数（256、512、1024、2048、4096），保持其它条件不变，观察能谱曲线的变化，并记录数据；

d) 把放射源60Co 放在托盘上，调节参数，使两个全能峰均能清楚看见，并使

能谱的能量范围约在0－1.5MeV。

e) 把放射源137Cs 放在托盘上，测量其能谱，解释能谱曲线形状，进一步理解

γ射线和物质相互作用过程。

第二次实验：能量刻度、活度测量及未知源的确定，分析处理实验数据。

4、开机后预热20 分钟，固定NaI(Tl)闪烁探头位置，注意更换放射源时也要保持放射源与

探头的相对位置不变；

5、测量能谱数据：

a) 确定实验条件。把放射源60Co 放在托盘上，调节参数，测量道数设置为1024，使两个全能峰均能清楚看见，并使整个能谱的能量范围约为0－1.5MeV。

b) 测量本底、60Co、137Cs、133Ba、22Na 未知放射源分别放入时的能谱；

6、数据分析：

a) 将每次测量完成后的文件保存为文本文件，实验报告中数据、作图时应注

明文件名；

b) 查阅已知源的衰变纲图，根据测量的能谱曲线确定各峰对应的射线能量；

c) 分析各峰的峰参数，得出γ谱仪的能量分辨率，作出能量刻度曲线，分析

其线性；

d) 计算出当前已知源的活度，结合衰变纲图数据，从而得到探测效率曲线；

e) 根据能量刻度曲线，计算未知放射源的射线能量，判断放射源的种类；

f) 根据探测效率曲线，计算未知放射源的活度。

g) 分析测量结果并进行总结。

已知放射源活度表（测试时间为1991 年7 月1 日）

五．实验数据与分析

1.选择高压、放大倍数、测量道数等参数

a)把放射源放在托盘上。调节改变高压（350－700V），保持测量道数1024道

和放大倍数5.00倍不变

图1.能谱曲线随电压的变化

结论：由图1可以看出，随着电压的升高，全能峰右移，道址增大，即峰位E变大，输出脉冲幅度增加。全能峰变宽，且其高度降低。

b)调节改变放大倍数，保持测量道数1024道和高压500V不变