γ射线能谱测量

γ射线能谱测量
——物理0805 乔英杰u200810200
王振宇u200810256
实验背景：19世纪下半叶，物理学家对X射线和阴极射线进行了大量的研究，导致了放射性、电子以及α、β、γ射线的发现，这些射线的发现同时也为原子科学的发展奠定了基础。

自20世纪进入原子能时代，科学家对射线进行了更进一步的研究，射线在科学技术中开始渗透，根据γ射线具有波长短、能量高、穿透能力强和对细胞有很强的杀伤力的特性，γ射线的应用也成了一门新兴产业，现在它已经应用到了国民经济和社会生活的各个领域，特别是在工农业、医疗卫生和生物学方面取得了巨大的成果和效益，为科学技术和人类历史的进程起了巨大而深刻的影响。

目前γ射线的应用正在蓬勃快速的发展，应用领域仍在不断拓宽，它以低能耗、无污染、无残留、安全卫生等优点，深受众多行业的青睐，可是，其危害性也不容忽视。

我们需要对γ射线深入了解，才能在降低其危害性的同时让其更好的为我们服务。

本实验采用闪烁探测器和多道脉冲幅度分析器对γ射线的能量分布谱进行测量，以便我们了解用闪烁探测器测量γ射线的方法，学会分析能谱的特征及其影响因素。

实验原理：
1、闪烁探测器工作原理：闪烁探测器探测γ射线时，γ光子与物质作用不直接产生电离，而是发生光电效应、康普顿效应、电子对效应，闪烁体的原子、分子、电离或激发的作用来自三种效应所产生的次级电子。

这样，我们就得到了对应于γ射线能量强度的电信号。

之后，光电倍增管将所得电信号放大（倍增管阴极与阳极之间有十余个打那级，每个打那级均发生电子的倍增现象），其阳极最后收集电子的电极，与射级跟随器电路相连，使收集到的电子流以电压脉冲的方式输出。

2、γ闪烁能谱仪的工作原理：如下图（1）所示，整个仪器的信号传递大致是：由γ射线放射源放出的γ射线被闪烁探测器接受并转换为电压脉冲，前置放大器和脉冲放大器对探测器输出的电压脉冲进行放大，最后这些脉冲被多道分析器采集、处理。

多道分析器的到是指在分析器中存在的记录不同高度脉冲的位置。

我们在试验中采用的是1024道分析器，即将脉冲电压范围分成1024份，然后计算机记录探测器输出的脉冲落在每份范围上的数目。

3、 给谱仪的道址进行能量标定：我们已知Cs 137的光电峰为0.662MeV 的γ光子所产生，其反射峰对应的能量为0.184MeV 。

在谱仪的各种参数固定的情况下，我们观察Cs 137的光电峰和反射峰分别落在那两道，然后用两个特定能量的差值去除以对应的两个道址的差，所得的结果就是每道所对应的能量值。

实验仪器：Cs 137放射源，γ闪烁探测器，高压电源，放大器，微机多道分析器。

实验内容：
1、测量系统准备：检查测量系统的所有信号连接线路，确认正确后开启微机电源和高压电源，使之预热20分钟左右；
2、开始测量，先尝试收集一个能谱，看谱曲线在多道中的什么位置，如果全部收集到的脉冲能没有占据全部道址的前90%左右，就调节放大器的增益使谱曲线移动（高压值也可以小范围调节，但不能太大）。

调节合适后，设置一定的时间，等待信号收集完毕；
3、信号采集完毕好，对所得的能谱曲线进行平滑处理，而后找到光电峰和反射峰，记下它们各自对应的道址，用作谱仪的能量标定；
4、在Cs 137能谱曲线的光电峰附近找到其左右两边半高所对应的道址，根据道址能量对应关系，由公式00100*)/E r r E ∆=（ε即可计算出谱仪的能量分辨率。

实验结果处理及分析：
1、下图为我们所测得的Cs 137能谱曲线（平滑前）：
2、我们将两道光标移到光电峰的两侧近似对称的位置，读出光电峰所对应的道址为687.3，见下图：
3、我们将两道光标移到反射峰的两侧近似对称的位置，读出光电峰所对应的道址为224.4，见下图：
4、对道址进行能量标定：
137能谱曲线的光电峰对应的能量为0.662MeV，反射峰对应的能量为Cs
0.184MeV
所以，每道包含的能量范围为：
662
.0
.0KeV
（
184
）
-
=
-
03
(
)
.1
)4.
687
3.
224
/(
第n道所对应的能量为：
W KeV
n
=
)
.1
03
(
*
5、求谱仪能量分辨率：
如图所示，我们找到Cs 137的γ能谱曲线光电峰左半高时对应的道址近似为640，右半高时对应的道址近似为735，所以：
左半高时对应的能量值为：
)M (659.0640*03.1W eV ≈=左
右半高时对应的能量值为：
)M (757.0735*03.1eV W ≈=右
谱仪的能量分辨率为：
0000008.14100*662.0/)659.0757.0(100*)/E ≈-=∆=r r E （ε
问题讨论：
对比我们实验时所测得的Cs 137的γ能谱曲线与实验教程上所绘的能谱曲线，我们很容易就发现这样一个问题：两者不太相符，存在两点比较大的差异。

首先，我们实验所测得的能谱曲线的光电峰的高度不够，明显比教程上所绘的低了不少，不是整条曲线的最高值；其次，实验所测得的能谱曲线的内转换峰之前明显还有一个峰，而这是教程中所没有的。

这些是什么原因造成的？
答：我们在实验中做了不止一组能谱曲线的测量，都出现了同样的问题，后来又参考了其他组的数据，同样是这样，这就排除了我们实验误差的可能性。

下来后，我们经过查资料和相互讨论，觉得第一个差异很大程度上是这个原因造成的：我们所用的Cs 137放射源已经放置的太久，放射了太长时间，导致其中的
Cs 137大部分早已衰变成了B a 137，相应的，增强了内转换过程，削弱了光电效应，于
是光电峰的高度下降，内转换峰的高度上升。

而第二个差异则很可能是由于暗电流和噪声引起的，我们所用仪器为公用仪器，使用频繁，且大多数使用者对它的使用都不够规范，使得仪器老化较快，光电管的灵敏度急剧下降，于是，实验中的暗电流和噪声不可避免的就非常大了。

感想体会：
乔英杰：这次的实验进一步锻炼了自己独立思考问题、解决问题的能力。

实验中调节放大器的增益的时候，最开始我不知道正在测量的时候调节增益很难看到谱曲线的移动，在尝试收集能谱时很大范围的转动旋钮，但显示屏上的曲线很难看到在移动，我来来回回试了几次，都不成功，一度以为是仪器坏了，准备询问老师，后来经同伴提醒，自己分析整个实验的原理，终于明白增益的调节应该在尝
试收集完一个能谱之后，然后我们再重新收集一个能谱，才能更直观的看到调节后的效果。

另外，个人还有一个建议，希望院里能定期维修或更新实验设备，我们所做的那个实验，微机用的还是98的系统，而且收集能谱的软件还多次出现问题，一会不能启动，一会自动死掉，让我们刚测的数据丢失，不得不再次重做。

王振宇：这个实验我们做的过程主要是操作计算机采集和整理数据，我们需要在采集的过程中理解其中的不变量和变量，才能更好的将实验进行下去。

但是我们觉得操作软件实在是比较古朴，有些操作不知如何实现，能否改变其操作方法才是我们应该想想的。

参考文献：
《近代物理实验》华中科技大学唐超群赵美蓉刘莉
《原子物理学》高等教育出版社褚圣麟
《γ射线及其在现代技术中的应用》/Physics。