辐射探测实验三实验报告

由表 1 数据即可得到 137Cs 的 0.662 MeV γ 射线的脉冲谱全谱如图 3 所示：
计数
5000
4000
3000
2000
1000
0 0 1 2 3 4 5
阈值/V
图3
137Cs
的 0.662 MeV γ 射线的脉冲谱全谱
测 量 中 全 能 峰 半 宽 度 以 上 各 点 统 计 误 差 2.2% 。 计 算 谱 仪 能 量 分 辨 率 为 ：
表 2 能量—道址关系表 能量/MeV 道址 0.662 1442 1.173 2469 1.332 2788
用 origin 拟合求出刻度方程如图 5 所示：
1.4 1.3
Equation 能量 能量 y = a + b*x Value 截距 斜率 -0.05574 4.97721E-4 Standard Err 3.82104E-4 1.65724E-7
22
Na 源 1.273MeVγ 射线全能峰的能量分辨率如
全能峰的能量分辨率 1.332 6.35 1.274 6.15
0.662 8.80
E
曲线如图 7 所示：
9.0
Equation Adj. R-Squar
y = a + b*x 0.99929 Value Standard Err 0.13692 0.13589 Intercept Slope -0.0846 7.23046
22
Na 衰变后续过程中，由 Ne 的激发态退激到基态发射能量为 1.274MeV 的 γ 光子。
图6
22
Na 衰变纲图
22 22 结合能谱分析，我们可以确定未知源成分为： Na 。由 Na 的衰变纲图也验证了我们
对 0.511MeV 处峰位的分析。
5、 实验谱仪对 0.662 MeV，1.332 MeV 及 表 3 所示： 表3 峰位/MeV 能量分辨率/% 做出 ~ 1

E E
(1)
可以证明闪烁探头的能量分辨率与能量之间近似有下述关系：
1 E
(2)
通常，NaI(T1)单晶γ谱仪的能量分辨率是指对 137Cs 的 0.662MeV 单能γ射线的分辨率 而言， 值一般为 10%左右，最好可达 6-7%。能量线性是指谱仪的输出脉冲幅度与带电粒 子能量之间的对应关系是否有线性关系。通常电子学系统的零点和积分线性可以仔细调整， 所以非线性主要来自闪烁探头。NaI(T1)晶体在较宽的能量范围内(150-1500kev)平均脉冲幅 度与 γ 射线能量的关系偏离直线不大，光电倍增管需要仔细选择与调整。为检查谱仪的能量 线性，实验上通常是利用系统 γ 标准源，在相同的实验条件下，测得它们的脉冲谱，用作图 或用最小二乘拟合方法建立已知 γ 射线能量与对应的全能峰位的关系，即得到能量刻度曲 线，通常是一条不通过原点的直线，数学表示式是：
单道脉冲 幅度分析器 源 闪
烁 体
自动 定标器
光电 倍增管
射极 输出 器
线性脉冲 放大器
多道脉冲 幅度分析器
高压电源
示波器
图 1 Nal(T1)闪烁谱仪装置示意图
2、 单能 γ 谱的谱形分析方法： 谱仪测得的是脉冲数按幅度的分布，即脉冲幅度谱，简称脉冲谱，一般提到谱仪测得 γ 谱均系指此脉冲谱。必须经过数据处理后才能得到 γ 射线强度按能量的分布即 γ 能谱。γ 射 线在闪烁体中通过光电效应、 康谱顿效应及电子对效应产生能量各不相同的次级电子或正电 子，因此，即使对于单能 γ 射线，输出的脉冲幅度也分布在一个很宽的范围内。分布形状与 三种作用各自的作用截面有关，故与 γ 射线能量和闪烁体种类有关，也与闪烁体尺寸以及源 与探测器距离等实验条件有关。 光电效应产生的光电子动能 E p E Bi ，Bi 是第 i 层电子的结合能。在打出第 i 层电 子的同时，外层电子跃迁填补 i 层空穴而放出特征 X 射线，一般此 X 光子也通过光电效应 而被闪烁体吸收，这两个过程几乎同时发生。因此，入射光子产生光电效应时，闪烁体吸收 的能量几乎等于 Eγ，从而输出脉冲幅度直接反映了 γ 射线的能量，谱峰被称为全能峰。 3、 闪烁谱仪的主要指标——能量分辨率及能量线性： 闪烁探测器输出脉冲的形成过程中存在着统计涨落， 即使对于单一能量的带电粒子， 输 出脉冲幅度也有一个分布， 近似为高斯形的对称分布。 分布曲线最大值一半处的全宽度对应 的能量 E 称为半宽度即 FWHM。半宽度反映了谱仪分辨相邻能量粒子的本领。但是半宽 度和能量有关，所以用相对分辨本领来定义谱仪的能量分辨率，即
1、 熟悉线性放大器与单道脉冲幅度分析器，以及计算机多道脉冲幅度分析器的使用，调整 谱仪至正常工作状态。 2、 选择合适实验条件，用单道测量 137Cs 的 γ 能谱，确定单道系统的能量分辨率。 3、 利用多道脉冲幅度分析器测量 137Cs 源及 60Co 源的全谱；刻度谱仪能量线性，确定能量 分辨率、峰康比；对 137Cs 的 γ 能谱进行谱形分析并与理论比较。 4、 测量未知源的 γ 能谱，确定峰位的能量，进而辨别未知源。
1200
计数
1000
800
600
400
200
0 0 1000 2000 3000 4000
道址
图 6 未知源能谱 分析图 6 能谱，从右起第一个峰位：2670，对应能量：1.273MeV，第二个峰位：1142， 对应能量为： 0.512MeV， 可见第二个峰位是由于正 β 衰变产生的正电子湮没产生的 0.511MeV 的伽马光子被探测器探测到。没有 1.022MeV 的峰位是因为正负电子湮没为保持动量守恒， 发射的两个 0.511MeVγ 光子夹角 180 度，我们的探测器不可能同时接到这两个信号。所以 未知源放出的 γ 射线对应的峰位为 2670 道，能量为：1.273MeV，查附录中的衰变纲图，在
E ( X p ) GX p E0
(3)
其中： X p 是全能峰位(道或伏)； E0 为截距，即谱仪零道或单道甄别阈值为零伏时所对应的 能量（能量单位，例如 keV） ；G 为直线斜率，亦称增益，即每道或每伏对应的能量间隔(例 如， keV/道或 V 道 )， 能量刻度可简单地用标准源 137Cs(0.662MeV)和 60Co(1.17 和 1.33MeV) 标定。 4、 辨别未知源 对谱仪进行能量刻度后， 在同样的实验条件下测量未知 γ 源的脉冲谱，通过谱形分析确 定各 γ 射线的全能峰峰位，即可求得对应的 γ 射线能量，进而从衰变纲图或核素表查得未知 源的成分。
注意到，探头的信号极性为负，放大器之后输出的信号极性为正。根据多道的电压幅值 范围为 0~10V，所以放大器的放大倍数选定为 50 倍，这样有放大器输出信号的电压幅值约 为 4V。这样做可以使 γ 射线的全能峰落在多道分析范围内。 2、用单道脉冲幅度分析器测量 137Cs 的全谱： 在上述实验条件下，选择单道道宽为 0.1V，这样可以使全能峰的半宽度内包含约 3 个 道宽（可以不影响分辨率的测准） 。通过单道改变下阈阈值测得 137Cs 的 0.662 MeV γ 射线的 脉冲谱全谱。实验结果如表 1 所示： 表1 阈值/V 计数 0.9 918 1.9 793 2.9 163 3.58 3687 3.78 2458 0 41 1 1207 2 828 3 111 3.6 3987 3.8 2042 单道测量 137Cs 的 0.662 MeV γ 射线的脉冲谱全谱 0.1 952 1.1 1382 2.1 813 3.1 91 3.62 4165 3.88 989 0.2 5072 1.2 1206 2.2 806 3.2 108 3.64 4159 4 128 0.3 960 1.3 1105 2.3 871 3.3 242 3.66 4232 4.1 30 0.4 936 1.4 870 2.4 869 3.4 829 3.68 4003 4.2 15 0.5 917 1.5 881 2.5 760 3.5 2122 3.7 3839 4.3 13 0.6 918 1.6 860 2.6 550 3.52 2592 3.72 3558 4.4 15 0.7 918 1.7 814 2.7 327 3.54 3042 3.74 3171 4.5 0 0.8 912 1.8 782 2.8 209 3.56 3442 3.76 2850
分辨率/%
8.5 8.0 7.5 7.0 6.5
B B
1
6.0 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20
E
/ MeV
1.25
能量 (MeV)
1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
道址
wenku.baidu.com
图5
能量线性刻度拟合直线
2 可得线性拟合的公式为： E 0.0004977 X 0.05574 。线性相关系数 R 0.9999989 ，
140000 120000
计数
100000 80000 60000 40000 20000 0 0 1000 2000 3000 4000
道址
图 4-1
137Cs
源的全谱
800
计数
600
400
200
0 0 1000 2000 3000 4000
道址
图 4-2
60Co
源的全谱
通过对 4-1、4-2 图的分析，我们得到表 2 所示能量—道址关系表：
四、 实验过程及数据处理:
1、用 137Cs 和 60Co 源调整 NaI(T1)单晶 γ 谱仪到正常的工作状态。 首先，根据 PMT 工作要求，我们选定高压为 500V，用示波器观测到的探头及放大器输 出波形如图 2 所示： 探头信号波形： 放大器输出信号波形：
4.2V
120mV
图 2 γ 谱仪输出波形

E 3.80 3.50 8.20% ，峰康比=5.07。由于部分 γ 光子的能量并没有全部沉积在 E 3.66
闪烁体内，光电效应产生的 X 射线有一定概率逃出闪烁体，所以全能峰左侧除了统计涨落 还存在系统误差，这解释了为何 137Cs 全能峰左边部分偏离高斯分布。 3、用多道脉冲幅度分析器测量 60Co 和 137Cs 源的全谱。根据多道所测的脉冲谱全谱数据， 用 origin 软件作图，分别得到如图 4-1、图 4-2 所示，为测准分辨率，137Cs 源的全能峰半宽 度以上各点统计误差 0.3% ，60Co 源较弱，全能峰半宽度以上各点统计误差 3.5% 。
用 NaI(Tl)单晶 γ 闪烁谱仪辨识未知源
核 01 学号：2010011739 一、 实验目的：
1、 了解闪烁谱仪的工作原理，学习调整闪烁谱仪的实验技术。 2、 掌握测谱技术及分析简单 γ 能谱的方法。 3、 掌握谱仪能量分辨率及能量线性的测量方法。
成昱廷 同组同学：范亚芳
4、学习谱仪应用的实例——辨别未知源的方法。 二、 实验内容：
斜率与截距的相对不确定度在图 5 中已经给出， 相对不确定度非常小， 且线性相关系数接近 1，这显示出碘化钠探测器探测 0.662MeV~1.33MeV 能量时具有非常好的能量线性。可以用 来测量未知源的 γ 射线能量。 4、利用多道脉冲幅度分析器测量未知 γ 放射源： 保持之前的实验条件不变， 用多道脉冲幅度分析器测得未知源的全谱如图 6 所示： 利用 能量刻度方程分析谱形， 我们就可以得知谱线特征伽马峰对应的能量， 并由此判断未知源的 核素种类。
三、 实验原理：
1、 NaI(T1)单晶 γ 谱仪简介： NaI(T1)单晶闪烁谱仪由一块 NaI(T1)闪烁体、光电倍增管、射极输出器和高压电源以及 线性脉冲放大器、单道脉冲幅度分析器(或多道分析器)定标器等电子学设备组成，示意图见 图 3。 γ 射线入射闪烁体内，产生次级电子，使闪烁体内原子电离、激发后产生荧光。这些光 信号被传输到光电倍增管的光阴极， 经光阴极的光电转换和倍增极的电子倍增作用而转换成 电脉冲信号，它的幅度正比于该次级电子能量，再由所连接的电子学设备接受放大、分析和 记录。 这种谱仪对 γ 射线的探测效率高、分辨时间短、价格相对便宜。可用来测量射线的通量 密度，也可用来对辐射进行能量分析，在核物理研究及核技术应用的各领域中广泛使用。