γ射线γ闪烁谱仪与γ射线能谱的测量

γ闪烁谱仪与γ射线能谱的测量
【摘要】原子核的能级跃迁能产生γ射线，测量γ射线的能量分布，可确定原子核
激发态的能级，这对于放射性分析，同位素应用及鉴定核素等都有重要意义。

谱仪（把射线的能量转变成光能）测定不同的放射源的射线能谱，本实验对Cs 137和Co 60两种元素的γ射线能谱进行测量，通过对核技术探测仪器的使用方法和能谱的测量与分析让我们对核技术有更深一步的认识。

【关键词】
能谱 测量
【正文】
γ闪烁谱仪的基本工作原理以及整个的工作过程：
整个谱仪由探头（包括闪烁体，光电倍增管，射极跟随器），高压电源，线性放大器，多道脉冲幅度分析器等组成。

闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子放大器件三个主要部分组成。

（1）闪烁体: 闪烁体是用来把射线的能量转变成光能的。

本实验中采用含TI （铊）的NaI 晶体作射线的探测器。

（2）光电倍增管: 光电倍增管的结构如图2。

它由光阴极K 、收集电子的阳极A 和在光阴极与阳极之间十个左右能发射二次电子的次阴极D （又称倍增极、打拿极或联极）构成。

在每个电极上加上正电压，相邻的两个电极之间的电位差一般在100V 左右。

当闪烁体放出的光子打到光阴极上时，发生光电效应，打出的光电子被加速聚集到第一倍增极D1上，平均每个光电子在D1上打出3～6个次电子，增值后的电子又为D1和D2之间的电场加速，打到第二倍增极D2上，平均每个电子又打出3～6个次级电子，……这样经过n 级倍增以后，在阳极上就收集到大量的电子，在负载上形成一个电压脉冲。

图 2 百叶窗式光电倍增管示意图
（3）射极跟随器：光电倍增管输出负脉冲的幅度较小，内阻较高。

一般在探头内部安置一级射极跟随器以减少外界干扰的影响，同时使之与线性放大器输入端实现阻抗匹配。

（4）线性放大器：由于入射粒子的能量变化范围很大，线性放大器的放大倍数能在10～1000倍范围内变化，对它的要求是稳定性高、线性好和噪声小。

开启实验仪器工作时射线通过闪烁体，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比，即入射线的能量越大，在闪烁体内损失能量越多，闪烁体的发光强度也越大。

当射线（如γ、β）进入闪烁体时，在某一地点产生次级电子，它使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子（一般光谱范围从可见光到紫外光，并且光子向四面八方发射出去）。

在闪烁体周围包以反射物质，使光子集中向光电倍增管方向射出去，当闪烁光子入射到光阴极上，就会产生光电子，这些光电子受极间电场加速和聚集，在各级打拿极上发生倍增（一个光电子最终可产生104～109个电子），最后被阳级收集。

大量电子会在阳极负载上建立起电信号，通常为电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆将信号传输到电子学仪器中去。

由原子物理学中可知γ射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程，如图3所示。

图 3 g射线与物质相互作用示意图
最终实现了能谱图样的输出如下：
图中的横坐标CH 表示道数，与能量成正比，纵坐标表示强度，也就是射线的密集程度，与计数成正比。

【实验步骤】
1、连接实验仪器线路，检查无误后接通电源。

2、开机预热。

3、把γ射线
Cs 137
放在探测器前某一位。

调节放大倍数为0.3，调节电压使全能峰在160道
处。

将扫描时间调为300秒。

4、开始扫描，扫描完成保存图形。

5、分别略微向左和向右移动放射源，重复第4步，测出三个不同位置的能谱。

6、将γ射线
Cs 137
换成γ射线
Co 60
，调节电压使全能峰在320道处，将扫描时间调为500
秒，重复第4，5步。

7、对两种放射源的能谱图各自进行比较，选择两个较为理想的能谱图打印。

【实验总结】
实验中应该注意安全，并且对实验的每一步操作要知其然，更要知其所以然。

对实验过程与结果应该有一个分析的过程。

γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定
【摘要】本实验是要学习和掌握γ射线与物质相互作用的特性,并且测定γ射线在不同物
质中的吸收系数
m。

根据当γ光子穿过吸收物质时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿
效应和电子对效应损失能量。

闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子，闪烁光子入射到光阴极上，光电效应产生光电子，电子会在阳极负载上建立起电信号等原理，通过增减金属的厚度，验证γ射线在通过物质其强度减弱遵循指数规律。

【关键词】
吸收系数 测定
【正文】由于射线与物质相互作用，导致射线通过一定厚度物质后，能量或强度有
一定的减弱，称为物质对射线的吸收。

研究物质对射线的吸收规律，不同物质的吸收性能等，在防护核辐射、核技术应用和材料科学等许多领域都有重要意义。

核辐射主要是α、β、γ三种射线，人工辐射源包括放射性诊断和放射性治疗辐射源、放射性药物、放射性废物、核武器爆炸的 落下灰尘以及核反应堆和加速器产生的照射等，辐射时处于激发态原子核损失能量的最显著方式，γ跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激发态、而原子序数Z 和质数A 均保持不变的退激发过程。

本实验研究的主要是窄束γ射线在物质中的吸收规律。

所谓窄束γ射线是指不包括散射成份的射线束，通过吸收片后的γ光子，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。

“窄束”一词是实验上通过准直器得到细小的束而取名。

这里所说的“窄束”并不是指几何学上的细小，而是指物理意义上的“窄束”。

即使射线束有一定宽度，只要其中没有散射光子，就可称之为“窄束”。

窄束γ射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度就会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。

γ射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即
x
Nx
e
I e
I I r μσ--==00 （3—1）
其中，I0、I 分别是穿过物质前、后的γ射线强度，x 是γ射线穿过的物质的厚度（单位cm ），σr 是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，N 是吸收物质单位体积中的原子数，μ是物质的线性吸收系数（μ=σr N ，单位为cm ）。

显然μ的大小反映了物质吸收γ射线能力的大小。

需要说明的是，吸收系数μ是物质的原子序数Z 和γ射线能量的函数，且：
p c ph μμμμ++= 式中
ph
m 、
c
m 、
p
m 分别为光电、康普顿、电子对效应的线性吸收系数；其中：
5
ph Z
m µ、
c Z
m µ、
2
p Z
m µ（Z 为物质的原子序数）。

γ射线与物质相互作用的三种效应的截面都是
随入射γ射线的能量E 和吸收物质的原子序数Z 而改变。

γ射线的线性吸收系数μ是三种效应的线性吸收系数之和。

下图给出了铅对γ射线的线性吸收系数与γ射线能量的线性关系。

实际工作中常用质量厚度Rm （g/cm2）来表示吸收体厚度，以消除密度的影响。

因此（3—1）式可表达为
ρ
μ/0)(R m e
I R I -= （3—2）
由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率N 总与该时刻的 射线强度I 成正比，又对（3—2）式取对数得：
ln ln N R N m +-
=ρ
μ （3—3）
由此可见，如果将吸收曲线在半对数坐标纸上作图，将得出一条直线，如右图所示。

/m m r
可以从这
条直线的斜率求出，即
1
21
2ln ln R R N N m --=
-
ρ
μ （3—4）
物质对 射线的吸收能力也经常用半吸收厚度表示。

所谓半吸收厚度就是使入射的 射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作：
μ
μ
693
.02
ln 2
1=
=
d （3—5）
【实验步骤】
1、调节实验装置，选择
Cs 137
作放射源。

2、在闪烁探测仪和放射源之间加上依次1、2、
3、4片已知质量厚度的
吸收片，进行定时（300秒）测量。

【处理数据】
表1
对表一
表二。