NaI(Tl)单晶γ能谱的测量

NaI（Tl）单晶γ能谱的测量

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

图1 γ谱仪的组成框图

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。此种谱仪既能对辐射强度进行测量又可作辐射能量的分析，同时具有对射线探测效率高（比G-M 计数器高几十倍）和分辨时间短的优点，是目前广泛使用的一种辐射探测装置。

2、射线与闪烁体的相互作用

由能带理论，卤化碱晶体能带由价带、禁带和导带组成。能量最低的为价带，通常为晶体格子所束缚住的电子；中间的一层叫做禁带。就本征晶体而言，禁带中不存在电子。但若

在价带中的电子获得了足够的能量，则可跃迁至导带，并在价带中产生一个空穴。在导带中的电子及在价带中的空穴均可以自由运动。同时导带中的电子可能会跃迁回到价带与空穴复合而发出光子。但是在本征晶体中，电子与空穴复合放出光子的机率是非常小的。何况，因为价带与导带之间的能隙的限制，在上述情况下发出的光子通常能量较高而不在可见光的范围内。若在无机闪烁器中加入少量杂质，在晶体中形成缺陷，改变了本征晶体的能带结构，在禁带形成了一些新的能带。经由这些能态，导带中电子与空穴复合的机率大为增加。若选用适当的杂质，可以发出可见光。常用的无机晶体闪烁器有NaI(Tl)、CsI(Tl)、CsI(Na)及ZnS(Ag)等。

当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。前两种过程中产生电子，后一过程出现正、负电子对。这些次级电子获得动能(见表1 所示)，次级电子将能量消耗在闪烁体中，使闪烁体中原子电离、激发而后产生荧光。光电倍增管的光阴极将收集到的这些光子转换成电子，光电子再在光电倍增管中倍增，最后经过倍增的电子在管子阳极上收集起来，并通过阳极负载电阻形成电压脉冲信号。射线与物质的三种作用所产生的次级电子能量各不相同，因此对于一条单能量的射线，闪烁探测器输出的次级电子脉冲幅度仍有一个很宽的分布，分布形状决定于三种相互作用的贡献。

表1 射线在NaI(Tl)闪烁体中相互作用的基本过程

< 根据射线在NaI(Tl)闪烁体中总吸收系数随γ射线能量变化的规律，γ射线能量E

γ

0.3MeV 时，光电效应占优势，随着γ射线能量升高康普顿散射几率增加；在E

>1.02MeV以后，

γ

则有出现电子对效应的可能性，并随着γ射线能量继续增加继续增加而变得更加显著。图2 为

137 0.662MeV 单γ能射线的脉冲波形，谱仪测得的能谱图。

示波器上观察到的Cs

图3是Cs 137、Na 22 和Co 60 放射源的γ能谱。图中标出的谱峰称为全能峰。在射线能区，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E γ减去该层电子结合能）。

3、 Cs 137能谱分析

Cs 137在衰变过程中，它可发出能量为1.17MeV 的β粒子，成为基态的Ba 137；而主要的衰变过程是发出能量为0.514MeV 的β粒子，成为激发态的Ba 137，再跃迁到基态发出能量为0.662MeV 的单能γ射线，其能谱是有三个峰和一个平台的连续分布。峰A 称为全能峰，这一幅度的脉冲是0.662MeV 的γ光子与闪烁体发生光电效应而产生的，它直接反映了γ射线的能量。平台B 是康普照顿效应的贡献，它的特征是散射光子逃逸出晶体后留下的一个连续的电子谱。峰C 是反散射峰，当γ 射线射向闪烁体时，总有一部分γ 射线没有被吸收而逃逸出，当它与闪烁体周围的物质发生康普顿散射时，反散射光子可能进入闪烁体发生光电效应，其脉冲就产生反散射峰。D 峰是X 射线峰。它是由137Ba 的K 层特征X 射线贡献的。

处于激发态的Ba 137在放出内转换电子后，造成K 壳层空位，外层电子向K 壳层跃迁后产生X 光子，由于Cs 137发出的γ射线的能量为0.662MeV （小于1.02MeV ）,所以它的闪烁体作用不会发生电子对效应。

4、 闪烁谱仪的性能

a) 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ΔE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

η=ΔE/E=ΔV/V（1）E(V )和ΔE(ΔV )分别为谱线的对应能量（幅度值）和谱线的半宽度（幅度分布的半宽度）。

表示出谱仪能够区分能量很靠近的两条

谱线的本领，或者说它代表了谱仪能够分

辨开（两种能量很相近）的能量差的相对

值的极限。显然越小越好，表示它能将靠

得很近的谱线分开。对于一台谱仪来说，

近似地有

η∝

1√E

即谱仪的分辨率还与入射粒子的能量有关。

闪烁谱仪的能量分辨率取决于闪烁体、光电倍增管、电子学线路的选择与配合。由于现在电子学线路技术的提高，分辨率主要取决于闪烁体的分辨本领。对于单晶NaI（TI）谱仪来说，能量分辨率是以Cs

137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%。

b)能量线性刻度曲线

能量线性指谱仪对入射γ射线的能量和它产生的脉冲幅度之间的对应关系。一般NaI（Tl）闪烁谱仪在较宽的能量范围内（100keV 到1300keV）是近似线性的。这是利用该谱仪进行射线能量分析与判断未知放射性核素的重要依据。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γ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

E(x p)=Gx p+E0

式中xp 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