s6e闪烁谱仪及射线能谱的测量

γ)(TI NaI 闪烁谱仪及γ射线能谱的测量

鲁斌 物理082班 08180219 fgg

摘要 本文介绍了γ)(TI NaI 闪烁谱仪的工作原理及γ射线能谱的测量的基本方法，并详细阐述了单道脉冲幅度分析器和g 多道脉冲幅度分析器的工作原理。本实验要求我们通过实验学会NaI （Tl ）γ单晶体闪烁体整套装置的操作、调整和使用，并测量137Cs 、60Co 的γ能谱并求出能量的分辨率、峰康比、线性等各项指标，并做出谱仪的能量刻度曲线。

关键词 γ)(TI NaI 闪烁谱仪 γ射线能谱 脉冲幅度分析器

引言

放射性物质含有许多不稳定原子。这些原子在核衰变时辐射出α、β、γ射线和中子流等，并且具有一定的能量。γ射线是原子核从激发态跃迁到低能态或基态时所产生的一种辐射。

在放射性测量工作中,对γ射线的测量是一个非常重要的组成部分,对γ射线的测量通常有强度测量和能谱测量两种方式。 γ)(TI NaI 闪烁谱仪是一种常用的对γ射线进行能谱测量的谱仪,它与高纯锗γ谱仪相比具有探测效率高,γ)(TI NaI 晶体便于加工成各种形状,价格便宜等特点,因而在环境测量、工业在线检测以及监测等方面有着广泛的应用。

正文

一、Na I ( Tl) 闪烁谱仪系统

典型的Na I ( Tl) 闪烁谱仪由Na I ( Tl) 闪烁探头、放大器、高压电源、低压电源、多道脉冲幅度分析器、计算机等部分组成,其中Na I ( Tl) 闪烁探头包括Na I ( Tl) 闪烁晶体、光电倍增管、分压器、电压灵敏前置放大器(如图1 所示) .仪器示意图如图二所示。 当γ 射线与Na I ( Tl) 闪烁晶体作用后,Na I ( Tl) 闪烁晶体发出光子,光子入射到光电倍增管的光阴极后打出光电子,光电子经聚集后射向倍增极,经各个倍增极倍增后的电子到阳极收集而形成电压脉冲,该电压脉冲经过放大器放大送入多道脉冲幅度分析器分析,再经过一个多道接口板与计算机连接. 计算机通过专用多道软件可以实现把所测量的谱数据进行谱数据输入、谱数据处理、谱数据输出等操作.

二、γ闪烁能谱仪原理

γ闪烁能谱仪是利用γ射线与物质的相互作用时，产生的闪烁荧光现象来测量能谱，依据能谱曲线推算γ射线能量。

1.γ射线与物质相互作用

γ射线与物质的相互作用主要有三种：光电效应、

康普顿散射和电子对效应。

光电效应：入射γ粒子把能量全部转移给原子中的

束缚电子，光子本身消失而把束缚电子打出来形成光

电子这个过程称为光电效应。这个光电子的动能为：

k E h W

ν=-图2 NaI （Tl ）γ闪烁谱仪器示意图

其中W 为逸出功，远小于γ光子能量（W h ν<）。因此光电子的动能近似认为等于γ光子能量。

康普顿散射：核外自由电子与入射γ射线发生康

普顿散射。根据动量守恒的要求，散射与入射只

能发生在一个平面内。设入射γ光子能量为，散射光子能量为′，康普顿散射后散射光子

能量与散射角θ的关系为： 1(1cos )h h a ννθ'=+- 式中20h a m c ν=，即为入射γ射线能量与电子静止质量e m 所对应的能量之比。当

时，这时0e E =，即不发生散射；当时，散射光子能量最小为12h a ν

+，这时康普顿电子的能量最大为 max 212e a

E h a ν=+。

正、负电子对效应 当γ射线能量超过20(2 1.02)m c MeV =以后，γ光子受原子核

或电子的库仑场的作用可能转化成正、负电子对,称为电子对效应。此时光子能量可表示为两个电子的动能，如

2

02e e E E E m c γ+-=++

其中，。转化几率随γ光子的能

量的增加而增大。但是当γ光子的能量小于

1.5MeV 时，闪烁晶体中产生正负电子对的几率非

常小。

2. γ射线能谱图

由137Cs 的衰变可知137Cs 只放出单一能量的γ射线（0.662E MeV γ=）。因此能

量小于正、负电子对的产生阈1.023MeV ，所以137Cs 的射线与NaI(TI)晶体的相

互作用只有光电效应和康普顿散射两个过程。又由于γ谱仪存在一定的能量分辨率，实际测的能谱相对于图 4中单线存在一定的能量宽度，形状如图。

NaI(TI)单晶闪烁谱仪测量的137Cs 能谱图

A 峰又称光电峰，这一幅度直接反映γ射线的能量0.662MeV 。有时康普顿散射产生的散射光子若未逸出晶体，仍然为NaI(Tl)晶体所吸收，也即通过光电效应把散射光子的能量转换成光电子能量，而这个光电子也将对输出脉冲作贡献。由于上述整个过程是在很短时间内完成的，这个时间比探测器形成一个脉冲所需的时间短得多，所以先产生的康普顿电子和后产生的光电子，二者对输出脉冲的贡献是叠加在一起形成一个脉冲。这个脉冲幅度所对应的能量，是这两个电子的能量之和，即，也就是入射γ射线的能量。所以这一过程所形成的脉冲将叠加在光电峰1上使之增高。

平台状曲线B 是康普顿效应的贡献，称为康普顿平台，其特征是散射光子逃逸

后留下一个能量从O 到12h a ν

+的连续的电子谱。

峰C 是反散射峰。由γ射线透过闪烁体射在光电倍增管的光阴极上发生康普顿反散射或γ射线在源及周围物质上发生康普顿反散射，而反散射光子进入闪烁体通过光电效应而被记录所致。这就构成反散射峰。返回的γ光子能量

峰D 是X 射线峰，它是由137Ba 的K 层特征X 射线贡献的，137Cs 的β衰变体137Ba 的0.662MeV 激发态在放出内转换电子后造成K 空位，外层电子跃迁后产生此X 光子。 γ闪烁能谱仪的结构

闪烁探头，包括闪烁晶体NaI （Tl ），光电倍增管，前置放大器。

（1）闪烁晶体：它是用来将射线在其中损失的能量成比列地转换成荧光光子的元件。本实验室采用无机盐（NaI ）晶体，激活剂为（Tl ）。