实验1.1.2 γ辐射的能量和强度测量

实验1.1.2 γ辐射的能量和强度测量

一．实验目的

1.了解NaI(T1)闪烁谱仪的组成，基本特性及使用方法。

2. 掌握测量γ射线的能量和强度的基本方法。

二．实验原理

1.γ射线与物质的相互作用

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三种过程

(1)光电效应：入射γ光子把能量全部转移给原子中的束缚电子，而把束缚电子打出来形成 光电子。由于束缚电子的电离能1E 一般远小于入射γ射线能量γE ，所以光电子的动能近似等于入射γ射线的能量

γγ光电E E E E ≈-=1

（2）康普顿散射：设入射γ光子能量为νh ，散射光子能量为'

νh ，则反冲康普顿电子的

动能 'ννh h E e -= 康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为

)

cos 1(1'θανν-+=h h 2c

m h e να= α为入射γ射线能量与电子静止质量之比。易知

α

αν212*(max)+=h E e （3）正、负电子对产生：当γ射线能量超过22c m e （1.022MeV ）时，γ光子受原子核或电

子的库仑场的作用可能转化为正、负电子对。入射γ射线的能量越大，产生正、负电子对的几率也越大。在物质中正电子的寿命是很短的，当它在物质中消耗尽自己的动能，便同物质原子中的轨道电子发生湮没反应而变成一对能量各为0.511MeV 的γ光子。

2.闪烁谱仪结构与工作原理

NaI(Tl)闪烁谱仪由探头，高压电源，线性放大器，多道脉冲幅度分析器及部分组成。射线通过闪烁体时，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比。带电粒子通过闪烁体时，将引起大量的分子或原子的激发或电离，这些受激的分子或原子由激发态回到基态时就放出光子；不带电的γ射线先在闪烁体内产生光电子、康普顿电子及正负电子对，然后这些电子使闪烁体内的分子或原子激发和电离而发光。闪烁体发出的光子被闪烁体外的光反射层反射，汇聚到光电倍增管的光电阴极上，打出光电子。光阴极上打出的光电子

在光电倍增管中倍增出大量电子，最后为阳极吸收形成电压脉冲。每产生一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。由于电压脉冲幅度与粒子在闪烁体内消耗的能量成正比，所以根据脉冲幅度的大小可以确定入射粒子的能量。利用脉冲幅度分析器可以测定入射射线的能谱。

3.能量分辨率

由于形成阳极电流脉冲之前的各种过程的统计性质，对应于某一定能量的粒子，光电倍增管的输出脉冲仍有起伏，通常把脉冲计数率随脉冲幅度分布的半宽度2/1U ∆与计数率最大值对应的脉冲幅度o U 之比定义为能量分辨率ε。由于粒子能量与脉冲幅度成正比，故有

E

E U U o ∆=∆=2/1ε

4.闪烁谱仪的能量线性关系

利用闪烁谱仪做γ射线能量测定时，最基本的要求是在入射γ射线的能量和它产生的脉冲幅度之间有确定的关系；对于理想的闪烁谱仪，脉冲幅度与能量之间应呈线性关系；对于实际NaI(Tl)闪烁谱仪在较宽的能量范围内是近似线性的。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。通常。在实验上利用系列γ标准源。测量相应全能峰处的脉冲幅度，建立γ射线能量及其对应峰位的关系曲线，这条曲线即能量刻度曲线。典型的能量刻度曲线为不通过原点的一条直线，即

0)(E Gx x E p p +=

式中p x 为全能峰峰位（峰道址），0E 为直线截距，G 为增益（单位脉冲幅度对应的能量）。能量刻度曲线可以选用标准源Cs 137和Co 60来标定。

5.闪烁谱仪的探测效率

设γ源的发射强度为S ，则γ谱仪的探测效率η为

S

n =η 式中n 为全能峰的总计数率。用这种方法定义的探测效率称为源峰探测效率。n 可用下式求得

t

N n =

式中N 为全能峰的净计数，t 为计数时间。

6.γ辐射强度测量 在相同条件下，分别测得标准源的全能峰面积为0N 和待测源的全能峰面积x N ，设标准源的强度为S ，待测样品的强度为x S ，则有

00

*S N N S x x =

三、实验内容及步骤

1.按图检查实验装置，了解NaI （T1）闪烁谱仪的组成，工作原理及主要特性。

2. 开机，进入多道分析程序UMS 。

3. 选择合适的放大倍数和高压值（已调好）。

4. 予置计数时间t=100秒。

5. 测量Cs-137标准源的γ能谱，从所得到能谱上测出并记录全能峰的道址0X ，求出半高宽'''X X X -=∆及全能峰净计数N ，再求得分辨率ε和η。

6. 予置计数时间t=600秒。测量Co-60标准源的γ能谱，从所得能谱上求得两个全能峰道址1X 、2X 及对应于1X 的全能峰的净计数0N ，用测得0X 、2X 及对应的能量值（0.666MeV 及1.332MeV ）代入，求得G 和0E ，再求得与1X 相对应的γ能量，并与已知值比较。

7. 予置计数时间t=600秒。测量待测Co-60源的能谱，求得1X 、2X 及对应于1X 的全能峰的净计数x N ，再求得待测源的强度x S 。

8.改变源的高度，重复步骤7。所得结果是否相同，为什么？

9.测量完毕，退出UMS ，关机。

四、实验数据及处理

1.测量γ谱仪的能量分辨率ε及探测效率η：

所用标准源为432号Cs-137,源强为75.3×103Bq. 计数时间t=100秒。

全能峰道址0X =385，计数0n =1613；

半高宽左道址'X =371,半高宽右道址'

'X =401；

全能峰左边界道址l X =329，右边界道址r X =433；

全能峰计数N=51215；

求得ε=0.078，η=0.68%

2.测量Co-60（12号）标准源的γ能谱：源强为79.1×103Bq 。

左全能峰道址1X =643，右全能峰道址2X =726；

左峰左边界道址l X =615，右边界道址r X =684，左峰净计数0N =4117；

求得G=1.96×10-3，0E =0.0946MeV,将1X 代入0)(E Gx x E p p +=得1E =1.1669MeV,已知值E =1.17，则