NaI(Tl)单晶r闪烁谱仪和r能谱的测量教案

实验一

NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪 课任教师： 胡君辉

一、明确实验目的

1. 了解闪烁探测器的结构、原理。

2. 掌握NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的几个性能指标和测试方法。

3. 了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。

二、仪器介绍

1、Na （Tl ）闪烁探测器（重点讲授）

（1）概述

核辐射与某些物质相互作用会使其电离、激发而发射荧光，闪烁探测器就是 利用这一特性来工作的。下图是闪烁探测器组成的示意图。

闪烁探测器有闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。

归结起来，闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程： 1)射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发;

2)受激原子、分子退激时发射荧光光子；

3)利用反射物和光导体将闪烁光子尽可能多地收集到光电增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；

4）光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104~109个．电子流在

阳极负载上产生电信号；

5）此电信号由电子仪器记录和分析。

（2）NaI （Tl ）单晶γ闪烁谱仪的主要指标：(简单讲解)

a. 能量分辨率：

由于单能带电粒子在闪烁体内损失能量引起的闪烁发光所放出的荧光光子数有统计涨落；一定数量的荧光光子打在光电倍增管光阴极上产生的光电子数目有统计涨落。这就使同一能量的粒子产生的脉冲幅度不是同一大小而近似为高斯分布。能量分辨率的定义是：

100%η

∆Ε=

×Ε (1-1)

由于脉冲幅度与能量有线性关系,并且脉冲幅度与多道道数成正比，故又可以写为

100%CH CH

η∆=

× (1-2) ΔCH 为记数率极大值一半处的宽度（或称半宽度），记作FWHM （Full Width at half maximum ）。CH 为记数率极大处的脉冲幅度。

显然谱仪能量分辨率的数值越小，仪器分辨不同的能量的本领就越高。而且可以证明能量分辨率和入射粒子能量有关。

100%η=

(1-3)

通常NaI (Tl)单晶γ闪烁谱仪的能量分辨率以137C S 的0.661MeV 单能γ射线为标准，它的值一般是10%左右，最好可达6~7%。

b. 线性

能量的线性就是指输出的脉冲幅度与带电粒子的能量是否有线性关系，以及线性范围的大小。

c. 谱仪的稳定性：

谱仪的能量分辨率，线性的正常与否与谱仪的稳定性有关。因此在测量过程中，要求谱仪始终能正常的工作，为避免电子仪器随温度变化的影响，在测量前仪器需预热十五分钟。

2、多道脉冲幅度分析器的工作原理

所谓射线的能谱，是指各种不同能量粒子的相对强度分布；它反映在以能量E 为横坐标，单位时间内测到的射线粒子数为纵坐标的图上是一条曲线。根据这条测量曲线，我们可以清楚地看到射线中不同能量的粒子所占的百分比。多道脉冲幅度分析器可以用来测量射线的能谱。

我们知道闪烁探测器可将入射粒子的能量转换为电压脉冲信号，而信号幅度大小与入射粒子能量成正比。因此只要测出具有不同幅度的脉冲的数目，就能得到不同能量的粒子数目。多道正是按脉冲幅度大小统计出在不同幅度范围内脉冲的数目。

多道里的每一道有一个甄别电压V i ，称为阈值，只有脉冲幅度大于V i 的信号

才能被计数；同时，在每一道还需有一个道宽ΔV，以便只让幅度在V i +ΔV范围

内的信号才被计数；当我们把ΔV取得很小时，统计得到的脉冲数目就可以看成是幅度为V i 的脉冲数目。

简单地说，多道脉冲分析器的功能是把线性脉冲放大器的输出脉冲按幅度大小统计.多道脉冲分析器主要由A/D 转换器、用于数据采集的单片机和发送系统等组成，一次测量就可得到整个能谱曲线，既可靠、方便又省时。

3、光电倍增管的工作原理：光信号变电信号。（简单介绍，详细内容见附录二）

4、实验软件使用的讲解和示范演示。

5、放射源的使用注意事项和使用演示。

三、注意事项

四、讲解实验原理

1．γ射线与物质相互作用：

γ射线与物质相互作用是γ射线能量测量的基础。γ射线与物质相互作用主要有三种效应，即光电效应、康普顿散射和电子对效应。

光电效应：γ光子将全部能量h ν传递给原子中的电子，电子获取能量，脱离原子的束缚，变为高能光电子，其动能E k 为：

脱W h E k −=ν （1）

式中W 脱为脱出功，它远小于γ光子能量。因此，光电子的动能近似地等于

γ光子的能量。

康普顿散射：这是γ光子与物质中“自由”电子（包括束缚甚弱的电子）非弹性散射的过程，根据散射过程中的动量守恒和能量守恒定律可求得散射电子（又称康普顿电子）的动能为：

)cos 1()cos 1()(02θνθννν−+−=′−=h c m h h h E k （2）

式中m o c 2为电子静止能量，θ为γ 光子的散射角，ν′为散射光子频率。当θ=0o

时，

图1 光电效应的示意图 图2 康普顿效应的示意图

E k =0，即未发生散射，θ=π时，康普顿电子获得最大动能（这时γ光子与电子发

生对心散射）：

2202

max )(2)(ννh c m h E k +=

（3）

由(2)式可以看出，康普顿电子的动能可以从0到max )(k E 连续分布。 电子对效应：当γ射线的能量超过2倍电子静止能量(2m o c 2=1.023Mev)时，γ

光子在核场作用下，有可能转化为一对正、负电子，其几率随γ光子的能量增加而增大。但是，当γ光子能量小于1.5Mev ，在NaI(T1)闪烁晶体中产生正、负电子对的几率甚小。

由此可见，γ光子与物质相互作用的特点是产生次级电子。这些次级电子的能量又与γ光子所损失的能量相当，两者之间有确定的关系。通过对次级电子的数量和能量的测定。也就可以确定γ光子的强度和能量。