闪烁计数器及伽马能谱测量

2012 年 5 月 25 日星期五
王涛 0914019 光电子技术科学
应产生的次级电子能量不同，产生的脉冲幅 度也不同。 能量分辨率 因为闪烁体的发光，光阴极的光电子发射， 倍增极的次电子发射等都服从统计规律，存 在一定的统计涨落；闪烁体各部分的发光效 率和光的收集效率不会完全一样，光阴极各 部分的灵敏度也有差别。这样即使闪烁体吸 收一束能量为 E 的带电粒子，得到的脉冲幅 度不是都等于 VE，而是以 VE 为中心有一定 的分布
王涛 0914019 光电子技术科学
闪烁计数器及 γ 能谱测量
王涛 肖宵 （南开大学信息技术科学学院 天津市南开区 300071）
摘要：了解闪烁计数器的工作原理，熟悉其结构，并掌握用闪烁谱仪测量γ谱的原理和基
本方法
关键词：闪烁体、射线源、脉冲数、脉冲谱
γ射线是原子核从激发态跃迁到较低能 光效率为 η ，则发射光能为 ηE 。射闪烁体 态时发射的波长很短的电磁辐射。研究γ射
电压脉冲幅度为V = MPN光子e C
其中 e 为电子的电荷量。此脉冲经过放大倍
数为 A 的线性放大器放大，最后得到脉冲
幅= 度为V A= MPhEe KE hν C
在 M、P、A、η 都是常数的情况下，闪烁计
数器的输出脉冲幅度正比于被吸收射线的
探头中的部件及脉冲产生过程示意图
射线进入闪烁体，激发其中分子或结晶系统
200 260 370
PI
=∆V VE
×100%
=0.9603 8
=12%
445 思考题
578
740 1 根据你对 60Co 的γ 射线谱的实验结果，试
952
1138 分析单道脉冲幅度分析器道宽的选取对测
1188 量结果的影响。
1279
答：道宽越大，光电峰处的脉冲数越大，
1247 同时峰值处对应的半高全宽也变大。计算出
930 0.1
250 3.5
440 6.9
120
1.3
350 4.7
245 8.1
888 0.2
706 3.6
402 7
137
2012 年 5 月 25 日星期五
0.3 1290 3.7
0.4 1229 3.8
0.5 1055 3.9
0.6
507 4
0.7
498 4.1
0.8
503 4.2
0.9
544 4.3
单能粒子的脉冲分布
吸收单能粒子时脉冲幅度分布的宽度表征 谱仪的性能，一般以分布曲线的半高处的全 宽度与脉冲处的幅度比值为能量分辨率 =P ∆V ×100%
VE
实验装置
闪烁谱仪框图
仪器：FJ-374 γ 能谱探头，高压电源，线性 放大器，单道扫描器，线性率表，低压电源， 自动定标器，记录仪以及示波器等 放射源：60Co 一个，137Cs 一个
9 布中对应 1.17MeV 和 1.33MeV 的 γ 射线的两
3 个光电峰的高度不一样，试解释之。
4
6
4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3
3
4
2
3
4
60Co 衰变图
I
答：不同能量的γ射线所引起的康普顿效应
和电子对产生的程度不同。当γ射线能量较
高时，散射引起的电子动能也较大，从而有
较大的几率逃逸。最终导致部分电子没有被
闪烁体吸收，能量较大的γ射线所引起的脉
81
0.2
176 3.6
298 7
91
0.3
551 3.7
333 7.1
120
0.4 1114 3.8
278 7.2
170
0.5
931 3.9
285 7.3
236
0.6
392 4
275 7.4
282
0.7 0.8
330 4.1 336 4.2
277 7.5 361 7.6
385 478
PI
=∆V VE
77
1.6 227
5
82 8.4
79
1.7 213
5.1
113 8.5
82
1.8 168
5.2
102 8.6
78
1.9 163
5.3
101 8.7
95
2
171
5.4
89 8.8
102
2.1 113
5.5
88 8.9
83
2012 年 5 月 25 日星期五
王涛 0914019 光电子技术科学
2.2 107
接收，经光点转换及电子倍增过程，最后从 考虑光和电子在传输过程中的损失。设阳极
光电倍增管的阳极输出电脉冲。分析、记录 系统对地的等效电容为 C，则在负载电阻足
这些脉冲就能测定射线的强度和能量。
够大时（RC＞＞闪烁体的发光衰减时间）,
闪烁记数器的结构 闪烁计数器探头中有闪烁体、光电倍增管和 前置放大器，共同装在不透光的外壳内。
99 9.5
4
2.8
439 6.2
83 9.6
2
2.9
392 6.3
64 9.7
3
3
413 6.4
71 9.8
1
3.1
358 6.5
52 9.9
2
3.2
350 6.6
50 10
3
3.3
340 6.7
52
II I
137Cs 道宽 0.2V
0
128 3.4
320 6.8
54
0.1
162 3.5
360 6.9
5.6
103 9
2.3 104
5.7
111 9.1
2.4 116
5.8
117 9.2
2.5 95
5.9
109 9.3
2.6 114
6
125 9.4
2.7 107
6.1
106 9.5
2.8 102
6.2
104 9.6
2.9 94
6.3
121 9.7
3
107
6.4
98 9.8
3.1 82
6.5
81 9.9
2.6
709 6
2.7
652 6.1
2.8
611 6.2
2.9
586 6.3
3
593 6.4
3.1
573 6.5
3.2
499 6.6
3.3
484 6.7
II
王涛 0914019 光电子技术科学
448 7.1 378 7.2 412 7.3 425 7.4 417 7.5 396 7.6 455 7.7 326 7.8 379 7.9 357 8 386 8.1 336 8.2 396 8.3 347 8.4 372 8.5 367 8.6 369 8.7 345 8.8 337 8.9 321 9 296 9.1 282 9.2 208 9.3 175 9.4 131 9.5 119 9.6 79 9.7 92 9.8 64 9.9 78 10 82
实验内容
一、 测 137Cs 的γ 射线脉冲谱道宽分别
为 0.2V 与 0.3V，将结果作图，求出谱仪 对 0.661MeV 的 γ 射线的能量分辨率。
二、测 60Co 的 γ 射线脉冲谱，道宽调节为
0.4V
注意事项
（1） 放射源若使用不当，会有一定的危 害。实验前必须阅读《实验室规则》并严格 遵照执行 （2） 光电倍增管与碘化钠晶体系贵重器 材，并易损坏，使用时必须小心，严防碰、 摔及潮湿。 （3） 闪烁探头必须对外界光线遮光良好， 不能有漏光。若要打开探头，必须先断开高 压电源，否则光电倍增管会因电流过大而被 烧毁。
107
0.8 254
4.2
78 7.6
125
0.9 227
4.3
92 7.7
137
1
251
4.4
90 7.8
131
1.1 231
4.5
104 7.9
131
1.2 207
4.6
101 8
111
1.3 216
4.7
107 8.1
87
1.4 238
4.8
105 8.2
81
1.5 215
4.9
104 8.3
1012 的能量分辨率 P 也变大。 833 2 由 60Co 的衰变图可知，每一个 60Co 核衰变
644 成处于基态的 60Ni 核的过程中，放出一个 β
391
223 粒子、一个能量为 1.17MeV 的 γ 射线和一个
122
48 能量为 1.33MeV 的 γ 射线。测得 60Co 脉冲分
24
1
500 4.4
1.1
487 4.5
1.2
474 4.6
1.3
493 4.7
1.4
540 4.8
1.5
538 4.9
1.6
516 5
1.7
520 5.1
1.8
538 5.2
1.9
542 5.3
2
552 5.4
2.1
593 5.5
2.2
599 5.6
2.3
697 5.7
2.4
709 5.8
2.5
738 5.9
冲反而较少。也有可能是由于谱仪不是理想
的线性，K 随能量有所变化，导致曲线进一
步偏离理想情况。
2012 年 5 月 25 日星期五
能量 E。 闪烁体对 γ 射线的吸收
的电子，使之处于激发态。一部分电子回到
射线射入闪烁体，不是本身直接激发闪
基态时，其激发能以光能的形式放出（其余 烁体发光，而是通过光电效应、康普顿效应
的激发能转为分子热运动或晶格振动能等）。 和电子对产生等三种效应产生次级电子，再
若闪烁体吸收射线的能量为 E，闪烁体的发 由这些次级电子去激发闪烁体发光。各种效
N光子
=
hE hv
数器高几十倍），分辨时间短（约 10-8 秒）。 闪烁体吸收一个能量为 E 入射粒子，在其激
实验原理
发下发射的光子数为 N。这些光子打在光阴 极上能打出 PN 个光电子(R<1)，P 称为光阴
闪烁计数器探测射线的基本过程：在射线的 极的光电转换效率。经过电子倍增在阳极可
激发下闪烁体发光。所发之光被光电倍增管 收集到 MPN 个电子。这里为了简单，没有
线的能谱对于放射性核素的应用和研究原
子核的能级结构有很重要的意义。
所发之光其每个光子的平均能量为 hv ，吸
闪烁探测器在科学技术的许多部门有着 十分重要的应用，它的主要优点是：既能探
收能量 E 后闪烁体发射的光子数 N光子 等于
测各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子， 既能对辐射强度进行测量，又能对辐射的能 量进行分析，而且探测效率高（比 G-M 计
279 8.7
67
7
2
358 5.4
241 8.8
45
3 2.1
388 5.5
274 8.9
11
4 2.2
444 5.6
227 9
10
3 2.3
441 5.7
222 9.1
7
3
2.4
495 5.8
191 9.2
3
2.5
499 5.9
127 9.3
2
2.6
495 6
122 9.4
3
2.7
468 6.1
数据处理
60Co 道宽 0.4V
0
119
3.4
102 6.8
82
0.1 129
3.5
80 6.9
68
0.2 175
3.6
83 7
75
0.3 185
3.7
98 7.1
82
0.4 228
3.8
96 7.2
81
0.5 221
3.9
104 7.3
99
0.6 241
4
106 7.4
88
0.7 252
4.1
76 7.5
×100%
=0.8124 8
=10.15%
0.9
354 4.3
278 7.7
631 PII=(0.2683)/0.4=67.075%
1
353 4.4
284 7.8
804 137Cs 道宽 0.3V
1.1
387 4.5
288 7.9
827
0
256 3.4
476 6.8
92
1.2
319 4.6
246 8
3.2 100
6.6
90 10
3.3 86
6.7
92
76 1.4
393 4.8
269 8.2
774
75 1.5
384 4.9
284 8.3
658
39 1.6
346 5
233 8.4
462
7 1.7
388 5.1
245 8.5
269
17 1.8
385 5.2
271 8.6
197
9 1.9
347 5.3