NaI(Tl)闪烁谱仪实验讲义

NaI(Tl)闪烁谱仪实验讲义实验目的1．了解谱仪的工作原理及其使用。2．学习分析实验测得的137Cs谱之谱形。3．测定谱仪的能量分辨率及线性。内容1．调整谱仪参量，选择并固定最佳工作条件。2．测量137Cs、65Zn、60Co等标准源之能谱，确定谱仪的能量分辨率、刻度能量线性并对137Cs谱进行谱形分析。3．测量未知源的能谱，并确定各条射线的能量。原理)1(TNaI闪烁谱仪由)1(TNaI闪烁体、光电倍增管、射极输出器和高压电源以及线性脉冲放大器、单道脉冲幅度分析器（或多道分析器）、定标器等电子学设备组成。图1为)1(TNaI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。当射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程，见表1第一行所示：（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第二行所示，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光电子，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)1(TNaI闪烁体中总吸收系数随射线能量变化规律，射线能量MeVE3.0时，光电效应占优势，随着射线能量升高康普顿散射几率增加；在MeVE02.1以后，则有出现电子对效应的可能性，并随着射线能量继续增加而变得更加显著。图2为示波器荧光屏上观测到的137Cs0.662MeV单能射线的脉冲波形及谱仪测得的能谱图。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发生的，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射线的能量（而非rE减去该层电子结合能）。谱峰称为全能峰。为便于分析射线在闪烁体中可能发生的各种事件对脉冲谱的贡献，及具体实验装置和其周围物质可能产生的对谱形的影响。表2列举了十二种情况供参考。一台闪烁谱仪的基本性能由能量分辨率、线性及稳定性来衡量。探测器输出脉冲幅度的形成过程中存在着统计涨落。既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3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E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更为确切。一般谱仪在线性条件下工作，故也等于脉冲幅度分辨率，即VVEE（1）)(VE和)(VE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）。标准源137Cs全能峰最明显和典型，因此经常用137Cs0.662MeV的射线的能量分辨高的闪烁体，使用光电转换效率高的光阴极材料，以及提高光电子第一次被阴极收集的效率等均有利于改善能量分辨率。在我们实验中尚需考虑到下列一些因素，进行必要的调整，以期达到一台谱仪可能实现的最好的分辨率。（1）闪烁体与光电倍增管光阴极之间保持良好的光学接触；（2）参考光电倍增管高压推荐值，并作适当调整，使得在保持能量线性条件下，输出脉冲幅度最大；（3）合理选择单道分析器的道宽，如单道分析器最大分析幅度为10伏时，道宽宜用0.1伏；（4）根据放射源的活度，选择合适的源与闪烁体之间的距离。显然，利用谱解析核素的或能量相近的射线时，受到了谙仪能量分辨率的限制。这时就需要借助于实验上得到的单能谙的经验规律，例如半宽度随着射线能量变化的经验规律，以及各种数学处理方法来解决。能量线性指谱仪对入射射线的能量和它产生的脉冲幅度之间的对应关系。一般NaI（T1）闪烁仪在较宽的能量范围内（100keV到期1300keV）是近似性的。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标准源，在确定的实验条件下分别测量系列源谱。由已知射线能量全能峰位对相应的能量作图，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)(EGxxEpp（2）式中px为全能峰位；0E为直线截矩；G为增益即每伏（或每道）相应的能量。能量刻度亦可选用标准源137Cs（0.662）MeV)和60Co(1.17、1.33MeV)来作。实验中欲得到较理想的线性，还需要注意到放大器及单道分析器甄别阈的线性，进行必要的检验与调整。此外，实验条件变化时，应重新进行刻度。显然，确定未知射线能量的正确性取决于全能峰位的正确性。这将与谱仪的稳定性、能量刻度线的原点及增益漂移有关。事实上，未知源总是和标准源非同时测量的，因此很可能他们的能量对应了不同的不同的原点及增益。当确定能量精度要求较高时，需用电子计算机处理，调整统一零点及增益，才能得到真正的能量与全能峰峰位的对应关系。至于全能峰峰位的确定，本实验可在记录足够数目的计数后由图解法得到。装置实验装置方块图见图1。NaI（Tl）闪烁谱仪，FH1901，1套；多道分析器，FH419G1，1台；脉冲示波器，SBM-10，1台；标准源，137Cs、65Zn、60Co，各一个；未知源，1个。步骤1．按图1连接仪器。用示波器观察137Cs及60Co的脉冲波形，调节并固定光电倍增管的高压。2．调节放大器的放大倍数，使137Cs0.662MeV的射线的全能峰落在合适的甄别阈位置上，例如8V。选择并固定单道分析器道宽，例如0.1V，测量137Cs全能谱及本底谱。3．改变放大器放大倍数，使137Cs、65Zn、60Co之全能峰合理地分布在单道分析器阈值范围内。依次测量这三个源的能谱。4．在步骤3实验条件下，测量未知源能谱。5．实验结束前，再重复测量137Cs0.662MeV的射线的全能峰，以此检验谱仪的稳定性。思考题1．如何从示波器上观察到的137Cs脉冲波形图，判断谱仪能量分辨率的好坏？2．某同学实验结果得到137Cs能量分辨率为6%，试述怎样用实验来判断这一分辨率之真假？3．若有一单能源，能量为2MeV，试预言其谱形。4．试根据你测量137Cs、65Zn、60Co能谱，求出相应于0.662、1.11和1.33MeV射线全能峰的半宽度，并讨论半宽度随射线能量变化的规律。5．试述60Co1.17MeV这条射线相应的能量分辨率，能否直接从其全能峰半宽度求出，为什么？6．在你测得的137Cs0662MeV射线全能峰峰位处，作一垂线为对称轴，将会发现对称轴低能边计数明显地多于相应的高能边的计数，试参照表2分析全能峰不完全对称的原因。参考资料[1]复旦大学、清华大学、北京大学合编，原子核物理实验方法（上册），第四章，第十一章一、二节，原子能出版社，1981。[2]G.F.Knoll,RadiationDetectionandMeasurement,SectionC,JohnWiley&Sons,Inc,1979.[3]P.J.奥赛夫著，姬成周译，核辐射探测器入门，100-101页，科学出版社，1980.