近代物理实验用NaITl单晶γ闪烁谱仪测γ能谱Word文档下载推荐.docx
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闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。
图9-1-2NaI(Tl)单晶γ闪烁能谱仪结构示意图
2、单道与多道脉冲幅度分析器
图9-1-4单道脉冲幅度分析原理
由于γ射线与物质相互作用机制的差异,从探测器出来的脉冲幅度有大有小,单道脉冲幅度分析器就起从中“数出”某一幅度脉冲数目的作用。
单道脉冲幅度分析器里有两个甄别电压V1(此电压可以连续调节)和V2,V1和V2也称下、上甄别域,差值⊿V称为窗宽。
这样,V1和V2就像一扇窗子,低于V1或高于V2的电压信号都被挡住,只有在V1和V2之间的信号才能通过,形成输出脉冲。
进行测量时,按⊿V连续改变V1值,就可获得全部能谱。
多道脉冲幅度分析器的作用相当于几百个单道脉冲幅度分析器,一次测量可获得整个能谱,非常方便。
3、NaI(Tl)单晶γ闪烁能谱仪的主要指标
(1)能量分辨率
能量分辨率的定义是:
(9-1-5)
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
(9-1-6)
ΔCH为记数率极大值一半处的宽度(或称半宽度),CH为记数率极大处所在道数。
显然,能量分辨率的数值越小,仪器分辨不同能量的本领就越高。
(2)线性度与能量刻度
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。
为了检查谱仪的线性,必须用一组已知能量的γ射线,在相同的实验条件下,分别测量出它们的光电峰位,做出能量——幅度曲线,称为能量刻度曲线(或能量校正曲线)。
图9-1-3能量刻度曲线
(3)坪曲线与本底计数率
坪曲线是入射粒子强度不变时,NaI(Tl)单晶γ闪烁能谱仪的源(或全谱)计数率随工作电压变化的曲线。
本底计数率是指不加放射源时NaI(Tl)单晶γ闪烁能谱仪的全谱计数率。
(4)稳定性
NaI(Tl)单晶γ闪烁能谱仪的能量分辨率、线性度都与稳定性有关,因此在测量过程中,要求其各组成部分,如高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器等,都要具有较高的稳定性,并始终能正常工作。
三、γ射线的能谱
图9-1-5所示为137Cs的γ能谱,纵轴代表单位时间内的脉冲数目,即射线强度,横轴道数代表脉冲幅度,即反映粒子的能量。
图9-1-5137Cs的γ能谱
【实验仪器与材料】γ放射源60Co和137Cs;
NaI(Tl)单晶γ闪烁能谱仪;
计算机等。
【实验内容】
1、采用定时(200s)计数的方法,在600V~850V之间,测绘坪曲线(用137Cs源),以及本底计数率随电压变化的关系曲线,确定合适的工作电压。
2、保持工作电压不变,改变线性放大器的放大倍数,观察137Cs的γ能谱的光电峰位置变化的规律。
要求至少测量10组数据并作最小二乘法拟合,给出相关结果。
3、用多道分析器观察137Cs的γ能谱的形状,识别其光电峰、反散射峰、X射线峰及康普顿边界等;
记录光电峰、反散射峰的峰位(道数);
绘制能谱图。
4、测量60Co的γ能谱,绘制能谱图,记录光电峰位(两个光电峰,能量分别为1.33MeV和1.17MeV),结合137Cs的γ能谱的光电峰(0.662MeV)和反散射峰(0.184MeV)位来标定谱仪的能量刻度,绘制能量刻度曲线,作最小二乘法拟合,给出相关结果。
【注意事项】
1、仪器开机后,必须预热30分钟左右。
2、在测绘能量刻度曲线中,为了减小计数统计涨落对测量的影响,应保证计数足够多。
一般做法是选择某个要观测的光电峰,使该峰位的计数达到1000以上。
3、当工作指示灯亮时,切勿关闭仪器。
4、软件系统的操作按说明书进行。
5、领用和归还放射源必须作好登记。
【数据处理】
1.采用定时(200s)计数的方法,在600V~850V之间,测绘坪曲线(用137Cs源),以及本底计数率随电压变化的关系曲线,确定合适的工作电压。
(1)测绘坪曲线(用137Cs源),以及本底计数率随电压变化的关系曲线,确定合适的工作电压。
表一:
有放射源和无放射源时计数率随工作电压对应关系
工作电压/V
650
700
750
800
850
总计数率cps
472
544
575
600
610
由上表数据做得坪曲线如下:
(2)本底计数率
表2本底计数率与工作电压对应数据
8
11
12
由上表数据可以做出本底计数率随工作电压变化的曲线图:
分析:
工作电压应该选择源(或全谱)计数率随电压变化较小、本底计数率相对较低的电压。
由图1和图2可知:
随着工作电压的增大,总计数率、本底计数率也会随之增加,但是变化趋势都是趋于平稳,且在775V是最为平稳,因此选择775V作为实验电压。
表3放大倍数与光电峰位置对应数据
放大倍数
1
1.5
2.5
3
3.5
4.5
5.5
6
7
7.5
光电峰道数/CH
109
111
117
122
124
132
140
146
157
163
由上表数据可得放大倍数与光电峰道数关系曲线图:
用最小二乘法做线性拟合:
设道数为y,放大倍数为x,
则y=ax+b,
=(109+111+117+122+124+132+140+146+157+163)/10=132.2
=(1+1.5+2.5+3+3.5+4.5+5.5+6+7+7.5)/10=4.2
=(109*1+111*1.5+117*2.5+122*3+124*3.5+132*4.5+140*5.5+146*6+157*7+163*7.5)/10=592.95
=(1*1+1.5*1.5+2.5*2.5+3*3+3.5*3.5+4.5*4.5+5.5*5.5+6*6+7*7=7.5*7.5)/10=22.25
根据公式,b=
97.84
a=
8.18
则y=8.18x+97.84
可以分析得:
光电峰的道数与放大倍数近似为线性关系,随着放大倍数增大,光电峰所在道数增大。
这与实验观察到的随放大倍数增大光电峰位置右移的现象一致。
(1)光电峰:
道数137CH,能谱图如图4所示:
(2)反散射峰:
道数43CH,能谱图如图5所示:
(3)χ射线峰:
道数19CH,能谱图如图6所示
(4)康普顿边界(平台状曲线):
如图7所示
5、测量60Co的γ能谱,绘制能谱图,记录光电峰位(两个光电峰,能量分别为1.33MeV和1.17MeV),结合137Cs的γ能谱的光电峰(0.662MeV)和反散射峰(0.184MeV)位来标定谱仪的能量刻度,绘制能量刻度曲线,作最小二乘法拟合,给出相关结果。
60Co的能谱图及两光电峰的位置图像如图8所示
表4绘制60Co能谱图,结合137Cs能谱绘制能量刻度曲线,做最小二乘法拟合
能量/MeV
道数/CH
137Cs光电峰
0.662
136
137Cs反散射峰
0.184
43
60Co光电峰1
1.17
234
60Co光电峰2
1.33
267
根据上表数据得到如图9-1-9所示能量刻度曲线:
用最小二乘法进行线性拟合,设道数为y,能量为x
则y=ax+b
=(136+43+234+267)/4=170
=(0.662+0.184+1.17+1.33)/4=0.8365.
=(0.662*136+0.184*43+1.17*234+1.33*267)/4=181.7085
=(0.6622+0.1842+1.172+1.332)/4=0.902475.
7.013074
194.8865
则y=194.8865x+7.013074(说明拟合效果很好)
由图9可知,定标曲线基本呈线形,由此能量刻度曲线可以得到任意道数时粒子的能量。
[实验总结]
这个实验的实验过程并不复杂,我认为,实验的主要目的是了解实验仪器的工作原理。
实验原理中涉及很多以前学到的物理知识,比如光与物质作用的三种形式:
光电效应、康普顿效应、电子对效应。
这些可以在测量结果的能谱上显示。
另外,从光与物质作用与电信号输出之间的过程是比较复杂的。
涉及到原子的导带、禁带,电子的激发、退激,光电倍增等。
这个实验使我们接触到了一种新的测量方法和思想,对我们以后的学习很有帮助。
【思考与讨论】
1、简单描述NaI(Tl)单晶γ闪烁能谱仪的工作原理。
答:
闪烁能谱仪是利用某些荧光物质在带电粒子作用下被激发或电离后,能发射荧光的现象来测量能谱的。
当射线进入闪烁体后,会产生次级电子,它可使闪烁体分子电离和激发。
当闪烁体分子退激时发出大量光子。
大量光子经过光电倍增管后产生输出信号,通常为电流脉冲或电压脉冲,然后通过多道脉冲幅度分析器得到统计数据。
2、反散射峰是如何形成的?
当γ射线透过闪烁体时射线在光电倍增管的光阴极上发生反散射,此外,γ射线在源及周围物质上也可以发生反散射。
而反散射光子进入闪烁体通过光电效应而被记录下来,从而导致了反散射峰的形成。
3、若只有137Cs源,能否对闪烁探测器进行大致的能量刻度?
可以,利用137Cs的γ能谱中的光电峰和反散射峰(还可以利用能量刻度曲线过原点)可以做能量刻度曲线,从而对闪烁探测器进行大致的能量刻度。
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