γ源距离的变化对探测效率的影响毕业设计论文.docx
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γ源距离的变化对探测效率的影响毕业设计论文
毕业设计(论文)
题目γ源距离的变化对探测效率的影响
学院名称核科学技术学院
南华大学
毕业设计(论文)任务书
学院:
核科学技术学院
题目:
γ源距离的变化对探测效率的影响
起止时间:
2012.2.15——2012.2.26
专业班级:
核工程与核技术084班
2012年2月27日
设计(论文)内容及要求:
设计内容:
主要研究内容;
1γ射线产生的原理及特性。
2γ源距离变化对探测效率的影响。
3实验仪器简介。
4实验数据处理。
5结论及展望。
预期目标:
得出正确的结论;通过做实验,掌握仪器的使用方法以及数据处理的方法。
设计要求:
1、设计任务书设计内容,作出设计进度安排,撰写开题报告;
2、撰写毕业设计(论文),篇幅不少于1.5万字,要求数据完整;
3、收集查找资料,参考资料不少于十本;
4、按毕业设计(论文)规范要求,打印装订成册两本;
5、完成英语译文一篇。
主要参考资料:
1凌球等。
核辐射探测。
原子能出版社,2002
2复旦大学,清华大学与北京大学合编,原子核物理实验方法(上册)。
原子能出版社,1985。
3P.marmierandE.sheldon.PhysicsofNuclei.Vol.1,chapter4.AcademicPressinc,NewYork.(1969)
指导教师:
郑贤利
2012年5月15日
南华大学
毕业设计(论文)开题报告
学院:
核科学技术学院
题目:
γ源距离变化对探测效率的影响
起止时间:
2012.2.15——2012.2.26
专业班级:
核工程与核技术084
2012年2月19日
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
南华大学本科生毕业设计(论文)开题报告
设计(论文)题目
γ源距离的变化对探测效率的影响
设计(论文)题目来源
实验研究
设计(论文)题目类型
实验研究
起止时间
2012.1-2012.5
一、设计(论文)依据及研究意义:
γ射线是由于原子核由激发态退激到较低的激发态或基态(而原子序数Z和质量数A均保持不变)的过程中产生的。
γ射线与物质相互作用的方式主要有:
光电效应、康普顿效应和电子对效应。
本文通过对不同探测距离下,应用全谱法及计数法,测量距离变化对探测效率的影响。
研究意义在于在研究中考虑了γ光子在计数过程伴随的的各种干扰。
主要研究几何因子对NaI(Tl)晶体探测γ效率产生的影响,对物理模型进行数值计算。
二、设计(论文)主要研究的内容、预期目标:
(技术方案、路线)
主要研究内容;
1γ射线产生的原理及特性。
2γ射线随距离变化对探测效率的影响。
3实验仪器简介。
4实验数据处理。
5结论及展望。
预期目标:
得出正确的结论;通过做实验,掌握仪器的使用方法以及数据处理的方法。
三、设计(论文)的研究重点及难点:
设计内容:
1γ射线产生的原理及特性。
2γ射线计数处理方法全谱法以及计数法。
3实验仪器简介。
4实验数据处理。
5结论及展望。
主要参考资料:
1凌球等。
核辐射探测。
原子能出版社,2002
2复旦大学,清华大学与北京大学合编,原子核物理实验方法(上册)。
原子能出版社,1985。
3P.marmierandE.sheldon.PhysicsofNuclei.Vol.1,chapter4.AcademicPressinc,NewYork.(1969)
设计要求:
1、设计任务书设计内容,作出设计进度安排,撰写开题报告;
2、撰写毕业设计(论文),篇幅不少于1.5万字,要求数据完整;
3、收集查找资料,参考资料不少于十本;
4、按毕业设计(论文)规范要求,打印装订成册两本;
5、完成英语译文一篇。
研究重点:
γ源距离的变化对探测效率的影响
研究难点:
距离发生变化的条件下探测效率的计算及数据处理
四、设计(论文)研究方法及步骤(进度安排):
研究方法:
理论学习、调研与实验三者相结合。
研究步骤:
2012年1月——2012年3月在导师处获得毕业设计题目,收集资料完成开题报告。
2012年3月——2012年5月初学习实验的原理及数据的处理方法,做好前期的理论工作
2012年5月初——5月中旬完成实验,处理、分析测量数据,得出结论,完成论文初稿。
2012年5月下旬做好修改和完善初稿工作,并做好论文答辩准备。
2012年5月下旬进行论文答辩。
五、进行设计(论文)所需条件:
Cs-137γ辐射源(5μCi);Co-60辐射源(5μCi);1.5Kv高压电源;BH1220自动定标器;4096ADC;放大器;单道;示波器;探头;准直器;
六、指导教师意见:
签名:
2012年3月19日
摘要:
Y谱分析技术广泛应用于环境样品测量、辐射探伤等研究。
而在核分析技术中,怎样由测出的Y谱,寻找到最佳探测效率对应的仪器工作条件,是一个十分重要的内容。
从目前来看,计算γ探测效率有两种方法,一种是用软件模拟分析;另一种是使用计数法对所取得的计数做出运算。
本论文对光子在NaI晶体中的探测效率做出了研究。
实验中采用的源为137Cs和60Co源。
主要研究几何因子对NaI(Tl)晶体探测γ效率产生的影响,对物理模型进行数值计算。
分别得到了不同的γ源、不同距离条件的源探测效率、峰探测效率、本征效率、本征峰效率、几何因子。
实验研究过程中,分别使用γ探测系统运用全谱法以及计数法分别的得出了不同源,不同源与探头距离的计数,再通过计算得到γ源的探测效率的变化规律。
关键词:
γ射线;探测效率;全谱法;计数法;
Abstract:
Yspectrumanalysistechnologyiswidelyusedinenvironmentalsamplesmeasurement,radiationdetection.Andinnuclearanalysistechnology,measuredbyhowtheYspectrum,andseekstobestdetectefficiencyofthecorrespondinginstrumentsworkinterval,isaveryimportantcontent.Fornow,thecalculationofγdetectionefficiencyhavetwokindsofmethods,onekindistousesoftwaresimulationanalysis;Anotherkindistousethemethodofcountinghasmadethecountofoperation.ThispaperphotoniccrystalsindetectionefficiencyinNaImaderesearch.Intheexperimentsofthesourcefor137Csand60Cosource.Researchinconsideringtheγphotonincountallsortsofinterferencewiththeprocess.FindoutphotonsandNaI(Tl)crystalphysicalmechanism,themainresearchgeometricfactorsofNaI(Tl)crystalγdetectionefficiencytheimpact,thephysicalmodelfornumericalcalculation.Areobtainedindifferentgammasource,differentdistanceoftheconditionsofthesourcedetectionefficiency,peakdetectionefficiency,eigenefficiency,eigenpeakefficiency,geometricfactor.Usefullspectrummethodandcountofthetwomethods,itisconcludedthatthetwokindsofdetectionefficiency:
almightypeakefficiencyandfullspectrumefficiencytwoefficiencychangesandcharacteristicphenomena,summarizedthedetectionefficiencychangeswiththegeneralrulesofdistance.
Keyword:
Gammaray;Detectionefficiency;Full;spectrummethod;countingmethod;energyspectrum
第一章概述
1.1γ射线的产生
γ射线是光子,首先由法国科学家PV维拉德发现的,是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。
当原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时,就有可能辐射出γ射线。
[1]
γ射线是一种强电磁波,它的波长比X射线还要短,一般波长小于0001纳米在原子核反应中,当原子核发生α、β衰变后,往往衰变到某个激发态,处于激发态的原子核仍是不稳定的,并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态,而这些能量的释放是通过辐射射线来实现的,这种射线就是γ射线[2]。
γ射线的能量为跃迁前后始末激发态的能量差(即Eγ=E初态-E末态)原子核的不同激发态所携带的能量是固定的,而且由于原子核进行γ跃迁服从选择定律[2],所以当原子核进行γ跃迁时只能从较高的激发态跃迁到特定的激发态或基态,其所释放的γ射线的能量是固定值,比如137Cs释放的γ射线能量只有662KeV一种,60Co只有1173KeV和1332KeV两种。
因此,γ射线能量的测量对于了解原子核的结构、获得原子核内部的信息是一个十分重要的途径[3]。
1.2γ射线的特性
γ射线的波长比X射线要短,波长小于0。
001nm,所以γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。
当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。
原子核释放出的γ光子与核外电子相碰时,会把全部能量交给电子,使电子电离成为光电子,此即光电效应。
由于核外电子壳层出现空位,将产生内层电子的跃迁并发射X射线标识谱。
高能γ光子(>2兆电子伏特)的光电效应较弱。
γ光子的能量较高时,除上述光电效应外,还可能与核外电子发生弹性碰撞,γ光子的能量和运动方向均有改变,从而产生康普顿效应。
当γ光子的能量大于电子静质量的两倍时,由于受原子核的作用而转变成正负电子对,此效应随γ光子能量的增高而增强。
γ光子不带电,故不能用磁偏转法测出其能量,通常利用γ光子造成的上述次级效应间接求出,例如通过测量光电子或正负电子对的能量推算出来。
此外还可用γ谱仪(利用晶体对γ射线的衍射)直接测量γ光子的能量。
由荧光晶体、光电倍增管和电子仪器组成的闪烁计数器是探测γ射线强度的常用仪器。
γ射线是频率高于10赫兹的电磁波光子。
伽马射线不具有电荷及静质量,故具有较α粒子及β粒子弱之电离能力。
伽马射线具有极强之穿透能力及带有高能量。
伽马射线可被高原子数之原子核阻停,例如铅或乏铀。
[4]‘
1.3γ射线与物质的作用机制[5]
γ射线与物质原子之间的相互作用主要有三种方式;光电效应、康普顿散射、电子对效应。
产生这三种过程,如图1.1所示。
图1.1γ射线与物质三种作用图示.
1.3.1光电效应
当能量
的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时,光子可以把全部能量转移给某个束缚电子,使电子脱离原子束缚而发射出去,光子本身消失,发射出去的电子称为光电子,这种过程称为光电效应。
发射出光电子的动能
1.1
为束缚电子所在壳层的结合能。
原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子,其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X射线。
例如L层电子跃迁到K层,放出该原子的K系特征X射线。
1.3.2康普顿效应
γ光子与自由静止的电子发生碰撞,而将一部分能量转移给电子,使电子成为反冲电子,γ光子被散射改变了原来的能量和方向。
计算给出反冲电子的动能为
1.2
式中
为电子静止质量,角度θ是γ光子的散射角,见图1.3所示。
由图看出反冲电子以角度φ出射,φ与θ间有以下关系:
1.3
图1.3康普顿效应示意图
由式
(2)给出,当
时,反冲电子的动能
有最大值:
1.4
这说明康普顿效应产生的反冲电子的能量有一上限最大值,称为康普顿边界EC。
1.3.3电子对效应
当γ光子能量大于
时,γ光子从原子核旁边经过并受到核的库仑场作用,可能转化为一个正电子和一个负电子,称为电子对效应。
此时光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和,如
,其中
。
综上所述,γ光子与物质相遇时,通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应或电子对效应而损失能量,其结果是产生次级带电粒子,如光电子、反冲电子或正负电子对。
次级带电粒子的能量和计数与入射γ光子的能量和计数直接相关,因此,可通过测量次级带电粒子能谱求得γ光子的能谱。
1.4研究的目的和意义
研究γ源与探头间的距离变化对探测效率的影响。
运用全谱法以及计数法两种方法,分别计算探测效率并比较两种方法的差别,优化探测效率的测量方法,总结出探测效率随距离变化的一般性规律。
1.5研究的内容
本课题主要进行以下几个内容:
1)改变源与探头之间的距离,用能谱法测量计数,计算得出探测效率;
2)改变源与探头之间的距离,用计数法测量计数,计算得出探测效率;
3)比较两种方法的优缺点,并分析误差来源;
第二章能量刻度方法及探测效率
2.1γ能谱分析[6]
2.1.1γ射线的谱形
对于单能r射线入射到探侧器中,由于γ射线与物质的相互作用,主要为光电效应、康普顿效应和电子对效应,其输出能谱也颇为复杂,在能谱中形成全能峰、康普顿坪、单逃逸峰(SE)和双逃逸峰(DE)等。
当然,根据不同的探测介质与不同的入射能量,以上峰的表现也不一样。
1)全能峰
a)γ射线与探测器介质发生光电效应产生的光电子的能量为:
Εe=Eγ-Bi式中:
Eγ为被测γ射线能量;Bi为探测介质原子核外第i壳层电子的结合能。
光电效应主要发生在K壳层,K壳层发射光电子后留下的空位将被外层电子所填补,外层电子向内层跃迁时可能放出特征X射线,也可能放出“俄歇电子”。
放出的特征X射线能量很低,很容易在探测器中再发生一次新的光电效应,因为两次光电效应的作用时间非常短(10-12s量级),探测器吸收了两次光电效应产生的光电子或光电子与“俄歇电子”的能量和即为Eγ,所以应输出一个脉冲,脉冲幅度相应于γ射线的能量Eγ。
对全能峰中脉冲计数的主要贡献是光电效应,所以有时全能峰也被称为光电峰。
b)电子对产生效应的正、负电子对的能量为Eγ-1.022MeV。
正电子和负电子一样地在探测器灵敏区损失能量,正电子能量将损失完时和物质中的负电子发生电子湮灭,产生两个各具有0.511MeV能量的γ光子,它们在探测器内可能被光电吸收,这种能量吸收和电子对能量吸收可以看作是同时发生的,因为两次作用的时间间隔极短,这样就只输出一个脉冲。
脉冲幅度等于吸收入射γ光子的能量时所输出的脉冲幅度,所以构成全能峰中的脉冲幅度。
c)当发生康普顿散射时,散射光子如果没有逸出探测器灵敏区,便再次发生光电吸收。
同样,散射光子再次发生的光电吸收与原散射中反冲电子被吸收可以看作是同时发生的,也只输出一个相当于全能峰中脉冲幅度的一个脉冲。
后两种效应中由于多次相互作用引起的γ光子的能量吸收又称为累计效应。
2)康普顿坪
在第一章中介绍过Y射线与物质相互作用时可能产生三种效应:
光电效应、康普顿散射效应和电子对效应。
这三种效应产生的次级电子在Nal(Tl)晶体中产生闪烁发光。
由于单能Y射线所产生的这三种次级电子能量各不相同,甚至对康普顿效应是连续的,因此相应一种单能r射线,闪烁探头输出的脉冲幅度谱也是连续的反映在谱形上的变化就是一条连续的曲线。
3)散射光子与反散射峰
γ射线打到源的衬托物上、探头塑料外壳上(包括封装晶体的外壳与光电倍增管的光阴极玻璃)以及在周围屏蔽物质上都可以发生散射,产生散射光子,它们进入晶体被吸收使康普顿坪区的计数增加。
除此之外,在康普顿坪上200keV左右的反冲电子能盘位置上能经常看到一个小的突起,这是入射光子在容器内壁材料上产生的小于180°方向的反散射光子所引起的,被称作反散射峰。
它的能金随入蔚光子的能量变化不大,通常在200keV左右
(1)。
因此,反散射峰的位置总是差不多。
对0.662MeVγ射线来说,计算得到的反散射光子能量为0.184MeV。
4)特征X射线[7]
许多放射源在衰变中有轨道电子俘获或在γ跃迁中有内转换电子发出,其结果有特征x射线放出,它们在能谱上形成特征X射线蜂。
γ射线与周围物质的原子发生光电效应,也可以发出X射线。
例如,γ射线在屏蔽层铅中作用可引起铅的88keV的x射线。
但本实验由于并未进行放置高原子序数的屏蔽层操作,而且实验仪器本身的构造不利于这种杂质射线的生成,故这里不再赘述。
5)韧致辐射
γ射线常伴随β衰变放出,而
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