中国石油大学（华东）：《近代物理实验》课程教学资源（讲义）实验5-5 γ能谱的测量

原子物理与核物理实验第5章 【思考与讨论】 (1)辉光放电的特征如何？气体放电管中的光区分布如何？ (2)单探针法测得的伏安特性曲线如何解释？ (3)霍尔效应法为何能测量电子密度和电子漂移速度？ 【参考文献】 [3]彭国贤.气体放电 等离子体物理的应用.北京：知识出叛社，1988 [4]李定，陈银华，马锦秀.等离子体物理学.北京：高等教育出版社，2006 实验5-5Y能谱测量 Y射线是激发态的原子核退激时发出的高能光子流，人的眼睛是看不到的，要测量必 须借助特殊的仪器，即y射线核探测器(nuclear detector)。y射线的强度按能量的分布即 y能谱。研究Y能谱可确定原子传激发态的能级等，对放射性分析、同位素应用及鉴定 核素等方面都 要的意义 1947年，美国物理学家科尔特曼(.W.Coltman)和美籍德国物理学家卡尔曼( Kallmann)证实，由闪烁体(scintillator)、光电倍增管(photomultipler tube,PMT)和核电 子学(nuclear electronics)仪器组成的闪烁计数器(scintillation counter)可用于探测射线， 且效率比盖革计数器高。在闪烁计数器基础上发展而来的闪烁能谱仪广泛应用于核物 理，高能粒子物理和空间辐射物理的探测中。本实验使用Nal(TD单品闪烁能谱仪(s illation spectrometer)测量放射源产生的Y射线的能谱 【实验目的】 (1)了解闪烁探测器的基本结构和工作原理。 (2)掌握Nl(T)单晶闪烁能谱仪的主要性能指标和测量方法。 (3)观测及分析Y全能谱。 (4)了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理 【预习要求】 (1)y射线与物质的相互作用有哪此？各有什么基本特征 (2)Y射线进入闪烁体后引起闪烁体发光的机制是什么 (3)闪烁能谱仪的结构组成包括哪些部分？各部分有什么功能？ (4)闪烁能谱仪有哪些主要性能指标？ (⑤)使用放射源时应该注意哪些事项？ 197

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物理实验教程—近代物理实险 【实验原理】 一、Y射线与物质的相互作用 γ射线是高能光子流，与物质原子相互作用时主要有光电效应、康普顿效应和电子对 效应三种机制，如图5-5-1所示。 光电子 反电子 子 入射光子广 射光子 光纯效 康著效心 电子对效应 图5-51y光子与物质原子相互作用示意图 1.光电效应 当能量为E,的入射Y光子与物质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面发射出去，光子本身清失。发射出去的电子 称为光电子，这种过程称为光电效应(photoelectric effect)。发射光电子的动能为： EEB /5.5.1 式中，B,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。这种X射线在闪烁体内很容易再 产生一次新的光电效应，将能量又转移给光电子，所以闪烁体得到的能量是两次光电效面 产生的光申子能量之和 2.废善顿效应 Y光子与自由静止的电子发生碰撞时会将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲 电子，Y光子被散射，改变了原来的能量和方向，这一效应称为康普顿效应(Compton effeet)。反冲电子的动能为： E= (5-5-2) mc2 1+E,0-cos0) 式中，m。c2为电子静止能量，约为0.511MeV:0为散射光子的散射角当8=180°时（即 光子向后散射，又称为反散射)，反冲电子的动能有最大值，此时有 (5-5-3》 1+c 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。 3,电子对效应 当y光子的能量大于2moc?时，y光子从原子核旁经过并受到原子核的库仑场作用， 可能转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对效应(pair production)。此时光子能量 可表示为两个电子的动能与静止能量之和，即 Ey=E +E-+2moc" (5-5-4) 198

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原子物理与核物理实验第5章 综上所述，γ射线与物质相遇时，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，其结果品产生次级措申粒子，如光电子反冲电子或正负申子对。次 级带电粒子的能量与人射Y射线的能量直接相关，因此可通过测量次级带电粒子的能晶 求得y射线的能量。 二、闪烁能谱仪测量Y射线的原理 闪烁能酱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（称为 闪烁)的现象来测量能谱的，这种荧光物质常称为闪烁体。闪烁体的种类很多，按其化学性 质不同可分为无机品体闪体和有机闪烁体。有机闪烁体包括有机品体闪烁体、有机液体 闪烁体和有机塑料闪烁体等。最常用的无机品体闪烁体是蛇原子激活的化钠单品闪 体，常记为Na(T ,属离 型品体。纯粹的碘 品体的能带 是在价带和导带之间 比较宽的禁带，若有带电粒子进人闪烁体中，将引起后者产生电离或疆发过程，即可能有电 子从价带激发到导带，然后这些电子再退激到价带。退激的可能过程之一是发射光子，这种 光子的能量还会使品体中其他原子产生激发或电离，也就是光子可能被品体吸收面不能被 探测到，为此要在晶体中掺入少量的杂质原子（激活原子），如在碘化钠晶体中摻入铊原子 其关健作用是可以在低于导带的禁带中形成 些杂质能级 这些杂质原子会捕获 自由 电子或电子-空穴对到达杂质能级上，然后以发光的形式退激到价带，这就形成了闪煤过程 的发光，面这种光因能量小于禁带宽度而不再被品体吸收，即不再产生激发或电离。这说明 只有加人少量激活杂质的品体才能成为实用的闪烁体。对于NI(T单品闪烁体，其发射光 谱最强的波长是415m的蓝紫光，其发光强度反映了进入闪烁体内的带电粒子的能量大 小 选择适当大小的闪 烁体可使这些光 一射入闪烁体就被探测到 闪烁体的计数效率高，有很好的时间分辨率和空间分辨率，时间分辨率达10-”s,空 间分辨率达毫米量级。它不仅能探测各种带电粒子，还能探测各种不带电的核辐射：不仅 能探测核辐射是否存在，还能鉴别它们的性质和种类：不仅能计数，还能根据脉冲幅度确 定射粒子的能量。闪烁探测器的能量分辨率虽不如半导体探测器好，但对环境的适应 性较强。特别是有机闪烁体的定时性能 中子和 射线的分辨能力以及液体闪烁的内计 数本领均有其独特的优点，在核物理和粒子物理实验、同位素测量和放射性监测中应用 分广泛。20世纪60年代后，它又成为X射线天文学和Y射线天文学中的重要观测仪器 闪烁能谱仪正是利用丫射线与闪烁体相互作用时产生次级带电粒子，进而由次级带 电粒子引起闪烁体发射荧光光子，通过这些荧光光子的数目来推出次级带电粒子的能量 再推出Y射线的能量，以达到测量Y射线能谱的日的。闪烁能谱仪对核辆射的探测过程 可总结分为五个步骤 (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、分了 电离和激发： (2)受激原子、分子退激时发射荧光光子： (3)利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，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1个增加到10一10个，电子流在阳极负载 上产生电信号： 199

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物理实验教程—近代物理实险 (5)此信号由电子仪器记录和分析：探头输出信号由线性放大器放大，再输人脉冲幅 度分析器中进行幅度分析，由定标器对不同幅度的脉冲进行计数。 三、NaI(TI)单晶闪烁能谱仪 图5-5-2是典型的Na1(T1)单品闪烁能酱仪的结构示意图，主要包括闪烁探测器和单 道或多道脉冲幅度分析器。 NaT年体 光电倍增管 底座（分压、射极随器 线性放大器 收射 中信 铅屏散层\铝屏蓝层光是、管屏敲套篷 、外 图55-2 Na1(TD单品闪烁能谱仪结构示意图 1.闪烁探测器 闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子检测仪器三个主要部分组成。闪烁 探测器最前端是NI(T)闪年体，当射线（如y射线和3射线）进人闪烁体时，在某一地点 产生次级电子，它使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子。在闪烁体周围包以反 射物质，使光子集中向光电倍增管方向射出去。经过光电倍增管产生的输出信号通常为 电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗匹配作用的射极跟随器由电缆将信号传输到电子 检测仅器中去。 使用时，常将闪烁体、光电倍增管、分压器及射极跟随器安装在一个暗盒中，统称探 头。探头中有时在光电倍增管周围包以起磁屏蔽作用的屏蔽筒（如本实验装置中的磁屏 蔽套筒)以减弱 境 中场的影 电子检测仪器的组成单元则根据闪烁探测器的用途 而异，常用的有高、低压电源，线性放大器，单道或多道脉冲幅度分析器等。 2.单道或多道脉冲格度分析器 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，因此只要测到不同幅度的脉冲数日，就可得到不同能量的粒子数目。由于y 射线与物质相互作用机制的差异，从闪烁探测器中出来的脉冲幅度有大有小，单道脉冲幅 度分析器就起从 幅度脉冲数目的作用 单道冲幅度分析器里有两个甄别电压V 上甄别网片 (此电压可以连续调节)和V,如图5-5-3所示」 V,和V,也称为下甄别国和上面别国.其差值△V 称为窗宽。为保证足够的分辨率.以及减小统 涨落的影响，窗宽的选择不能过大，也不能太小 绘出信号 这样V,和V,就偏 扇窗 ,低于 V或高于Vz的 图5-53单道脉冲幅度分析器分析原鸡 电压信号都被挡住，只有在V:和V:之间的信号才 200

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原子物理与核物理实整第5章 能通过，形成输出脉冲。进行测量时，按△V连续改变V,值就可获得全部能谱。 使用单消脉冲幅度分析器讲行测量既不方便也费时.因此理在多使用多首歌冲幅度分 新器( puls 。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。 四、闪烁能谱仪的主要指标 1.能量分裤 由于单能带电粒子在闪烁体内激发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面是近似地高斯（正态）分布。能量分辨率(energy resolution)的 定义为 7=4×100% (5-5-5) 式中，E为全能蜂对应的能量：△E为全能蜂的半宽度。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，故式(5-5-5)又可以写为： =△C1×100% (5-5-6】 CH 式中，△CH为记数奉极大值一半处的宽度或称半宽度，记作FWHM(full width at half maximum):CH为记数率极大值处所在道数， 能量分罐名的数值越小，仪分排不同能量的本领就越高，面日可以证明能量分辨 和入射粒子能量有关，即 7-×10% (5-5-7) 通常NaI(T)单晶闪烁能谱仪的能量分辨素以Cs的O.662MeV单能Y射线为标 准，它的值一般是10%左右.最好可达6%7%。如图5-5-4所示的7Cs的y能谱中，闪 烁探测器对0.662MeV的y射线的能量分辨率为7.5%。 6000 0.662 MeV,161.18 CH 道数CH 图5-5-4aCs的Y能谱 2.线性与能量刻度 能量的线性(linearity)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 201

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物理实验教程—近代物理尖险 线性范围的大小。NaI(T1)单品的荧光给出在150k©V<E<6MeV的范围内和射线能 量是成正比的。但是Na1(T)单品闪烁能谱仪的线性好坏还取决于仪器的工作状况。例 如，当射线能量较高时光电倍增管后几个电极的空间电荷的影响会使线性变坏。另外，脉 冲线性放大器的线性程度也将影响仪器的线性。为了检查仪器的线性 必须用 组已知 能量的Y射线，在相同的实验条件下分别测量出它们的光电峰位，绘制能量-幅度曲线，称 为能量刻度(energy calibration)曲线（或能 量校正曲线)，如图5-5-5所示。用最小二乘 30 法进行线性拟合，线性度一般在0.99以上」 250 对于未知能量的放射源，由仪器测出脉冲幅 度后利用这种曲线就可以求出射线的能量。 5150 3.坪曲线与本底计数 坪曲线(plateau curve)是人射粒子强度 3100 不变时Nal(TI)单品闪烁能谱仪的计数率随 工作电压变化的曲线。本底计数奉(back 002040.6 nd )是指不加放射源时 Na(TD单品闪烁能谱仪的计数率，主要由 图55 能量刻度曲线 光电倍增管的暗电流、电子学噪声、字宙射线及环境辐射产生，也随工作电压的变化而变 化，在使用Na1(T)单品闪烁能谱仪时，应首先测量坪曲线和本底计数素，然后选择计数 率随电压变化较小、本底计数率相对较低的工作电压。 A稳性 A(T单品闪烁能谱仪的能量分辨率，线性都与稳定性(stability)有关，因此在测量 过程中要求其各组成部分如高压电源，线性放大器，多道脉冲幅度 高的 稳定性并始终能正常工作 五、射线的能谱 Cs的y能谱如图5-5-4所示，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，即粒子的能量。谱线包括三个蜂和一个平台。 峰A是光电峰，也称为全能峰，这一脉冲幅度直接反映y射线的能量，即0.66 MeV。平台状曲线B是康普顿效应的贡献，其特征是散射光子逃逸后留下一个能量从0 到E的连续的电子谱。峰C是反散射峰。Y射线透过闪烁体射在光电倍增管的光阴 极上发生反散射，或y射线在源及周用物质上发生反散射，反散射光子进入闪烁体通过光 电效应而被记录。反散射修对应的y射线的能量为0.184MV.峰D是X射线峰，它是 由Ba的K层特征X射线贡献 的。Cs的月衰变体Ba的O.662MeV激发态在放出内 转换电子后造成K层空位，外层电子跃迁后产 【实验器材】 实验器材包括y射线放射源Co和Cs,Na(TD单品闪烁能谱仪和计算机等 【实验内容】 一、基础性实验内容 (1)连接NI(TI)单品闪烁能谱仪的各部件，先测绘本底计数率随电压变化的关系曲 -202

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0 原子物理与核物理实验第5章 线，再用？Cs放射源测绘坪曲线，确定合适的工作电压。 (2)改变线性放大器的放大倍数，观察Cs的y能谱的光电峰位置变化的规律】 (3)测绘”C的y能谱，识别其光电峰、，反散射峰、X射线峰及康顿边界等 (4)测绘Co的Y能谱，记录光电峰位（两个光电峰的能量分别为1.33MeV和1.1 MeV),结合rCs的Y能谱的光电峰(0.662MeV)和反散射峰(0.184MeV)来标定能谱仪 的能量刻度，绘制能量刻度曲线，并给出能谱的半宽度和分辨率。 二、设计性实验内容 1.实验内 试在现有实验条件的基础上通过查阅文献资料自主设计实验方案完成下列实验 内容。 (1)利用各电子学插件自行搭建单道能谱仪，用示波器观察探头工作状态：调节线相 放大器放大倍数与时间常数，用示波器观察线性放大器输出波形，手动调节单道闲值，测 绘rCs的y能谱 (2)研究Y射线在物质中的吸收规律，尝试用Y射线测量材料的厚度 2实验要求 实验要求为：阐述实验基本原理和方法，说明测量系统组成和实验基本步骤，进行实 际实验测量，选择合理方法处理实验数据，分析与讨论实验结果。 【注意事项】 (1)仪器开机后必须预热30min左右 (2)当工作指示灯亮时切勿关闭仪器 (3)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。 (4)严格按照放射源安全管理规定使用放射源。领用和归还放射源时必须做好登 记。放射源随用随开，用完即盖上。使用完放射源后应用肥皂洗手。 【思考与讨论】 (1)为什么要测量闪烁能谱仪的线性？其线性主要与哪些量有关？线性指标有何 音义9 (2)用闪烁能谱仪测量单能的Y射线时为什么会得到连续分布的能谱？ (3)反散射峰是如何形成的？实验上如何改变反散射峰的高低！ (4)若只有中Cs放射源，能否对闪烁探测器进行大致的能量刻度？ (5)在测得的Cs的Y射线0.662MV全能峰峰位处作一垂线为对称轴，会发现对 称轴低能边计数明显多于对应的高能边计数，试分析全能峰不完全对称的原因。 【参考文献】 1]Marshall F H.Coltman J W.The photo-multiplier radiation detector.Phys. .1947,72(4):528. [2]Kallmann H.Quantitative measurements with scintillation counters.Phys.Rev. 1949,75(4):623-626. 203

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物理实验教程—近代物理实险 [3]复旦大学，清华大学，北京大学原子校物理实验方法.北京：原子能出版壮，1997 「4门汪蜻，陈伯显，庄人进.无机闪年探测器棕球，核电子学与探测技术，2006,26(6) 1039-1045. [5]北京大学，核物理实验.北京：原子能出版社，1984. 「6]戴道宜，戴乐山.近代物理实验，北京：高等教有出版社，2006 [7们刘超卓，孙立杰，牛法富闪烁Y能谱仅工作过程的实验设计，实验技术与管理， 2012.29(10).76-80 [8]刘超卓.Y射线探测，透射、散射系列实验的优化设计.实验技术与管理，2015,32 (2):179-181. [9]陈英琦，陈玲燕，张哲，等.用Y射线能谱法测量材料的吸收系数和厚度同位素， 2004,171):21-26. 实验5-6康普顿散射实验 1922一1923年，美国物理学家康普顿(A.H.Compton)研究了X射线被较轻物质（石 墨、石蜡等)散射后光的成分，发现散射谱线中除有波长与原波长相同的成分外还有些波 长较长的成分，这种现象无法用经典电磁理论解释，被称为康普领散射(Compton scat ng)或者康普顿效应(C 康普顿假设散射过程是光子(phonon)和自由电子的碰撞，该过程中能量守恒，动量 也守恒，光子的一些能量转移给了电子，光子的一些动量也转移给了电子。短波长电磁辐 射射人物质而被散射后，在敢射波中除原波长的波以外还出现波长增大的波，且散射物的 原子序数愈大，散射波中波长增大部分的强度和原波长部分的强度之比就愈小。根据这 一假设理论计算出的散射前后的波长差与实验测量结果完全符合 康普顿效应是继爱因斯坦用光量子说解释光电效应（只涉及光子的能量）之后对光量 子说的又一支持，可以说是进一步证明了光的量子性、微粒性，尤其是光子具有能量、质 量、动量，光与物质相互作用保特能量和动量守相性这些重要概念。这在物理学发展中 上占有极其重要的位置 康普顿因发现康菩顿散射现象于1927年获诺贝尔物理学奖，并当选美国国家科学院 院士，这时他年仅35岁。中国赴美留学的吴有训(Y.H,W0)对康普顿效应的进一步研 究和检验也有很大贡献，因此有时称这一散射现象为康普顿-吴有训效应。 【实验目的】 (1)掌握康菩顿散射的物理模型，学会康普顿散射的测量技术 (2)测量康普顿散射的光子能量及散射微分战面与散射角的关系。 (3)了解康普倾散射微分截面这一重要概念，学习测量散射微分截面的实验技术。 -204

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