核物理实验报告.doc

闪烁γ能谱测量实验报告

张传奇2012012784

一、实验目的

1.加深对γ射线和物质相互作用的理解。

2.掌握NaI(Tl)γ谱仪的原理及使用方法。

3.学会测量分析γ能谱。

4.学会测定γ谱仪的刻度曲线。

二、实验仪器

FH1901NaI(Tl)闪烁谱仪、SR-28双踪示波器、137Cs放射源、60Co放射源

三、实验原理

1、γ射线与物质相互作用

γ射线与物质相互作用主要有光电效应、康普顿散射及电子对效应。

在光电效应中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗与光电子脱离原子束缚所需的能量，另一部分就作为光电子的能量，所以，释放出来的光电子能量就是入射光子的能量和该束缚电子所处的电子的壳层的结合能Bγ之差，因此

E光电子=Eγ-Bi=Eγ

即光电子的动能近似等于γ射线的能量。值得注意的是，由于必须满足动量守恒定律，自耦电子不能吸收光子能量二成为光电子。光电效应的发生除入射光子和光电子之外，还需一个第三者参加，这个第三者就是发射光电子之后剩余下来的整个原子，它带走一些反冲能量，由于他的参加，动量和能量守恒才能满足。

康普顿散射是γ光子与原子外层电子相互作用的结果。这是γ光子与物质中“自由”电子（包括束缚甚弱的电子）非弹性散射的过程，根据散射过程中的动量守恒和能量守恒定律可求得散射电子（又称康普顿电子）的动能为：

式中m0c2为电子静止能量，?为γ光子的散射角，v为散射光子频率。

发生康普顿效应时，散射光子可以向各个方向散射。对于不同方向的散射光子，其对应的反冲电子的能量也不同。因而，即使入射γ光子的能量是单一的，反冲电子的能量的确实随散射角连续变化的。

电子对效应时γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑力的作用下，γ光子转化为一个正电子和一个富电子的过程。根据能量守恒定律，只有当入射光子的能量hv大于m0c2，即大于1.02Mev时，才能发生电子对效应，与光电子效应相似，电子对效应除涉及入射光子和电子对意外，必须要有原子核参加。

2、能谱分析

γ射线与闪烁体发生光电效应时，γ射线产生的光电子动能为：

其中Bi为K、L、M等壳层中电子的结合能。在γ射线能区，光电效应主要发生在K壳层，此时K壳层留下的空穴将为外层电子所填补，跃迁时将放出X光子，其能量为Ex。这种X光子在闪烁晶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。上述两个过程几乎是同时发生的，因此闪烁体得到的能量将是两次光电效应产生的

光电子能量和：

所以，由光电效应形成的脉冲幅度就直接代表了γ射线的能量。

在康普顿效应中，γ光子把部分能量传递给次级电子，自身则被散射。反冲电子(次级电子)动能为：

散射光子能量可近似写成：

式中θ为散射γ与入射γ射线的夹角（散射角）。

当θ=180°时，即光子向后散射，称为反散射光子；此时

I(Tl)谱仪测得Cs137的γ能谱：

如下图所示，测得的γ能谱有三个峰和一个平台。最右边的峰A称为全能峰，这一

脉冲幅度直接反映γ射线的能量即0.661MeV；上面已经分析过，这个峰中包含光电效应

及多次效应的贡献，本实验装置的闪烁探测器对0.661MeV的γ射线能量分辨率9%。

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到的连续的电子谱。

峰C是反散射峰。由γ射线透过闪烁体射在光电倍增管的光阴极上发生康普顿反散射或γ射线在源及周围物质上发生康普顿反散射，而反散射光子进入闪烁体通过光电效应而被记录所致。这就构成反散射峰。

反射峰的能量为

3、谱仪的能量分辨率和能量刻度曲线

闪烁单晶γ谱仪最主要的指标是能量分辨率和线性

由于单能带电粒子在闪烁体内损失能量引起的闪烁发光所放出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而近似为高斯分布。能量分辨率的定义是：

?U是峰值一半处的宽度，通常叫半宽度；U峰值对应的幅度，即峰位。因为输出幅度可以变化为射线的能量，如果线性良好，可以直接变为

W表示谱仪能区分的能量很靠近的两条蒲县的本领，或者说它代表了谱仪能够分辨的两种能量很相近的能量差的相对值的极限。显然，W越小越好，表示它能将靠的很近的谱线分开，对于一台谱仪来说，近似的有

即谱仪的分辨率还与入射例子的能量有关。通常NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的能量分辨率以Cs137的0.661MeV单能γ射线为准，它的值一般是10%左右，最好可达6%~7%。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。谱仪的能量分辨率，线性的正常与否与谱仪的稳定性有关。因此在