NaI(TI)单晶r能谱仪-复旦大学物理教学实验中心FudanPhysics.doc

影响能量分辨率的因素能谱α、β、r射线）探测器，广泛用于核物理实验。它利用一些物质在射线作用下的发光效应对射线进行探测，而这些发光物质就是闪烁题。本实验目的是了解整个仪器的工作原理，熟练其结构，并掌握用闪烁谱仪测量r谱的原理和基本方法，这里主要分析一下关于本实验产生和影响能量分辨率的因素影响能量分辨率的因素137Ｃｓ60Ｃｏ能量分辨率r能谱1. r射线与物质（闪烁体）的相互作用 r射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程。 （１）光电效应。入射r粒子把能量全部转移给原子中的束缚电子，而把束缚电子打出来形成光电子。由于束缚电子的电离能Ｅ1一般远小于入射r射线能量Ｅr，所以光电子的动能近似等于入射r射线的能量Ｅ光电＝Ｅr－Ｅ1≈Ｅr （a） （２）康普顿散射。核外电子与入射r射线发生康普顿散射的示意图见图1.2-1。设入射γ光子能量为ｈν′，散射光子能量为ｈν′，则反冲康普顿电子的动能：Ｅe＝ｈν－ｈν′康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为????????? （1.2-1）式中，即为入射r射线能量与电子静止质量所对应的能量之比。由式（1.2-1），当θ＝０时ｈ＝ｈ，这时Ee＝０，即不发生散射；当θ＝１８０°时，散射光子能量最小，它等于ｈ／（１＋２α），这时康普顿电子的能量最大为　　　 （1.2-2）所以康普顿电子能量是连续分布的，在０至之间变化。 （３）正、负电子对产生。当r射线能量超过２ｍ0ｃ2（1.022ＭｅＶ）时，r光子受原子核或电子的库仓场的作用可能转化成正、负电子对。入射r射线的能量越大，产生正、负电子对的几率也越大。在物质中正电子的寿命是很短的，当它在物质中消耗尽自己的动能，便同物质原子中的轨道电子发生湮没反应而变成一对能量各为0.511ＭｅＶ的r光子。 2. 闪烁谱仪结构与工作原理及讨论 　ＮａＩ（Ｔｌ）闪烁谱仪结构如图1.2-2。整个仪器由探头（包括闪烁体、光电倍增管、射极跟随器），高压电源，线性放大器、多道脉冲幅度分析器几部分组成。射线通过闪烁体时，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比。带电粒子（如α、β粒子）通过闪烁体时，将引起大量的分子或原子的激发和电离，这些受激的分子或原子由激发态回到基态时就放出光子；不带电的r射线先在闪烁体内产生光电子、康普顿电子及正、负电子对（当Ｅγ＞1.02ＭｅＶ时），然后这些电子使闪烁体内的分子或原子激发和电离而发光。闪烁体发出的光子被闪烁体外的光反射层反射，会聚到光电倍增管的光电阴极上，打出光电子。光阴极上打出的光电子在光电倍增管中倍增出大量电子，最后为阳极吸收形成电压脉冲。每产生一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。由于电压脉冲幅度与粒子在闪烁体内消耗的能量（产生的光强）成正比，所以根据脉冲幅度的大小可以确定入射粒子的能量。利用脉冲幅度分析器可以测定入射射能谱。 （１）闪烁体。闪烁体是用来把射线能量转变为光能的。闪烁体分无机闪烁体和有机闪烁体两大类。实际运用中依据不同的探测对象和要求选择不同的闪烁体。本实验中采用含铊（Ｔl）的NaI晶体作射线的探测器。 （２）光电倍增管。光电倍增管的结构如图1.2-3。它由光阴极Ｋ、收集电子的阳极Ａ与在阳极与光阴极之间十个左右能发射二次电子的次阴极（又称倍增极、打拿极或联极）构成，相邻的两个电极之间的电位差一般在100Ｖ左右。当闪烁体发出的光子打到光阴极时，它打出的光电子被加速聚焦到第一倍增极Ｄ1上，平均每个光电子在Ｄ1上打出３～６个次级电子，增殖的电子又为Ｄ1和Ｄ2之间的电场加速，打到第二个倍增极Ｄ2上，平均每个电子又打出３～６个次级电子，……这样经过ｎ级倍增后，在阳极上就收集到大量的电子，在负载上形成一个电压脉冲。 4. 闪烁谱仪对137Ｃｓ单能射线的响应 由于137Ｃｓ只放出单一能量的射线（Ｅ＝0.662ＭｅＶ）。而此射线能量小于正、负电子对的产生阈1.02ＭｅＶ。所以Ｃｓ的射线与ＮａＩ（Ｔｌ）晶体的相互作用只有光电效应和康普顿散射两个过程。图1.2-5给出了用ＮａＩ（Ｔｌ）晶体谱仪所测得的137Ｃｓ的能谱，其中１号峰相应于光电峰，１号峰左面的平台相应于康普顿电子的贡献。如果康普顿散射产生的散射光子ｈ未逸出晶体，仍然为ＮａＩ（Ｔｌ）晶体所吸收，也即通过光电效应把散射光子的能量ｈ转换成光电子能量，而这个光电子也将对输出脉冲做贡献。由于上述整个过程是在很短时间内完成的，这个时间比探测器形成一个脉冲所需的时间短得多，所以先产生的康普顿电子和后产生的光电子，二者对输出脉冲的贡献是叠加在一起形成一个脉冲。这个脉冲幅度所对应的能量，是这两个电子的能量之和，即Ｅe＋ｈ＝ｈ，即等于入射射线的能量。所以这一过程所形成