实验5放射性 涨落误差测定及与伽马能谱的测量.doc

放射性 涨落误差测定及与伽马能谱的测量 一、实验目的 了解NaI(TI)闪烁谱仪的原理、特性与结构，掌握NaI(TI)闪烁谱仪的使用方法； 了解核衰变放射性计数统计误差的意义，加深对测井曲线统计性涨落变化的理解。 掌握能量刻度方法，鉴定谱仪的能量分辨率，并通过对射线能谱的测量，加深对射线与物质相互作用规律的理解。 二、实验原理 原子核的能级跃迁能产生射线，测量射线的能量分布，可确定原子核激发态的能级，研究核蜕变纲图，这对于放射性分析，同位素应用及鉴定核素等都有重要意义。射线强度按能量的分布即能谱，测量能谱常用的仪器是闪烁能谱仪。该能谱仪的主要优点是：既能探测各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子；既能测量粒子强度，又能测量粒子能量；并且探测效率高，分辨时间短。它在核物理研究和放射性同位素的测量中得到广泛的应用。 2.1结构框图及工作原理 NaI(TI)闪烁探测器的结构如图1。整个谱仪由探头（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等组成。 图 1 NaI(TI)闪烁探测器示意图 首先介绍闪烁探测器的基本组成部分和工作过程。 1、基本组成部分 闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子放大器件三个主要部分组成。 （1）闪烁体:闪烁体是用来把射线的能量转变成光能的。本实验中采用含TI（铊）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2。它由光阴极K、收集电子的阳极A和在光阴极与阳极之间十个左右能发射二次电子的次阴极D（又称倍增极、打拿极或联极）构成。在每个电极上加上正电压，相邻的两个电极之间的电位差一般在100V左右。当闪烁体放出的光子打到光阴极上时，发生光电效应，打出的光电子被加速聚集到第一倍增极D1上，平均每个光电子在D1上打出3～6个次电子，增值后的电子又为D1和D2之间的电场加速，打到第二倍增极D2上，平均每个电子又打出3～6个次级电子，这样经过n级倍增以后，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。 图 2 百叶窗式光电倍增管示意图 （3）射极跟随器：光电倍增管输出负脉冲的幅度较小，内阻较高。一般在探头内部安置一级射极跟随器以减少外界干扰的影响，同时使之与线性放大器输入端实现阻抗匹配。 （4）线性放大器：由于入射粒子的能量变化范围很大，线性放大器的放大倍数能在10～1000倍范围内变化，对它的要求是稳定性高、线性好和噪声小。 （5）多道脉冲幅度分析器： 多道脉冲分析器的功能是把线性脉冲放大器的输出脉冲按高度分类，若线性脉冲放大器的输出是0-10V，如果把它按脉冲高度分成500级（或称500道）则每道宽度为0.02v,也就是输出脉冲的高度按0.02v的级差来分类。在实际测量时，我们保持道宽?v不变，逐点增加V0，这样就可以测出整个谱形。 2、工作过程 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，即入射线的能量越大，在闪烁体内损失能量越多，闪烁体的发光强度也越大。当射线（如、）进入闪烁体时，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（一般光谱范围从可见光到紫外光，并且光子向四面八方发射出去）。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，当闪烁光子入射到光阴极上，就会产生光电子，这些光电子受极间电场加速和聚集，在各级打拿极上发生倍增（一个光电子最终可产生104～109个电子），最后被阳级收集。大量电子会在阳极负载上建立起电信号，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学仪器中去。 2.2射线与物质的相互作用 射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和电子对产生这三种过程，如图 3所示。 ????????? 图 3 射线与物质相互作用示意图 1．光电效应：入射粒子把能量全部转移给原子中的束缚电子，光子本身消失而把束缚电子打出来形成光电子这个过程称为光电效应。由于束缚电子的电离能一般远小于入射射线的能量，所以光电子的动能近似等于入射射线的能量。 ??????????????????????? （ 1） 2.康普顿散射：核外自由电子与入射射线发生康普顿散射。根据动量守恒的要求，散射与入射只能发生在一个平面内。设入射光子能量为，散射光子能量为′，康普顿散射后散射光子能量与散射角θ的关系为： ?????????????????? （ 3） 式中，即为入射射线能量与电子静止质量所对应的能量之比。由式（3）可知，当时，这时，即不发生散射；当时，散射光子能量最小，它等于，这时康普顿电子的能量最大，为 ??????????????????? （ 4） 3.电子对的产生 当射线能量超过（1.022MeV）以后，光子受原子核或电子的库仑场的作用可能转化成正、负电