NaI（Tl）閃爍譜儀器及射線能譜的測量 射線的吸收與物質吸收系數的測定學 院 數理與信息工程學院 班 級 姓 名 學 號 NaI（Tl）閃爍譜儀器及射線能譜的測量 摘要：閃爍探測器是利用某些物質在射線作用下會發光的特性來探5g射線的儀器。本實驗要利用NaI（Tl）閃爍探測儀來測定射線能譜分布規律。然后，通過分析結果，在得出結論,目的是了解NaI(T )閃爍譜儀原理，特性與結構。掌握NaI(T )閃爍譜儀的使用方法；鑒定譜儀的能量分辯率與線性；并通過對r射線能譜的測量，加深對r射線與物質相互作用的理解。關鍵詞：閃爍譜儀 能譜 射線 NaI（Tl）引言：某些物質的原子核能發生衰變，放出我們肉眼看不見也感覺不到的射線，核輻射主要有、三種射線。我們通過不同的實驗儀器能夠探測到這些肉眼無法看見的射線。本實驗使用的是閃爍譜儀。閃爍譜儀內部含有閃爍體，可以把射線的能量轉變成光能。實驗中采用含TI（鉈）的NaI晶體作射線的探測器。通過查閱相關資料，我了解了閃爍譜儀的基本工作原理以及整個的工作過程：NaI(TI)閃爍探測器的結構如下圖所示。整個譜儀由探頭（包括閃爍體，光電倍增管，射極跟隨器），高壓電源，線性放大器，多道脈沖幅度分析器等組成。閃爍探測器由閃爍體、光電倍增管和相應的電子放大器件三個主要部分組成。（1）閃爍體: 閃爍體是用來把射線的能量轉變成光能的。本實驗中采用含TI（鉈）的NaI晶體作射線的探測器。（2）光電倍增管: 光電倍增管的結構如圖2。它由光陰極K、收集電子的陽極A和在光陰極與陽極之間十個左右能發射二次電子的次陰極D（又稱倍增極、打拿極或聯極）構成。在每個電極上加上正電壓，相鄰的兩個電極之間的電位差一般在100V左右。當閃爍體放出的光子打到光陰極上時，發生光電效應，打出的光電子被加速聚集到第一倍增極D1上，平均每個光電子在D1上打出36個次電子，增值后的電子又為D1和D2之間的電場加速，打到第二倍增極D2上，平均每個電子又打出36個次級電子，這樣經過n級倍增以后，在陽極上就收集到大量的電子，在負載上形成一個電壓脈沖。（3）射極跟隨器：光電倍增管輸出負脈沖的幅度較小，內阻較高。一般在探頭內部安置一級射極跟隨器以減少外界干擾的影響，同時使之與線性放大器輸入端實現阻抗匹配。（4）線性放大器：由于入射粒子的能量變化范圍很大，線性放大器的放大倍數能在101000倍范圍圖 2 百葉窗式光電倍增管示意圖內變化，對它的要求是穩定性高、線性好和噪聲小。開啟實驗儀器工作時射線通過閃爍體，閃爍體的發光強度與射線在閃爍體內損失的能量成正比，即入射線的能量越大，在閃爍體內損失能量越多，閃爍體的發光強度也越大。當射線（如、）進入閃爍體時，在某一地點產生次級電子，它使閃爍體分子電離和激發，退激時發出大量光子（一般光譜范圍從可見光到紫外光，并且光子向四面八方發射出去）。在閃爍體周圍包以反射物質，使光子集中向光電倍增管方向射出去，當閃爍光子入射到光陰極上，就會產生光電子，這些光電子受極間電場加速和聚集，在各級打拿極上發生倍增（一個光電子最終可產生104109個電子），最后被陽級收集。大量電子會在陽極負載上建立起電信號，通常為電流脈沖或電壓脈沖，然后通過起阻抗匹配作用的射極跟隨器，由電纜將信號傳輸到電子學儀器中去。由原子物理學中可知射線與物質的相互作用主要是光電效應、康普頓散射和正、負電子對產生這三種過程，如圖 3所示。 圖 3 射線與物質相互作用示意圖最終實現了能譜圖樣的輸出如下：圖中的橫坐標CH表示道數，與能量成正比，縱坐標表示強度，也就是射線的密集程度，與計數成正比。顯然多于實驗產生了多個峰值，但是B/C/D這三個峰值的能量比較低，不適合我們記錄，為了能夠同時獲得高能量以及大密集度的峰值我們選取最右端的峰值，也就是A峰。這個峰我們又把它稱為全能峰。實驗過程中要保證最終的峰值與圖中A峰的CH（道數）盡量的接近，這樣測得的結果才有實驗價值。正文：實驗設計方案： 實驗所選用的儀器為相對論效應實驗譜儀res-02型 出廠編號0441 放大器型號rs2321、打開實驗儀器，打開計算機。取出放射源Cs和Co，開機預熱二十分鐘；把放射源放在先將放射源放入實驗譜儀中適當的位置，調節放大倍數（大約是0.3），調節高壓（700-900左右）。轉動實驗譜儀上的手柄，使閃爍體的位置對準放射源，使射線能夠剛好入射進入閃爍體。注意，放射源放置時要緊靠通道，位置要正。2、打開軟件，設置掃描時間為300s，將坐標定到160chn，若全能峰不在160上，清除數據調整電壓，直到在160上。分別測的全能譜并分析譜形。利用多道數據處理軟件對所測得的譜形進行數處理，尋峰，半寬度記錄，凈面積記錄，能量刻度，能量分辨率等數據。3、把換成60Co，重復以上步驟；注意，掃描時間為500S，將坐標定到320chn.4、然后將實驗所得圖像保留并打印；5、關閉RS能偶儀的時候要先把儀器上的調節開關全部打到0檔，并把數據調到0再關閉儀器的電源。射線的吸收與物質吸收系數的測定摘要：本實驗研究的主要是窄束射線在金屬物質中的吸收規律。測量射線在不同厚度的鉛、鋁中的吸收系數。通過對射線的吸收特性，分析與物質的吸收系數與物質的面密度，厚度等因素有關。根據已知一定放射源對一定材料的吸收系數來測量該材料的厚度。關鍵詞：射線 吸收系數 60Co、137Cs放射源引言：射線首先由法國科學家P.V.維拉德發現，是繼、射線后發現的第三種原子核射線。原子核衰變和核反應均可產生射線 。射線具有比X射線還要強的穿透能力。射線是處于激發態原子核損失能量的最顯著方式，躍遷可定義為一個核由激發態到較低的激發態、而原子序數Z和質數A均保持不變的退激發過程。射線是光子，光子會與被束縛在原子中的電子、自由電子、庫倫場、核子等帶電體發生相互作用。不同能量的射線與物質的相互作用效果不同，為了有效地屏蔽輻射，需要根據物質對射線的吸收規律來選擇合適的材料及厚度，反之，利用物質對射線的吸收規律可以進行探傷及測厚等。因此研究不同物質對射線的吸收規律的現實意義非常巨大，如在核技術的應用與輻射防護設計和材料科學等許多領域都有應用。正文：1實驗原理1.1 射線與帶電體的作用原理射線與帶電體的相互作用會導致三種效應中的一種。理論上講，射線可能的吸收核散射有12種過程。這些效應所釋放的能量在10KeV到10MeV之間的只有三種，也就是基本上每種相互作用都產生一種主要的和吸收散射過程。這三種主要過程是：1.1.1光電效應：低能光子所有的能量被一個束縛電子吸收，核電子將其能量的一部分用來克服原子對它的束縛，成為光電子；其余的能量則作為動能，發生光電效應。1.1.2 康普頓效應：光子還可以被原子或單個電子散射，當光子的能量（約在1MeV）大大超過電子的結合能時，光子與核外電子發生非彈性碰撞，光子的一部分能量轉移給電子 ，使它反沖出來，而散射光子的能量和運動方向都發生了變化，發生康普頓效應。1.1.3 電子對效應：若入射光子的能量超過1.02MeV，光子在帶電粒子的庫侖場作用下則可能產生正、負電子對，產生的電子對總動能等于光子能量減去這兩個電子的靜止質量能(2mc2=1.022MeV) 1.2 三種射線與帶電體發生相互作用的基礎上，物質對射線的吸收規律如下：1.2.1作用特點：射線與物質原子間的相互作用只要發生一次碰撞就是一次大的能量轉移；它不同于帶電粒子穿過物質時，經過許多次小能量轉移的碰撞來損失它的能量。帶電粒子在物質中是逐漸損失能量，最后停止下來，有射程概念；射線穿過物質時，強度逐漸減弱，按指數規律衰減，不與物質發生相互作用的光子穿過吸收層，其能量保持不變，因而沒有射程概念可言，但可用“半吸收厚度”來表示射線對物質的穿透情況。1.2.2吸收規律：本實驗研究的主要是窄束射線在物質中的吸收規律。所謂窄束射線是指不包括散射成份的射線束，通過吸收片后的光子，僅由未經相互作用或稱為未經碰撞的光子所組成。“窄束”一詞是實驗上通過準直器得到細小的束而取名。這里所說的“窄束”并不是指幾何學上的細小，而是指物理意義上的“窄束”，即使射線束有一定寬度，只要其中沒有散射光子，就可稱之為“窄束”。窄束射線在穿過物質時，由于上述三種效應，其強度就會減弱，這種現象稱為射線的吸收。射線強度隨物質厚度的衰減服從指數規律，即 （21）其中，I0、I分別是穿過物質前、后的射線強度，x是射線穿過的物質的厚度（單位cm），r是光電、康普頓、電子對三種效應截面之和，N是吸收物質單位體積中的原子數，是物質的線性吸收系數（=rN，單位為cm）。顯然的大小反映了物質吸收射線能力的大小。需要說明的是，吸收系數是物質的原子序數Z和射線能量的函數，且：式中、分別為光電、康普頓、電子對效應的線性吸收系數；其中：、（Z為物質的原子序數）。射線與物質相互作用的三種效應的截面都是隨入射射線的能量Eg和吸收物質的原子序數Z而改變。射線的線性吸收系數是三種效應的線性吸收系數之和。右圖給出了鉛對射線的線性吸收系數與射線能量的線性關系。實際工作中常用質量厚度Rm（g/cm2）來表示吸收體厚度，以消除密度的影響。因此（31）式可表達為 （22）由于在相同的實驗條件下，某一時刻的計數率N總與該時刻的射線強度I成正比，又對（32）式取對數得： （23）由此可見，如果將吸收曲線在半對數坐標紙上作圖，將得出一條直線，如右圖所示。可以從這條直線的斜率求出，即 （24）除吸收系數外，物質對g射線的吸收能力也經常用“半吸收厚度”表示。所謂“半吸收厚度”就是使入射的g射線強度減弱到一半時的吸收物質的厚度，記作： （25）2實驗裝置2.1實驗器材放射源137Cs和60Co(強度1.5微居里)；200mmAl窗NaI(Tl)閃爍探頭；高壓電源、放大器、多道脈沖幅度分析器；Pb、Cu、Al吸收片若干；微機。2.2實驗裝置連接方式做射線吸收實驗的一般做法可按如上圖（a）所示，在源和探測器之間用中間有小圓孔的鉛磚作準直器。吸收片放在準直器中間,前部分鉛磚對源進行準直；后部分鉛磚則濾去射線穿過吸收片時因發生康普頓散射而偏轉一定角度的那一部分射線，從而確保射線為窄束射線。這樣的裝置體積比較大，且由于吸收片前后兩個長準直器使放射源與探測器的距離較遠，因此放射源的源強需在毫居里量級。但它的窄束性、單能性較好，因此只需閃爍計數器記錄。本實驗中，在源的源強約2微居里的情況下，由于專門設計了源準直孔（312mm），基本達到使射線垂直出射；而由于探測器前有留有一狹縫的擋板，更主要由于用多道脈沖分析器測能譜，就可起到去除射線與吸收片產生康普頓散射影響的作用。因此，實驗裝置就可如上圖（b）所示，這樣的實驗裝置在輕巧性、直觀性及放射防護方面有前者無法比擬的優點，但它需要用多道分析器，在一般的情況下，顯得有點大材小用，但在本實驗中這樣安排，可以說是充分利用現有的實驗條件。3實驗步驟1) 調整實驗裝置，使放射源、準直孔、閃爍探測器的中心位于一條直線上。2) 在閃爍探測器和放射源之間加上0、1、2 片已知質量厚度的吸收片（所加吸收片最后的總厚度要能吸收射線70%以上），進行定時測量（建議t=1200秒），并存下實驗譜圖。3) 計算所要研究的光電峰凈面積Ai=Ag-Ab，這樣求出的Ai就對應公式中的Ii、Ni。4) 分別用作圖法和最小二乘法計算吸收片材料的質量吸收系數。5) 依照上述步驟測量Pb、Al對137Cs的射線（取0.661MeV光電峰）的質量吸收系數。6) 測量Pb、Al對60Co的射線（取1.17、1.33MeV光電峰或1.25MeV綜合峰）的質量吸收系數（選做）。7) 利用Al對137Cs的射線（取0.661MeV光電峰）的質量吸收系數測Al片厚度。4數據處理4.1 137Cs與60Co為伽馬放射源的全能譜見附件。4.2 以下是在以金屬Al測試以137Cs為放射源的Al吸收系數的測定1）鋁塊對射線的吸收測量：參數設置，預置時間300s，高壓電源667V，放大倍數0.3倍，全譜道數512道，擴展道數128道，位置40.5cm鋁塊數量R(g/c)計數總計數率峰位半高寬凈面積分辨率一塊2.4017698325th=163.251.73chn-1632251.06%兩塊2.40+2.441460770163.271.59chn-1369400.97%三塊2.40+2.44+2.421230723163.111.34chn-1215110.82%四塊2.40+2.44+2.42+2.43987687163.101.11chn-977930.68%2）鉛塊對射線的吸收測量：參數設置，預置時間300s，高壓電源667V，放大倍數0.3倍，全譜道數512道，擴展道數128道，位置40.5cm鉛塊數量R(g/c)計數總計數率峰位半高寬凈面積分辨率一塊2.4016326834th=163.423.14chn-1501681.92%兩塊2.40+2.4413605654th=162.902.30chn-1298371.41%三塊2.40+2.44+2.4210634673th=163.012.68chn-1013291.64%四塊2.40+2.44+2.42+2.438763914th=163.112.34chn-804931.43%3）137Cs全能峰的測量：參數設置，預置時間300s，高壓電源667V，放大倍數0.3倍，全譜道數512道，擴展道數128道，道數160道137Cs刻度（cm）總計數率峰位半高寬凈面積分辨率位置一40.518232th=157.53chn14.90chn335829.46%位置二40.718642th=157.44chn15.17chn486449.63%位置三40.317512th=157.44chn14.95chn397149.5%4）60Co全能峰的測量參數設置，預置時間500s，高壓電源668V，放大倍數0.3倍，全譜道數512道，擴展道數128道，道數320道60Co刻度（cm）總計數率峰位半高寬凈面積分辨率位置一40.54125th=318.24chn15.69chn17584.93%位置二40.74244th=314.68chn18.20chn12985.78%位置三40.33825th=323.77chn16.56chn12645.12%5 數據分析運用公式2-4式對十組數據所得的進行求平均可以計算出Al對射線的吸收系數為:Pb對射線的吸收系數為:Al=0.0780cm-1，相對誤差=59.8%Pb對射線的吸收系數為:Pb=0.8698cm-1，相對誤差=28.