成理工核辐射测量方法实验指导.docx

实验一放射性统计涨落现象的认识一、实验目的：1 .了解放射性衰变的统计涨落现象和规律。2 .了解统计误差的概念，掌握计算统计误差的方法。3 .统计检验放射性衰变涨落的概率分布类型。4 .学会用列表法和作图法表示实验结果。二、实验器材：1 .Y总量检测仪（KZGO3C辐射总量检测仪）2 .片状Cs137源（单能丫源：0.662MeV）三、实验内容：1 .在相同实验条件下，对某一放射性物质进行重复测量100次。2 .在相同的测量条件下，重复测量装置的放射性本底（计数）。3 .用列表法和作图法分别表示实验结果，并与理论分布曲线进行比较。4 .作父检验，确定放射源和本底计数的概率分布类型。四、实验原理：1.基本知识放射性现象就是不稳定的核素自发地放出粒子或Y射线，或在轨道电子俘获后放出X射线，或产生自发裂变的过程。在不稳定的核素中有天然放射性核素，也有人工放射性核素。天然放射性核素发生衰变时，会放出。、B、Y射线。人工放射性核素还可以辐射出质子或中子等。放射性自发衰变，一般不受温度、压力的影响，并按一定的指数规律变化。在放射性测量中我们发现测量条件虽然没有发生变化，而测量结果并不完全一样，即放射源在每单位时间内发生衰变的原子数目是不同的，时多时少，有起有伏，但是它比较集中地在某一范围内波动，而这种现象就是放射性衰变的统计涨落。出现这种现象的原因在于放射性原子核的衰变是自动发生的，哪一个原子核发生衰变是带有偶然性的，先后顺序并不确定。由概率统计理论可知，随机现象可用伯努里试验来研究，并可以证明，当放射性原子核数目较多时，其衰变产生的计数分布(也即为核衰变分布)服从泊松分布。即:(N)P(N)=1NlN-n(1-1)(1-2)e(0<7V<20)或者为正态分布:(N)NPg=匕(-7r2-(N>20)其中，岳，为计数的平均值和均方差，N为相等时间间隔内单次测量的计数，P(N)是计数为N的概率。应当指出，部值比较大时，由于N值出现在期望值附近的概率也比较大，此时均方差为=TTN(1-3)。的大小反映了计数的涨落性大小，也即反映了核衰变的涨落性大小。F的大小反映了核衰变的集中趋势。单次测量计数N及统计误差（用均方差。表示）与平均值之间的关系可以用式（1-3）表示。放射性衰变规律服从泊松分布或正态分布是一客观规律。若辐射仪器能正确的反映出这个规律，说明仪器性能良好，可以使用于放射性测量工作。2. X2检验从数学上可以证明，在一定条件下放射性衰变的涨落性符合泊松分布或正态分布，但是它需要测量结果验证。验证的方法是将实测数据的分布与数学上导出的理论分布进行比较，作统计假设检验。五、实验步骤：1 .由指导老师或自己在实验场所及附近设定一条测线进行不同测点放射性Y总量测量。每隔10秒记数，每一个测量点记数3次取均值。2 .在实验室内找一定点，在同一条件下进行多次重复性测量（每隔10秒记一次数，不少于100次），然后以平均值N为中心，以6/2为组距统计画出落在计数落在N±6、N±26、N±3区间内的概率，与理论值相比较。（6为均方差）六、数据分析与处理：1.用标准误差和标准偏差相比较：数据分布（高斯分布）的标准误差。二=J-（.-/V）2有限次测量的标准偏差NKTM由计算结果得到的标准误差和标准偏差。比较，说明这组数据的可靠性。表1测量的原始数据测量次数计数(nl)计数(n2)计数(n3)均值(N)12345678100根据表1测得的数据在平面直角坐标上画出测线的放射性水平示意图(注：用测点表示横坐标，测点间距要求大体一致；用每个测点的计数表示纵坐标)。2.用置信区间内的概率比较，结合频率分布直方图，可得到概率统计如下:表2测量数据的置信分布情况置信区间区间范围个数实验概率理论概率N±(a,b)68.3%N±2(c,d)95.5%万±3(e,f)99.7%频率直方图例图1计数落在N±8区间内的概率为84%（理论68.3%）,落在N±2区间内的概率为94%（理论95.5%）,落在N±38区间内的概率为七、实验结论与心得体会：八、思考题：1 .衰变服从什么规律，核辐射测量的两个基本特征是什么？2 .统计误差的意义是什么？九、参考文献：1 .复旦大学、清华大学、北京大学合编原子核物理实验方法原子能出版社1998o2 .美格伦F.诺尔辐射探测与测量原子能出版社1988o3 .贾文懿核地球物理仪器原子能出版社1982。4 .周容生核方法原理及应用地质出版社1994。5 .张锦由主编放射性方法勘查实验原子能出版社1992。6 .丁富荣等编著辐射物理北京大学出版社2004o实验二Y射线的吸收一、实验目的：1、了解Y射线在物质中的吸收规律；2、测量射线在不同介质中的吸收系数。二、实验器材：1、KZGo3C辐射检测仪一台；2、Csl37点放射源一个；3、铅准直器一个；4、40×40×dcm3的水泥、铝、铁、铜、铅吸收屏若干块（附屏支架）；5、手套、长钳夹子、尺子、绳子各一套。三、实验原理：天然射线与物质相互作用的三种主要形式：光电效应、康普顿散射和形成电子对效应。由于三种效应的结果，Y射线通过物质时发生衰减（吸收），其总衰减系数应为三者之和：=+实验证明，丫射线在介质中的衰减服从指数规律：I-I（iedI=IOe'ndm=（-1.XwO）/Am=（-1.n（II0）dm式中：I为射线经过某一介质厚度的仪器净读数（减去本底）；I。为起始射线未经过介质的仪器净读数（减去本底）；d为介质厚度，单位为cm;.为介质面密度，单位为gcm2；为Y射线经过介质的线吸收系数，单位为ClIII,为丫射线经过介质的质量吸收系数，单位为gc11）2;半吸收厚度：为使射线强度减少一半时物质的厚度，即四、实验内容：1 .选择良好的测量条件（窄束），测量CS源的Y射线在同一组吸收屏（水泥、铝、铁、铜、铅）中的吸收曲线，并由半厚度定出吸收系数；2 .用最小二乘拟合的方法计算出吸收系数与1中的结果进行比较；3 .测量不同散射介质时（同一角度，同一厚度）Y射线的强度。五、实验步骤：1 .吸收实验1）调整装置，使放射源、准直孔、探测器的中心在一条直线上；2）测量本底I。'；3）将源放入准直器中，测量无吸收屏时射线强度I。”；4）逐渐增加吸收屏，并按相对误差在N±的要求测出对应厚度计数IJ,每个点测三次取平均植；5）更换一种吸收屏，重复步骤4,测量时注意测量条件不变。吸收实验装置原理图：中卫至客田六、数据分析与处理:1.吸收实验:介质厚度(Cln)O5-5一一5一一-O.11.22?(O<1)5表1本底数据读数1读数2读数3均值表2有放射源无吸收介质数据读数1读数2读数3均值Io=I<i»-I本底表3有介质时Y射线吸收实验记录表日期：工作时间：气候：实验地点：主要设备：铅准直器、辐射检测仪、吸收屏实验介质：实验条件：指导老师：操作者：记录者：检查者：序号厚度(cm)读数1读数2读数3均值I=I平均-I本底1.n(IZIo)1234567例图1丫射线在不同介质中的吸收曲线-1.5i-2、2.5-3-3.5-4-4.5水泥-铅铝铁线性线性线性线性7尼l77¼yM铅铝铁水ffz(介质厚度(cm)o-o.5例图2Y射线在不同介质中的拟合吸收曲线表4吸收系数比较介质原子序数半厚度(Cm)吸收系数系InTg)拟合吸收系数(CmTg)水泥多种元素铝13铁26铅82七、实验结果和心得体会:参考文献：1贾文懿核地球物理仪器原子能出版社1998；2美格伦F.诺尔辐射探测与测量原子能出版社1988。实验二射线的与散射实验一、实验目的：1、了解Y射线在物质中的散射规律；2、观测康普顿散射随散射介质、厚度及散射角度的变化关系。二、实验器材：1、KZGo3C辐射检测仪一台；2、Csl37点放射源一个；3、铅准直器一个；4、40×40×dcm3的水泥、铝、铁、铜、铅吸收屏若干块（附屏支架）；5、手套、长钳夹子、尺子、绳子各一套。三、实验原理：康普顿效应：入射的光子和原子中的一个电子的弹性相互作用。入射的光子相对于原来的方向被偏转一个角度。，光子将其一部分能量传递给电子（假定原来是静止的），此称为反冲电子。由于各种角度的散射都是可能的，所以传递给电子的能量可能是从零到射线能量的一大部分。射线通过介质发生康普顿散射的概率。与光子能量h及介质原子序数Z有关，当hU毗2时，贝I有8NZhln（2h/mc2）+l2,可见，光子能量减弱时，康普顿散射效应上升；介质原子序数及密度增大四、实验内容：1.测量不同散射介质时（同一角度，同一厚度）射线的强度;2 .求出不同介质的散射饱和厚度；3,测量散射光子强度I与散射角e间的变化规律。五、实验步骤：2.散射实验调整装置，测量本底I。'；2)将源放入准直器中，把探测器放在散射角A位置上，测量无吸收屏时射线强度I。”；3)依次放置不同厚度的散射介质，在散射角A位置上，测出相应厚度计数1.',每个点测三次取平均值;4)更换一种散射屏，重复步骤3,测量时注意测量条件不变;5)把探测器分别置于与入射角成20°、40°、60°、80°角时测量Y射线的强度吸收与散射I作出I。与散射角固定散射物质变化角度散射装置图的曲线图。六、数据分析与处理:1.散射实验：表5本底数据读数1读数2读数3均值表6有放射源无吸收介质数据读数1读数2读数3均值Io=I<i»-I本底表7有介质时射线散射(固定角度)实验记录表日期：工作时间：气候：实验地点：主要设备：铅准直器、辐射检测仪、吸收屏实验介质：实验条件：指导老师：操作者：记录者：检查者：序号厚度(cm)读数1读数2读数3均值I=I平均T本底123456789根据测量数据作出散射射线强度与散射介质厚度的变化曲线图表8介质：厚度为射线散射(变化角度)实验记录表日期：工作时间：气候：实验地点：主要设备：铅准直器、辐射检测仪、吸收屏实验介质：实验条件：指导老师：操作者：记录者：检查者：序号角度(°)读数1读数2读数3均值I=I平均一I木底1100212031404160根据测量数据作出散射射线强度与散射角度变化的曲线关系图七、实验结果和心得体会：参考文献：1贾文懿核地球物理仪器原子能出版社1998；2美格伦F.诺尔辐射探测与测量原子能出版社1988。实验四土壤氢测量一、实验目的：1、掌握测氮仪器的使用；2、掌握现场测氮方法。二、实验器材：1、FD3017RaA测氮仪或CDI2000自动换片型土壤测氨仪；2、样片三、实验原理：FD-3017RaA型测氯仪主要由抽气泵和测量操作台两部分组成，抽气泵除了完成抽气外，还起到了贮存收集子体的功能。当氮气经干燥器被抽入筒内后，随即开始衰变，并产生新的子体RaA,它在初始形成的瞬间是为带正电的离子，本仪器就是利用它的带电特性，采用加高压的方式对其进行收集，使RaA离子在电场作用下被浓集在带负高压的金属片上，在经过一段时间加高压收集后，取出金属片放入到操作台探测器内测量RaA的射线计数，其强度将与氨浓度成正比，按下式即可直接计算氮浓度：Q=J*Ncjra式中：.为氢浓度（爱曼）NaRQA为RaA的计数/为换算系数（爱曼/脉冲），由标定确定，此系数包括了装置的子体收集效率和探测器效率等因素。本仪器对放射性的测量采用金硅面垒型半导体探测器，它具有较高的灵敏度与高分辨率，当射线进入到探测器的灵敏层后，将产生电子空穴对，并在电场作用下向两极运动，形成脉冲电流，在负载电阻R上产生电压脉冲，经电荷灵敏放大器及出放大器放大后，送入弹道脉冲幅度甄别器，剔除低能噪声及RaC的高能干扰脉冲，仅通过测量RaA,最后进入计数电路，在液晶屏上显示出来，这就是FD-3017RaA测氨仪的工作过程。FD-3017RaA测氨仪是一种新型的测氮仪，它利用静电场收集氮衰变的第一代子体-一RaA作为测量对象。它是一个携带式的、高灵敏的、快速的、准确的现场测量仪器。该仪器主要应用于土壤中定量测量氢的浓度。如地质和水文地质勘探中的普查和详测；亦可应用于放化测镭、寻找地下水源、地震预报、环境保护、科研教学等部门的测试工作。四实验步骤(1)充电：仪器内部装有可充电电池。测量前一天晚上请插上充电器(可使用18至20V,2IA直流稳压电源)，仪器外接电源指示灯亮。充电结束后“充电满”指示灯亮，仪器自动停止充电。(2)连接探头电缆与高压电缆。(3)打开测氨仪主机电源，1.CD显示屏上显示"Welcome"字样，否则请按“复位”按键。天黑或黑暗处可按一下“背光”按键，但注意打开显示屏照明会加大功耗，减少电池使用时间。(4)使用钢钎与铁锤在土壤地面上打一引孔，深度为0.5米左右。(5)将空气采样器插入引孔中，确保采样器与周围土壤间不漏气。(6)在抽器筒收集室中放入一片金属收集片，印有“Ra”字样一面朝上。(7)抽一筒气：三通连接器上和抽气筒上3个空气阀均打至“开”，向上拉抽气筒拉杆至顶部后向右旋转，锁住。关闭三通连接器上进气阀(没有染红色的一个)。(8)排气：抽气筒上空气阀打至“排”,向左旋转抽气筒拉杆后向下压至底部。(9)重复步骤6,抽一筒气，按仪器主机上“工作方式键”，1至2秒后记下压强最小值。(10)等待120秒后,在仪器提示Takesample"后15秒内，将抽器筒收集室中金属收集片移到探头测量室中。(11)等待120秒，记下测量计数。(12)重复步骤7至10,重新测量2次，取三次测量计数(或测量计数与压强的比值)的平均值作为本点最终测量结果。(13)测量过程有误操作或仪器异常，可按复位键后重复步骤7至10,重新测量。五数据处理与分析用FD-3017RaA测氮仪测量壤中氮的时候，由于各种不同土壤类型有着不同的孔隙度以及同种土壤类型的水分含量各不相同，所以每次抽气时所贮存在仪器内的气体体积都不尽相同。设所测得大气压为P1.抽气泵内的体积为乂，温度为T'测量抽取的气体压强为尸2,实际所抽气体体积为匕，温度为刀生二名牵*.4二匕由T1T2k;T2又因为在野外测量时，力与笃的温差很小（TI心1）,则在一定体积范围内，FD-3017RaA测氢仪收集RaA子体的金属片在没有饱和的情况下，所得的氮浓度应与实际所抽体积成正比关系，因此得式子：Av.Nckaaap2N-=C.N则设壤中氢计数修正值N'，乙匕PJCV（%、匕均为常量）所以在用FD-3017RaA测氨仪测量时，修正系数就是尸？1数据记录点号/线号测点测点坐标计数修正值2图形绘制3分析氨浓度变化的原因实验五天然/能谱测量-实验目的1 .初步认识几种放射性核素在Nal(Tl)谱仪中形成的丫能谱；2 .了解微机多道能谱以及Nal(Tl)谱仪系统的特点，并学会操作使用该系统；3 .掌握测量和分析天然放射性(40-K、226-Ra、232-Th)水平的原理和方法；二实验器材NaI(TI)闪烁探测器，微机多道能谱仪，137Cs源。三实验原理利用碘化钠晶体和光电倍增管组成的闪烁计数器，把具有一定能量的光子变为电脉冲，且输出的脉冲幅度与入射光子能量成正比。通过对脉冲幅度的分析，从而得到光子能量的分布，这就是能谱仪进行能谱分析的基本原理。但是用能谱仪测得的放射源的谱，与放射源产生的起始谱有很大差别，这种由能谱仪测量得到的、被复杂化的核辐射原始线谱称为仪器谱。放射性核素与辐射的能量间存在一一对应关系，辐射的含量与能量的强度存在正比关系。在y射线与闪烁体发生光电效应时，y射线产生的光电子动能给出为：Ee=E-Bi其中，Bi为K、1.M等壳层中电子的结合能。在y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3。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。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：E=(Ey-Bi)+Ex=Ey所以，由光电效应形成的脉冲幅度就直接代表了P射线的能量。在康普顿效应中，/光子把部分能量传递给次级电子，而自身则被散射。反冲电子动能为E=Ae1+EY(I-cos)散射光子的散射角为6；/为电子静止能量(0.51IMeV)o为方便起见上式可近似写成：E+J2E(1-cos)散射光子能量也可近似写成：EE(1)，1+¾(1-cos)当6=180°时，即光子向后散射，称为反散射光子。电子前冲，而且获得反冲最大，此时(2)1+EE(=180°)=J(3)1 4£当初始y光子在Nal(Tl)晶体中，首次发生的效应是康普顿效应时，散射光子有两种可能性：或逃逸出晶体，或继续在晶体中产生次级效应(光电效应及康普顿效应)。若是逃逸出晶体，则留下的反冲电子形成能谱；若留在晶体中，则所有次级效应产生的光电子能量与首次康普顿效应产生的光电子能量之和正好等于原始V射线能量，即和光电效应产生的脉冲幅度是一样的，相应于y光子的全部能量。四结果分析及数据处理1) 一个典型的NaI(Tl)谱仪测到的137Cs源的0.662MeV/能谱2) y射线能量比较高的情况的实例五实验结论与心得体会：六实验结论与心得体会：参考文献1复旦大学、清华大学、北京大学合编，原子核物理实验方法(上册)，原子能出版社,1981年。21北京大学、复旦大学主编，核物理实验，原子能出版社，1984年。3张锦由主编，放射性方法勘查实验，原子能出版社，1992年。4 丁富荣、班勇、夏宗璜编著，辐射物理，北京大学出版社，2004年。5曹利国、章晔编著，核地球物理勘查方法，原子能出版社，1991年。6贾文懿编著，核地球物理仪器原子能出版社，1998。实验六r射线厚度测量实验目的5 了解散射r射线与特征r射线的关系2利用r射线散射效应及材料对r射线的吸收效应模拟测量镀层材料厚度3利用所学知识解释r射线与物质相互作用队实验结果造成的影响实验器材NaI闪烁探测器、IED20001型微机多道能谱仪、PC机、2加Am放射源、铅砖、纸实验原理如上图，若不考虑镀层材料（轻物质）对r射线的散射作用，放射源放出的特征r射线（强度为1.）穿过镀层材料而衰减到1.且1.=IOe如。1.在基底材料（重物质）上发生散射，散射射线中的一部分（强度为1.）指向探头。在基底材料厚度不变、探头位置及角度固定的情况下，I2与Ii近似地成比例关系，即I2=KIio这些散射射线穿过镀层材料，被衰减为h并被探头接收，近似地13=be-u物。因此，在纯理想情况下探头测得的散射r射线强度I与放射源放出的特征r射线初始强度I0以及镀层材料厚度d的关系为I=KIOe-U+叫实验步骤1调节仪器至正常状态2测量24Am放射源的r能谱，确定其散射射线对应的仪器道址范围3测量本底4以铅破作为基底材料，将探头和241Am放射源按一定角度固定在铅砖一侧，探头和2尔Am放射源之间用铅屏蔽5在没有镀层材料的情况下，测量特征r射线在铅砖上形成的散射射线强度KI06以纸作为镀层材料，逐渐加厚纸层，记录纸层厚度d（纸张数），并测量队员的散射射线强度I7根据实验结果绘制I-d曲线结果讨论将所得曲线与理论公式进行比较。根据所学知识，解释在实际情况下，射线与物资相互作用对实验结果造成哪些影响。实验七空气中氨气测量一、实验目的:1、掌握测氮仪器的使用；2、掌握现场测氮方法。二、实验器材：1、RAD7型空气测氮仪或FT648型测氢仪；三、实验原理：氧-222是惰性气体-发射器，不会粘着任何材料，也不会与任何材料发生反应。它的半衰期是3.825天。某一个氨核随时都会衰变，但最可能的是在现在与离现在8天（两个半衰期）之间发生衰变。氢核衰变时，会放出能量为5.49MeV的粒子，核素随之变为钵-218,针核决不会再变回氨，针原子是金属，倾向于粘在与他们相接触的表面上，例如，空气中的灰尘颗粒或墙壁或我们的肺里。针-218核的半衰期很短，只有3.05分，之后就衰变（半衰期的1.443倍就是平均寿命），象氨一样，针-218核衰变时放出粒子，能量为6.OOMevoRAD7的内部样品腔是一个0.7升的半球，内部涂层为电导电体。在半球的中心是一个固态的、离子植入的、平面的、硅a探测器。高压电源电路将内部导电器充电到2000到2500伏（相对于探测器）在整个腔体内形成一个电场。这个电场将正电粒子推向探测器。如图2-1所示。在腔里衰变的氯-222核留下了转变的针-218,带正电子的离子。腔体内的电场将这个带正电的离子赶向探测器并吸附在那里。当短寿命的针-218核在探测器活性表面衰变时，其a粒子有50%的概率进入探测器，并产生强度与a粒子能量相称的电信号。相同的核素随后的衰变产生不被探测的B粒子，或者具有不同能量的Q粒子。不同的同位素具有不同的a能量，能在探测器中产生不同的强度信号。RAD7按照强度放大、过滤和分选信号。在吸气模式，它仅使用针-218信号来确定氨气浓度，使用针-216信号来确定牡气浓度，忽略了随后的长寿的氨继承元素。这样，RAD7对氯气浓度能快速响应，并能从高浓度环境中迅速恢复。四、实验步骤1准备工作首先我们应该把要测量的房间密闭12个小时以上，保证与外界无空气交换。然后准备好仪器RAD7,实验室干燥设备（一个大管干燥剂，一端有螺帽）置于入口处的过游器，一端有套管、另一端带衬垫的一段管材、打印机和打印机适配器。开动RAD7,按菜单,进入“设置”命令，按提示设置好小时、分钟、秒钟、年、月和日期，按回车键以确认每次的设置。随后继续以下的步骤：（八）将过滤器附在管材上（用衬垫将它推到底）（b）从干燥管上小心移去两个塑料帽，将塑料管带有套管的一端附在干燥管离螺帽最远的管材配件上。如图2-3所示。（C）将其过滤器附在RAD7入口端上，这样空气取样系统设置好就可以进行测试了。(d)给RAD7插上电源，并开启电源。(e)按菜单、回车,进入test,选择“testpurge”(测试净化)。(f)按回车，泵启动。(g)设置打印机，给打印机适配器插上电源。（三）将打印机放在面板绿线之间。(i)净化一段时间，直到内部湿度小于10%后可停止。(j)在“设置”中设置协议、格式。(k)启动“testStart”，开始测量。2测量地点仪器放在房间中央，如用干燥筒，应离地1米，勿靠近墙壁，通风口、壁炉、窗户、气流处，避免阳光直射。若用小干燥管，则要确保空气进气口至少离地75厘米，远离墙体。3测量条件首先选择半小时的周期时间和约4到5个周期进行快速测量，如果在两个小时的测量中，氨浓度上升或超过4pCi1.的界限，可以确认在2天或更长时间测量中，其结果肯定会超过4pCi1.,这就要进行长时间的测量，以便取得更精确的数据。4数据记录表格XXX区空气中氨浓度数据表使用仪器型号：地点：XXX区天气状况：测量日期：点号测点坐标文件名测量时间氨浓度不确定数氢浓度平均值5图形绘制1)XXX区空气中氨浓度数据图XXX区空气中氟浓度数据图翅浓度IOooo321bCQ)w毯场图上32）固定点不同时间氧浓度图：XXX区点号XX(喧/bs超旌蛹图4-5XXX点号XX口氨浓度8642(信、名)旭炭尽O14:1014:3014:5015:1015:30时间图4-63）同一测量点不同时间段氟浓度数据分析4）不同测量点数据结果分析实验八验证距离平方反比率一、实验目的：1 .学会根据实验精度要求选择测量时间和测量次数；2 .学会用线性最小二乘法拟合实验数据；3 .理解距离平方反比率的意义和实际指导作用。二、实验器材：1、总量检测仪（KZG03C辐射总量检测仪）；2、Cs-137点源一个；3、铅准直器、铅皮套和铅板若干。三、实验原理：设有一点源向各个方向均匀地发射光子（Y光子），若单位时间发射的光子数为No,测量以点源为球心、以R为半径的球面上，单位时间将有No个光子穿过（假设空间无辐射、吸收与散射等作用理想条件），因此在离源R处单位时间单位面积上通过的丫光子数为：令C二上，当放射源的强度I一定时，则C为常数，但是通常情况下4源在不停的衰变，因此No也随时在变小，故我们在做实验时一般视很短时间内NO不变。所以可得以下公式：,C1I/卞=F四、魁骤：1、 由指导老师或自己在实验场所及附近设定一条测线进行不同测点放射性总量测量。每隔10秒记数，每一个测量点记数3次取均值。2、 在实验室内找一定点，在同一条件下进行多次重复性测量(每隔10秒记一次数，不少于100次)，然后以平均值N为中心，以/2为组距统计画出落在计数落在N±、N±2、N±3区间内的概率，与理论值相比较。(为均方差)五、数据分析与处理：1 .不同地点测量结果：表1测量的原始数据地点计数(nl)计数(n2)计数(n3)均值(N)12345678910根据表1测得的数据在平面直角坐标上画出测线的放射性水平示意图（注：用测点表示横坐标，测点间距要求大体一致；用每个测点的计数表示纵坐标）。2 .固定地点测量结果：表2测量的原始数据次数计数率次数计数率1262273284295306317328339341035113612371338143915例图1计数落在N±区间内的概率为84%,落在N±2区间内的概率为94%,落在N±3区间内的概率为98%,基本符合正态分布。六、实验结论与心得体会:七、思考题：1、 衰变服从什么规律，核辐射测量的两个基本特征是什么？2、 统计误差的意义是什么？八、参考文献：1 .复旦大学、清华大学、北京大学合编原子核物理实验方法原子能出版社1998；2 .美格伦F.诺尔辐射探测与测量原子能出版社1988；3 .贾文懿核地球物理仪器原子能出版社1982；4 .周容生核方法原理及应用地质出版社1994。实验九NaIen)单晶/能谱的认识与分析一实验目的1 .初步认识几种放射性核素在Nal(Tl)谱仪中形成的Y能谱；2 .了解数字化多道谱仪系统(ISPeter2000)以及Nal(Tl)谱仪系统的特点，并学会操作使用该系统；3 .掌握测量和分析天然放射性(40-K>226-Ra、232-Th)水平的原理和方法；二实验器材NaI(Tl)闪烁探测器、铅室、ISPeter2000数字化多道谱仪、环境放射性标准样品，137Cs源，计算机。三实验原理利用碘化钠晶体和光电倍增管组成的闪烁计数器，把具有一定能量的光子变为电脉冲，且输出的脉冲幅度与入射光子能量成正比。通过对脉冲幅度的分析，从而得到光子能量的分布，这就是能谱仪进行能谱分析的基本原理。但是用能谱仪测得的放射源的谱，与放射源产生的起始Y谱有很大差别，这种由能谱仪测量得到的、被复杂化的核辐射原始线谱称为仪器谱。放射性核素与辐射的能量间存在一一对应关系，辐射的含量与能量的强度存在正比关系。在y射线与闪烁体发生光电效应时，Y射线产生的光电子动能给出为：Ee=EY-Bi其中，Bi为K、1.、M等壳层中电子的结合能。在V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0。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。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：E=(Ey-Bi)+Ex=Ey所以，由光电效应形成的脉冲幅度就直接代表了y射线的能量。在康普顿效应中，y光子把部分能量传递给次级电子，而自身则被散射。反冲电子动能为EV(I-COSG)散射光子的散射角为J；成户为电子静止能量(0.51IMeV)o为方便起见上式可近似写成：2E(l-cos)散射光子能量也可近似写成：EE«(1)1+2耳(1-cos)当6=180°时，即光子向后散射，称为反散射光子。电子前冲,而且获得反冲最大，此时1+-E(=180°)=当初始P光子在Nal(Tl)晶体中，首次发生的效应是康普顿效应时，散射光子有两种可能性：或逃逸出晶体，或继续在晶体中产生次级效应(光电效应及康普顿效应)。若是逃逸出晶体，则留下的反冲电子形成能谱；若留在晶体中，则所有次级效应产生的光电子能量与首次康普顿效应产生的光电子能量之和正好等于原始y射线能量，即和光电效应产生的脉冲幅度是一样的，相应于y光子的全部能量。四结果分析及数据处理以NaI(Tl)谱仪测得的/能谱分析说明为主。1) 一个典型的NaI(TI)谱仪测到的i37cs源的0.662MeV/能谱图1上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射线的能量。上面已经分析过，这一峰中包含光电效应及多次效应的贡献。能量分辨率为8%。脓冷度平台状曲线B就是康普顿散射效图INa(Tl)闪烁谱仪测得的,37Cs能谱应的贡献，它的特征是散射光子逃逸后留下一个能量从O到0/(1+1/40)的连续的电子谱。峰C是反散射峰。当y射线射向闪烁体时，总有一部分Y射线没有被闪烁体吸收而逸出。当它与闪烁体周围的物质发生康普顿效应时，反散射光子返回闪烁体，通过光电效应被记录，这就构成反散射峰。当然，在放射源衬底材料中，以及探头的屏蔽材料中产生的反散射光子同样有可能对反散射峰做出贡献。从(3)式都可看出，反散射光子能量总是在20OkeV左右，因此在能谱图上较易识别。峰D是X射线峰，它是由137Ba的K层特征X射线贡献的mCs的6衰变子体0Ba的0.662MeV激发态，在放出内转换电子后，造成K空位，外层电子跃迁后产生此X光子。康普顿边E的能量为0.480MeV,由式(2)可理论得出。2) V射线能量比较高的情况的实例此时，和物质相互作用会出现电子对效应，这时能谱更加复杂。以24Na源为例，它放出两种能量V射线，即Ey=1.38MeV和2.76MeVo图2是实验测得的能谱图。图中最右边的峰为2.76MeV的y射线在Nal(Tl)晶体产生的全能峰。能量为号=2.76MeV的Y射线在NaI(Tl)晶体中主要产生电子对效应，这时正负电子对具有的总动能为：Ez+Ee-=E-2n0c2-Ey-1.02MeV,它比Ey少去一对正负电子的静止能量(1.02MeV)O这一电子对动能消耗在Nal(TI)中用于闪烁发光。另外，当正电子动能消耗殆尽时，它就与碘化钠晶体原子中的电子产生湮灭作用，转化为二个光子：e+e-»u,其中w=0.51IMeV。这两个能量为0.51IMeV的光子称为湮灭光子，它们在Nal(Tl)晶体中有三种可能趋向：（1）两个湮灭光子能量全部消耗在晶体中，它们的总能量1.02MeV加到上面讲的E.+E.产ee生的闪烁过程中去。所以谱仪记录到的能量为（E.+E一）ee+1.02MeV=%=2.76MeV,就是全能峰。图2Naen）闪烁谱仪测得的24Na源V能谱0.5IMeV,这就是图上的单逃逸峰。它对应的能量为（2）两个湮灭光子中有一个逃逸出闪烁晶体，于是谱仪记录到的能量比全能峰少去纥，+E1.0,51MeV=与一0.5IMeV=2.25MeV（3）两个湮灭光子全部逃逸，对应的能量为Ez+Ee.=E-1.02MeV=1.79MeV相应于图上的