实验5放射性 涨落误差测定及与伽马能谱的测量.docx

《实验5放射性 涨落误差测定及与伽马能谱的测量.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验5放射性 涨落误差测定及与伽马能谱的测量.docx（9页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、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(T I)闪烁谱仪的原理、特性与结构，掌握NaI(T I)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F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y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，

2、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

3、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D上，平均每个光电子在D上打出36个次电子， 增值后的电子又为D和D之间的电场加速，打到第二倍增极D上，平均每个电 子又打出36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

4、。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101000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

5、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、月）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104109 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

6、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 鸟一般远小于入射射线的能量球，所以光电子的动能近似等于入射/射线的能 量。耳电=&-占产&( 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。设入射光子能量为激，散射光子能量 为龙史，康普顿散射后散射光子能量与散射

7、角0的关系为：心一；1 +戒1一*切(3)hv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，当日时蜘住如，这时玖=%即不发生散射；当日=1时时， hv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2峰疽(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、负电子对，称为电子对效应。此时光子能量 可表示为两个电子的动能，如玖=% + 将，其中，2%疽=1。2场F。2.3射线能谱图由137C的衰变可知137C只放出单一能量的/射线(E=0.662MeV)。因此能量 小于电子对的产生阈1.022MeV

8、，所以i37Cs的/射线与Nal(TI)晶体的相互作用只 有光电效应和康普顿散射两个过程，其形状如图4。图4康普顿峰和单能光电峰又由于/谱仪存在一定的能量分辨率，实际测的能谱相对于图4中单线存在 一定的能量宽度，形状如图5。图5 NaI(T I)单晶闪烁谱仪测量的13，Cs/能谱图A峰又称全能峰，这一幅度直接反映V射线的能量0.662MeV。有时康普顿散 射产生的散射光子如若未逸出晶体，仍然为NaI(TI)晶体所吸收，也即通过光 电效应把散射光子的能量如转换成光电子能量，而这个光电子也将对输出脉冲 作贡献。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

9、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，即码+肋，也就是入射射线的能量济。所以这一过程所 形成的脉冲将叠加在光电峰1上使之增高。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 n & riV从O到 1+必的连续的电子谱。峰C是反散射峰。由/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/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。返回的/光子能量 hV = E- =0.184TL ULJjl峰D是X射线峰，

10、它是由137Ba的K层特征X射线贡献的，137Cs的。衰变 体137Ba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，其能量32KeV。2. 2放射性涨落误差的测量原理由于原子核的放射性，衰变存在统计涨落。因此多次测量相同时间间隔内的 放射性计数，即使保持相同的实验条件，每次测量的结果并不相同，而是围绕某 一平均值上下涨落，有时甚至有很大差别。对于大量原子核，经过时间f后，平均地说其数目将按指数规律召我衰减，只为衰变常数，它与放射源半衰期之间满足公式：。在邛寸间内平均衰变的原子核的数目幽为(1)在，时间内，统计平均看，在打个原子核中有n个核发生衰变的几率为

11、( 2)设原子核总数陌1，测量时间远小于放射源的半衰期T，即，也 即衰变数n远小于粒子总数叫。这时式（2）分子中的（陌-1），（-2），.， （NfT）均可用V代替，于是有( 3)由式（1）可知，这时m = ，则有抑.（ 4）这就是泊松分布。如果在时间间隔内平均衰变次数为欧，则在时间间隔 ，内衰变数为n出现的几率为p（n）。放射性计数的统计性是放射性原子核衰变本身固有的特性，与使用的测量 仪器及技术无关。通常把欧看作是测量结果的最可几值，把起伏带来的误差称为 统计误差，它的大小用标准误差a来描述。设一次测量得到的总计数为川，它的标准误差就用构来表示，它的相对 标准误差为竺一而_ 1财一斯（4）

12、由此看出：核衰变测量的统计误差决定于测量的总计数陌的大小，川越大， 绝对误差越大而相对误差却越小。设对某个计数率吗作了 f时间的测量，则总计 数，计数率屿的统计误差为（5）由上式可看出：测量时间越长，误差越小。利用上式可以计算吗的误差； 反过来也可以由误差要求，计算测量需用的时间。测量时就按照算出的时间进行 测量，以免不必要地耽误很多时间或者误差过大。对一组测量数据可以把它们直接和一个理论分布比较，从而检验这组数据是 否符合该理论分布。对于实验上测得的一组数据站（i=1，2，k）首先求其平 均值计算(8)然后对于上述的测量数据叫按下述区间来分组，各区间的分界点为：434 各区间的中心值为22统

13、计测量结果出现在各区间内的次数站或频率夫,茂，以次数夫或频率乩/ * 作为纵坐标，各区间的中心值为横坐标，作频率直方面。将所得到频率直方面与 平均值礼标准误差为 =屈的高斯分布曲线比较。通过比较可以定性地判 断测量数据分布是否合理，以及是否存在其它不可忽略的偶然误差因素。三、实验装置实验器材包括：BH1324A-4096型微机多道/谱仪的基本系统（由FJ374 能谱探头、线性放大器（AMP）、4096道模数变换器（ADC），电脑接口及计算 机等五部分组成）；/放射源137CS和6Co （强度21.5微居里）；200mAI 窗Nal（TI）闪烁探头；高压电源、放大器、方框图如图6。线性放大器将对

14、从探测器输出的电脉冲信号进行适当的放大，然后再送入模 数变换器（ADC）。ADC的主要任务是把模拟量（电压幅度）变换为脉冲数码并 对模拟量进行选择。变换出的脉冲数码经电脑接口送入计算机的一个特定内存 区。高压电源供给探测器所需高压及低压。四、实验内容1、连接好实验仪器线路，经教师检查同意后接通电源。2、开机预热后，选择合适的工作电压使探头的分辨率和线性都较好。3、利用多道数据处理软件对所测得的谱形进行数据处理，分别进行光滑化、寻 峰、半宽度记录、峰面积计算、能量刻度、感兴趣区处理等工作并求出各光电峰 的能量分辨率。4、根据坪曲线的实验结果选取适当的工作电压，并确定放大倍数使谱形在多道 脉冲分析

15、器上分布合理。工作状态稳定后，重复进行至少100次以上独立测量放 射源总计数率的实验（建议进行150-200次，每次定时15或20秒）。5、整理测量数据，统计放射性涨落误差及规律4、分别测 Ms或60Co的全能谱并分析谱形，指明光电峰、康普顿平台和反散 射峰。五、思考题1、简述NaI（TI）闪烁探测器的工作原理。答: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（如尸、歹）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

16、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104109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、指出测量谱中各个峰值的形成原因？答：全能峰，这一幅度直接反映F射线的能量0.662MeV。有时康普顿散射产生的 散射光子尿若未逸出晶体，仍然为NaI（TI）晶体所吸收，也即通过光电效应把 散射光子的能量如转换成光电

17、子能量，而这个光电子也将对输出脉冲作贡献。 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，即玖+，也就是入射射线的能量涤。所以这一过程所形成的脉 冲将叠加在光电峰1上使之增高。平台状曲线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.2a 如O到 1+如的连续的电子谱。反散射峰由y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。返回的y光子能量W =览一览蜒=0.184X射线峰它是由137Ba的K层特征X射线贡献的，137Cs的B衰变体137Ba 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，其能量32KeV。3. 利用测量到的谱的峰值能量对闪烁探测器进行大致的能量刻度？4. 横坐标道对应能量和测量电压各是多少？5. 改变工作电压和放大倍数，谱形将发生怎样的变化，为什么会发生这种现象？2. 什么是放射性核衰变的统计性？它服从什么规律？3. 为什么说以多次测量结果的平均值来表示放射性测量时，其精确度要比单次 测量值高？