閃爍譜儀測(cè)量γ射線能譜

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1、大學(xué)物理三級(jí)實(shí)驗(yàn)·閃爍譜儀測(cè)γ射線能譜實(shí)驗(yàn)名稱：閃爍譜儀測(cè)γ射線能譜實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.掌握閃爍頻譜儀的工作原理和使用方法；2.學(xué)會(huì)譜儀的能量標(biāo)定方法；3.測(cè)量137Cs和60Co的γ射線能譜。實(shí)驗(yàn)原理：（以下原理部分摘自教學(xué)資源實(shí)驗(yàn)講義，詳見手寫預(yù)習(xí)報(bào)告）根據(jù)原子核結(jié)構(gòu)理論，原子核的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，存在著分立能級(jí)。處在能量較高的激發(fā)態(tài)能級(jí)上的核，當(dāng)它躍遷到低能級(jí)上時(shí)，就發(fā)射γ射線（即波長(zhǎng)約在1nm~0.1nm間的電磁波）。放出的γ射線的光量子能量，此處h為普朗克常數(shù)，ν為γ光子的頻率。由此看出原子核放出的γ射線的能量反映了核激

2、發(fā)態(tài)間的能級(jí)差。因此測(cè)量γ射線的能量就可以了解原子核的能級(jí)結(jié)構(gòu)。測(cè)量γ射線能譜就是測(cè)量核素發(fā)射的γ射線強(qiáng)度按能量的分布。1．閃爍譜儀測(cè)量γ射線能譜的原理閃爍能譜儀是利用某些熒光物質(zhì)，在帶電粒子作用下被激發(fā)或電離后，能發(fā)射熒光（稱為閃爍）的現(xiàn)象來測(cè)量能譜的。這種熒光物質(zhì)常稱為閃爍體。i.閃爍體的發(fā)光機(jī)制閃爍體的種類很多，按其化學(xué)性質(zhì)不同可分為無機(jī)晶體閃爍體和有機(jī)晶體閃爍體。有機(jī)閃爍體包括有機(jī)晶體閃爍體、有機(jī)液體閃爍體和有機(jī)塑料閃爍體等。此處僅對(duì)常用的無機(jī)晶體閃爍體的發(fā)光機(jī)制作簡(jiǎn)單介紹。最常用的無機(jī)晶體是鉈激活的碘化鈉單晶閃爍體，

3、常寫為NaI(T1)，屬離子型晶體，是絕緣體，按固體物理的概念，其能帶結(jié)構(gòu)是在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間有比較寬的禁帶。如有帶電粒子進(jìn)入到閃爍體中，引起后者產(chǎn)生電離或激發(fā)過程，即可能有電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶或激發(fā)到激帶，然后這些電子再退激到價(jià)帶的可能過程之一是發(fā)射光子。這種光子的能量還會(huì)使晶體中其他原子產(chǎn)生激發(fā)或電離過程，也就是光子可能被晶體吸收而不能被探測(cè)到。為此在晶體中摻入少量的雜質(zhì)原子稱為激活原子，如在碘化鈉晶體中摻入鉈原子，其關(guān)鍵作用是可以在低于導(dǎo)帶和激帶的禁帶中形成一些雜質(zhì)能級(jí)，見圖2.2.1-1示意圖。這些雜質(zhì)原子會(huì)捕獲一些自由

4、電子或激子到達(dá)雜質(zhì)能級(jí)上，然后以發(fā)光的形式退激發(fā)到價(jià)帶，這就形成了閃爍過程的發(fā)光，而這種光因能量小于禁帶寬度而不再被晶體吸收，不再會(huì)產(chǎn)生激發(fā)或電離。這說明只有加入少量激活雜質(zhì)的晶體才能成為實(shí)用的閃爍體。對(duì)于無機(jī)晶體NaI(T1)而言，其發(fā)射光譜最強(qiáng)的波長(zhǎng)是415nm的藍(lán)紫光，其強(qiáng)度反映了進(jìn)入閃爍體內(nèi)的帶電粒子能量的大小。應(yīng)選擇適當(dāng)大小的閃爍體，可使這些光子一射出閃爍體就被探測(cè)到。（2）γ射線與物質(zhì)的相互作用　　　γ射線光子與物質(zhì)原子相互作用的機(jī)制主要有以下三種方式：1.光電效應(yīng)2.康普頓效應(yīng)3.電子對(duì)效應(yīng)綜上所述，γ光子與物質(zhì)

5、相遇時(shí)，通過與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)或電子對(duì)效應(yīng)而損失能量，其結(jié)果是產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，如光電子、反沖電子或正負(fù)電子對(duì)。次級(jí)帶電粒子的能量與入射γ光子的能量直接相關(guān)，因此，可通過測(cè)量次級(jí)帶電粒子的能量求得γ光子的能量。PB06000603何宇10/22/20219/9大學(xué)物理三級(jí)實(shí)驗(yàn)·閃爍譜儀測(cè)γ射線能譜閃爍γ能譜儀正是利用γ光子與閃爍體相互作用時(shí)產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，進(jìn)而由次級(jí)帶電粒子引起閃爍體發(fā)射熒光光子，通過這些熒光光子的數(shù)目來推出次級(jí)帶電粒子的能量，再推出γ光子的能量，以達(dá)到測(cè)量γ射線能譜的目的。γ能譜的形狀閃爍γ

6、能譜儀可測(cè)得γ能譜的形狀，圖2.2.1-6所示是典型的γ射線能譜圖。圖的縱軸代表單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)目即射線強(qiáng)度，橫軸代表脈沖幅度即反映粒子的能量值。從能譜圖上看，有幾個(gè)較為明顯的峰，光電峰，又稱全能峰，其能量就對(duì)應(yīng)γ射線的能量。這是由于γ射線進(jìn)入閃爍體后，由于光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子，能量關(guān)系見式（1），如果閃爍體大小合適，光電子停留在其中，可使光電子的全部能量被閃爍體吸收。光電子逸出原子會(huì)留下空位，必然有外殼層上的電子躍入填充，同時(shí)放出能量的X射線，一般來說，閃爍體對(duì)低能Ｘ射線有很強(qiáng)的吸收作用，這樣閃爍體就吸收了的全部能量，所以光

7、電峰的能量就代表γ射線的能量，對(duì)，此能量為0.661ＭeＶ。即為康普頓邊界，對(duì)應(yīng)反沖電子的最大能量。背散射峰是由射線與閃爍體屏蔽層等物質(zhì)發(fā)生反向散射后進(jìn)入閃爍體內(nèi)，形成的光電峰，一般峰很小。4．譜儀的能量刻度和分辨率（1）譜儀的能量刻度閃爍譜儀測(cè)得的γ射線能譜的形狀及其各峰對(duì)應(yīng)的能量值由核素的蛻變綱圖所決定，是各核素的特征反映。但測(cè)得的光電峰所對(duì)應(yīng)的脈沖幅度（即峰值在橫軸上所處的位置）是與工作條件有關(guān)系的。如光電倍增管高壓改變、線性放大器放大倍數(shù)不同等，都會(huì)改變各峰位在橫軸上的位置，也即改變了能量軸的刻度。因此，應(yīng)用γ譜儀測(cè)定

8、未知射線能譜時(shí)，必須先用已知能量的核素能譜來標(biāo)定譜儀的能量刻度，即給出每道所對(duì)應(yīng)的能量增值Ｅ。例如選擇的光電峰＝0.661ＭeＶ和的光電峰PB06000603何宇10/22/20219/9大學(xué)物理三級(jí)實(shí)驗(yàn)·閃爍譜儀測(cè)γ射線能譜、等能量值，先分別測(cè)量?jī)珊怂氐摩媚茏V，得到光電峰所