实验六和实验七NaI(TI)闪烁谱仪及r能谱的测量+γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定教学文案.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。实验六和实验七NaI(TI)闪烁谱仪及r能谱的测量+射线的吸收与物质吸收系数的测定-实验一NaI(Tl)单晶闪烁谱仪一实验目的1 了解闪烁探测器的结构、原理。2 掌握NaI(Tl)单晶闪烁谱仪的几个性能指标和测试方法。了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。二实验内容1 学会NaI(Tl)单晶闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用,调试一台谱仪至正常工作状态。2 测量137Cs、60Co的能谱,求出能量分辨率、峰康比、线性等各项指标,并分析谱形。3 了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶谱测
2、量中的数据采集及其基本功能。数据处理(包括对谱形进行光滑、寻峰,曲线拟合等)。三原理1 NaI(Tl)闪烁探测器概述核辐射与某些物质相互作用会使其电离、激发而发射荧光,闪烁探测器就是利用这一特性来工作的。下图是闪烁探测器组成的示意图。首先简要介绍一下闪烁探测器的基本组成部分和工作过程。闪烁探测器有闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。上图中探测器最前端是一个对射线灵敏并能产生闪烁光的闪烁体,当射线(如、b)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
3、集中向光电倍增管方向射出去。光电倍增管是一个电真空器件,由光阴极、若干个倍增极和阳极组成;通过高压电源和分压电阻使阳极、各倍增极和阴极间建立从高到低的电位分布。当闪烁光子入射到光阴极上,由于光电效应就会产生光电子,这些光电子受极间电场加速和聚焦,在各级倍增极上发生倍增(一个光电子最终可产生104109个电子),最后被阳极收集。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。实用时常将闪烁体、光电倍增管、分压器及射极跟随器安装在一个暗盒中,统称探头;探头中有时在光电倍增管周围包以起磁屏蔽作用的屏蔽筒(如本实验装置
4、),以减弱环境中磁场的影响;电子仪器的组成单元则根据闪烁探测器的用途而异,常用的有高、低压电源,线性放大器,单道或多道脉冲分析器等。归结起来,闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程:1) 射线进入闪烁体,与之发生相互作用,闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发;2) 受激原子、分子退激时发射荧光光子;3) 利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上,由于光电效应,光子在光阴极上击出光电子;4) 光电子在光电倍增管中倍增,数量由一个增加到104109个,电子流在阳极负载上产生电信号;5) 此信号由电子仪器记录和分析。NaI(Tl)单晶闪烁谱仪的主要指标:1) 能量分
5、辨率:由于单能带电粒子在闪烁体内损失能量引起的闪烁发光所放出的荧光光子数有统计涨落;一定数量的荧光光子打在光电倍增管光阴极上产生的光电子数目有统计涨落。这就使同一能量的粒子产生的脉冲幅度不是同一大小而近似为高斯分布。能量分辨率的定义是:(11)由于脉冲幅度与能量有线性关系,并且脉冲幅度与多道道数成正比,故又可以写为(12)CH为记数率极大值一半处的宽度(或称半宽度),记作FWHM(FullWidthathalfmaximum)。CH为记数率极大处的脉冲幅度。显然谱仪能量分辨率的数值越小,仪器分辨不同的能量的本领就越高。而且可以证明能量分辨率和入射粒子能量有关。(13)通常NaI(Tl)单晶闪烁
6、谱仪的能量分辨率以137CS的0.661MeV单能射线为标准,它的值一般是10%左右,最好可达67%。2)线性能量的线性就是指输出的脉冲幅度与带电粒子的能量是否有线性关系,以及线性范围的大小。NaI(Tl)单晶的荧光输出在150KeVE3eV,NaI为7.0eV。也存在另一种情况:在闪烁晶体中产生的电子空穴对仍束缚着,称为“激子”,它们在晶格中一起运动,在外电场中无净电流产生,其能带在导带之下,称为“激带”。自由的导带电子和价带空穴可以复合成激子,激子也可以吸收热运动能量变成自由电子空穴对。当核辐射进入闪烁体时,既可产生自由电子空穴对,也可以产生激子。而后电子从导带或激带跃迁到价带,退激过程中
7、放出光子;也存在着竞争过程非辐射跃迁,即通过放热(晶格振动)退激。有一点需要指出,纯的NaI晶体不是有效的闪烁体。一是因为相应禁带宽度的光子能量在紫外光范围,不是可见光;二是退激发出的光子尚未逸出晶体就会被晶体自身吸收。为了解决这一问题,在纯晶体中掺入少量杂质原子(如Tl),称为“激活剂”,它们成为发光中心,形成一套激发能级,能量比导带低,而基态却比价带高,这样跃迁产生的光子能量就比禁带宽度Eg小,那么它就不可能再使价带上的电子激发到导带上去,从而避免自吸收。碘化钠闪烁晶体能吸收外来射线能量使原子、分子电离和激发,退激时发射出荧光光子。NaI(Tl)晶体的密度较大(=3.67g/cm3),而且
8、高原子序数的碘占重量的85%,所以对射线的探测效率特别高,同时相对发光效率大;它的发射光谱最强波长为415nm左右,能与光电倍增管的光谱响应较好匹配。此外,晶体的透明性也很好,测量射线时能量分辨率也是闪烁体中较好的一种。一个需要指出的问题是:在闪烁体的选取上要注意闪烁体对所测的粒子要有较大的阻止本领,以使入射粒子(特别是能量较大的粒子)在闪烁体中能损耗较多的能量而退激产生光子。原先使用的国产NaI(Tl)晶体尺寸为f205mm,这一厚度对定标时测高能(E1MeV)时的效率不够高,而且对高能粒子的计数率也比较低;本装置的闪烁探测器采用的尺寸为f2020mm的NaI(Tl)晶体可以说是一大改进,一
9、方面可以提高探测高能部分的效率,另一方面也提高了实验中高能粒子的计数率。NaI(Tl)晶体的缺点是容易潮解,吸收空气中的水分就会变质失效;因此我们采用了200mm的铝来密封;这就需要对穿过Al膜时的能量损失进行修正。在实验中我们发现,对于不同的粒子能量的损失不尽相同;所以在实际的实验和数据处理中进行了能量损失的合理修正。附录二光电倍增管光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器,它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成,并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极倍增极(又称“倍增极”)阳极之间建立一个电位分布。光辐射照射到阴极时,由于光电效应,阴极发射电子,把微弱的光输入转换成光电子
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