nai晶体谱仪及γ全能谱分析(338)

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1、中国石油大学近代物理实验实验报告成绩：班级：应用物理学09-2班姓名：王国强同组者：庄显丽教师：NaI晶体谱仪及γ全能谱分析【实验目的】1、了解闪烁探测器的结构、工作原理。2、掌握NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪的几个性能指标和测试方法．3、观测及分析γ全能谱。4、了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。【实验原理】一、闪烁能谱仪测量γ能谱的原理闪烁能谱仪是利用某些荧光物质在带电粒子作用下被激发或电离后，能发射荧光（称为闪烁）的现象来测量能谱的。这种荧光物质常称为闪烁体。1、闪烁体的发光机制有机闪烁体包括有机晶体闪烁体、有机液体闪烁体和有

2、机塑料闪烁体等。最常用的无机晶体是铊激活的碘化钠单晶闪烁体，常记为NaI（Tl），属离子型晶体。在碘化钠晶体中掺入铊原子，其关键作用是可以在低于导带和激带的禁带中形成一些杂质能级。这些杂质原子会捕获一些自由电子或激子到达杂质能级上，然后以发光的形式退激到价带，这就形成了闪烁过程的发光，而这种光因能量小于禁带宽度而不再被晶体吸收，不再会产生激发或电离。这说明只有加入少量激活杂质的晶体，才能成为实用的闪烁体。对于NaI（Tl）单晶闪烁体而言，其发射光谱最强的波长是415nm的蓝紫光，其强度反映了进人闪烁体内的带电粒子能量的大小。2、γ射线与物质的相互作

3、用图9-1-1γ射线光子与物质原子相互作用γ射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式，如图9-1-1所示。（1）光电效应当能量为Eγ的入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失。发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应。发射光电子的动能为（9-1-1）Bi为束缚电子所在壳层的结合能。原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X射线。这种X射线在闪烁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，所以闪烁体得

4、到的能量是两次光电效应产生的光电子能量之和。（2）康普顿效应γ光子与自由静止的电子发生碰撞，将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，γ光子被散射，改变了原来的能量和方向。反冲电子的动能为12（9-1-2）式中为电子静止能量，约为0.5MeV；角度θ是散射光子的散射角。当时（即光子向后散射，又称为反散射），反冲电子的动能有最大值，此时（9-1-3）这说明康普顿效应产生的反冲电子的能量有一上限最大值，称为康普顿边界。（3）电子对效应当γ光子能量大于2时，γ光子从原子核旁经过并受到核的库仑场作用，可能转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对效应。此时

5、光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和（9-1-4）综上所述，γ光子与物质相遇时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应或电子对效应而损失能量，其结果是产生次级带电粒子，如光电子、反冲电子或正负电子对。次级带电粒子的能量与入射γ光子的能量直接相关，因此，可通过测量次级带电粒子的能量求得γ光子的能量。闪烁γ能谱仪正是利用γ光子与闪烁体相互作用时产生次级带电粒子，进而由次级带电粒子引起闪烁体发射荧光光子，通过这些荧光光子的数目来推出次级带电粒子的能量，再推出γ光子的能量，以达到测量γ射线能谱的目的。二、NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪的结构与性能图

6、9-1-2是NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪结构示意图。1、NaI（Tl）闪烁探测器闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。探测器最前端是NaI（Tl）闪烁体，当射线（如γ和β）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。在闪烁体周围包以反射物质，使光子集中向光电倍增管（具体内容参阅附录3-2-1）方向射出去。经过光电倍增管产生输出信号，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检测仪器中去。12图9-1-2NaI（Tl）单晶γ闪烁能谱仪结构示意

7、图实用时常将闪烁体、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），以减弱环境中磁场的影响。电子检测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、单道或多道脉冲幅度分析器等。2、单道与多道脉冲幅度分析器图9-1-4单道脉冲幅度分析原理闪烁探测器可将入射粒子的能量转换为电压脉冲信号，而信号幅度大小与入射粒子能量成正比，因此，只要测到不同幅度的脉冲数目，也就得到了不同能量的粒子数目。由于γ射线与物质相互作用机制的差异，从探测器出来的脉冲幅度有大有

8、小，单道脉冲幅度分析器就起从中“数出”某一幅度脉冲数目的作用。单道脉冲幅度分析器里有两个甄别电压V1（此电压可以连续调节）