近代物理实验 上海交通大学物理实验中心 二OO四年八月
近 代 物 理 实 验 上海交通大学物理实验中心 二○○四年八月
实验2-2闪烁谱仪测定￥射线的能谱 Y射线是原子核从激发态跃迁到较低能态时发射的波长很短的电磁辐射。研究γ射线 的能谱对于放射性核素的应用和研究原子核的能级结构有很重要的意义。 闪烁探测器在科学技术的许多部门有着十分重要的应用，它的主要优点是：既能探测 各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子，既能对辐射强度进行测量，又能对辐射的能量 进行分析，而且探测效率高（比G-M计数器高几十倍），分辨时间短（约10$秒）。 能精酒过本实酸。你特学习李发一件清的线能服的方法用m内关活新保， 实验原理 一、￥射线与物质的相互作用 放射性核素放射出来的带电粒子（ā、B粒子以及内转换电子）与物质相互作用主要 为电离、散射和吸收三个方面。Y射线是不带电的电磁辐射，它与物质的相互作用主要有 光电效应，康普顿效应和电子对效应三个过程。 1.光电效应 全 束镜电入射光子丈。 应中发时来的电子光电，这图2-21光电效应的示意图 在光电效应中，若忽略被原子的反冲核所吸收的能量，则由能量守恒定律得到 E=E+E=E (2-2-10 式中E为入射￥光子的能量，E,为光电子获得的动能，E,为i层电子的结合能，一般E 远小于E。显然，如果入射￥光子是单能的，则产生的光电子也是单能的。 光电子可以从原子各个壳层中发射出来，但在X壳层上打出电子的几率最大，L层沙 之，M、N层更次之。因此，在发射光电子的同时，还伴随者原子发射的特征X射线或俄歇 电子。 理论都表明一射线与物质相互作用时，产生光电效应的几*随者物质 数的增大而迅速增大， 射线的能量增大而减小 3
3 实验2-2 闪烁谱仪测定γ射线的能谱 γ射线是原子核从激发态跃迁到较低能态时发射的波长很短的电磁辐射。研究γ射线 的能谱对于放射性核素的应用和研究原子核的能级结构有很重要的意义。 闪烁探测器在科学技术的许多部门有着十分重要的应用，它的主要优点是：既能探测 各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子，既能对辐射强度进行测量，又能对辐射的能量 进行分析，而且探测效率高（比G-M计数器高几十倍），分辨时间短（约10−8 秒）。 通过本实验，你将学习掌握一种测量射线能量的方法：用NaI(Tl)闪烁探测器测量γ 能谱。 实验原理 一、γ射线与物质的相互作用 放射性核素放射出来的带电粒子（α、β粒子以及内转换电子）与物质相互作用主要 为电离、散射和吸收三个方面。γ射线是不带电的电磁辐射，它与物质的相互作用主要有 光电效应，康普顿效应和电子对效应三个过程。 1. 光电效应 入射的γ光子把能量全部转移给原子中的束缚电 子，使之发射出来，而光子本身消失，这种过程称为 光电效应。光电效应中发射出来的电子叫光电子。这 过程如图2-2-1所示。 在光电效应中，若忽略被原子的反冲核所吸收的能量，则由能量守恒定律得到 EEEE r ei e = + ≅ (2-2-1) 式中 Er 为入射γ光子的能量， Ee 为光电子获得的动能, Ei 为i层电子的结合能，一般 Ei 远小于 Er 。显然，如果入射γ光子是单能的，则产生的光电子也是单能的。 光电子可以从原子各个壳层中发射出来，但在K壳层上打出电子的几率最大，L层次 之，M、N层更次之。因此，在发射光电子的同时，还伴随着原子发射的特征X射线或俄歇 电子。 实验和理论都表明，γ射线与物质相互作用时，产生光电效应的几率随着物质原子序 数的增大而迅速增大，又随着γ射线的能量增大而减小。 h ν θ -e光 电子 原子 入射光子 图 2-2-1 光电效应的示意图
2.康普顿效应 入射的￥光子与物质原子的核外电子发生非弹 碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反 冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化，这 过程称为康普顿效应.图2-2-2为康普顿效应的示 电子 意图。 无 e 反冲电子e 根据相对论的能量和动量守恒关系 可以求出散 射光子的能量E,·和康普顿反冲电子的能量E。为 图2-22康普顿效应示意图 Er=1+a(1-cos0) (2-2-2) Ee=Er-Er (2-2-3) 式中α=E,/m,c2是入射y光子的能量和静止电子所对应的能量之比。散射角0和反冲角 有如下关系： cigo=(1+a)g (2-2-4) 由以上公式可以看出，当0=0时，(E,)=E,E。=0,即不发生散射：当9=1800 时(，。(加“。r·所以。当入射能子，康效 E 2a 应中的反冲电子的能最是从0到，十2.5，连线分布的。 与光电效应不同，康普顿效应一般发生在外层电子上，￥射线与物质相互作用产生康 普顿效应的几率与物质的原子序数成正比，且随￥射线能量的增加而减少，但下降速度比 光电效应来得慢。 3.电子对效应 旁边经过时 在原子核的库仑场作用下，￥光子转化为一个正电子 和一 称为电子对效应。如图2 2-3所示. 正伤 想据能量守恒定律，贝有当入射y光子的能量 大于2mec2(1.022Me)时才能发生电子对效应，入射 入射光子 】电子对 ￥光子的能量除了一部分转变为正负电子对的静质 e 量(1.022Me)外，其余就作为它们的动能。 ￥射线的能量越大，产生正负电子对的几率也越 图2-2-3原子核库仑场中的电子 对效应示意图 大 电子对效应产生的一对正负电子，它们在吸收物质中将逐渐损失能量，负电子最终停 止在物质中成为自电电子，正电子寿命很短，它慢化后将湮灭
4 2. 康普顿效应 入射的γ光子与物质原子的核外电子发生非弹性 碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反 冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化，这 一过程称为康普顿效应．图2-2-2为康普顿效应的示 意图。 根据相对论的能量和动量守恒关系，可以求出散 射光子的能量 Er′ 和康普顿反冲电子的能量 Ee 为 E E r r ′ = 1 1 + − α θ ( cos ) (2-2-2) E EE e = r − r′ (2-2-3) 式中α = E mc r e 2 是入射γ光子的能量和静止电子所对应的能量之比。散射角θ和反冲角 φ有如下关系： ctg tg φ α θ = + ( ) 1 2 (2-2-4) 由以上公式可以看出，当θ＝0时，( ) Eγ γ ′ max = E ， Ee = 0 ，即不发生散射；当θ＝180o 时，( ) E min E a r r ′ = 1 2 + ，( ) E max a a e r = E + 2 1 2 。所以，当入射单能γ光子时，康普顿效 应中的反冲电子的能量是从0到 2 1 2 a a Er + 连续分布的。 与光电效应不同，康普顿效应一般发生在外层电子上，γ射线与物质相互作用产生康 普顿效应的几率与物质的原子序数成正比，且随γ射线能量的增加而减少，但下降速度比 光电效应来得慢。 3. 电子对效应 当γ光子从原子核旁边经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子转化为一个正电子 和一个负电子，这种过程称为电子对效应。如图2- 2-3所示。 根据能量守恒定律，只有当入射γ光子的能量 大于2mec2(1.022MeV)时才能发生电子对效应，入射 γ光子的能量除了一部分转变为正负电子对的静质 量(1.022MeV)外，其余就作为它们的动能。一般， γ射线的能量越大，产生正负电子对的几率也越 大。 电子对效应产生的一对正负电子，它们在吸收物质中将逐渐损失能量，负电子最终停 止在物质中成为自电电子，正电子寿命很短，它慢化后将湮灭。 hν 入射 光子 散射 hν ’ θ 反冲电子e 电子 e φ 核 图 2-2-2 康普顿效应示意图 hν 入射光子 +e 核 -e 正负 电子对 图 2-2-3 原子核库仑场中的电子 对效应示意图
综上所述，Y射线与物质相互作用有三种形式，当Y射线能最较小时，光电效应是主 要的，当Y射线能量达到1MV时，康普顿效应占优势，电子对效应则在Y射线能量超过 1.022MeV时才开始发生，能量越大，这个效应越显著。 由于有了光电效应、康普顿效应和电子对效应，当Y射线通过物质时，它的强度将随 穿过吸收物质厚度的增加而减弱。实验表明，当一束被准直了的窄束￥射线通过吸收物质 时，其强度是按指数规律衰减的，即 1=loe-ix (2-2-51) 式中I0为吸收物质厚度等于零时的y射线强度，I是Y射线穿过x厚度吸收物质后的强度， 为吸收物质对￥射线的吸收系致，对于不同的物质和不同的Y能量取不同的值。 二、闪烁谱仪的结构和工作原理 ,能是y射线的计数按能量的分布。测量y能增忌常用方法是利用普仪讲行 量，常用的Y谱仪主要有闪烁Y谱仪和半导体y谱仪。自六十年代以来，GeLi)和Sii) 等半导体y谱仪发展迅速，其能量分辨能力比闪烁谱仪要高得多，它的应用愈来愈广。然 而闪烁￥谱仪的分辨能力虽不及半导体谱仪，但是它探测效率高、价格较廉、使用方便， 仍有相当广泛的应用。 NaI(T1)闪烁谱仪由探 头（包括闪烁体，光电倍 分礼器 定标 增管、射极跟随器)、高 压电源、线性放大器、且 道脉冲幅度分析器（或多 道分析器) 高压电源飞 低压电源 图2-2-4闪烁谱仪框图 ,烁体发出的光子技闪烁体外的光反射层 的光集效率， 由 的接触面之间涂 硅油 出的 在光电 并的度与Y射线在闪烁 阳极接收形成申压 所以根据脉冲幅度大小 可以确定入射y射线的能量。 电压脉冲通过起阻抗匹配作用的射极跟随器， 线性脉冲放大器，经过放大和成形后输入单道脉冲幅度分析器 定标器计数。电压脉冲也可输入多指受泰由它选取一定幅度的脉州 1.闪烁体 常用的闪烁体可以分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类。 ()无机闪烁体：无机闪烁体主要是指含有少量杂质（称为“激活剂”）的无机盐品 的映 晶体等。此外， 化每 ,以银
5 综上所述，γ射线与物质相互作用有三种形式，当γ射线能量较小时，光电效应是主 要的，当γ射线能量达到1MeV时，康普顿效应占优势，电子对效应则在γ射线能量超过 1.022MeV时才开始发生，能量越大，这个效应越显著。 由于有了光电效应、康普顿效应和电子对效应，当γ射线通过物质时，它的强度将随 穿过吸收物质厚度的增加而减弱。实验表明，当一束被准直了的窄束γ射线通过吸收物质 时，其强度是按指数规律衰减的，即 I Ie x = − 0 μ (2-2-5) 式中I0为吸收物质厚度等于零时的γ射线强度，I是γ射线穿过x厚度吸收物质后的强度， μ为吸收物质对γ射线的吸收系数，对于不同的物质和不同的γ能量μ取不同的值。 二、闪烁谱仪的结构和工作原理 γ能谱是γ射线的计数按能量的分布。测量γ能谱最常用方法是利用γ谱仪进行测 量，常用的γ谱仪主要有闪烁γ谱仪和半导体γ谱仪。自六十年代以来，Ge(Li)和Si(Li) 等半导体γ谱仪发展迅速，其能量分辨能力比闪烁谱仪要高得多，它的应用愈来愈广。然 而闪烁γ谱仪的分辨能力虽不及半导体谱仪，但是它探测效率高、价格较廉、使用方便， 仍有相当广泛的应用。 NaI(Tl)闪烁谱仪由探 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、单 道脉冲幅度分析器（或多 道分析器）、定标器等组 成，其结构如图2-2-4所 示。当γ射线入射至闪烁 体时，产生的次级电子使 闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子。闪烁体发出的光子被闪烁体外的光反射层 反射，会聚到光电倍增管的光阴极上。由于光电效应，光子在光阴极上打出光电子。为了 有高的光收集效率，在闪烁体与光电倍增管的接触面之间涂以硅油，这样就避免了因闪烁 体和光电倍增管表面之间存在空气层形成全反射所造成的光损失。光阴极上打出的光电子 在光电倍增管中倍增，电子数目增加几个数量级，最后被阳极接收形成电压脉冲。此电压 脉冲的幅度与γ射线在闪烁体内消耗的能量及产生的光强成正比，所以根据脉冲幅度大小 可以确定入射γ射线的能量。电压脉冲通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆传输到 线性脉冲放大器，经过放大和成形后输入单道脉冲幅度分析器，由它选取一定幅度的脉冲 供定标器计数。电压脉冲也可输入多道脉冲幅度分析器进行记录。 1. 闪烁体 常用的闪烁体可以分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类。 (1)无机闪烁体：无机闪烁体主要是指含有少量杂质（称为“激活剂”）的无机盐晶 体，例如以铊为激活剂的碘化钠NaI(Tl)单晶体和碘化铯CsI(Tl)单晶体，以银为激活剂的 硫化锌ZnS(Ag)多晶体等。此外，还有不掺杂质的纯晶体，如七十年代中后期新开发的锗 酸铋(BGO)单晶体。 闪 烁 体 光电 倍增管 射极 输出 器 线性脉冲 放大器 单道脉冲 幅度分析器 定标器 高压电源 低压电源 图2-2-4 闪烁谱仪框图 源
掺杂无机晶体闪烁体的发光机制可以用固体的能带理论来描述。当电子从入射粒子接 受了大于禁带宽度的能量时可以被激发跃迁至导带，而在价带中留下一个空穴。当给予电 子的能量不足以使它电离到导带中，它可以处于导带 下面的激子能带（激带）内，这个电子和空穴被此具 ·导带 有相吸的库仑作用，这种束缚者的电子一空穴对被称 电子之 激都 为激子，如图2-2-5所示。 晶体内的杂质和晶格缺陷在禁带中产 些孤立 能级，起俘获中心的作用。当入射粒子通过 冈烁光子 烁俐 品格很快地运 电 能够自由 至被学 这时 一价带 空穴 心有 转化为热是 图2-2-5无机闪烁体能带图 是它们的激发 能最或品 时不发 受激电子直接跃回基态而发射光子 可以使铝射光子能量在可见光范围 是电子处在亚稳 部分电子从晶体振动中获得能量， 重新 迁到导带， 部分电子则以非 射跃迁回到价 由此可知，杂质和缺陷形成的俘获中心，退激时发出的光子，不仅其能量小于禁带宽 度，不会被闪烁体自吸收，而且光谱在可见光范围，便于使用。这种掺进激活剂的品体就 是常用的无机晶体闪烁体。 (②)有机闪烁体：有机闪烁体都是苯环碳氢化合物，可分为品体、液体和塑料三种 有机闪烁体的发光机制与无机闪烁体有本质上的不同，这种发光主要是有机分子本身的作 用。由于在有机闪烁体中分子间的作用比较弱 分子间的结合力对分子的受激和退激实际 上不会有什么影响，所以引起发光的原困主要就是分子本身从激发态回到基态的跃迁。 对 2) 日不随射线白 能量而变化， 条体才能使输出 射线能 (3)发光延续时间短，即保证有较高的时间分辨率： (④发光光谱能与光电倍增管 2.光电倍增管 光电倍增管的功能是把微弱的闪光转换为电子并放大成易于测量的电信号。光电倍增 管主要由光阴极、多级倍增极和电子收集极（阳极）组成，整个系统封装在抽成真空的玻 璃壳内。对于NaI(T1)闪烁体，一般采用Sb一Cs作光阴极，这时波长为30O0一50O0A的光 打出光电子的效率最高。 光电倍增管在闪烁探测器中的工作过程如下： 光电倍增管的光阴极端 窗与光耦合层紧 密 光阴极 很大的电子流 有效 得易 三、闪烁探测器对137Cs单能y射线的响成 6
6 掺杂无机晶体闪烁体的发光机制可以用固体的能带理论来描述。当电子从入射粒子接 受了大于禁带宽度的能量时可以被激发跃迁至导带，而在价带中留下一个空穴。当给予电 子的能量不足以使它电离到导带中，它可以处于导带 下面的激子能带（激带）内，这个电子和空穴彼此具 有相吸的库仑作用，这种束缚着的电子－空穴对被称 为激子，如图2-2-5所示。 晶体内的杂质和晶格缺陷在禁带中产生一些孤立 能级，起俘获中心的作用。当入射粒子通过闪烁体 后，产生激子、电子和空穴，它们都能够自由地经过 晶格很快地运动，直至被俘获中心俘获为止，这时俘 获中心从基态到达激发态，而激子、电子和空穴的多 余能量以热运动形式放走。然后处于激发态的俘获中 心有三种退激形式：一是它们的激发能转化为热运动 能量或晶格振动能回到基态，此时不发射光子；二是受激电子直接跃回基态而发射光子， 选择合适的激活剂，就可以使辐射光子能量在可见光范围；三是电子处在亚稳态，停留较 长一段时间，部分电子从晶体振动中获得能量，重新跃迁到导带，另一部分电子则以非辐 射跃迁回到价带。 由此可知，杂质和缺陷形成的俘获中心，退激时发出的光子，不仅其能量小于禁带宽 度，不会被闪烁体自吸收，而且光谱在可见光范围，便于使用。这种掺进激活剂的晶体就 是常用的无机晶体闪烁体。 (2)有机闪烁体：有机闪烁体都是苯环碳氢化合物，可分为晶体、液体和塑料三种。 有机闪烁体的发光机制与无机闪烁体有本质上的不同，这种发光主要是有机分子本身的作 用。由于在有机闪烁体中分子间的作用比较弱，分子间的结合力对分子的受激和退激实际 上不会有什么影响，所以引起发光的原困主要就是分子本身从激发态回到基态的跃迁。 在实际运用中要根据不同的探测对象和要求选择不同的闪烁体。对闪烁体的主要要求 是：(1)对射线有较大的阻止本领，即对射线有强的吸收，以达到高的探测效率；(2)发光 效率高，并且不随射线的能量而变化，满足后一条体才能使输出的光脉冲强度与射线能量 成正比；(3)发光延续时间短，即保证有较高的时间分辨率；(4)发光光谱能与光电倍增管 的光谱响应相匹配。 2. 光电倍增管 光电倍增管的功能是把微弱的闪光转换为电子并放大成易于测量的电信号。光电倍增 管主要由光阴极、多级倍增极和电子收集极（阳极）组成，整个系统封装在抽成真空的玻 璃壳内。对于NaI(Tl)闪烁体，一般采用Sb－Cs作光阴极，这时波长为3000～5000 Α 0 的光 打出光电子的效率最高。 光电倍增管在闪烁探测器中的工作过程如下：光电倍增管的光阴极端窗与光耦合层紧 密接触。射线在闪烁体中引起的闪光打在光阴极上，通过光电效应产生一定数目的光电 子。由于光阴极、各级倍增极和阳极之间都加有电压，每级产生的电子被有效地放大并集 中到下一级，最后在阳极形成很大的电子流，通过负载电阻即得易于测量的电压脉冲。 三、闪烁探测器对137Cs单能γ射线的响应 电子 空穴 闪烁光子 激活剂 激发态 导带 激带 禁带 价带 激子 Eg 图2-2-5 无机闪烁体能带图
Y射线与物质相互作用时可能产生三种效应：光电效应、康普顺效应和电子对效应 这三种效应产生的电子在闪烁品体中产生闪烁发光。由于单能Y射线所产生的这三种电了 能量各不相同，甚至对康普顿效应是连续的，因此相应一种单能￥射线，闪烁探头输出的 脉冲幅度谱也是连续的。另一方面当Y射线能量不同时，形成三种效应的相对比例也不 同，这也增加了谱形的复杂性。 图2-2-6给出的是用NaI(T1)闪烁谱 仪测得的137Cs能谱，谱中有三个峰和 个平台。137Cs衰变时放出单 能量的 射线(EY0.662Me 它与物质相 作用主要有光电效应和康普顿效应 在光 电效应中产生的光电子使 要发 10 将为 20 10.0 内很容易再产 脉冲幅度，V 光电 将能最又转给 图2-2.6137Cs的y能增 过程的时间极短，这样， 时立生的 电子与￥射线产生的光电子几乎同时使闪烁体激发，形成一个光电峰，这样光电峰的幅度 就代表了￥射线的能量 在康普顿效应中，￥光子把部分能量传递给反种电子，而自身被散射。此后，散射光 子的去向有两种可能：一是逸出闪烁品体： 二是殊续与品体作用产生光申效应或庚普缅效 应。若散射光子逸出品体，则留下一个能量连续的反冲电子谱，这就形成了能谱中的平台 部分B, 称为康普顿平台， 平台的边缘，其能量相当于()ax。若散射光子仍被晶体吸 收，则所有次级效应产生的电子能量加上初始康普顿效应产生的反冲电子的能量恰好等于 原始￥射线能里， 它们形成的峰也叠加在光电峰上。因此，此时的光电峰还包括一部分康 普顿电子所产生的峰，故称它为全能峰更为确切。 台上的峰C称为反散射峰，这是由穿过晶体的 一部 线在 的 装 白4 回 放外22-2知，反敢子能量是在20ooV左石，因此在能清反命 献。 会有贡 较易识 峰D是X射线峰，它是由137Ba的K层特征X射线（能量约32KeV)贡献的。137Cs的B衰变 子体137Ba的0.662eV激发态退激时，可能不发射射线. 而是通过内转换过程，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射线。 137Cs的Y能谱的全能峰是比较典型和突出的，因此通常用137Cs作为标准源，一方面 用来检验￥谱仪的能量分辨率，另一方面作为射线能量测量的相对标准。 在Y能谱中，全能峰的峰位反映了Y射线的能量，因此全能峰是Y射线的特征峰，是 ￥能谱分析的依据。全能峰的面积是峰内各道计数 它与Y射线强度成正比，是￥ 能谱定量分析的基础。全能蜂的面积与全谱面积之比，称为峰总比。 四.能量分辨率、能量线性和时间分辨本领
7 γ射线与物质相互作用时可能产生三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应。 这三种效应产生的电子在闪烁晶体中产生闪烁发光。由于单能γ射线所产生的这三种电子 能量各不相同，甚至对康普顿效应是连续的，因此相应一种单能γ射线，闪烁探头输出的 脉冲幅度谱也是连续的。另一方面当γ射线能量不同时，形成三种效应的相对比例也不 同，这也增加了谱形的复杂性。 图2-2-6给出的是用NaI(Tl)闪烁谱 仪测得的137Cs能谱，谱中有三个峰和一 个平台。137Cs衰变时放出单一能量的γ 射线（Eγ=0.662MeV），它与物质相互 作用主要有光电效应和康普顿效应。在光 电效应中产生的光电子使闪烁体激发，其 产生的脉冲在γ谱中形成的峰称光电峰， 即图2-2-6中峰A。由于光电效应主要发 生在K壳层，则K壳层留下的空位将为外 层电子所填补，跃迁时放出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，将能量又转给光电子。由于这 一过程的时间极短，这样X射线产生的光 电子与γ射线产生的光电子几乎同时使闪烁体激发，形成一个光电峰，这样光电峰的幅度 就代表了γ射线的能量。 在康普顿效应中，γ光子把部分能量传递给反冲电子，而自身被散射。此后，散射光 子的去向有两种可能：一是逸出闪烁晶体；二是继续与晶体作用产生光电效应或康普顿效 应。若散射光子逸出晶体，则留下一个能量连续的反冲电子谱，这就形成了能谱中的平台 部分B，称为康普顿平台，平台的边缘，其能量相当于(Ee)max。若散射光子仍被晶体吸 收，则所有次级效应产生的电子能量加上初始康普顿效应产生的反冲电子的能量恰好等于 原始γ射线能量，它们形成的峰也叠加在光电峰上。因此，此时的光电峰还包括一部分康 普顿电子所产生的峰，故称它为全能峰更为确切。 康普顿平台上的峰C称为反散射峰，这是由穿过晶体的一部分γ射线在晶体的封装玻 璃或光电倍增管上发生康普顿效应，其反散射（θ=180o）光子返回晶体时所形成的。此 外，放射源的衬底材料和探头周围的屏蔽材料所产生的反散射光子，对反散射峰也会有贡 献。由公式2-2-2可知，反散射光子能量总是在200KeV左右，因此在能谱上较易识别。 峰D是X射线峰，它是由137Ba的K层特征X射线(能量约32KeV)贡献的。137Cs的β衰变 子体137Ba的0.662MeV激发态退激时，可能不发射γ射线，而是通过内转换过程，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射线。 137Cs的γ能谱的全能峰是比较典型和突出的，因此通常用137Cs作为标准源，一方面 用来检验γ谱仪的能量分辨率，另一方面作为射线能量测量的相对标准。 在γ能谱中，全能峰的峰位反映了γ射线的能量，因此全能峰是γ射线的特征峰，是 γ能谱分析的依据。全能峰的面积是峰内各道计数率之和，它与γ射线强度成正比，是γ 能谱定量分析的基础。全能峰的面积与全谱面积之比，称为峰总比。 四．能量分辨率、能量线性和时间分辨本领 B A 率 数 计 C D 3 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 10 10 10 2 脉冲幅度,V 图2-2-6 137 Cs的γ能谱
闪烁谱仪的基本性能由能量分辨率、能量线性和稳定性来衡量。在高强度放射性测量 和时间测量中，则首先要考虑的是时间分辨本领。 1.能量分辨率 由于y射线在闪烁体 产生的光子数具有一定 的绕计涨落 光电倍增管的光阴极光子收集效率自 及光电倍增管的光 布《同一能量的 。由于射线的 输出脉冲解度，V 分辨率n: AE 图227典室 n E. (2-2-6) MaI(T1)闪烁谱仪的能量分辨率通常用137Cs的0.662MeV全能峰的分辨率来表征，n一 般在10%左右。 一些因素，进行必要的调整，以期达到一台谱仪可能实现的最好 (1)闪烁体与光电倍增管光阴极之间保持良好的光学接触： (②)参考光电倍增管高压推荐值，并作适当调整，使得在保持能量线性条件下，输出 脉冲幅度最大： (③)合理选择单道分析器的道宽，如单道分析器最大分析幅度为10伏时，道宽宜用0.1 伏： (④)根据放射源的活度，选择合适的源与闪烁体之间的距离， 2。能量线性 能量线性是指谱仪对入射Y射线的能量和它产生的脉冲幅度（指全能峰的位置）之间 的对应关系。理想情况下，脉冲幅度与能量之间应当成线性关系。 一般NaI(T1)闪烁谱仪 在较宽的能量范围内(10OkeV~1.3MeV)是近似线性的。 实验上对于能量线性关系的检验，通常是用已知能量的一组标准源，测量相应的全能 峰处的脉冲幅度，建立γ射线能量与对应峰位的关系曲线，这条曲线即能量刻度曲线。典 型的能量刻度曲线为不通过原点的直线，即 E(X)=GX。+E。 (2-2-7) 式中X知为全能蜂峰位，0为直线截距，G为增益（即单位脉冲幅度对应的能量）。一般能量 刻度可选用137Cs(0.662MeV,0.184We)和60Co(1.17MeV,1.33Me)的四个能量点进行刻 度。 3.时间分辨本领
8 闪烁谱仪的基本性能由能量分辨率、能量线性和稳定性来衡量。在高强度放射性测量 和时间测量中，则首先要考虑的是时间分辨本领。 1. 能量分辨率 由于γ射线在闪烁体中产生的光子数具有一定 的统计涨落，光电倍增管的光阴极光子收集效率的 统计涨落，以及光电倍增管的光电转换效率和倍增 系数的统计涨落，使得同一能量的γ射线产生的脉 冲幅度有一分布（如图2-2-7）。由于射线的能量与 脉冲幅度成正比，所以通常把这一分布曲线的半宽 度△V1/2与计数率最大值所对应的脉冲幅度Vo之比 定义为能量分辨率η： η γ = = Δ Δ V V E E 1 2 0 1 2 (2-2-6) NaI(Tl)闪烁谱仪的能量分辨率通常用137Cs的0.662MeV全能峰的分辨率来表征，η一 般在10%左右。 在测量中可考虑下列一些因素，进行必要的调整，以期达到一台谱仪可能实现的最好 的分辨率。 (1)闪烁体与光电倍增管光阴极之间保持良好的光学接触； (2)参考光电倍增管高压推荐值，并作适当调整，使得在保持能量线性条件下，输出 脉冲幅度最大； (3)合理选择单道分析器的道宽，如单道分析器最大分析幅度为10伏时，道宽宜用0.1 伏； (4)根据放射源的活度，选择合适的源与闪烁体之间的距离。 2. 能量线性 能量线性是指谱仪对入射γ射线的能量和它产生的脉冲幅度（指全能峰的位置）之间 的对应关系。理想情况下，脉冲幅度与能量之间应当成线性关系。一般NaI(Tl)闪烁谱仪 在较宽的能量范围内（100keV～1.3MeV）是近似线性的。 实验上对于能量线性关系的检验，通常是用已知能量的一组标准源，测量相应的全能 峰处的脉冲幅度，建立γ射线能量与对应峰位的关系曲线，这条曲线即能量刻度曲线。典 型的能量刻度曲线为不通过原点的直线，即 E X GX E p p ( ) = + 0 (2-2-7) 式中Xp为全能峰峰位，E0为直线截距，G为增益(即单位脉冲幅度对应的能量)。一般能量 刻度可选用137Cs(0.662MeV，0.184MeV)和60Co(1.17MeV，1.33MeV)的四个能量点进行刻 度。 3. 时间分辨本领 图2-2-7 输出脉冲幅度涨落所带来 的对能量分辨本领的限制 率 数 计 ΔV 0 1/2 n0 n_0 2 0 输出脉冲幅度，V V
时间分辨本领反映谱仪的时间特性，它由闪烁体、光电倍增管等因素决定。从射线进 入闪烁体的时刻起，到光电倍增管阳极负载上脉冲输出，中间经历了一系列过程。由于这 些过程，光电倍增管阳极脉冲不仅在时间上相对于射线进入闪烁体时刻有所延迟，而且波 形也将展宽。其中起主要作用的是闪烁体发光衰减时间、光电倍增管的渡越时间及其分 散、外电路时间常数三个因素。一般NI(T1)闪烁探头的时间分辨本领为微秒量级。 实验装置 Co 281- 实验装置的方框图见图2-2-4， 它 1.18 包括 高电 用闪烁探实 FH-10 型线性 道脉 牙析器 101A型压 001 B'T AN S-35型多道 sY源和6OC 源， 1,NM系统：本实验单道y谱仪采 (b)"Co 用NIM系统与NaI(TI)闪烁探头组合而 图2-2-8mC和c的衰变图 成，。NIM(Nuclear Instrumen Module)代表核仪器标准化的国际通用系统，它由NIM机箱、NTM电源及各种NTM插件组 成。实验者可根据需要，配备各种功能的插件，构成各式各样的IM系统。 NIM系统实现了机械结构与电气技术指标的国际标准化，所以组成这些系统时，可采 用不同国家生产的插件。目前插件种类已达数百种，使用起来极为方便。 盘 使用NTM系统，应预先插好插件并固定与机箱的连接螺丝，接通电源后再打开插件开 关。工作过程中若需要更换插件，应关闭机箱电源。 2.FJ-367型通用闪烁深头：该探头由闪烁体、光电倍增管(GDB一44W型)，前置放 大器和射极跟随器组成。该探头备有多种闪烁体，可分别作ā、B、Y射线的测量。作￥ 射线测量时，选用中40×40@m的NaI(T1)晶体。 光电倍增管采用负高压供电。在进行射线强度测量时，光电倍增管的工作电压选择可 采用坪曲线法。 个明显的区，因此可以古 定定标器的甄别电压（例如 为1伏)，改变 倍增官的 根据测得计药 率n与V的数 止 的徐 本底值 电士 在进行射线能谱测 量时，一般以得到最佳能量分辨率时的电压作为光电倍增管的工作电压 如果光电倍增管的输出负脉冲小于1伏，则可经过前置放大器 10y 一在测最。 需故 而测后 a射线 最较 则可经射极随器直接给出负冲信放大与香可由探头的放大数×】 转换。射极跟随器的作用是减少外界干扰的影响，跟随器输入阻抗较大与光倍增管可匹
9 时间分辨本领反映谱仪的时间特性，它由闪烁体、光电倍增管等因素决定。从射线进 入闪烁体的时刻起，到光电倍增管阳极负载上脉冲输出，中间经历了一系列过程。由于这 些过程，光电倍增管阳极脉冲不仅在时间上相对于射线进入闪烁体时刻有所延迟，而且波 形也将展宽。其中起主要作用的是闪烁体发光衰减时间、光电倍增管的渡越时间及其分 散、外电路时间常数三个因素。一般NaI(Tl)闪烁探头的时间分辨本领为微秒量级。 实验装置 实验装置的方框图见图2-2-4，它 包括FJ-367型通用闪烁探头，FH-1034A 型高压稳压电源，FH-1002A型线性脉冲 放大器，FH-1008A型单道脉冲分析器， FH-1011A型定标器，FH-0001型插件机 箱， FH-1031A型低压电源，CANBERRA S-35型多道分析器，137Csγ源和60Co γ源，其衰变图见图2-2-8。 1. NIM系统：本实验单道γ谱仪采 用 NIM系统与 NaI(Tl)闪烁探头组合而 成 。 NIM （ Nuclear Instrument Module）代表核仪器标准化的国际通用系统，它由NIM机箱、NIM电源及各种NIM插件组 成。实验者可根据需要，配备各种功能的插件，构成各式各样的NIM系统。 NIM系统实现了机械结构与电气技术指标的国际标准化，所以组成这些系统时，可采 用不同国家生产的插件。目前插件种类已达数百种，使用起来极为方便。 NIM机箱和电源是NIM系统的基本组成部分。机箱可容纳12个单位标准宽度的插件插 入，插件通过42芯插座接插，从机箱得到供电。FH-1031A电源为插件式电源，它通过插头 和接线柱给机箱供电，使用前应检查外负载有无短路。 使用NIM系统，应预先插好插件并固定与机箱的连接螺丝，接通电源后再打开插件开 关。工作过程中若需要更换插件，应关闭机箱电源。 2. FJ-367型通用闪烁探头：该探头由闪烁体、光电倍增管（GDB－44W型），前置放 大器和射极跟随器组成。该探头备有多种闪烁体，可分别作α、β、γ射线的测量。作γ 射线测量时，选用φ40×40mm的NaI(Tl)晶体。 光电倍增管采用负高压供电。在进行射线强度测量时，光电倍增管的工作电压选择可 采用坪曲线法。一般闪烁探头有一个明显的坪区，因此可以固定定标器的甄别电压(例如 为1伏)，改变光电倍增管的电压V，根据测得计数率n与V的数据，并考虑到正常的探测效 率和本底值，选出一个尽可能在坪上且近坪前端的V值作为工作电压。在进行射线能谱测 量时，一般以得到最佳能量分辨率时的电压作为光电倍增管的工作电压。 如果光电倍增管的输出负脉冲小于1伏，则可经过前置放大器放大（放大约10倍）， 一般在测量β射线和能量较低的γ射线时需放大，而测量α射线和能量较高的γ射线时， 则可经射极跟随器直接输出负脉冲信号。放大与否可由探头上的放大倍数×1/×10开关来 转换。射极跟随器的作用是减少外界干扰的影响，跟随器输入阻抗较大与光倍增管可匹 - β 0.51MeV 图2-2-8 和 的衰变图 - 95% 2.81 (a) β 1.18MeV - 5% 100% β 0.32MeV γ 1.17MeV γ 1.33MeV γ 0.662MeV 0 0 1.18 30y 5.27y Cs Co Ba Ni 137 55 60 27 137 56 60 28 Cs 137 (b) Co 60 Cs 137 Co 60
配，而输出阻抗又较小，使之与线性放大器输入端实现阻抗匹配。 3.高压电源：它提供光电倍增管的工作电压。高压电源的稳定性要好（工作过程中电 压改变不超过0.1%)。这是因为高压变化时对脉冲幅度影响很大，一般对闪烁探头而言， 高压变动0.1%，输出脉幅度将变动2一3%。 。线性脉冲放大器：线性脉冲放大器主要用于射线的能谱测量，所以除了要求它线 性地放大输入脉冲幅度外，还要它对探测器的输出脉冲适当地进行成形。 一船输出冲的波形2-2-q(a) 船上升材 沿下降到其线 、探头信 出家高时 的基线漂移，使峰位发生移动和谱仪能量分辨幸 (a) 变杯其至叠加后的陆中可完个法寒放士哭使 人 微分后脉 其不能正常工作，所以需要把探测器输出波形适 当地加以改造“成形”。最简单的成形电路是小 c八入二微势后脉 中 时间常数CR微分电路。CR微分电路是高通滤波图2-2-9探头信号及成形脉冲示意图 器，它可以使脉冲变窄。五相分开。如图2-2-96) 所示。 常用的成形电路有：CR微分成形电路，CR院 (a)- 分和RC积分成形电路，延迟线成形电路，双向脉 冲成形电路，极零相消成形电路等。 (b) 被的微地任味冲放大器采用了一级吸 图2-2-10(a)带有下击的脉冲信号 近似 (⑥)通过极零相消电路。 如图2 电路可以高 脉冲后沿单调地回到基 较高的 线 进行微分时所引起的 使脉冲单调地回到 基线，如图2-2-10所示 收了计数率着和脉冲幅度加的效应，话用干高分排率和 高计数率的谱仪系统。F阳1002A型放大器中的极零相消电路只能适用于探头信号的衰减时 间大于35μs的情况。 使用时一般都选择相等的微、积分时间常数以提高信噪比。微、积分时间常数的选择 应以整个谱仪系统能获得最佳能量分辨率为准，需要在实验中调节确定。 设来说，时间 常数大，放大器噪声低，但维持放大器基线不变所允许的最高计数率却有所降低。因此， 计数率低时可选择大的时间常数。不同类型的探测器，时间常数的选择也不相同。闪烁探 测器典型的情况时间常数取为1μs。 闪烁探头输出的是负脉冲，所以放大器输入极性开 此时放大器输： 的 2连续 可调。例如粗调 为“28”位置，细调为 ·位时， 其放大倍 5。单道脉冲幅度分析器 单道脉冲幅度分析器简称单道，其用途是选择一定幅度范围内的信号。单道脉冲幅度
10 配，而输出阻抗又较小，使之与线性放大器输入端实现阻抗匹配。 3. 高压电源：它提供光电倍增管的工作电压。高压电源的稳定性要好(工作过程中电 压改变不超过0.1％)。这是因为高压变化时对脉冲幅度影响很大，一般对闪烁探头而言， 高压变动0.1％，输出脉冲幅度将变动2～3％。 4. 线性脉冲放大器：线性脉冲放大器主要用于射线的能谱测量，所以除了要求它线 性地放大输入脉冲幅度外，还要它对探测器的输出脉冲适当地进行成形。 一般探测器输出脉冲的波形如图2-2-9(a)所 示，其特点是前沿上升较快，后沿下降到基线却 很慢。当计数率高时，脉冲尾部堆积会引起明显 的基线漂移，使峰位发生移动和谱仪能量分辨率 变坏，甚至叠加后的脉冲可以完全堵塞放大器使 其不能正常工作，所以需要把探测器输出波形适 当地加以改造“成形”。最简单的成形电路是小 时间常数CR微分电路。CR微分电路是高通滤波 器，它可以使脉冲变窄，互相分开，如图2-2-9(b) 所示。 常用的成形电路有：CR微分成形电路，CR微 分和RC积分成形电路，延迟线成形电路，双向脉 冲成形电路，极零相消成形电路等。 FH1002A型线性脉冲放大器采用了一级极零相 消的微分电路和四次积分电路的成形方法。在CR 微分成形后再经过多次RC积分电路可获得近似高 斯形的脉冲，如图2-2-9(c)所示。高斯波形具有 较高的信噪比。极零相消电路可以消除对探头信 号进行微分时所引起的下击，使脉冲单调地回到 基线，如图2-2-10所示，它改善了计数率过载和脉冲幅度叠加的效应，适用于高分辨率和 高计数率的谱仪系统。FH1002A型放大器中的极零相消电路只能适用于探头信号的衰减时 间大于35μs的情况。 使用时一般都选择相等的微、积分时间常数以提高信噪比。微、积分时间常数的选择 应以整个谱仪系统能获得最佳能量分辨率为准，需要在实验中调节确定。一般来说，时间 常数大，放大器噪声低，但维持放大器基线不变所允许的最高计数率却有所降低。因此， 计数率低时可选择大的时间常数。不同类型的探测器，时间常数的选择也不相同。闪烁探 测器典型的情况时间常数取为1μs。 闪烁探头输出的是负脉冲，所以放大器输入极性开关应置于“负”，此时放大器输出 的是正脉冲。放大倍数粗调以8、16、32、…,512二进制分档可调，细调用10圈电位器调 节，它从1－2连续可调。例如粗调为“128”位置，细调为“5.00”位置时，其放大倍数 为128×1.5＝192倍。 5. 单道脉冲幅度分析器： 单道脉冲幅度分析器简称单道，其用途是选择一定幅度范围内的信号。单道脉冲幅度 (b) (a) (c) 探头信 号 微分后脉 冲 微积分后脉 冲 图 2-2-9 探头信号及成形脉冲示意图 (a) (b) 图 2-2-10 (a) 带有下击的脉冲信号 (b) 通过极零相消电路， 脉冲后沿单调地回到基 线
分析器的结构如图2-2-11所示，它主要由两个甄别器和一个反符合电路组成。甄别器只能 容许幅度大于甄别侧的脉冲通过，如果下甄别阀为VI,只有大于V1的脉冲才能通过下甄别 器。而上甄别器阔值V2与V1保持一定的差值AV,即V2=V1+AV,因此只有幅度大于V2的脉冲 才能通过上甄别器。反符合电路具有这样的特性：当两瑞同时有脉冲输入时，电路无输 出：只有一端有脉冲输入时，电路才有输出。 因此，在作微分测量时，当幅度为V的脉 冲通过脉冲分析器，反符合电路的输出有 种情况：①V<W1时，无输出：②VV2时，也 无输出：③V1V<W2时，有脉冲输出。由此可 之圆的脉9门称为道 水冲迪 政变时 贝要 塑器处/微分 门2道 能量成正比的 能 反符 0输出 谱 下甄别器 1 在作积分测量时，上甄别器的输出不进 入反符合电路，所以只要下甄别器被触发 2-2-11单道脉冲幅度分析器 最后就有输出，这可以累计大于V1的脉冲 数。 的结构原理图 6。多道脉冲幅度分析器 使用单道脉冲幅度分析器测谱时， 一次测量只能测出幅度在△V范围内的脉冲数 需要 这货的很 0且出 于仪器稳定性和外界条件的变 实验内容及方法提示 1。用单道y谱仪测137Cs的y能谱，定出谱仪的能量分辨率。 熟悉单道y谱仪的各组件，选择合适的实验条件。把单道分析器“积分一微分”开关置 于“微分”位置。根据实：验室的推荐值，设置光电倍增管的工作电压。调节放大器的放大 倍数，使137Cs0.662MVy射线全能峰落在合适的位置上。选取合适的道宽、阈值改变量和 测量时间，测量137Cs的能谱图，求出谱仪的能量分辨率。 2.用多道y谱仪测137Cs和60Co的y能谱，并进行能量定标和剥去本底谱的操作。 思考题 1.测量能谱时，全能蜂所对应的脉冲幅度应选择多大？ 2。反散射蜂是怎样形成的？如何从实验上减小反散射峰的幅度 3.137Csy能谱中，能否见到电子偶峰？ 4.若已知铅的吸收系数，与射线能量的关系曲线，试设计一个用G-M计数器测量射线 11
11 分析器的结构如图2-2-11所示，它主要由两个甄别器和一个反符合电路组成。甄别器只能 容许幅度大于甄别阈的脉冲通过，如果下甄别阈为V1，只有大于V1的脉冲才能通过下甄别 器。而上甄别器阈值V2与V1保持一定的差值ΔV，即V2=V1+ΔV,因此只有幅度大于V2的脉冲 才能通过上甄别器。反符合电路具有这样的特性：当两端同时有脉冲输入时，电路无输 出；只有一端有脉冲输入时，电路才有输出。 因此，在作微分测量时，当幅度为V的脉 冲通过脉冲分析器，反符合电路的输出有三 种情况：①VV2时，也 无输出；③V1<V<V2时，有脉冲输出。由此可 知，脉冲幅度分析器可以选取幅度在V1和V1+ ΔV之间的脉冲通过。ΔV=V2-V1称为道宽。当 道宽选定后，下甄别阈改变时，上甄别阈也 相应变化。因而只要改变V1，测得ΔV内的脉 冲数，即可得脉冲幅度谱。而脉冲幅度是与 γ能量成正比的，因此脉冲幅度谱即为γ能 谱。 在作积分测量时，上甄别器的输出不进 入反符合电路，所以只要下甄别器被触发， 最后就有输出，这可以累计大于V1的脉冲 数。 6. 多道脉冲幅度分析器 使用单道脉冲幅度分析器测谱时，一次测量只能测出幅度在ΔV范围内的脉冲数，需要 不断改变V，才能把一个谱测完，这就费时很长，而且由于仪器稳定性和外界条件的变 化，其测量精度往往不高，因此发展了多道脉冲幅度分析器。 多道脉冲幅度分析器可以将脉冲按其幅度分类，同时在对应的道中进行记录并予以显 示，这样就可以迅速地获取各种能谱。 实验内容及方法提示 1. 用单道γ谱仪测137Cs的γ能谱，定出谱仪的能量分辨率。 熟悉单道γ谱仪的各组件，选择合适的实验条件。把单道分析器“积分—微分”开关置 于“微分”位置。根据实验室的推荐值，设置光电倍增管的工作电压。调节放大器的放大 倍数，使137Cs0.662MeVγ射线全能峰落在合适的位置上。选取合适的道宽、阈值改变量和 测量时间，测量137Cs的能谱图，求出谱仪的能量分辨率。 2. 用多道γ谱仪测137Cs和60Co的γ能谱，并进行能量定标和剥去本底谱的操作。 思考题 1. 测量能谱时，全能峰所对应的脉冲幅度应选择多大？ 2. 反散射峰是怎样形成的？如何从实验上减小反散射峰的幅度？ 3. 137Csγ能谱中，能否见到电子偶峰？ 4. 若已知铅的吸收系数μ与γ射线能量的关系曲线，试设计一个用G-M计数器测量γ射线 ΔV V V 2 1 脉 冲 幅 度 时间 下甄别器 上甄别器 反符合 电路 输 入 输出 2道 1道 积分/微分 V2 V1 2-2-11 单道脉冲幅度分析器 的结构原理图
