γ能谱及γ射线的吸收2012

大物实验

γ能谱及γ射线的吸收

（本文内容选自高等教育出版社《大学物理实验》）

（本实验当堂提交实验报告）

根据原子核结构理论，原子核能级属于分立能级。当处于激发态E2上的核跃迁到低能级E1上时，就发射γ射线。放出的光量子能量hv E2 E1，此处h为普朗克常数，ν为γ光子的频率。原子核衰变放出的γ射线的能量反映了核能级差，且能量大小通常为特征能量，因此通过测量γ射线强度按能量的分布即γ射线能谱，可以用于研究核能级、核衰变纲图等，在放射性分析、同位素应用及鉴定核素等领域有重要的意义。

当γ射线穿过物质时，可能通过光电效应、康普顿效应和电子对效应（当

）而

损失能量，强度逐渐减弱，这种现象称为物质对γ射线的吸收。目前物质对γ射线的吸收规律广泛应用于工业、科研、医疗、资源勘探、环境保护许多领域。

闪烁γ能谱仪具有实用范围广、探测效率高、时间分辨小、价格低廉等优点，是测量γ射线能谱最常用的工具。

本实验的目的是学习闪烁γ谱仪的工作原理和实验方法，研究吸收片对γ射线的吸收规律。

实验原理

1、 γ射线与物质的相互作用

γ射线与物质原子之间的相互作用主要有三种方式：光电效应、康普顿散射、电子对效应。 1）光电效应

当能量E 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．发射出光电子的动能

Ee E Bi （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。例如L层电子跃迁到K层，放出该原子的K系特征X射线。

2）康普顿效应

γ光子与自由静止的电子发生碰撞，而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。计算给出反冲电子的动能为

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E2 (1 cos )

Ee 2

m0c E (1 cos )

E

1

m0c

E (1 cos )

2

（2）

式中m0c2为电子静止质量，角度θ是γ光子的散射角，见图2.2.1-2所示。由图看出反冲电子以角度φ出射，φ与θ间有以下关系：

E ta （3） co t 1 2 2 m0c

由式（2）给出，当 180 时，反冲电子的动能Ee有最大值：

Emax

1

E m0c

2E

2

（4）

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EC。

3）电子对效应

当γ光子能量大于2m0c2时，γ光子从原子核旁边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。此时光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和，如

E Ee Ee 2m0c2 （5）

其中2m0c2 1.02MeV。

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。

2、 闪烁γ能谱仪

2.1、闪烁谱仪的结构框图及各部分的功能

闪烁谱仪的结构框图示于图2.2.1-3中，它可分为闪烁探头、供电与信号放大模块、计算机数据采集系统等三部分。以下分别介绍各部分的功能。

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（1） 闪烁探头

闪烁探头包括闪烁体、光电倍增管、分压电路以及屏蔽外壳。实验中测量γ能谱多使用无机闪

烁体如NaI (T1)晶体。闪烁体的功能是在次级带电粒子的作用下产生数目与入射γ光子能量相关的荧光光子。这些荧光光子被光导层引向光电倍增管，并在其光敏阴极再次发生光电效应而产生光电子，这些光电子经过一系列倍增极的倍增放大，从而使光电子的数目大大增加，最后在光电倍增管的阳极上形成脉冲信号。脉冲数目是和进入闪烁体γ光子数目相对应的。而脉冲的幅度与在闪烁体中产生的荧光光子数目成正比，从而和γ射线在闪烁体中损失的能量成正比。

图2.2.1-3 闪烁能谱仪结构框图

整个闪烁探头应安装在屏蔽暗盒内以避免可见光对光电倍增管的照射而引起损坏。

（2） 供电与信号放大模块

高压电源通过分压电路为光电倍增管阳极和各倍增极提供工作电压。由于探头输出的脉冲信号幅度很小，需要经过线性放大器将信号幅度按线性比例进行放大，一般输入脉冲的极性正或负均可，输出脉冲均为正极性，放大倍数可通过十圈电位器连续调节。 （3） 计算机数据采集系统

数据采集系统包括多道脉冲幅度分析器及其软件。多道脉冲幅度分析器的功能是将输入的脉冲按其幅度不同分别送入相对应的道址（即不同的存贮单元）中，通过软件可直接给出各道址（对应不同的脉冲幅度）中所记录的脉冲数目，因此测量能谱就非常方便。

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。

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2.2、γ能谱的形状

闪烁γ能谱仪可测得γ能谱的形状，图2.2.1-6所示是典型137Cs的γ射线能谱图。图的纵轴代表各道址中的脉冲数目，横轴为道址，对应于脉冲幅度或γ射线的能量。

从能谱图上看，有几个较为明显的峰，光电峰Ee，又称全能峰，其能量就对应γ射线的能量E 。这是由于γ射线进入闪烁体后，由于光电效应产生光电子，能量关系见式（1），其全部能量被闪烁体吸收。光电子逸出原子会留下空位，必然有外壳层上的电子跃入填充，同时放出能量Ez Bi的X射线，一般来说，闪烁体对低能X射线有很强的吸收作用，这样闪烁体就吸收了Ee Ez的全部能量，所以光电峰的能量就代表γ射线的能量，对137Cs，此能量

为0.661MeV。

EC即为康普顿边界，对应反冲电子的最大能量。

背散射峰Eb是由射线与闪烁体屏蔽层等物质发生反向散射后进入闪烁体内而形成的光电峰，一般背散射峰很小。

2.3、谱仪的能量刻度和分辨率 （1）谱仪的能量刻度

闪烁谱仪测得的γ射线能谱的形状及其各峰对应的能量值由核素的蜕变纲图所决定，是各核素的特征反映。但各峰所对应的脉冲幅度是与工作条件有关系的。如光电倍增管高压改变、线性放大器放大倍数不同等，都会改变各峰位在横轴上的位置，也即改变了能量轴的刻度。因此，应用γ谱仪测定未知射线能谱时，必须先用已知能量的核素能谱来标定γ谱仪。

由于能量与各峰位道址是线性的：E kN b，因此能量刻度就是设法得到k和b。例如选择

137

Cs的光电峰E ＝0.661 MeV和60Co的光电峰E 1 1.17MeV，如果对应E1 0.661MeV的光电峰

位于N1道，对应E2 1.17MeV的光电峰位于N2道，则有能量刻度

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k

1.17 0.661

MeV

N2 N1

b

(0.661 1.17) k(N1 N2)

MeV （6）

2

将测得的未知光电峰对应的道址N代入E kN b即可得到对应的能量值。 （2）谱仪分辨率

γ能谱仪的一个 …… 此处隐藏：3743字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……