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1、影响能量分辨率的因素专业：光信息科学与技术 学号：0572424姓名：吴海涛论文摘要：单晶能谱仪是一种射线（如CJ、B、r射线）探测器，广泛用于核物理实验。它 利用一些物质在射线作用下的发光效应对射线进行探测，而这些发光物质就是闪烁题。本实 验目的是了解整个仪器的工作原理，熟练其结构，并掌握用闪烁谱仪测量r谱的原理和基本 方法，这里主要分析一下关于本实验产生和影响能量分辨率的一些因素；为了能够更好分析 可能影响能量分辨率的因素先从实验原理入手，所以在此详细的介绍一下本实验的原理和基 本思路。关键词：r射线 137C s 60C o能量分辨率一、实验原理及内容讨论能谱仪探测r射线的基本过程是：在
2、r射线的激发下闪烁体发光。所发之光被光电倍 增管接收，经光电转换及电子倍增过程，最后从光电倍增馆的阳极输出电脉冲。分析、记录 这些脉冲就能测左射线的强度和能量。1. r射线与物质（闪烁体）的相互作用r射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程。（1）光电效应。入射r粒子把能屋全部转移给原子中的束缚电子，而把朿缚电子打出 来形成光电子。由于朿缚电子的电离能Ei 般远小于入射r射线能MEr,所以光电子的动能近似等于入射r射线的能量E馳=Er- Ei” Er（a）ffi 1.21厚秆檢敢射示意團（2 ）康普顿散射。核外电子与入射r射线发生 康普顿散射的示意图见图1.2
3、-1。设入射Y光子能量 为h v ,散射光子能量为h v ,则反冲康普顿电 子的动能：Ee= h V h V 康普顿散射后散射光子能疑与散射角0的关系为1+g(1 cos8)(1.2-1)hva =式中 忍皿,即为入射r射线能量与电子静I上质量所对应的能量之比。由式（1.2-1）, 当8= 0时hV=hV,这时Ee= 0 ,即不发生散射：当8=180。时，散射光子能量最小，它等于hv / （l+2a）,这时康普顿电子的能量最大为2 Ct1 + 2a(1.2-2)所以康普顿电子能量是连续分布的，在0至1十2。之间变化。（3）正、负电子对产生。当r射线能量超过2 mo c 2 （1.022Me V
4、）时，r光子受原 子核或电子的库仓场的作用可能转化成正、负电子对。入射r射线的能虽:越大，产生正、负 电子对的几率也越大。在物质中正电子的寿命是很短的，当它在物质中消耗尽自己的动能, 便同物质原子中的轨道电子发生湮没反应而变成一对能疑各为0.511M e V的r光子。2.闪烁谱仪结构与工作原理及讨论N a I （T 1 ）闪烁谱仪结构如图1.2-2。整个仪器由探头（包括闪烁体、光电倍增管、 射极跟随器），高压电源，线性放大器、多道脉冲幅度分析器几部分组成。射线通过闪烁体 时，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比。带电粒子（如Q、|3粒子）通过 闪烁体时，将引起大量的分子或原子的激发
5、和电离，这些受激的分子或原子由激发态回到基 态时就放出光子；不带电的r射线先在闪烁体内产生光电子、康普顿电子及正、负电子对（当 Ey1.02M e V时），然后这些电子使闪烁体内的分子或原子激发和电离而发光。闪烁体发 岀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电阴极上，打出光电子。光阴 极上打岀的光电子在光电倍增管中倍增出大量电子，最后为阳极吸收形成电压脉冲。每产生 一个电压脉冲就表示有一个粒子进入探测器。由于电压脉冲幅度与粒子在闪烁体内消耗的能 M （产生的光强）成正比，所以根据脉冲幅度的大小可以确左入射粒子的能量。利用脉冲幅 度分析器可以测定入射射能谱。TMaHTI)遊孕遒I图
6、1.2 2 冈城出仪世圏(1)闪烁体。闪烁体是用来把射线能量转变为光能的。闪烁体分无机闪烁体和有机 闪烁体两大类。实际运用中依据不同的探测对象和要求选择不同的闪烁体。本实验中采用含 铠(TI)的Nal晶体作r射线的探测器。Skzw厂 uzzz/z/zr 1JWJ广KW 1.2-3百叶血式非聚焦塑光电倍増腎(2)光电倍增管。光电倍增管的结构如图1.2-3。它由光阴极K、收集电子的阳极 A与在阳极与光阴极之间十个左右能发射二次电子的次阴极(又称倍增极、打拿极或联极) 构成，相邻的两个电极之间的电位差一般在100 V左右。当闪烁体发出的光子打到光阴极时, 它打出的光电子被加速聚焦到第一倍增极D】上，
7、平均每个光电子在D1上打岀36个次 级电子，增殖的电子又为Di和D2之间的电场加速，打到第二个倍增极D2上，平均每个电 子又打岀36个次级电子，.这样经过n级倍增后，在阳极上就收集到大量的电子，在 负载上形成一个电压脉冲。4.闪烁谱仪对137C s单能r射线的响应由于Be s只放岀单一能量的r射线(Er=0.662M e V )。而此r射线能呈:小于正、 负电子对的产生阈1.02Me V。所以C s的r射线与Na I (T 1 )晶体的相互作用只有 光电效应和康普顿散射两个过程。图125给出了用N a I (T 1 )晶体r谱仪所测得的 C s的r能谱，其中1号醱相应于光电峰，1号峰左面的平台
8、相应于康普顿电子的贡献。如 果康普顿散射产生的散射光子h v未逸出晶体，仍然为Na 1 (T 1 )晶体所吸收，也即 通过光电效应把散射光子的能量h转换成光电子能量，而这个光电子也将对输岀脉冲做 贡献。由于上述整个过程是在很短时间内完成的，这个时间比探测器形成一个脉冲所需的时 间短得多，所以先产生的康普顿电子和后产生的光电子，二者对输出脉冲的贡献是叠加在一 起形成一个脉冲。这个脉冲幅度所对应的能疑，是这两个电子的能量之和，即Ee+h v =h v ,即等于入射r射线的能量。所以这一过程所形成的脉冲将叠加在光电峰1之上使之 增高。为了确切起见，1号峰又称为全能也图1.2-5的康普顿电子平台上还出
9、现一个2号 峰，它是由于入射r射线穿过Na I晶体，打到光电倍增管上发生1 8 0。的康普顿散射， 反散射的光子返回晶体，与晶体发生光电效应所形成的。返回散射光子能Mh=Er-Ec散射也会对反散射蠅有贡献。max： =0.184Me V,所以2号峰称为反散射峰。当然r射线在源衬底、源容器材料上的反图125中能量最小的那个邮是因为c s的B衰变子体137 B a在退激时，可能不发生r射线，而是通过内转过程， 把B a的K电子打岀。这一过程将导致发生13 a的K系X射 线，所以这个峰对应于B a的K系射线的能量(3 2 k e V 左右)。137c s的Y谱是比较典型的，常用137C s作为标准源
10、，一方面用来检验r谱仪的能量分辨率，另一方而作为：r射线能量测虽:的相对标准。5 闪烁谱仪的能量线性关系图5所时的脉冲分布式闪烁谱仪测得的，闪烁谱仪的方框图如图2所示。探头的输出 脉冲幅度还比较小，在供分析前要经放大器放大。对线性放大器要求输入和输出脉冲幅度之间的线性关系要号；放大器倍数和输出脉冲范囤要合适，以适应脉冲分析骼的要求。脉冲分 析赳能测出幅度在一定范国内之脉冲数。脉冲分析其输出的脉冲数可用左标器记录，并利用 电脑软件画出谱线。从图5脉冲分布的具体例子可看岀，全能峰是最明显的，能量关系最简单，因此被用 来测定r射线的能量,由(a)式可知，全能峰对应脉冲幅度是KE。在一定条件下,测得
11、一已知能量Er已知的射线全能峰对应脉冲幅度V已知:相同条件下，测的某未知能量的射线产生的全能峰对应脉冲幅度为V,则苴能量为Er二V/K二VEr已如/V已知利用闪烁谱仪作r射线能量测肚时，最基本的要求是在入射r射线的能量和它产生I. 2“WX阳九i 父的住僦刮佝 2的脉冲幅度(指全能峰的位置)之间有确立的关系：对 于理想的闪烁谱仪，脉冲幅度与能量之间应呈线性关系; 对于实际Na I (T 1 )闪烁谱仪在较宽的能量范围内(1 00 k e V到1 3 00 k e V )是近似线性的。这是利 用该谱仪进行射线能量分析与判断未知放射性核素的重 要依据。通常，在实验上利用系列标准源，测虽:相应全能量
12、蜂处的脉冲幅度，建立r射线能量及其对应唸位的关系曲线，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一条直线,(1.2-4)式中Xp为全能峰绦位：Eo为直线截距：G为增益(即单位脉冲幅度对应的能量)。能 量刻度曲线可以选用标准源137C s (0.662M e V )和o (1.17、1.33M e V )来作， 如图1.2-6所示。实验中欲得到较理想的线性，还要注意放大器和单道分析器甄别阈的线性, 进行必要的检验与调整。此外，实验条件变化时应重新进行刻度。二、影响能量分辨率的主要因素1. 理论分析：由以上分析可知,当闪烁体吸收能量为E的带电粒子时，就会产生一幅度为KE的脉冲: 当
13、吸收能量为Er的r射线时，在单一幅度的脉冲和由康普顿效应产生的幅度连续分布的脉 冲。但实际上在单能带电粒子被全吸收时，产生的脉冲幅度也不是都一样的。这是由于闪烁 体的发光、光阴级的光电子的发射、倍增级的次级电子都服从统汁规律，存在一泄的统计涨 落：同时闪烁体各部分的发光效率和光的收集率不会完全一样，光阴几个部分的灵敏度也有 差别。所以对应于某一立能量的粒子，光电倍增管的输出脉冲的幅度的大小仍有起伏(图 1.2-4)。通常把脉冲计数率随脉冲幅度分布的半宽度Ui/2与计数率最大值对应的脉冲幅 度Uo之比左义为能量分辨由于粒子能量与脉冲幅度成正比，所以能量分辨率% F(1.2-3)从理论上分析影响和
14、产生能虽:分辨率的主要因素可能有以下几点： 由于在r射线激发使闪烁体发光过程中存在着一圧程度上的统计涨落；同时又由于闪 烁体本身材料的非均性使得在不同点的位置上发光效率不同；还有就是入射粒子在穿过晶体的角度、位宜不同所带来的在晶体内运动所造成损失能量的也不禁相同。从而综合上述导致同一能呈的粒子在闪烁体中产生的光子数目不同。IW 1.2-4输出沐冲旃度浸廉所 肾兴即灯fit晴対懈木族的妄削 粒子的入射位置不同，使得闪烁体所发岀的光能到达光阴极的收 集效率也不同。 由于光阴极表而材料的平整度、均匀性的不同，导致阴极的不同 位置发射光电子的效率也不同。 光阴极发射光电子数和光电倍增管的倍增系数的统计
15、涨落。 光电倍增管的本底脉冲噪声将叠加在入射粒子的脉冲信号上使之 发生涨落。 在光电倍增管上所加的髙压的稳左程度在很大程度上也会影响能量的分辨率。 探测器和电子系统的噪声。 射线在从放射源岀来后再到探头的过程中有一段经过空气的过程，在这一过程中会与空气 分子发生散射，影响粒子能量的单一行。从而影响了能量的分辨率。 闪烁材料由于材料本身的缘故，使得器对不同能量的射线所造成的能量分辨率也不尽相 同。如NalCTl）晶体对c s的0.662M e V的r射线（全能峰）能量分辨率约为8%10%, 而对60C o的1.17MeV的射线分辨率约为5%7%。 康普顿散射由于是连续分布的，从而在散射角很小时，
16、散射光子能量由微小变化而这些散 射光子在闪烁体中穿过时有可能发生光电效应而被吸收，从而使得在全能稣在谱图商表现为 Ve为中心有一泄的分布。（如图1.2-4）2. 实验中的能量分辨率：（1）.在试验后的数据分析中得到s joe o和22Na对应各个峰的能量分辨率分別为:元素能量/MeV能量分辨率能量/MeV能量分辨率137Cs0.6628.6%0.18443.6%60Co1.175.8%1.334.3%22Na1.2756.6%0.51114.8%（2）实验中各个U金对应的能量分辨率都不是太高，在理论分析中的那十点在实验中都有影 响，考虑到在理论分析中提到的那些影响能量分辨率的一些因素在实验中具
17、体变化所导致的 影响，在我此次实验中影响能量分辨率最主要的因素分别是：任整个实验过程中，整体来说 仪器的灵敏度和高压很是比较稳泄的，髙压变化幅度不到IV,所以影响较小，不是主要因 素：口7Cs由于考虑到放射源产生的粒子的效率比较高就没有将放射源从塑料盒中拿出，所 以r射线在通过塑料盒时由于塑料的不均匀性使得单一能量的r射线变的不单一了，这样就 产生比较大的影响；60CO主要是发射源于探头之间的距藹很较大的第八点影响比较大点： 22Na的全能峰对应的能量比较大产生正负电子对，电子在闪烁体中发生各种作用比较复杂, 使得其能疑分辨率的影响因素比其他两种放射源要复杂一点，在通过闪烁体这一段过程中影 响比较大。而对这三种发射源发出的射线都影响比较大的是前五项因素。实验总结：从整个实验过程我们了解到r能谱仪工作的基本原理。为我们以后的实验做好 了理论基础。例如：相对论的验证实验就是很好的利用了这些仪器工作原理的例子，为我们 提供了一种了解核物理的方便而有效的方法。同时在分析影响能量分辨率的因素的过程中让 我更加全而透彻的理解整个实验的原理和思路，找到了产生和影响能量分辨率的主要因素后 为做实验中针对能量分辨率这一项的改进方法提供很好的理论依据。参考资料：近代物理实验2006近代物理实验 高立模主编/夏顺保陆文强副主编 南开大学出版社2006年9月版实验过程中老师所发讲义